İNCE FİLM DEVRE TEKNOLOJİSİ

Yener GÜRLER LONDRA

ÖZET

Uzun samandan beri sık sık sözü edilen ve birçok yabancı yayınlara konu olan ince (thin) film devreler hakkında genel bir malumat veıilmistir. İnce film devrelere temel olan evaporasyon ve sputtering metodları izah edilmiş ve devre fabrikasyonu için lüzumlu ön bilgi temin edilmiştir. İnce film teknolojisinin gerek optik ve gerekse elektronik ve endüstriyel alanda birçok tatbikatı bulunmaktadır.

SUMMARY A general explanation is given about thin film circuits; since it has been the subject of many papers and is midely talked about in the sdentific and technical fournals. Thermal evaporation and sputtering technigues, tohich are the basio methods for thin film circuit manufacture are explained and a background knomledge for the circuit production is given. There are numerous applicatlons of thin film technology in the optics and electronics fields as well as in industıy.

Giriş

H. dünya savaşından sonra elektronik endüstrisinde hafif, az yer kaplayacak, güvenilir ve ucuz cihazlara doğan İhtiyaç, lmalclleri mlnyatürleşmeye doğru yöneltnügtir. Bu cümleden olarak geniş çapta yapılan araştırmalar, elektronik bilimine her yıl teknolojik yenilikler getirerek, büyük adımlar atılmıştır.

1950 senelerinde yan iletken elemanların keşfi ve elektroniğe sokulması ile daha da hızlanan teknolojik ge^şme, tahminlerin üstünde bir başarıya ulaşmıştır, tik zamanlarda kullanılmakta olan ve halene birçok tatbikat sahası bulunan baskı devreler (printed circuits), genellikle çeşitli plastik tabakaların üzerine ince bakır levhaların yapıştırılması ve bu bakırın kimyevi olarak işlenerek devre iletken şebekesinin meydana getirilmesinden ibarettir. Aktif ve pasif elemanlar, ayrı ayrı bu devreye lehimlenerek fonksiyon devresi halini almaktadır.

Yan İletken elemanlar boyut bakımından çok küçük yapıldığı gibi üstün karakteristikleri haizdir, tşte yan iletken sanayiinde elde edilen bu ilerlemelere, baskı devreler ayak uyduramamakta ve yan iletkenlerle elde edilen üstünlüklerin tam olarak kullanılmasına engel olmaktadır. Bu sebepten dolayı, baskı devreler yerlerini, pasif elemanların da yapılabildiği ve yan İletkeni aktif elemanlarla rahatlıkla kullanılabilen, minyatür baskı devreler diye adlandırabileceğimiz, hacimce ve ağırlıkça daha küçük olan İnce film1 ve kalın film devrelere terk etmeğe başlamıştır.

Minyatürlzasyon teknolojisindeki gelişmeler neticesi, elektronik cihazlarda elde edilen hacimce küçülme nisbî olarak Şekil l'de gösterilmiştir.

Teorik bilgi

Metal veya yalıtkanlann çok ince filmlerio nln (birkaç bin A e kadar) esas elementlerinden başka özellikler gösterdiği daha geçen asrın sonlarında birçok ilim adamlan tarafından kaydedilmiş ve bu alanda geniş çalışmalar yapılmıştır.

İnce metal filmlerin birçok özellikleri yarım asırdır incelenmektedir. Metal filmlerin elektrik akımına gösterdikleri direncin, film kalınlığı İle ters orantılı olarak değiştiği görülmüş ve bu da, modern elektron teorisine dayanarak, elektronların film yüzeylerine çarparak ortalama serbest yollarının (mean free pattı) kısaldığı ve dolayisiyle direncin yükseldiği şeklinde izah edilmiştir. Buna göro bir metal filmin direnci

R=

x p olarak verilebilir.

wxt

Burada:

P filmin özdirenci L filmin uzunluğu

w : filmin genişliği

t : filmin kalınlığıdır.

înce film çalışmalarında yukardaki formülde L = w abnarak, direnç :

formülne göre Oıhm/kare şeklinde ifade edilir.

ince filmler, elementlerin dilşük basınçlı bir ortam içerisinde buharlaştırılması ve bu buharın daha düşük sıcaklıktaki alıcı yüzey üzerinde yoğuşması ile elde edilirler.

Blektrlk Mühendisliği 174

HAC1«

1 1*50 • S E N E I,£R

Şekil 1 — Elektronik cihazlardaki niabi gelişmeler

Filmin alıcı yüzey üzerinde teşkil edilebilmesi için ıbasınç, kaynak sıcaklığı, alıcı yüzeyin uygunluğu gibi birçok şartların gerçekleştirilmesi lazım gelmektedir. Buharlaşmış olan atomların alıcı yüzeyde toplanabilmesi İçin enerjilerinin yüksek ve sayılarının da bir kritik seviyenin üstünde olması lazımdîr. Çünkü, yüzeye gelen atomların bir kısmı yüzeyden yansırlar. Yalnız yüksek enerjide olanlar yüzeyde tutunarak çekirdekler meydana getirirler. Sonradan gelen atomlarda bu çekirdekler etrafında toplanarak düzgün bir film tabakasının teşkili temin edilir.

înce filmlerin yapısı ve karakteristikleri, yoğuşma şartlan İle çok değişiklikler gösterdiklerinden bu değişkenlerin titizlikle kontrol edilmeleri lazımdır. Bu değişkenleri şöyle özetleyebiliriz :

1 — Evaporasyon odasındaki gazın cinsi ve basıncı

2 — Yoğunlaşan atomların sayısı

3 — Alıcı yüzeyin cinsi ve yüzeysel durumu

4 — Kaynak sıcaklığı ile etkilenen atomların hızı

5 — Depozite edilen materyalin filaman tarafından kirletilmesi

6 — Substrate (taşıyıcı veya alıcı) sıcaklığı,

V.S.

İnce Film Elde Etme Usulleri ince bir film tabakası elde etmek için fizik ve kimyevî birçok metodlar kuUanıLmaktadır. Bunlardan bir kısmını şöyle sıralayabiliriz :

1 — Termal evaporasyon 2 — Sputtering 3 — Elektrikle kaplama 4 — Elektriksiz kaplama 5 — Buhar fazı depozisyonu 6 —• Anodik oksidasyon 7 — Kimyevî depozisyon.

Bunlardan, ince film devrelerin imali için, proses değişkenlerinin kontrol edilebilme kolaylığı ve filmlerin uygun karakteristikleri nedeniyle, termal evaporasyon ve sputtering sistemleri en yaygın oftarak kullanılan metodlardır. lAn-odik oksidasyon genellikle tek eleman olarak kapasltans imalinde, kimyevî depozisyon da, termal evaporasyonda olduğu gibi tek rezistans elamanlarının İmalinde kullanılmaktadır.

1. Termal Evaporasyon :

Bu usul çok saf filmler elde edildiği ve değişkenleri hernekadar çok İse de kontrol edilebildiği için en yaygın olarak kullanılan bir usuldür.

10-4 - ı o - 8 mim Hg basıncına kadar, havası bir difüzyon pompası yardımı İle boşaltılmış 'bir vakum odası içersinde, evapore edilecek madde, çok kere bir metal fllamandan yüksek akım geçirerek, bazan da elektron ışını ile ısıtılır. Buharlaşma noktasının üstünde bir sıcaklıkta, bu kaynaktan her yönde atom veya moleküller ya-

yılır. Buhar halindeki bu atomların, kaynaktan belli mesafeye (10-25 cm) konmuş taşıyıcılar üzerinde toplanması ile İnce film. ©İde edilir. Bir vakum odası şematik olarak Şekil 2'de gösterilmiştir.

Fılaman, yüksek erime sıcaklığım haiz Mo, W, Ta, C, Pt, gibi metallerden, depozite "edilecek materyale uygun bir şekilde yapılır. Bu fllaman materyali, yüksek 'sıcaklıkta bazı elementlerle kimyasal reaksiyona girebileceğinden, evaporasyonu yapılacak elemente en uygun filaman metali bulmak için araştırma yapmak gereklidir.

Yüksek akıım ısıtması ile 1600° C a, elektron ışını ite 2500 - 3000°ye a kadar sıcaklıklar elde edilebilmektedir.

2. Sputtering :

Termal evaporasyondan çok daha önce kullanılmış olan bu usul, yüksek sıcaklığa İhtiyaç göstermez. Bu sebepten, yüksek sıcaklıkların istenmediği yerlerde ve buharlaşma sıcaklığı yüksek olan metallerin depozisyonu için kullanılmaktadır.

Sputtering metodu, basıncı düşük bir gaz içersinde, belli uzaklıkta iki elektrod arasına bir yüksek gerilim tatbik edilmesiyle meydana gelen deşarjdan faydalanmaktadır. Detayı Şekil 3'de gösterilen ıbir sistemde, Bell Jar dediğimiz vakum odasının havası 10-4 mm Hg basıncına kadar boşaltılır. Sonradan sisteme bir asal gaz (genellikle Argon) zerk edilerek, basıncın 10-1 -

10-2 ıran Hg civarında sabit tutulması temin edilir. Depozisyonu yapılacak metal, levha halinde katoda, metal anod üzerine de yalıtkan taşıyıcılar yerleştirilmiştir. Katod-anod arasına 1-4 kV gibi yüksek bir gerilim tatbik edilince, pozitif asal gaz dyonlan hızla katoda çarpmağa başlarlar. Bu hızlı iyonlar katoda çarpınca, mevzi olarak yüzeyi yüksek sıcaklıklara çıkar, buharlaşma meydana gelir. Nötrleşmig olarak katoddan çıkan atomlarda anoda doğru hızla hareket eder ve orada bulunan taşıyıcılar üzerinde yoğuşarak bir film tabakasının meydana gelmesi sağlanmış olur.

Substrate (Taşryicı)

tnce film devrelerinin üzerinde yapıldığı yüzeye taşıyıcı (substrate) diyoruz. Film yapısı ve dolayısiyle karakteristiği, taşıyıcı yüzey ve kimyasal bileğimi ile etkilendiği gibi, filmin güvenirliliğinde büyük rol oynar. Çok küçük mrükroskopik yüzeysel hataların ince film rezistansların stabilitesinl ve hayatını etkilemiş, ve hatta rezistansların koparak bir açık devre meydana getirmiş oldukları çok kere görülmüştür.

Bu gibi hatalara meydan vermemek için, özel surette hazırlanmış, bileşimi ve yüzeysel durumu uygun cam (borosilica, silica v.s.) veya parlatılmış seramik (ALO3) taşıyıcılar kullanılmaktadır.

İnce film çalışmalarında temizlik dikkat edilmesi en başta gelen bir konudur. Taşıyıcılar, önce özel kostikli temizleyicilerle ovularak yi-

S E U JAR .* -5

10 _ W m » H |

.— E W 0 f t £ EÖD.ECEK MAOOE

— FU AMAN flVAÛt

\.r rfiA

Ilı T

Ti POMPA

•

Şekil 2 — Termal Evaporasyon aygıtının şematik detayı

^

ff'

j\

Şekil 3 — Sputtering- aygıtının gematik detayı

kanır. Sonra, sulandırılmış kostikli temizleyici içinde ultrasonik temizleyicilerle temizlenip, damıtık su ile iyice durulanarak iso - propil alkol buharında kurutulmaları arzu edilen bir temizleme prosesidir. Bu şekilde temizlenmiş taşıyıcılar, açıkta bırakılmaz ve el dokundurulmaz. Eğer kaza ıl's bir taşıyıcıya el dokunmuşsa, bu taşıyıcı tekrar temizlenmelidir.

Taşıyıcı yüzeyine konacak çok küçük toz zerrecikleri, elde edilecek ince filmlerde delikcikler meydana getirerek zararlı olacaklarından, bütün çalışmaların temiz bir atmosfer içersinde olması tavsiye edilir.

İmalât ince film devrelerin en mühim özelliği, küçük alan ve hacimlerde birçok rezistans, kapasitans gibi pasif elemanlarla, bu ve sonradan ilave edilecek aktif elemanları irtibatlayacak iletkenler şebekesinin aynı prosesle yapılabilmesidir.

Devre fabrikasyonuna geçmeden önce, devre dizayn edilerek, rezistans, kapasitans vö iletkenlerin boyutları ve yerleri tesbit edilir. Herbır eleman çeşidi (rezistans, kapaaitans, iletkenler), ayrı ayrı fakat sonradan üst üste konunca hatasız olarak çakışacak şekilde, esas devrenin 20 -100 misli büyüklükte, küçük toleranslarla çizilirler. Çizimi müteakip, devre elemanları, koordınograf denilen çok hassas ve küçük toleranslı aletle, renkli jelatinle kaplı, saydam film üzerinde jelatinin kazınması ile yine ayrı ayrı meydana getirilirler. Bu şekiller, fo-

toğrafik olarak esas boya küçültülerek devre elemanlarının negatifleri elde edilir, ve böylece hatalarda küçültülmüş olur.

Devre imalâtı esas olarak iki şekilde yapılabilir :

1 — Maske ile

2 — Kimyasal yedirme (etoh) ile.

1. Maske Usulü :

Maskeler, 60 - 120 mikron kalınlığında paslanmaz çelik veya molibden levhalardan foto - resist ve kimyasal yedirme ile, istenen elemanın negatifi kullanılarak eleman şekline uygun yerlerde açılmış, taşıyıcı boyundan biraz daha büyük plakalardır. Bir evaporasyon için kullanılacak taşıyıcı sayısı kadar ve her eleman çeşidi için birer tane maske olmasının gerektiği hatırlanmalıdır.

Evoporasyon aygıtında bu maskeler taşıyıcıların önüne konarak, İlgili elemanın evaporasyonu yapılır. Maskeler değiştirilerek ve yine ilgili eleman evaporasyonu yapılarak taşıyıcı üzerinde devre tam olarak elde ebılir.

Bu usûlde, çok hassas maskelere ihtiyaç olduğu ve sık sık maskelerin değiştirilmesi için vakum sisteminin açılması gerektiğine dikkat edilmelidir.

2. Kimyasal Yedirme Usulü :

Bu usûlde, devre elemanları İçin evaporasyon ayrı ayrı kaynaklardan sıra ile yapılarak taşjıyıc> yüzeyinin tamamı tabakalar halinde kaplanır. Boyla olumca, vakum sistemi sık sık açılmaz ve bir çırpıda lüzumlu maddeler evapore edilmiş olur. Sonradan evaporasyonun aksi sıra ile uygun negatifler kullanarak foto - resist ve kimyasal yedirme ile istenmeyen film atılarak devre imal edilir. Bu usûlde de her bir eleman çeşidi için yeni foto - resistin kullanılması lazım geldiğine dikkat edilmelidir..

Şekil 4, her iki usûlün proses basamaklarını göstermektedir.

İnce Film Elemanla/r

1. İletkenler :

Al, Ag, Cu, Pt, Au gibi iyi iletken metallerin depoaisyonu ile elde edilirler. Ne var ki, bu metaller taşıyıcılarla kimyasal bir bağ yapmadıkları için yüzeye yapışmaları zayıftır. Bunun önüne geçmek için istenen metal, önceden deo pozlto edilmiş, 400 A kadar bir kalınlıktaki Cr veya NiCr filmi üzerine depozito edilir. Cr, taşıyıcıda bol miktarda bulunan 02 ile birleşerek yüzsye iyice yapışır ve sonradan depozite edilen metal ise Cr veya NiCr filme kuvvetli bir şekilde yapışır.

2. Dirençler :

Dirençler için NiCr, NiPt, Ni, Cr, Mo, Ta, W, Pt, Co, Cr-SiO gibi özdirenci yüksek metal,

alaşım veya karışımlar uygun sistemlerdir. Bunlardan NiCr en yaygın olanıdır. Cr-SiO sistemi de yüksek rezistans değerleri elde etnvek için kullanılan son zamanlarda geliştirilmiş bir sistemdir. Her ikisi de termal evaporasyon için uygundur. Ta ise hem rezistans ve hem de anodik okstdasyon yaparak kapasitans imalinde kullanılabildiği için sputtering metodunu benimsemiş müesseseler tarafından kullanılmaktadır.

o 100 A dan daha ince filmler umumiyetle adacıklar halinde olduklarından devamlı değildirler ve genellikle kullanılmazlar. O halde elde edilebilecek en yüksek direnç bu kalınlıkta sınırlandırılmıştır. Diğer taraftan direnç jsı katsayısı da bu kalınljkta negatif ve büyük değero dedir. Buna göre 100 A dan daha kalın filmleo rin kullanılması uygun olur. 200 - 300 A kalınlığındaki bir NiCr filmi, taşıyıcı cinsine göre 200-500 Ohm/karelik dirence ve ± 100 ppm/°C lik rezistans ısı katsayısına sahiptir. Metal/dielektrik karışıma olan Cr-SiO filmler için, 5003000 A kalınlığında R = 500 - 5000 Ohm/kare ve TCR = ± 100 ppm/°C gibi değerler elde edilmektedir.

İnce film devrelerde, kullanılacak materyale göre belli bir Ohm/kare değeri elde etmek hedef alınarak evaporasyon yapılır. Devredeki direnç değeri bu Ohm/kare için kaç tane kare olacağı hesap edilerek, dirençlerin en ve boylarını tesbit etmek üzere dizayn yapıljr. Elde edilecek dirençler ± % 10 toleransa sahipseler bu iyi bir sonuç olarak kabul edilmelidir.

SOS-jlr-AÎE

s»?,', 1 }-{ RESİ5TAfiS £VAfORASVüMO j ~ [ > « X lıEĞlSTtR j.,£lt ETKEN EVAPORASVONU {-{MASK Ü£ĞI$T(R

'-{MASK DEĞİŞTİR S ÜST EtEKTROD

EVAPORASVONU •-[ISI STABIUÎESİ '-[AKTİF ELAMAN ve KENAR TEl

İLAVESİ '-[KAPSÜtLEME

y[ HEÎKEN E ',AriOPA5Vı !.!.'

'-filETKCN EVAPORASVÜNU '-{İLETKEN ETCH ' -{ Oİt-EKTRfK ETCH '•{ İLETKEN ETCH '-[RESİSTANS ETCH •[ISI STABİlİTgSt '-[AKTİP EUENMNVE KEMARTEL

İLAVESİ '-[KAPSÜUEME

Şekil 4 — İnce film devreler için proses basamakları

3. Kapasiteler :

Kapasltans elektrodlarj diğer iletkenler gibi elde edilirler. Dlelektrik ise SiO, S1O2 ve magnezyum florkîin evaporasyonu, Al, Ti, Zr, Nb ve Ta'un anodlk oksidasyonu veya floidler ve sülfatların kimyasal depozisyonu İle elde edilmektedirler. Son yıllarda polimer filmler de büyük alaka görmüşlerdir.

Dielektrik sabiteleri K = 2 - 5 arasında deo ğişan bu filmlerin kalınlıkları bir kaç bin A kadar olduğundan pratikte 0,1 ^F/om2 gibi bir kapasitans değeri elde edilebilmektedir.

înce filmlerde sık sjk rastlanan ve birçok sebebi olan «pin hole» denilen nukroskopik delikler sebebiyle sağlam kapasitanslann sayısı azalmakta ve dolayısiyle kapasitans İmali pahalıya gelmektedir. Bu sebepten dolayı, ayraca imal edilmekte olan çok küçük tip kapasitanslann sonradan devreye aktif elemanlar gibi ilâve edilmesi daha ekonomik olduğundan tercih edilmektedir.

Sonuç ince film teknolojisi gelişmiş memleketlerde gerek üniversite ve gerekse endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Tatbikat alanlarından; yüksek kaliteli ve stabilitede tek eleman olarak rezistanslar, enfraruj filitreler, optik ve adi aynalar, yalıtkan yüzeylere lehim veya kaynak yapılmasında ve bazı yüzeylerin korunmasında yardımcı eleman, yan iletken entegre devrelerin iletkenleri ve bazen rezistansları, İnce film transducerler, ince film termometreleri zikredebiliriz.

înce film devreleri zincirleme üretimin mümkün olmaması, otomatikleştirilememesi, çalışan işçi ve teknisyenlerin iyi yetişmiş kimsteler olması ve işyerlerinin tamamen temiz olması için büyük yatırımlar istemesi gibi sebeplerden dolayı pahalı bir proses olmaktadır. Bu gibi ekonomik sebeplerden dolayı ince film devreler beklenen neticeyi vermemişlerdir, fakat halen yüksek kaliteli devre imali için birçok firmalar tarafından kullanılmaktadır.

YILDIRIM

AKÜ VE PLÂKALARI

ÜSTÜN KALİTE YÜKSEK KAPASİTE UZUN ÖMÜR TAM RANDIMAN

Servis :

Sayhan Caddesi No. 117

TePl Î:. 35«6«7T An*NA

Fabrika :

„.;«.. . . . . , ^ . , -

* n

n

<%n^,» Nusratiye

Mahallesi 4 1 ;

SAĞLAM - UCUZ ve BİR SENE GARANTİLİDİR.

soTkealk: N3O3 0. 69

MERSİN

YILDIRIM KOLLEKTİF ŞİRKETİ CUMALİ ÖZBELLİ VE ORTAKLARI

(E. M. — 484) 37