Nikel Filmlerin Grafen Üretiminde Kullanılmak Üzere Manyetik Alanda Sıçratma Yöntemi İle Üretilmesi

Abstract

İnce nikel filmler, gösterdikleri fiziksel, kimyasal ve manyetik özellikleri sayesinde günümüzde, optik aynalar, termistörler, MEMS uygulamaları, manyetik hafıza kartları ve akış hızı sensörlerinde olmak üzere çok sayıda teknolojik alanda kullanılmaktadır. 2004 yılında Andrei Geim ve Konstantin Novoselov tarafından, karbonun allotraplarından grafitin tek katmanlı yapısı olan grafenin sentezinin gerçekleşmesi ve ince nikel filmlerin, üzerinde grafen büyütülmesi için uygun bir aday olması dolayısı ile ince nikel filmlerin bu alanda kullanımı da başlamıştır. Grafen sahip olduğu mükemmel elektriksel, fiziksel ve kimyasal özelliklerinden ötürü günümüzün en popüler araştırma konularından biridir. Grafenin üzerinde büyütüleceği altlık malzemenin özellikerinden yüksek oranda etkileneceği bilindiğinden, grafen üretimide kullanılacak ideal bir altlık malzemenin üretiminde önemli bir araştırma konusudur. Bu çalışma kapsamında, günümüzde bir çok alanda kullanılmakta olan ince nikel filmler, magnetron sıçratma tekniği kullanılarak üretilmiş ve en önemli kaplama parametrelerinden olan sıcaklık ve bias voltajının kaplamaların, gerilme, pürüzlülük ve yapısal özelliklerine olan etkisi sistematik olarak incelenmiştir. İnce nikel filmlerin üretim ve karakterizasyonu ile ilgili literatürde çeşitli çalışmalar bulunmaktadır fakat hiçbiri sıcaklık ve bias voltajının birbiri ile doğrudan ilişkisini ve bunların gerilme, pürüzlülük ve yapısal özelliklere olan etkisini sistematik bir şekilde incelememiştir. Bu çalışmada önemli kaplama parametrelerinden olan sıcaklık ve bias voltajının kaplamaların gerilme, pürüzlülük ve yapısal özellikleri üzerindeki etkisi sistematik olarak gerçekleştirilen deneysel çalışmalar sonucunda literatüre kazandırılmıştır. Elde edilen verilerden faydalanılarak, günümüzün en popüler araştırma konularından biri olan grafen sentezi için tercih edilebilir bir altlık malzeme üretilmiştir. Deneysel çalışmalarda, 60 nm kalınlığına sahip iki seri ince nikel film, toplamda 11 numune, magnetron sıçratma tekniği ile kaplanmıştır. Birinci seride, uygulanan bias voltajı 50V’da sabit tutulmuş ve sıcaklık 250C ile 5000C arasında değiştirilmiştir. İkinci seride, kaplama sıcaklığı 2500C’da sabit tutulmuş ve bias voltajı 0V ile 100V arasında değiştirilmiştir. Kaplama öncesinde ve kaplama süresince filme etki eden gerilme değerlerinin ölçümü wafer curvature yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kaplama sonrasında, numunelerin AFM görüntüleri çekilerek, buradan pürüzlülük değerleri elde edilmiştir. Filmlerin yapısal incelemeleri XRD tekniği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Böylece, kaplama parametrelerinin gerilme, pürüzlülük ve yapısal özellikler üzerindeki etkilerinin incelenmesinin yanı sıra, üzerinde grafen büyütülmesi ideal görünen, düşük gerilme ve pürüzlülük değerlerine sahip Ni (111) yapısında ince nikel filmler elde edilmiştir. Kaplanan ince nikel filmlerin gerilme değerlerinin üzerinde büyütüldükleri altlık malzemeye yüksek oranda bağlı olduğu görülmüştür. Termal genleşme katsayısına bağlı olarak, sıcaklık artışı ile filme etkiyen basma gerilmesinin arttığı tespit edilmiştir. Uygulanan sıcaklık ve bias voltajındaki artış ile filmlerin pürüzlülük değerlerinin de arttığı gözlemlenmiştir ve sıcaklığın bu artışa etkisinin bias voltajına oranla daha fazla olduğu tespit edilmiştir. 60nm kalınlığında bir film için, kaplama sıcaklığındaki artışın Ni(111) yapısını bozduğu tespit edilmiştir.

Due to the physical, chemical and magnetic properties, thin nickel films have been used in high-tech applications such as optical mirrors, thermistors, MEMS, magnetic memory devices and flow speed sensors. Graphene, one atomic thin layer of the graphite, first isolated by Andrei Geim and Konstantin Novoselov in 2004 and they awarded with Nobel Prize in 2010. Subsequent to this investigation, it was found that graphen could be produced on nickel thin films by chemical vapor deposition (CVD) techniques. Thus, nickel thin films found a new usage area as an substrate for graphene production. Owing to its fascinating electrical, physical and chemical properties, large-scale production of graphene is one of the most popular research topic. The preferable substrate for graphene production is also an important topic because its known that the properties of the graphene will be highly dependent of the substrate. In the present study, thin nickel films were deposited by magnetron sputtering and the effect of the deposition temperature and applied bias voltage on the stress, roughness and texture properties of the films were investigated systematically. Limited numbers of studies are available in the literature and none of them shows the relationship of the temperature and bias voltage and their effect on the stress, roughness and texture of the films. Aims of this study are to identify the dependence of the stress, roughness and texture properties to the most important deposition parameters. In the experimental studies, two series of nickel thin films with a thickness of 60nm and 11 samples in total were deposited by magnetron sputtering. In the first series, applied bias voltage was kept constant at 50V and the temperature varied between 250C and 5000C. In the second series, the deposition temperature was kept constant at 2500C and the bias voltage varied between 0V and 100V. Both the in-situ and ex-situ stress measurements were performed by using wafer curvature method. After deposition, AFM images of the samples were taken and the roughness properties were generated through these images. Surface texture investigations of the films were performed by XRD. It is detected that, stress development in nickel thin films were highly dependent of the substrate. Increase at the deposition temperature cause an compressive stress because of the difference between the thermal expansion coefficient of the nickel and Si wafer. Due to the increase at the temperature or applied bias voltage, films become rough. Both the topographic AFM images and the roughness parameters showed that the affect of the temperature on the roughness properties of the films was higher than the applied bias voltage. Texture investigations indicate that according to the increase at the deposition temperature, the Ni (111) texture was destroyed. Thus, the effect of the deposition conditions on the stress, roughness and texture of the films were measured. And nickel film with low roughess and stress free and (111) textured was produced which seems a promising candidate for graphene production.