Zümrüt VAROL

Kimyasal Buhar Biriktirme

(CVD)

Zümrüt VAROL

Gazi Üniversitesi

Fen Bilimleri Enstitüsü

İleri Teknolojiler ABD

Zümrüt VAROL

Anlatacaklarım

• Tanım

• Yöntem

• CVD Çalışma Mekanizması

• CVD Reaksiyon Türleri

• CVD Kaynak ve Malzeme Özellikleri

• CVD Türleri

• CVD Reaktör Türleri

• CVD Cihazı ekipmanları

• Prof. Dr. İbrahim Uslu’nun Doktora Tezi

• CVD Avantaj ve Dezavantajları

• CVD Uygulama Alanları

• Kaynaklar

Zümrüt VAROL

Kimyasal Buhar Biriktirme

(CVD)

• Ortalama kapalı bir kap içinde ısıtılmış malzeme yüzeyinin

buhar halindeki bir taşıyıcı gazın kimyasal reaksiyonu

sonucu oluşan katı bir malzeme ile kaplanması kimyasal

buhar biriktirme (Chemical Vapour Deposition, CVD)

yöntemi olarak tanımlanır.

Zümrüt VAROL

Yöntem

• CVD yöntemi; buhar fazından ve basıncı istenilen değerlere

ayarlanmış bir ortamda kimyasal yöntemle katı kaplama

malzemesi üretmeyi temel alır.

Zümrüt VAROL

• Kaplama kalınlığı 10 μm den daha incedir.

• Kaplama sıcaklığı, yapılan kaplamanın türüne bağlıdır ve

genellikle 500-1100 °C arasındadır.

• İşlem süresi yapılan tabaka kalınlığına bağlı olarak 2- 4 saat

arasında değişir.

• Kaplama stokiometresi, morfolojisi, kristal yapısı ve yönü,

kaplama parametreleri değiştirilerek kontrol altına alınabilir

Zümrüt VAROL

CVD Çalışma Mekanizması

1. Reaktanın substrat yüzeyine difüzyonu

2. Reaktanın substrat yüzeyine absorpsiyonu

3. Reaktan- substrat arası kimyasal reaksiyon

4. Üründen gaz desorpsiyonu

5. Üründen atık gazın uzaklaşması

Zümrüt VAROL

Zümrüt VAROL

Zümrüt VAROL

CVD Reaksiyon Türleri

• Piroliz ve Termal Bozunma

• Redüksiyon

• Oksidasyon

• Bileşik Oluşturma

• Oransızlaşım

• Tersinir transfer

Zümrüt VAROL

Piroliz ve Termal Bozunma

• AB(g) A(s) + B(g)

• 650 oC’ de Silandan Silisyum Biriktirme

• SiH4(g) Si(s) + 2H2(g)

• Biriktirmede kullanılanlar;

– Al, Ti, Pb, Mo, Fe, Ni, B, Zr, C, Si, Ge, SiO2, Al2O3, MnO2,BN,

Si3N4, GaN, Si1-xGex

Zümrüt VAROL

Redüksiyon

• Sıklıkla H2 kullanılır.

• Pirolizden daha düşük sıcaklıkta gerçekleşir.

• AX(g) + H2(g) A(s) + HX(g)

• 300 oC’de W biriktirme.

• WF6(g) + 3H2(g) W(s) + 6HF(g)

• Biriktirmede kullanılan;

– Al, Ti, Sn, Ta, Nb, Cr, Mo, Fe, B, Si, Ge, TaB, TiB2, Nb3Ge,

Zümrüt VAROL

Oksidasyon

• Sıklıkla O2 kullanılır.

• AX(g) + O2(g) AO(s) + [O]X(g)

• 450 oC’de Si ve O2 ‘den SiO2 biriktirme.

• SiH4(g) + O2(g) SiO2(s) + 2H2(g)

• Biriktirmede kullanılanlar

– Al2O3, TiO2, Ta2O5, SnO2, ZnO, .

Zümrüt VAROL

Bileşik Oluşturma

• Sıklıkla amonyak ve su buharı kullanılır.

• AX(g) + NH3(g) AN(s) + HX(g)

• AX(g) + H2O(g) AO(s) + HX(g)

• 1100oC’de aşınmaya karşı dirençli BN film üretimi

• BF3(g) + NH3(g) BN(s) + 3HF(g)

• Biriktirmede kullanılanlar;

– TiN, TaN, AlN, SiC, Al2O3, In2O3, SnO2, SiO2

• BN çok kararlı ve uçucu olmayan bir bileşik olup, yüksek

sıcaklıkta bileşikler arasındaki B ve N, BN oluşturma

eğilimindedir.

Zümrüt VAROL

Oransızlaşım

• Birden fazla değerlikli bileşeni içeren elementlerde görülür.

• 2AB(g) A(s) + AB2 (g)

• Biriktirmede kullanılanlar:

– Al, C, Ge, Si, III-V bileşikler

Zümrüt VAROL

Tersinir Transfer

• Biriktirmede kullanılanlar:

– GaInAs, AlGaAs, InP, FeSi2

Zümrüt VAROL

CVD Kaynak ve Malzeme Özellikleri

• Kaynak Tipleri

– Gaz

– Uçucu Sıvılar

– Süblimleşebilir Katılar

Ve bunların kombinasyonlar

• Kullanılan Malzemeler

– Oda sıcaklığında stabil

– Yeterince uçucu

– İyi büyüme oranları ele etmek için yeterince yüksek kısmi basınç

– Reaksiyonun ısısın substratın erime noktasından küçük olması

– Tabaka üzerinden istenilen filmi üretmek ve ürünlerin kolayca

sökülmesi

– Düşük toksisite

Zümrüt VAROL

CVD Türleri

• Atmosferik Basınçlı Kimyasal Buhar Biriktirme (APCVD)

• Alçak Basınçlı Kimyasal Buhar Biriktirme(LPCVD)

• Metal- Organik Kimyasal Buhar Biriktirme(MOCVD)

• Plazma Destekli Kimyasal Buhar Biriktirme (PECVD)

• Lazer Kimyasal Buhar Biriktirme(LCVD)

Zümrüt VAROL

APCVD

• 800-1000 oC.

• Film kalınlığı homojenliği muhafa edilemez

• Yüzeyde pürüzler ulaşabilir.

• Yüzey verimi nedeniyle çökelme düşüktür.

Zümrüt VAROL

LPCVD

• Enerji mekanizmanın ısısından elde edilmektedir.

• Alçak basınçtan sayesinde substrata biriktirme yöntemini

bozmadan dik olarak hedef malzemeye çok yakın

pozisyonda tutulabilir.

• Yüksek sıcaklıklarda çalışmak mümkündür.

• Geniş hacimli uygulamalar

Zümrüt VAROL

MOCVD

• Modern aygıtların epitaksiyel büyütülmesinde yaygın olarak

kullanılmaktadır.

• Özellikle III–V yarıiletken bileşikleriyle yüksek kaliteli

epitaksiyel tabakalar,

keskin arayüzeyler ve

birkaç atom kalınlığında

çok tabakalı yapılar

üretebilmedeki avantajları

bakımından kendini kanıtlamış

önemli bir epitaksiyel

büyütme tekniğidir

Zümrüt VAROL

PECVD

• Elektromanyetik enerji ile genellikle birkaç 100 kHz (düşük

frekans), 13.6 MHz (radyo frekansı) ve 2.56 GHz

(mikrodalga)

• 1 Pa -100 Pa basınç aralığında

• Düşük substrat sıcaklıklarında (25-450 oC)

Zümrüt VAROL

LCVD

• İnce filmlerin geniş hacimli yüzeylere kaplanması

mümkündür.

• Tabakalar 100 Pa-1000 Pa basınç aralığında

Zümrüt VAROL

CVD Reaktör Örnekleri

RF

RF

Zümrüt VAROL

• Periyodik tabloda gölgelendirmiş kutucuklar CVD’de

biriktirme işleminde kullanılan elementlerdir.

Zümrüt VAROL

CVD Ekipmanı

• Gaz dağıtım sistemi – Reaktör odasına başlangıç maddelerinin sevk

edilmesi için.

• Reaktör odası – Birikmenin olduğu oda kaplanacak maddenin

yükleneceği mekanizma ve maddeyi getirip uzaklaştıracak bir

mekanizma

• Enerji kaynağı – Başlangıç maddelerinin reaksiyonu için gereken ısı ve

enerjiyi sağlar

• Vakum sistemi – Reaksiyon/birikme için gerekenlerden farklı diğer

gazların ortamdan uzaklaştırılması için

• Ekzoz sistemi – Reaksiyon odasından uçucu bileşenlerin

uzaklaştırılması için

• Ekzoz işlem sistemleri – Ekzoz gazları çevreye zararlı olabilir. Bu

nedenle güvenli bileşikler haline dönüştürmek için

• Proses kontrol ekipmanları – Basınç, sıcaklık ve zaman gibi proses

parametrelerinin kontrol ve izlenmesi için gereklidir

Zümrüt VAROL

Prof.Dr. İbrahim Uslu’nun Doktora Tezi

Zümrüt VAROL

Prof.Dr. İbrahim Uslu’nun Doktora Tezi

Quartz camların ve nükleer yakıtların CVD ile kaplanması

Zümrüt VAROL

Prof.Dr. İbrahim Uslu’nun Doktora Tezi

UO2 üzerine BN kaplama enine kesiti

(x1000 ve x3000 büyütme)

Zümrüt VAROL

Zümrüt VAROL

CVD

Avantajları Dezavantajları

• Yüksek büyüme oranı

• Üretimi ekonomik, aynı

anda sayıca çok parça

kaplama

• Karmaşık şekiller ve iç

yüzeyleri üzerinde

tabakaların

uygulanabilirliği( uniform)

• Yüksek film kalitesi

• Yüksek saflıkta filmler

• Yüksek yoğunluklu filmler

• Epitaksi sözkonusu olan

filmler

• Yüksek sıcaklık aralığı

• Karmaşık süreçler

• Zehirli ve korozif gazlar

• Sıcaklık ve basınca

dayanıklı pahalı numuneler

Zümrüt VAROL

Uygulama Alanları

• Optik fiberler ve telekomünikasyon

• Nanomakineler

• Yarı iletkenler ve ilgili cihazlar, entegre devreler, algılayıcılar

optoelektronik cihazlar

• Kompozitler, Elyaf ve toz üretimi, Katalizörler

• Elektronik sanayisinde, makine imalat sektöründe

• Kesici-delici-aşındırıcı yüzey üretiminde,

• Yüzeylere yüksek sıcaklık direnci sağlayan seramik esaslı

kaplamalar üretiminde

• Askeriye, mühendislik, havacılık, elektronik sanayileri başta

olmak üzere birçok alanda önem kazanmasına neden

olmaktadır

Zümrüt VAROL

Zümrüt VAROL

Kaynaklar

• Carlsson, J-O, Chemical Vapor Deposition

• Evcin, A (2006) Kaplama Teknikleri Ders Notları

• Surface Engineering Series Vol.2 Chemical Vapor

Deposition (2001) Ed. Jong-Hee Park: ASM İnternational

• Özenbaş, M (2013) Surface processing of materials, CVD,

METU

• Uslu, İ. (1995) The production, characterization and burnup

of uranium dioxide gadolinium oxiede fuel and boron nitride

coated uranium dioxidegadolinium oxide fuel. PhD Thesis.

METU.

Zümrüt VAROL

TEŞEKKÜRLER…