Spin Coater Nedir?

Pek çok elektro-optik uygulamada yaygın olarak kullanılan ince filmlerin kaplama teknolojisinde; temelde fiziksel ve kimyasal temelli, püskürtme, saçtırma, atomik yüzey kaplama, termal buharlaştırma, kimyasal buhar biriktirme ve sol-jel gibi pek çok yöntem kullanılmaktadır. Bu yöntemler arasında sol-jel yöntemi ile cam, seramik, metal ve plastik altlıklar kolaylıkla kaplanabilmektedir. Sol-jel yönteminin daldırma ile kaplama püskürtme ile kaplama ve dönel kaplama (spin coating) gibi alt teknikleri bulunmaktadır. Dönel kaplama tekniği; kolay uygulanabilirliği, çözelti tabanlı kaplama yapılabilmesi, zamandan tasarruf sağlaması, ekonomik olması ve yüksek vakum gerektirmeyen bir ortamda çalışabilmesi gibi avantajlarından dolayı diğer yöntemlere göre daha çok tercih edilen bir yöntemdir. Bu yönteminde; çözelti damlası kullanılan alttaşın merkezine damlatılır. Altlık yüksek dönme hızlarında döndürülürken yüzeyde fazladan kalan çözelti dönemin oluşturduğu merkezkaç kuvveti ile yüzeyden ayrılır. Böylece, yüzey üzerinde kalan çözelti alttaş üzerine ince film şeklinde kaplanır. Bu sistemlerin hız kontrolü, denge, kısmen büyük boyutlu oluşu, uzaktan kontrol edememe, numune tutucusunda vakum kullanma gibi problem ve sınırlandırmaları bulunmaktadır. Yukarıda bahsedilen problemlere çözüm bulmak amacıyla, bu proje kapsamında fonksiyonel ve maliyet etkin bir dönel kaplama sisteminin tasarlanması ve üretilmesi amaçlanmıştır. Tasarlanacak olan bu kaplama sisteminin homojen ince film üretmek için ergonomik, kolay kullanım sağlayan ve düşük maliyetli bir sistem olması hedeflenmektedir.

Homojen ince filmler üretebilmek amacıyla tasarlanacak olan sistemde alttaş tutucu için vakum sistemi yerine, fazla çözeltinin dışarı atılmasını sağlayan drenaj kanallara sahip, numune tutucu tasarlanacaktır. Ayrıca, atmosfer ortamında bozulan çözeltiler ile çalışabilmek için inert gaz ve nem kontrollü ile tasarım iyileştirilecektir. Devir sayısı ve işlem süresi gibi parametrelerin kontrolü için Arduino mikro denetleyici kullanılarak, Bluetooth haberleşme sistemi sayesinde sistem bilgisayar ya da cep telefonu ile uzaktan kolayca kontrol edilebilecektir. Tasarlanıp üretimi gerçekleştirilen dönel kaplama sistemi ile, günümüzde oldukça yoğun çalışılan perovskit ince filmler, hem glovebox ortamında uzaktan kontrol ile, hem de glovebox dışında atmosfer kontrolü ile kaplanıp yapısal özellikleri ve homojenlikleri karşılaştırılacaktır. Tasarlanan dönel kaplama sisteminde beklenen iyileştirmeler;  Homojen kaplama için hassas hız kontrollü  Vakum kullanmadan numune tutucu tasarımı ve denge kontrolü  Atmosfer ve nem kontrollü kapalı sistem  Glovebox gibi ortamlarda uzaktan rahat kullanım için bluetooth haberleşme sistemi  Örnek perovskit film kaplama ile performans testi Proje kapsamında; inorganik, organik ve hibrit malzeme içerikli çözeltilerle hazırlanan ince filmlerin üretiminde kolayca kullanılabilen, yer kaplamayan, düşük maliyetli , uzaktan kontrol edilebilen ve atmosfer kontrolü olan bir dönel kaplama sisteminin üretimi yapılacak ve test edilecektir. Alttaş üzerine foto-rezist kaplama, sensör üretimi, koruyucu kaplama, optik kaplama, hibrit güneş gözesi ve mikro-elektronik gibi pek çok alanda çalışma yapan laboratuvarlarda kolay kullanımı ve düşük maliyeti nedeniyle bu sistemin yaygın bir etkiye sahip olması beklenmektir. Ayrıca, çözelti tabanlı birçok malzemenin hızlı ve kolay kaplanabilmesi açısından zaman ve mekân tasarrufu sağlayacak olan bu sistem sayesinde yeni yüksek lisans ve doktora tezleri ile bilimsel yayınların ivmesi arttırılacaktır.

Günümüzde ince filmler, yarıiletken aygıtların üretiminde, manyetik kayıt-algılama sistemlerinde, optik kaplamalarda ve dekoratif işlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kaplama yöntemlerindeki farklılıklarla ve kaplama sırasındaki çeşitli işlemlerle, hacimli malzemede bulunmayan birçok özellik bu malzemelerin ince film formlarında oluşturulabilir. Hacimli malzemelere kıyasla ince filmler; klasik laboratuvar şartlarında elde edilemeyecek ölçüde temizdir, küçük geometrilerin üç boyutta oluşması mümkündür, atomik büyüme işleminden kaynaklanan filme özgü malzeme özellikleri görülebilir, kalınlık, kristal yönlenmesi ve çok katlı yapılardan kaynaklan kuantum boyut etkileri ve diğer boyut etkilerini görmekte mümkündür. Döndürme işlemi ile film kaplama dört aşamadan oluşmaktadır. Bu aşamalar, kaplama, döndürme, döndürmeyi bitirme ve buharlaştırma şeklindedir. Birinci aşamada, alttaş yüzey üzerine kaplanacak malzeme çözelti formda bir miktar damlatılır. İkinci aşamada, döndürmenin etkisi ile çözelti merkezcil kuvvetle radyan bir şekilde alttaş yüzeyin dışına doğru akar. Döndürme sonunda, fazla olan çözelti alttaş yüzeyinden taşarak yüzeyi terk eder. Film kalınlığının azalması ile yüzeyden taşan çözeltinin miktarı azalır. Bu olay, filmin incelmesi ile akışkanlığa karşı olan direncin büyümesi olarak açıklanabilir. Aynı zamanda uçucu olmayan madde konsantrasyonundaki artış, akışkanlığa karşı direncin artmasına sebep olur. Son olarak buharlaşma aşaması filmin incelmesindeki en önemli kısımdır. Döndürerek kaplamanın en önemli avantajı, film oluşurken yüzeyde oluşmaya başlayan filmin düzgün ve homojen bir şekilde dağılmasıdır. Böylece, film kalınlığı, yüzey boyunca homojen özellik gösterir. Yüzeye kaplanan çözeltinin viskozitesi değişmedikçe film kalınlığı aynı kalır. Film kalınlığının düzgün olmasında iki ana kuvvet etkendir. Bunlar; taşıyıcı üzerine damlatılan çözeltinin radyal şekilde dışa doğru akmasına neden olan merkezcil kuvvet ve ters yöne doğru olan sürtünme kuvvetidir. Döndürme safhasındaki merkezcil kuvvet, yer çekim kuvvetinin ihmal edilmesine sebep olur. Böylece filmin incelme aşamasında sadece merkezcil kuvvet vardır.

Dönel Kaplama Sisteminde Bluetooth Haberleşme Neden Kullanıldı ve Avantajları Nelerdir? Dönel kaplama sistemi ile ince film üretiminde, çözeltinin oksijenle temasıyla kaplanan yüzey bozulabilir. Üretimin oksijensiz ortamdan izole olması için azot gazı yoğun ortamda ya da glow box gibi minimum oksijen seviyesini sağlayan sistem içerisinde kolaylıkla üretim yapılabilmesi ve analiz edilebilmesi için kablosuz haberleşme yöntemlerden biri olan bluetooth haberleşme tercih edilmiştir.

Bu proje kapsamında, döndürerek kaplama yöntemi ile ince film kaplamak için kullanılan dönel kaplama sisteminin tasarlanması amaçlanmıştır. Tasarlanacak olan bu kaplama sisteminin homojen ince film üretmek için ergonomik, kolay kullanım sağlayan ve düşük maliyetli bir sistem olması hedeflenmektedir. Dönel kaplama sistemi ile kaplanan ince filmlerden daha iyi verim alınabilmesi için film, alttaş yüzeyine homojen bir şekilde kaplanmalıdır. Aynı zamanda, kaplama yapılacak çözeltinin atmosfer ortamında bozulma durumu varsa kapalı sistemlerde (glow box vb.) üretim yapılması gerekmektedir. Kapalı sistemlerde gaz girişinin ve çıkışının kontrol altına alınması için kullanılan kablo bağlantısı sorun oluşturabilir. Üretilecek olan sisteme sağlanan bluetooth özelliği ile kablosuz kontrol sayesinde cihazdan gelen nem, sıcaklık, dönüş hızı bilgileri mobil uygulamaya aktarılacak ve böylece uygulama ile sistem kontrol edilecektir. Dönel kaplama sistemlerinde alttaşı sabitlemek için vakum pompası kullanılmaktadır. Bu durum, ince film kaplanırken, kaplanacak çözeltinin alttaşın orta kısımda birikmesine neden olabilir ve üretilen ince film homojenliğini kaybedebilir. Yapılacak olan dönel kaplama sisteminde alttaş tutucu, çalışılmak istenilen alttaş ölçülerine göre değişilebilir nitelikte ve temizliği de oldukça basit olacak şekilde tasarlanacaktır. Alttaş tutucuda kanalların bulunması sayesinde fazla çözeltinin kolayca tutucudan atılması sağlanacaktır.

Originally published at Ferhat ÖZÇELİK.