Gebze Teknik Üniversitesi Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı

Şafak Gök | Erdem Demirci | Mustafa Öztürk | Numan Akdoğan

Gebze Teknik Üniversitesi (GTÜ) kuruluşundan itibaren nanoteknoloji araştırma ve uygulamalarını öncelikli stratejik çalışma alanı olarak belirlemiştir. Bu amaçla nanobilim ve nanoteknoloji alanlarında uzman olan bilim insanlarını bünyesine katarak nanoteknoloji çalışmalarının yürütüleceği tesisler oluşturmuştur. Bu alandaki çalışmaları kurumsallaştırmak ve farklı disiplinlerle birlikte çalışma imkânı sunmak amacıyla, Devlet Planlama Teşkilatı desteğiyle 2009 yılında Nanomanyetizma ve Spintronik Araştırma Merkezi (NASAM) projesi kapsamında, Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı kurulmuştur. GTÜ Fizik Bölümü’ne bağlı olarak faaliyet gösteren laboratuvar Nanoteknoloji Enstitüsü binasında bulunmaktadır. 1000 sınıfı bir temizoda olan GTÜ Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı’nın kullanımı, bakımı ve sürdürülebilirliği için öğretim üyeleri, lisansüstü öğrenciler ve doktoralı araştırmacıların yanı sıra kadrolu personel olarak dâimî uzmanlar da bulunmaktadır.

Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı’nda, 1 mikronluk yapıların yazdırılabildiği maske yazıcı, maske hizalayıcı, kimyasal işlemlerin yapıldığı çeker/iter ocak, döner kaplama cihazı (spin coater), ısıtıcı tabla (hot plate), numune temizlemekte kullanılan ultrasonik banyo, üretilen mikro ve nano yapıların kontrol edildiği aygıt test cihazı (manuel prober) ve optik mikroskop bulunmaktadır.

GTÜ Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı’nda biyo uygulamalar için manyeto-direnç etkili sensör yapıları, kimyasal ve biyosensör uygulamaları için mikro akışkan kanallar, dev manyeto-direnç (Giant Magneto-Resistance - GMR) ve anizotropik manyeto-direnç (Anisotropic Magneto-Resistance - AMR) spin vanası gibi özel elektronik transport özelliklerine sahip yapılar, yonga üstü laboratuvar (lab-on-chip) sistemleri ve grafen tabanlı spin vanaları çalışılmaktadır.

Ayrıca, ASELSAN ve MTM Holografi Güvenlikli Basım ve Bilişim Teknolojileri gibi firmaların yanı sıra, İstanbul Teknik Üniversitesi’ndeki İTÜ-MEMS ve İTÜNANO, Bilkent Üniversitesi’ndeki Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi (UNAM), İstanbul Medeniyet Üniversitesi, TÜBİTAK MAM gibi kurumlara da hizmet verilmektedir.

Eğitim Faaliyetleri

Ülkemizde eğitim kurumlarında temizoda ortamlarının sayıları ve kullanıcıları sınırlıdır. Bu tekniğin ve laboratuvarların ülkemizde yaygınlaşması için temizodada çalışma bilincine sahip, temizoda tekniklerine ve kurallarına hâkim insan sayısının artırılması gerekmektedir. Bu sebeple GTÜ Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı’nda, temizodada çalışma tekniğine ve kurallarına ilgi ve ihtiyaç duyan herkesin eğitimine destek sağlamaya büyük önem gösterilmektedir. GTÜ’de, güz ve bahar dönemlerinde, alanında uzman öğretim üyeleri tarafından lisansüstü seviyesinde örgün eğitim kapsamında litografi dersleri verilmektedir. Bu derslerin uygulama çalışmaları Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı’nda yapılmaktadır. Ders kapsamında öğrencilere temizoda ortamında çalışırken ederken uymaları gereken kurallar, temizoda içerisinde bulunan cihazlar, fotolitografi teknikleri, temizoda ortamında mevcut kimyasal maddelerle ilgili kimya bilgisi, bu maddelerle çalışma usulleri, bu maddelerin tehlikeleri, çalışma sonunda ortaya çıkacak atıkların bertaraf edilme yöntemleri, iş sağlığı ve iş güvenliği bilgileri uygulamalı olarak öğretilmektedir. Eğitim dönemi sonuna kadar her bir öğrenciye herhangi bir temizoda laboratuvarında tek başına güvenli bir şekilde çalışma yetkinliği kazandırılmaktadır. Ayrıca, Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı’nın kapıları temizoda ve litografi tekniklerini öğrenmek ve burada araştırma yapmak isteyen tüm akademik kurumlara, kamu ve özel sektörden bilim insanlarına her zaman açıktır.

Mikro/Nano Aygıt Üretim Çalışmaları

GTÜ Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı, fotolitografi işlemlerinin yapıldığı bir laboratuvardır. Burada ticari olarak temin edilen, 100 nm krom ve ışığa duyarlı 0,5 mikrometre kalınlığında fotorezist ile kaplanmış 5 inch büyüklüğündeki camlardan (soda lime, kuvars vb.), fotolitografi maskeleri üretilebilmektedir. İstenilen desenler tasarlandıktan sonra sisteme yüklenerek maske yazıcıya (Heidelberg DWL 66fs) gönderilmektedir. Tab işlemlerinden ve bunu takip eden kimyasal aşındırma işleminden sonra istenen desenler krom maske yüzeyinde oluşmaktadır. Maske yazıcı ile maskeler üretilebildiği gibi, istenilen mikro yapılı desenler litografi işlemleriyle doğrudan alttaşlar üzerine de yazdırılabilmektedir. Laboratuvarda bu tür hassas yazdırma işlemlerini yapabilmek için 4 mm ve 10 mm yazıcı başlıklar kullanılmaktadır. Ayrıca hassas yazdırma işlemlerinde, maske yazıcının işlevini doğru olarak yapabilmesi için bulunduğu ortamdaki sıcaklık, nem ve titreşimlerin kontrol edilmesi gerekmektedir. Bu parametrelerde meydana gelecek aşırı dalgalanmalar, cihazın hareketli mekanik parçalarının tanımlı adım uzunluklarını etkileyerek, maske deseninde nano ve mikro sapmalara sebep olabilmektedir.

Maske üzerindeki desenleri numune üzerine aktarmak için Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı’nda maske hizalayıcı (Karl Suss MJB4) kullanılmaktadır. Bunun için maske hizalayıcının cıva lambasının ürettiği UV ışını, krom maskeden geçirilerek numune üzerine düşürülür. Maskedeki desenlerin numune üzerindeki gölgeleri, UV ışınına maruz kalmadıklarından, özel çözücü içerisinde numune yüzeyinden temizlenebilirler. Böylece numune yüzeyinde elektronik devre elemanları veya sensör yapıları gibi mikro yapılar oluşturulabilmektedir. Burada anlatıldığı gibi UV ışınına maruz kalmayan bölgelerin özel çözücü içerisinde çözündüğü fotolitografi işlemine pozitif fotolitografi denir. Tersi bir şekilde, UV ışınına maruz kaldığında özel çözücü içerisinde çözünen fotorezistler kullanılarak yapılan fotolitografi işlemine negatif fotolitografi denir. Maske yazıcıda olduğu gibi, maske hizalayıcı için de maskedeki deseni alttaş üzerine doğru aktarabilmek için, bulunduğu ortamın sıcaklık, nem ve titreşimlerinin aşırı dalgalanmaması gerekir.

GTÜ Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı’nda bu iki cihaz dışında, alttaşları ışığa duyarlı organik ve inorganik fotorezistlerle kaplamakta kullanılan döner kaplama cihazı (spin coater) bulunmaktadır. Bu cihaz, vakumla sabitlenen bir numuneyi merkezi etrafında istenen hızda döndürmek için kullanılır. Numune döndürülmeye başlanmadan önce üzerine fotorezist damlatılır. Döndürme hızına bağlı olarak da fotorezistin kalınlığı ayarlanmaktadır.

GTÜ’de Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı’nın imkânları kullanılarak aşağıdaki projeler yürütülmektedir. 

• Planar Hall etkili biyosensörlerin hassasiyetinin artırılması,
• Manyeto-direnç etkili biyosensörlerin mikro akışkan kanallara entegrasyonu,
• Planar Hall etkisine dayalı biyosensörlerin şekillendirilebilir yüzeylere büyütülmesi,
• Ferromanyetik rezonansın elektriksel olarak algılanması,
• Mikro akışkan tabanlı tek hücre yakalama sistemleri,
• Grafen ve grafit spin filtresi.

Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı (Temizoda) Tasarımı

Temizodalar ameliyathanelerde, ilaç ve gıda üretim tesislerinde mikroorganizmaları ve toz taneciklerini önlemek amacıyla; bilgisayar, otomobil, cep telefonu, hassas sensör yapıları gibi ileri teknoloji ürünlerini üreten endüstri ortamlarında da toz taneciklerinden korunmak amacıyla kullanılmaktadır.
Temizodaların tasarımları, yapılacak işin amacına ve iş sektörlerine göre değişiklik göstermektedir. Toz parçacıklarının dışarıdan ortama girişinin engellendiği ve temiz havanın arındırılarak ortama gönderildiği izole bir yapıya sahip olan bir temizoda tasarımında, parçacık sayısının yanı sıra çapraz kirlenme, sıcaklık ve nem oranları, pozitif (negatif) basınç değerleri gibi önemli değişkenler göz önünde bulundurulmalıdır. Ayrıca odanın tasarımında üzerinde toz ve mikroorganizmaların tutunamadığı cihaz, malzeme, araç-gereç ve kıyafetlerin kullanılması gerekmektedir.

Nanoteknoloji alanında akademik araştırma, nitelikli personel yetiştirme ve üniversite-sanayii iş birliği sağlanması amacıyla kurulan Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı, bina çatısındaki bir dış ünite, tavan arasındaki filtreler ve elektronik kontrol birimi, litografi işlemlerinin yapıldığı iç ortam ve çevre/destek birimlerinden oluşmaktadır.

Bina çatısındaki dış ünitede dışarıdan hava girişini sağlayan, su ile yıkanabilir bir filtreden oluşan, havadaki tozların %65’i ile %80’ini süzebilen G2 verim sınıfı hava emme birimi vardır. Atmosferden bu birim tarafından emilen hava, önce çatı üzerindeki iklimlendirme cihazının (rooftop) aktif karbon filtrelerinden ve takip eden 6 adet karton kasa panel filtreden geçirilerek temizlenmektedir. Batarya kısmındaki filtreler, gelen hava içerisindeki toplam toz miktarının %90’dan fazlası süzebilen G4 verim sınıfı hava emme biriminden oluşmaktadır. Bu şekilde temizlenen hava, daha sonra tavan arasındaki birimlere ulaştırılmaktadır. Tavan arasına verilen temiz hava akımı iki kola ayrılmaktadır. Bu iki kol üzerindeki hava, karton kasa panel ve fanlı HEPA filtre çiftlerinden geçirilerek, dört ayrı odadan oluşan çalışma ortamlarına 15 ayrı noktadan verilmektedir.

Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı sıcaklık, nem ve havadaki parçacık sayısının kontrol edildiği dört odadan oluşmaktadır. Bu odalar, aynı anda sadece bir tanesi açılabilen ve elektronik olarak kontrol edilen kapılarla ayrılmışlardır. Giriş odası olarak adlandırılan birinci oda özel temizoda elbiselerinin giyildiği, 10 m2 alana sahip, bir metre küp havada çapı 5 mikron ve daha büyük parçacıklardan en fazla 100 bin tane parçacığın bulunduğu ISO Class 8 tipi bir odadır. Geçiş odası (airlock) olarak adlandırılan ikinci oda 4,8 m2 alana sahip, bir metre küp havada çapı 5 mikron ve daha büyük parçacıklardan en fazla 10 bin tane parçacığın bulunduğu ISO Class 7 tipi bir odadır. Fotolitografi odası olarak adlandırılan üçüncü oda ise 45 m2 alana sahip, bir metre küp havada çapı 5 mikron ve daha büyük parçacıklardan en fazla 1000 tane parçacığın bulunduğu ISO Class 6 tipi bir odadır. Depolama odası olarak adlandırılan dördüncü ve son oda kimyasal ve sarf malzemelerinin saklandığı 5 m2 alana sahip, bir metre küp havada çapı 5 mikron ve daha büyük parçacıklardan en fazla 100 bin tane parçacığın bulunduğu ISO Class 8 tipi bir odadır. Temizodada ortalama sıcaklık 19°C, ortalama nem değeri ise %30 ile %75 arasında tutulmaktadır. Bu sıcaklık ve nem değerleri düzenli aralıklarında kaydedilmektedir. Fotolitografi odasının iklimlendirmesini ve parçacıklardan arındırma işlemini sağlayabilmek için odanın dört köşesinde birer tane egzoz bulunmaktadır. Egzozlar, temizoda içerisindeki havayı emerek tavan arasına vermektedirler. Emniyet kutuları, temizodaya akan havanın debisi düştüğünde, tavan arasındaki havayı emerek istenen debiye ulaşacak kadar filtrelenmiş havayı temizodaya geri vermektedirler. Tavan arasındaki hava, kirli hava çıkışından çatı üzerindeki iklimlendirme cihazına (rooftop) geri gönderilmektedir. Bu esnada temizodanın sıcaklık ve nem değerleri sensörler tarafından ölçülmektedir. Ayrıca dış ortamdan temizodanın içerisine doğru parçacık sürüklenmesine engel olmak amacıyla hava basıncı sırasıyla fotolitografi odası, geçiş odası (airlock) ve giriş odası yönüne doğru azalmaktadır. Bu basınç farkları, hava akış debisi üzerinden ayarlanmaktadır ve bir fark-manometresi ile sürekli ölçülmektedir.

Temizodalarda toz parçacıklarından arındırma işlemi düzgün (laminar) ve girdaplı (turbulent) olmak üzere iki çeşit hava akış yöntemiyle yapılmaktadır. Düzgün akış yönteminde hava akış çizgileri birbirine paraleldir ve hareketi genellikle düşük hızlarda meydana gelir. Düzgün akışlı temizodalarda, havadaki parçacıklar zemine doğru itilir ve zeminden de odanın kenar ve köşelerine itilerek parçacık temizleme işlemi yapılır. Günümüzün büyük mikroelektronik şirketlerinde düzgün akışlı temizodalarının zemini ızgaradan yapılmıştır, dolayısıyla toz parçacıkları direk olarak ızgaraya doğru itilmekte ve temizleme işlemi yapılmaktadır. Çevre/destek birimi ise ızgaranın altına ilave olarak inşa edilmiş ayrı bir kata yerleştirilmiştir. Girdaplı akış yönteminde ise hava akışı yüksek derecede düzensizdir ve hareketi genellikle yüksek hızlarda meydana gelir. Girdaplı akışa sahip temizodalarda parçacıkların yere çökmesi engellenir ve sürekli havaya karıştırılır. Bu hava, temizoda sisteminin kapalı hava akış döngüsündeki filtrelerden her geçişinde içerisindeki parçacık sayısı azaltılarak temizleme işlemi gerçekleştirilir. GTÜ Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı’nda dışarıdan filtrelenerek emilen hava, temizodaya girdaplar yapacak şekilde verildiği için girdap akışlı bir temizoda sınıfına girmektedir. Yüksek hassasiyet ve temizlik gerektiren işlemlerin yapılmasına olanak sağlayan alanlar için girdaplı akışlı fan filtre üniteleri (FFU) kullanılmaktadır. Böylelikle Seviye 6 tipi temizoda standartları sağlanmaktadır.

Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı’nda, Heidelberg DWL 66fs maske yazıcı, SUSS MJB4 maske hizalayıcı, kimyasal işlemlerin yapıldığı çeker/iter ocak, döner kaplama cihazı (spin coater), ısıtıcı tabla (hot plate), numune temizlemekte kullanılan ultrasonik banyo, üretilen mikro ve nano yapıların elektronik test işlemlerinin kontrol edildiği aygıt test cihazı (manuel prober) ve optik mikroskop bulunmaktadır.

Sonuç

Gebze Teknik Üniversitesi’nde bulunan Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı, ülkemizde temizoda teknolojilerine aşina insan kaynağının yetiştirilmesini, yüksek çözünürlüklü fotolitografi tekniklerinin yaygınlaştırılmasını ve nanoteknoloji sahasında ülkemizin küresel rekabet gücünün artırılmasını ilke edinmiş bir kurumdur. Bilimsel ve stratejik konularda dünyadaki gelişmeleri yakından takip etmeyi ve araştırmada öncelikli konularda üst seviyede bilimsel araştırmalar yapmayı, araştırmaları teknolojik katma değeri yüksek ürünlere dönüştürmeyi hedeflemiştir. Bu maksatla lisansüstü öğrencilere laboratuvarda eğitim verilmekte, kritik konularda araştırma projeleri yapılmakta, ülkemizdeki sanayi kuruluşlarına ve üniversitelere hizmet verilmektedir.

_________________________________________

Yazarlar Hakkında

1993’de Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Bölümü’nden mezun olan Şafak Gök, Almanya’da Bochum Ruhr Üniversitesi’nde 2001’de yüksek lisansını, 2006’da doktorasını yapmıştır. 2008 – 2012 yılları arasında Odersun AG şirketinde üretim ve işlem mühendisi olarak çalışmıştır. Burada esnek CuInS2 tabanlı binaya entegre fotovoltaik hücre üretimi teknolojileri konusunda iş tecrübesi kazanmıştır. 2013’de Infineon Bipolar GmbH şirketinde işlem mühendisi olarak çalışmıştır. Burada endüstri şartları altında temizoda ortamında, yüksek güç uygulamaları için diyot ve tristörlerin Ohmik kontaklarının büyütülmesi işleminin işlem mühendisliğini yapmıştır. Yine 2013’de bir proje kapsamında Evonik AG şirketinde işlem tekniği bölümünde çalışmıştır. Nisan 2016 yılında Tübitak BİDEB’in 2232 Yurda Dönüş Araştırma Burs Programı kapsamında verdiği proje ile Türkiye’ye dönmüştür. Projesini, Gebze Teknik Üniversitesi’nin ev sahipliğinde hâlen yürütmektedir. Nisan 2017 tarihinden beri, projesine paralel olarak GTÜ’nün temizodasında Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı’daki uzmanlık görevini sürdürmektedir.

Dr. Erdem Demirci, Erciyes Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü lisans (2008), Gebze Teknik Üniversitesi Temel Bilimler Fakültesi Fizik Bölümü yüksek lisans (2011) ve doktora (2016) programlarından mezun oldu. İstanbul Medeniyet Üniversitesinde 1 yıl boyunca doktora sonrası araştırmasını tamamladı (2016-2017). Şu an Gebze Teknik Üniversitesi Fizik Bölümünde Manyeto Optik Kerr Etkisi Laboratuvarı ve Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarlarında Uzman Dr. olarak çalışmaktadır. Manyetik malzemeler ve özellikleri, nanomanyetizma, ultra ince film büyütme ve karakterizasyon, manyeto-optik Kerr etkisi, manyetik sensörler için mikro üretim teknikleri, tek tabaka grafen üretimi başlıca çalışma alanlarıdır.

Dr. Mustafa Öztürk 2003 yılında Boğaziçi Üniversitesi Fizik Öğretmenliği bölümünden mezun oldu. Yüksek lisans ve doktora programlarını Dumlupınar Üniversitesi (2011) ve Gebze Teknik Üniversitesi (2016) Fizik Bölümlerinde tamamladı. Nanoteknoloji, nanomanyetizma, manyetik alan sensörleri, mıknatıslanmanın elektrik alan ile kontrolü, spin elektroniği ve bilgi okuma-depolama teknolojileri konularında araştırmalar yapan Öztürk’ün, uluslararası hakemli dergilerde yayınlanmış birçok makalesi bulunmaktadır. Halen Gebze Teknik Üniversitesi Fizik Bölümünde Uzman olarak çalışmaktadır.

Doç. Dr. Numan Akdoğan, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü lisans ve yüksek lisans programlarının ardından, 2004 yılında Max-Planck Enstitüsü’nün bursuyla gittiği Ruhr Üniversitesi (Bochum, Almanya) Deneysel Katıhal Fiziği Enstitüsü doktora programından mezun oldu. Doktora esnasında Almanya’daki DESY (Hamburg), DELTA (Dortmund) ve BESSY (Berlin) gibi elektron hızlandırıcılarında araştırmacı olarak görev yapan Akdoğan, 2008 yılında Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü’nde çalışmaya başladı. Ulusal ve uluslararası birçok araştırma projesinde araştırmacı ve yürütücü olarak yer alan, uluslararası hakemli dergilerde birçok makalesi, kitabı ve kitap bölümü yayınlanan, ulusal ve uluslararası birçok konferans ve seminere konuşmacı olarak davet edilen Akdoğan, 2011 yılında “Nano yapılı malzemelerin analizini yapabilen MOKE ve manyeto-direnç cihazlarının tasarımı” projesiyle Doğu Marmara Kalkınma Ajansı (MARKA) tarafından Kocaeli Birincisi seçildi. 2012 yılında "doçent" unvanını alan Akdoğan halen Gebze Teknik Üniversitesi Nanoteknoloji Enstitüsü Müdürü olarak görev yapmaktadır.