Dengesiz Manyetik Alanlar
Window ve Savvides (15,16), konvansiyonel manyetik alan yönteminde mıknatısların manyetik alan konfigurasyonunu değiştirerek bu yöntemi geliştirmişlerdir. Dengesiz manyetik alan yönteminde, manyetik alanın dış mıknatısları, merkezdeki mıknatısa göre daha kuvvetli seçilerek plazmanın manyetik alan çizgilerini takip etmesi ve alt metale kadar yayılması sağlanabilir. (Şekil 3b). Manyetik alanın dengesini bu şekilde bozarak, plazmanın, hedef ve altmetal arasında, manyetik alan yardımıyla kapanması sağlanır. Böyle bir konfigurasyon, sıçratma sırasında üretilen ikincil elektronlardan çoğunun, manyetik alan çizgileri boyunca hedef metalden altmetale doğru gitmesini sağlar. Pozitif iyonlar da elektrostatik çekimle elektronları takip edeceğinden altmetal yakınında iyonizasyon gelişir ve altmetal yüzeyindeki iyon bombardımanı artar [2,7,10,11,14,17].
Biriken filmin iyon bombardımanını daha fazla arttırabilmek için ilave manyetik alan düzenleri de kullanılmıştır. Altmetalin arkasına, merkezi kutupla zıt kutuplu mıknatıslar yerleştirerek, elektromıknatıslar kullanarak veya dış kutupların mukavemetini arttırmak için kuvvetli, nadir toprak mıknatıslar kullanarak iyon enerji akımı arttırılabilir [7,8,14]. Yine de tek mıknatıs kaynağı kullanarak karmaşık şekilli parçalar üzerine üniform kaplama yapmak oldukça zordur. Bu nedenle dairesel birikme odasının duvarlarına birden fazla dikdötgen mıknatıslar monte edilerek, altmetalin mıknatısların arasında kalması ve böylece kaplamanın homojenliğinin kontrolü sağlanır. Bunun için birden fazla manyetik alan sistemi biraraya getirilerek kapalı alan dengesiz manyetik alanda sıçratma yöntemi geliştirilmiştir [8-10].
Kapalı Alan Dengesiz Manyetik Alanda Sıçratma
Kapalı alan dengesiz manyetik alan sisteminde, iki veya daha fazla manyetik alan vardır. İki tane dengesiz manyetik alan birbirine ters olacak şekilde, yani aynı kutuplar karşılıklı (ayna görüntüsü) veya zıt kutuplar karşılıklı (kapalı alan) olacak şekilde yerleştirilerek (Şekil 4), çiftli manyetik kapalı alan meydana getirilir. Ayna görüntüsü düzeninde, her iki manyetik alan çizgilerinin birbiri ile etkileşmesi şekilden de görüldüğü gibi, yana doğru yayılmaktadır. Böyle bir düzen, çizgileri takip eden ikincil elektronların plazmadan kaçmasına neden olabilir. Sonuçta atmetal bölgesinde plazma yoğunluğu düşer ve birikme sırasında iyon bombardımanı azalır. Kapalı alan düzeninde ise, mıknatıslar arasındaki manyetik alan çizgileri, plazma içindeki elektronlar için kapalı bir tuzak oluşturur. Kapalı alan düzeninde elektronların dışarı kaçma ihtimali çok az olduğundan, alt metal bölgesinde yoğun bir plazma elde edilir, bu da büyüyen filmin uğrayacağı iyon bombardımanını arttırır. Çok kaliteli filmler biriktirebilmek, alt metale negatif potansiyel uygulayarak mümkün olur. Sistemdeki iyonizasyonla ilgili olan altmetale uygulanan negatif potansiyel, konvansiyonel iyon kaplama ile karşılaştırıldığında çok düşüktür (yaklaşık - 50V) [2,8-10,17].
Manyetik alanda sıçratma yöntemleri içinde en pratik ve çok yönlü olan bu yöntem, büyük ve karmaşık şekilli altmetaller üzerine yüksek birikme hızlarında kaliteli metal ve alaşım kaplamanın yanısıra çok katlı tabakalar oluşturmak, oksit, nitrür ve karbür gibi seramik kaplama yeteneğine de sahiptir.
Teer ve ark. tarafından geliştirilen çoklu manyetik alan düzenleri, karmaşık parçalar üzerine titanyum nitrür, alaşım nitrürler, elmas benzeri karbon ve molibden disülfit biriktirmek için kullanılmıştır. Homojen bir birikme sağlamak için dönen parçanın etrafına dörtlü dengesiz manyetik alan yerleştirilmiştir. Böyle bir düzende, komşu manyetik alanlardaki farklı mıknatıs polariteleri, manyetik alanın kapanmasını sürekli yaparak kapalı alan oluşmasını sağlar (Şekil 5) [3,8,10,13].
Altmetale yüksek iyon akımı gönderebilme ve enerjiyi değiştirebilme yeteneği, dengesiz manyetik alanda sıçratma yöntemini çok yönlü kaplama sistemi yapmıştır. Çok kaliteli metal kaplamalar, kaplama parametrelerini geniş bir aralıkta değiştirerek kolayca biriktirebilir. Ayrıca iletken olmayan altmetaller üzerine titanyum oksit, indiyum kalay oksit ve silisyum oksit gibi kaplamalar, reaktif sıçratma ile biriktirilebilir [8].
Kaliteli ve üniform birikme, mıknatısları numune etrafına yerleştirerek sağlanabildiği gibi, birikme sırasında mıknatıslar etrafında birkaç eksende dönebilen (1,2 veya 3 eksenli) numuneler kullanılarak da yapılabilir. Tek metal bileşikleri (örn: TİN ZrN, CrN) ve birçok saf metalin reaktif birikmesi için tek eksenli dönme yeterlidir. Numunenin iki eksende dönmesi, karmaşık şekilli parçalarda üniformluğun çok iyi kontrolü ve karmaşık nitrür alaşımlarının (örn; TİZrN, CrZrN) ve çok tabakalı yapıların birikmesi için gereklidir. Pratikte kullanımı az olmasına rağmen, üç eksende dönebilen numuneler üzerine karışık alaşımların homojen birikmesi de mümkün olmuştur [18].
Şekil 4. Çiftli manyetik alan sistemlerinde manyetik alan düzeni
a)Ayna görüntüsü b)Kapalı alan
Darbeli Manyetik Alanda Sıçratma
AI2O3 gibi yalıtkan malzemelerin fiziksel buhar biriktirme yöntemi ile kaplanması, r.f. diyot sıçratma kullanılarak AI2O3 hedeften veya argon/oksijen atmosferinde AI hedeften reaktif olarak yapılmıştır. Bu şekilde yapılan AI2O3 kaplamanın birikme hızının düşük ve yapısının da amorf olması, onların takım malzemeleri kaplamasında kullanımını sınırlamıştır. Kapalı alan dengesiz manyetik alanda sıçratma yöntemi ile yalıtkan malzemelerin reaktif kaplanması sırasında birikme hızı mm/saat (metalik kaplamalarda mm/dak) değerine düşmekte ve sıçratma sırasında meydana gelebilecek ark deşarjları, hedeften makrotaneciklerin çıkmasına neden olduğundan hatalı ve homojen olmayan filmler meydana getirmektedir.
http://www.oss-sbs.bilgisi.gen.tr/Geliştirilen darbeli manyetik alanda sıçratma yöntemi, bu problemleri büyük ölçüde ortadan kaldırmıştır. Yalıtkan malzemelerin biriktirilmesi sırasında, manyetik alan deşarjını orta frekanslarda (10-200 kHz) darbeli yaparak yani hedefe, dönüşümlü pozitif ve nagatif darbeler uygulayarak, deşarj kararlı yapılabilir ve film içinde hata oluşumu engellenir. Film biriktirme hızı da ìm/dak değerine yaklaşır.
Darbeli manyetik alanda sıçratma yönteminde, tek manyetik alan deşarjı darbeli ise, sistem tek kutuplu darbeli sıçratma olarak tariflenir. Bu durumda yalıtkan tabakanın yüklenmesi zaman alacağından darbe süresi sınırlıdır, sonuçta ark meydana gelebilir. Eğer iki manyetik alan aynı darbeyi destekleyecek şekilde birleştirilirse, iki kutuplu darbeli sıçratma sistemi gelişir. Böyle bir sistemde, her manyetik alan dönüşümlü olarak deşarjın anot ve katotu olabileceğinden, periyodik kutup değişimi yalıtkan tabakaların deşarjını geliştirir, böylece ark oluşumu önlenir. Darbeli d.c. güç kaynaklarının pahalı olması nedeniyle, onların yerine, ark oluşumunu önleyen d.c. güç kaynakları kullanılmıştır. Hedef ile d.c. güç kaynağı arasına yerleştirilen ark önleme birimi, anlık olarak polariteyi ters çevirir ve katot potansiyelinin miktarını azaltır. Hedef potansiyeli pozitif olduğu zaman, elektronları deşarj bölgelerine çeker [2,9,17].
Arnell ve ark. [2,9,19], darbeli manyetik alanda sıçratma prosesini kullanarak, reaktif sıçratma prosesi ile alumina filmler yapmaya çalışmışlar ve hatasız, yoğun, stokiyometrik bileşimde, yaklaşık 20000 Mpa civarında mikrosertliğe sahip alumina filmler elde etmişlerdir.
SONUÇ
Fiziksel buhar biriktirme yöntemindeki gelişmeler, diğer kaplama yöntemleriyle yapılamayan veya istenen kalitede olmayan ince film kaplamaların uygulanmasını sağlamıştır. Dengesiz manyetik alanda sıçratma, kapalı alan dengesiz manyetik alanda sıçratma, darbeli manyetik alanda sıçratma yöntemleriyle iletken, yalıtkan, çok katlı ve süperkafes kaplamalar yapılmış ve çok iyi sonuçlar elde edilmiştir. Konvansiyonel dengeli manyetik alanda sıçratma yönteminde, alt metal yüzeyine ulaşan iyon yoğunluğu yetersiz olduğundan filmin mikroyapısını ve özelliklerini geliştirmek amacıyla dengesiz manyetik alanda sıçratma yöntemi geliştirilmiştir. Ancak bu yöntemde de karmaşık şekilli parçalar üzerine üniform kaplama yapma zorluğu, iki veya daha fazla manyetik alan kullanarak kapalı alan düzeninin geliştirilmesine neden olmuştur. Bu amaçla geliştirilen kapalı alan dengesiz manyetik alanda sıçratma yöntemi, manyetik alanda sıçratma yöntemleri içinde en pratik ve çok yönlü bir yöntem olmuş, büyük ve karmaşık şekilli altmetaller üzerine yüksek birikme hızlarında kaliteli metal ve alaşım kaplamanın yanısıra çok katlı tabaka, oksit, nitrür ve karbür gibi seramik kaplama yapma yeteneğine de sahip olmuştur. AI2O3 gibi yalıtkan filmlerin bu yöntemlerle istenilen özellikte biriktirilememesi de darbeli manyetik alanda sıçratma yönteminin gelişmesini sağlamıştır. Bu yöntemle biriktirilen alumina filmler, düşük kırılma indisi, çok yüksek direnç, yüksek sertlik ve aşınma direnci gibi özellikleri nedeniyle optik, mikroelektronik endüstrisinde ve kesici takım uygulamalarında kullanılmıştır.
