Magnetron Sputtering nedir?

 

 

   

Magnetron Sputtering, Türkçe ifadesiyle manyetik sıçratma, bir fiziksel buharlaştırma kaplama (PVD-Physical Vapour Deposition) yöntemidir. Plasma fazındaki Argon gazı iyonları vakum altında (1~3x10E-2mbar) bir elektrik alan içerisinde hızlandırılıp kaynak malzemeye diğer bir ifadeyle Hedef – Target malzemeye çarptırılır. Hedef malzemeler yuvarlak disk, dikdörtgen veya silindrik boru şeklinde olabilir. Hedef malzemeden kopan parçacıklar istenilen yüzeye (substrate) kondurulur. Argon gazı taşıyıcı gazdır. Bu gaz olmadan sputtering süreci gerçekleşmez.

Hedef malzemelerden bazılarına örnek verecek olursak Titanyum (Ti), Krom (Cr) , Zirkonyum (Zr), Bakır (Cu), Altın (Au), Gümüş (Au) endüstride sık kullanılan malzemelerdir. Bu malzemeler tekbaşlarına kullanılabildikleri gibi, bu malzemelerin alaşımları da hedef malzeme olarak kullanılabilir. Reaktif bir gazın (Azot – N2, Oksijen O2, Asetilen C2H2) sürece dahil edilmesiyle bu malzemelerin nitridleri, oksitleri ve karbürleri elde edilebilinir. Mesela TiN (Titanyum Nitride) kesici takım sanayinde aşınmaya dayanıklı bir fonksiyonel kaplama olarak kullanılırken, dekoratif kaplama olarak altın renginin uygulanmak istendiği diğer birçok sektörde kullanılabilir.

Sputtering tekniği, yarı iletken teknolojileri, uzay-havacılık, medikal, makine ve kimya gibi sanayilerde fonksiyonel kaplamaların uygulanmasında, otomotiv ve beyaz eşya gibi sektrörlerde de dekoratif kaplamaların uygulanmasında kullanılan bir yöntemdir.

 

Peki, sputtering yönteminin sektörde bilinen diğer kaplama yöntemlerinden farkı ve avantajları nelerdir? 

 

Basit örneklerle; Endüstride en yaygın olarak bilinen PVD yöntemi Termal Buharlaştırma / Reziztif Buharlaştırma (Thermal Evaporation / Resistive Evaporation) yöntemidir. Sektörde metalize, aluminyum metalize ya da vakum metalize ifadeleriyle anılır. Örnek verecek olursak kozmetik ambalaj sektöründe parfüm, oje, ruj kapakları vb., otomotiv sanayinde otomobil farları gibi ürünlerin üzerinde gördüğümüz yansıtıcı yüzeyler Termal buharlaştırma yöntemi ile elde edilmektedir. Kullanımı basittir. Yüksek vakum altında (~10E-4mbar) tungsten flamanlar üzerine konulan aluminyum parçaları eritilip buharlaştırılır ve istenilen ürün üzerine kondurulur. İşlem süresi kısadır. Ürünler çok az ısıya maruz kalırlar. Ürünlerde işlem sırasında ısıdan kaynaklı oluşacak deformasyonlar yok denecek kadar azdır. Yoğun bir buhar elde edilir ancak yüzeye konan malzemenin yüzeydeki tutunuculuğu buharlaşan mazlemenin düşük kinetik enerjisinden dolayı zayıftır. Seri üretim için, buharlaştırılan mazlemede Aluminyumun dışına pek çıkılamamaktadır. Çok ama çok az bazı uygulamarda NiCr alaşımı ve Altın gibi malzemeler kullanılmaktadır. Altın, rose gold, ve diğer metalik dekoratif yüzeyler, yansıtıcı yüzey üzerine uygulanan son kat verniklerin içerisine konan pigmentlerle elde edilir. Bu renkler zaman içerisinde UV ışınlarından etkilenip solabilirler. Ugulama esnasında herzaman aynı renk tutturulamayabilir. Yüzey üzerindeki girinti ve çıkıntılarda farklı tonlar oluşabilir.

Diğer bilinen PVD yöntemi de Cathodic Arc Deposition (CAD) yöntemidir. Takım uçları üzerindeki sert seramik kaplamalardan tutun da fayanslar ve metalik ürünler üzerindeki dekoratif ve fonksiyonel kaplamalara kadar birçok alanda kullanılır. Bu yöntem son zamanlarda piyasada bazı kişiler tarafından yanlış da olsa magnetron sputtering olarak ifade edilmekte; Alakası yoktur. Cathodic Arc yöntemi de bir çeşit termal buharlaştırma yöntemidir. Kullanılan buharlaştırma kaynakları sputteringde kullanılan hedef malzemelere benzer. Burada herhangi bir gazın ionize edilip taşıyıcı gaz olarak herhangi bir hedefe çarptırılarak yüzeyden malzeme kopartılması söz konusu değildir. Bir elektrod yardımıyla hedef malzeme üzerine belli güç ve frekansta elektrik arkları oluşturulur. Bu elektrik arkları hedef malzemenin yüzeyinden parçacıkları eritip buharlaştırır. Yoğun bir ısı açığa çıkar. Kaplamalardaki yüzey gerilimleri fazladır. Bazen iri taneli parçacıkların kopup yüzeye yapışması söz konusudur ki bu özellikle optik kaplamalarda istenmeyen bir durumdur. Oluşan malzeme buharı çok yoğundur. Ayrıca malzemeler yüksek enerji ile buharlaştığından istenilen yüzeydeki tutunuculuk çok kuvvetlidir. İşlem sırasında oluşan sıcaklık (>200ºC) da bu kuvetli tutunuculuğun bir yardımcısıdır. Bu kaplama yöntemi plastik ürünlerde tercih edilmez çünkü oluşan yüksek ısı plastik ürünlerin deforme olmasına neden olur.

 

İşte, bahsettiğim bu iki yöntemle kıyaslayacak olursak, sputtering bu iki tekniğin arasında biryerde diyebiliriz. Kaplama sürecinde daha düşük ısılar oluşur (50~60ºC). Plastik ürünlere daha kolay uygulanabilir. Aluminyum metalizasyona kıyasya kaplama daha büyük enerjiyle gerçekleşir ve yüzey tutunuculuğu çok fazladır. Hedef malzeme çeşitliliği fazladır. Homojen ve yüzey gerilimi düşük kaplamalar elde edilir. Kaplama süresinde kısıtlama yoktur ancak Cathodic Arc yöntemine kıyasla daha yavaş bir süreçtir. Metal, cam ve seramik üzerine yapılan uygulamalarda istenilen başarı Cathodic Arc yöntemine kıyasla, mazlemenin niteliği ve isteninlen kaplamanın niteliğine göre degişiklik gösterir.

 

Makine özellikleri:

 

 

Kazan ölçüleri:

Ø 300mm H200mm

Kazan Malzemesi:

304L Paslanmaz Çelik

Vakum Ünitesi:

LG PLC kontrol.

400L/dak kapasiteli rotary pompa.

1200L/sn kapasiteli difüzyon pompası.

300ml DC704 difüzyon yağı veya mualidi.

Pfeiffer PKR251 TPG 261 Compact Full Range sensör ve okuyucu.

2 x 500W difüzyon pompası ısıtıcısı.

PID Difüzyon Isı kontrolü.

İnilebilir minimum basınç 10¯6 mbar.

Su çevirimi 5L/dak. 20ºC

Pnömatik aktüatörlü açılır kapanır valfler

 

Magnetron katodları

2 Ad. 3” Disk magnetron ~Ø70mm 

Magnetron güç kaynakları

5 X 500W MF (Mid Frequency) Orta frekanslı ~60kHz

Plasma cleaning (Glow Discharge):

Plasma ortamında istenilen yüzey üzerinde ön temizlik yapabilme özelliği.

Döner aparat:

Redüktörlü motor yardımıyla yörüngesel sistem rotasyon.

4 Ad. malzeme tutucusu. (Targetlara 45ºlik açıyla pozisyonlanmış)

Gaz kontrolü

2 Ad. Dijital Oransal Otomatik Gaz valfi

 

1 Ad. Manuel hassas micro metering valf

 

1 Ad. Mass flow sensör

Diğer parçalar:

Target ve vakum sistemini soğutmak için özel yaptırılmış gazlı soğutucu.

Su çevirim pompaları.

Argon ve nitrojen tüpleri

Gaz regulatörleri

Titanyum, paslanmaz, bronz, aluminyum, grafit targetlar