01-จินดาวรรณ...

การประชุมวิชาการ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร วิทยาเขตกําแพงแสน ครั้งที ่7

691

ผลของความหนาตอโครงสรางและสมบัติทางแสงของฟลมบางเซอรโคเนียมออกไซด ที่เคลือบดวยวิธ ีดีซี รีแอคตีฟ แมกนีตรอน สปตเตอริง

Effect of Thickness on Structure and Optical Properties of ZrO2 Thin Film Deposited by DC Reactive Magnetron Sputtering

จินดาวรรณ ธรรมปรีชา1,2 นิรันดร วิทิตอนันต1,2 และสุรสิงห ไชยคุณ1,2

Jindawan Thammapreecha,1,2 Nirun Witit-anun1,2 and Surasing Chaiyakun1,2

บทคัดยอ

งานวิจัยนี้เคลือบฟลมเซอรโคเนียมออกไซด (ZrO2) บนกระจกสไลดและแผนซิลิกอน ดวยวิธีดีซี รีแอคตีฟ แมกนีตรอน สปตเตอริง เพื่อศึกษาผลของความหนาตอโครงสรางผลึกและสมบัติทางแสงของฟลม แลวนําฟลม ที่เคลือบไดวิเคราะหโครงสรางผลึกดวยเทคนิค XRD ศึกษาลักษณะพื้นผิวและความหนาดวยเทคนิค AFM วัดคาการสงผานแสงดวยเครื่องสเปกโตรโฟโตมิเตอร และคํานวณคาคงที่ทางแสงของฟลมดวยวิธี Swanepoel ผลการศึกษาพบวาฟลม ZrO2 ที่เคลือบไดมีโครงสรางผลึกแบบโมโนคลินิก ความหนาในชวง 155 nm ถึง 502 nm ความหยาบผิว (Ra) ในชวง 3.1 nm ถึง 3.6 nm ฟลมที่เคลือบไดมีคาการสงผานแสงสูงตลอดชวงตามองเห็นและอินฟราเรดใกล โดยมีคาดัชนีหักเห (n) และคาสัมประสิทธิ์การดับสูญ (k) ที่ความยาวคลื่นแสง 550 nm ประมาณ 2.03 และ 0.001 ตามลําดับ สวนคาแถบพลังงาน (Eg) มีคาประมาณ 4.16 eV

คําสําคัญ : ฟลมบางเซอรโคเนียมออกไซด รีแอคตีฟ สปตเตอริง คาคงที่ทางแสง วิธี Swanepoel

Abstract Zirconium oxide (ZrO2) films were deposited on glass slides and silicon wafer by DC reactive

magnetron sputtering method. The effect of thickness on crystalline structure and optical properties of the films were investigated. The crystal structure was characterized by XRD. The surface morphologies and thickness were evaluated by AFM. The transmittance spectrum was measured by spectrophotometer. Optical constants of as deposited films were calculated by Swanepoel method. The results show that the ZrO2 films were monoclinic crystalline structure. The films thickness range was from

1 ภาควิชาฟสิกส คณะวิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยบูรพา จ.ชลบุร ี20131 Department of Physics, Burapha University, Chonburi 20131 2 หองปฏิบัติการวิจัยพลาสมาสําหรับวิทยาศาสตรพื้นผิว ศูนยความเปนเลิศดานฟสิกส สํานักพัฒนาบัณฑิตศึกษาและวิจัยดานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยี สํานักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา โทรศัพท: 038-103-084 โทรสาร: 038-103-084 Plasma for Surface Sciences Laboratory, Thailand Center of Excellence in Physics Science and Technology Postgraduate Education and Research Development Office (PERDO), CHE Tel: 038-103-084 Fax: 038-103-084


692

155 to 502 nm and surface roughness (Ra) was within 3.1 to 3.6 nm. The films showed high transmittance in visible and near-IR range. Refractive index (n) and extinction coefficient (k) at wavelength 550 nm were approximately 2.03 and 0.001, respectively. In addition, energy band gap (Eg) was approximately 4.16 eV. Keywords : Zirconium oxide thin film, reactive sputtering, optical constants, Swanepoel method E-mail : [email protected]

คํานํา

เซอรโคเนียมออกไซด (เซอรโคเนีย; ZrO2) เปนออกไซดชนิดหนึ่งของโลหะทรานซิชัน (Transition-metal oxides) ที่นาสนใจ เนื่องจากฟลมเซอรโคเนียมออกไซดมีสมบัติเดนหลายประการ เชน มีคาดัชนีหักเหสูง (High refractive index) แถบพลังงานกวาง (Large optical band gap) การสูญเสียทางแสงต่ํา (Low optical loss) และโปรงแสงสูงทั้งในชวงตามองเห็นและอินฟราเรดใกล จากสมบัติดังกลาวทําใหชวงทศวรรษที่ผานมามีการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีการเคลือบฟลมเซอรโคเนียมออกไซดที่มีความหนาในระดับนาโนครอบคลุมทั้งดานความรูพื้นฐานและการประยุกตใชงาน โดยเฉพาะอยางยิ่งในกลุมที่ใชสมบัติดานแสงและอิเล็กทรอนิกส ดังนั้นจึงมีการนําฟลมเซอรโคเนียมออกไซดไปประยุกตในงานดานตางๆ เชน ใชทํากระจกสะทอนแสงสูง (High-reflectivity mirrors) ฟลเตอรแสงชนิดแทรกสอดแบบชวงกวาง (Broadband interference filters) รวมถึงอุปกรณอิเล็กทรอนิกที่ไวตอแสง เปนตน

ปกติเซอรโคเนียมออกไซดบริสุทธิ์มีโครงสรางผลึกแบบ โมโนคลินิก (Monoclinic) เตตระโกนอล (Tetragonal) คิวบิค (Cubic) และ อสัณฐาน (Amorphous) ทั้งนี้การเตรียมฟลมเซอรโคเนียมออกไซดสามารถเตรียมไดหลายวิธี เชน วิธีระเหยสาร (Evaporation) อารเอฟ สปตเตอริง (RF sputtering) ดีซี สปตเตอริง (DC sputtering) พัลส เลเซอร (Pulsed laser deposition) และโซลเจล (Sol gel) เปนตน อยางไรก็ดีการเตรียมฟลมดวยเทคนิคสปตเตอริง มีขอไดเปรียบกวาวิธีอื่น คือ สามารถควบคุมอัตราเคลือบและสมบัติของฟลมไดงาย (Zhao et al., 2005) ฟลมที่ไดมีคุณภาพและการยึดเกาะดี (Wu et al., 2006) อีกทั้งยังสามารถประยุกตไปสูการเคลือบชิ้นงานขนาดใหญในระดับอุตสาหกรรมไดงายอีกดวย

โดยทั่วไปสมบัติของฟลมที่เคลือบไดขึ้นกับเทคนิค และเงื่อนไขการเคลือบ ทั้งนี้ความหนาของฟลมก็เปนตัวแปรหนึ่งที่มีผลตอโครงสรางและลักษณะพื้นผิวของฟลม (Elsholz et al., 2004) ซึ่งสงผลตอสมบัติอื่นของฟลม เชน ฟลมมีความหยาบผิวมากจะกระจายแสงดี (Lai et al., 2005) ทั้งนี้มีนักวิจัยหลายกลุมศึกษาผลของความหนาตอสมบัติของฟลม เชน Ma et al. (2002) พบวาสมบัติทางไฟฟาและสมบัติทางแสงขึ้นกับความหนาของฟลม SnO2:Sb Kim et al. (2000) ศึกษาผลของความหนาตอสมบัติทางไฟฟาและสมบัติทางแสงของฟลมอินเดียมทินออกไซด สวน Zhao et al. (2008) พบวาความหนามีผลตอความเครียดคงคาง ดัชนีหักเห และการสงผานแสงของฟลม ZrO2 บทความวิจัยนี้เปนการรายงานการศึกษาผลของความหนาตอโครงสรางผลึกและสมบัติทางแสงของฟลมเซอรโคเนียมออกไซดที่เคลือบดวยวิธี ดีซี รีแอคตีฟ แมกนีตรอน สปตเตอริง สําหรับเปนขอมูลพื้นฐานในการวิจัยตอไป


693

อุปกรณและวิธีการวิจัย ฟลมเซอรโคเนียมออกไซดในงานวิจัยนี้เตรียมดวยวิธี ดีซี รีแอคตีฟ แมกนีตรอน สปตเตอริง จากเครื่องเคลือบสุญญากาศระบบสปตเตอริง (Figure 1) ขั้นตอนการเคลือบเริ่มจากนํากระจกสไลด และแผนซิลิกอน เขาสูภาชนะสุญญากาศ จัดใหหางจากหนาเปาสารเคลือบเทากับ 10 cm ลดความดันในหองเคลือบใหไดความดันพื้นเทากับ 5.0x10-5 mbar แลวปลอยแกสเขาสูภาชนะสุญญากาศ โดยกําหนดใหอัตราไหลแกสอารกอนตอแกสออกซิเจนคงที่เทากับ 1 sccm : 6 sccm โดยควบคุมความดันรวมขณะเคลือบใหคงที่เทากับ 5x10-3 mbar กําลังไฟฟาคงที่เทากับ 180 W และแปรคาเวลาที่ใชในการเคลือบนาน 60, 90, 120, 150 และ 180 นาท ี

Figure 1 Schematic diagram of the DC reactive magnetron sputtering.

ฟลมเซอรโคเนียมออกไซดที่เคลือบไดทั้งหมดจะนําไปวิเคราะหโครงสรางผลึกดวยเครื่องเลี้ยวเบนรังสีเอกซ (X-ray Diffractometer; XRD) ตรวจวัดแบบ 2θ-scan ดวยมุมตกกระทบเฉียง (Glazing incident angle) คงที่เทากับ 3o โดยสแกน 2θ จาก 20o ถึง 65o ศึกษาลักษณะพื้นผิวและความหนาของฟลมดวยเครื่องอะตอมมิคฟอรซไมโครสโคป (Atomic Force Microscope; AFM) และวัดคาการสงผานแสงดวยเครื่องสเปกโตรโฟโตมิเตอร และคํานวณคาดัชนีหักเห (n) คาสัมประสิทธิ์การดับสูญ (k) ดวยวิธีของ Swanepoel (1983) จากคาการสงผานแสง

ผลการวิจัยและวิจารณ โครงสรางผลึกของฟลมเซอรโคเนียมออกไซด

Figure 2 แสดงรูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซของฟลมเซอรโคเนียมออกไซดเมื่อใชเวลาขณะเคลือบตางๆ พบวาฟลมที่เคลือบไดทั้งหมดมีรูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซที่มุม 24.05o, 28.17o, 34.14o, 35.88o, 40.70o, 45.49o และ 50.09o ซึ่งตรงกับรูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซของสารประกอบเซอรโคเนียมออกไซดตามมาตรฐาน


694

JCPDS (เลขที่ 78-1807) ที่มีโครงสรางผลึกแบบโมโนคลินิก ระนาบ (011), ( 111 ), (002), ( 021 ), ( 112 ), (211) และ (220) ตามลําดับ โดยที่มุม 28.17o และ 34.14o มีความเขมการเลี้ยวเบนรังสีเอกซสูง และพบวาเมื่อใชเวลาในการเคลือบนานขึ้นฟลมที่เคลือบไดมีความเขมการเลี้ยวเบนรังสีเอกซเพิ่มขึ้น สอดคลองกับงานวิจัยของ Zhao et al. (2008) พบวาเมื่อฟลมเซอรโคเนียมออกไซดที่เคลือบไดมีความหนาเพิ่มขึ้นทําใหโครงสรางผลึกแบบโมโนคลินิก ระนาบ ( 111 ) มีความเปนผลึกเพิ่มขึ้น สวนรูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซที่มุม 56.5o เปนธาตุซิลิกอน ที่ใชเปนวัสดุรองรับ

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

180 min

150 min

120 min

90 min

Inte

nsity

(a.u

.)

2 Theta (deg.)

60 min

m(220)m(211)m(211)m(102)m(002)m(111)m(011)

FiFigure 2 XRD patterns of the ZrO2 thin films deposited at different times.


695

ลักษณะพื้นผิว และความหนาของฟลมเซอรโคเนียมออกไซด Figure 3 แสดงลักษณะพื้นผิวแบบ 2 มิติ และ 3 มิติ ของฟลมเซอรโคเนียมออกไซดที่ความหนาตางๆ จาก

เทคนิค AFM พบวาที่ผิวหนาของฟลมเกรนมีลักษณะเปนแทงปลายแหลม เล็ก มีขนาดไมเทากันกระจายอยูทั่วพื้นผิวของฟลม และเมื่อใชเวลาในการเคลือบนานขึ้นฟลมที่เคลือบไดมีความหนา และความหยาบผิวเพิ่มขึ้น สอดคลองกับงานวิจัยของ Lai et al. (2006) (Table 1) และเปนไปตามทฤษฎีการเกิดฟลม คือเมื่อใชเวลาในการเคลือบนานขึ้นทําใหอะตอมของสารเคลือบตกลงบนวัสดุรองรับเพิ่มมากขึ้นทําใหฟลมความมากขึ้น

Figure 3 AFM image of the ZrO2 thin films deposited at different times.

(a) 60 min, (b) 90 min, (c) 120 min, (d) 150 min and (e) 180 min

(a)

(b)

(e)

(d)

(c)


696

Table 1 Thickness and roughness of the ZrO2 thin films deposited at different times. Time (min) Thickness (nm) Roughness (nm)

60 155 3.1 90 242 3.2

120 331 3.4 150 411 3.4 180 502 3.6

สมบัติทางแสงและคาคงที่ทางแสงของฟลมเซอรโคเนียมออกไซด ฟลมเซอรโคเนียมออกไซดที่เคลือบไดมีคาการสงผานแสงสูงทั้งในชวงตามองเห็นและอินฟราเรดใกล สําหรับคาดัชนีหักเห (n) และสัมประสิทธิ์การดับสูญ (k) หาไดจากวิธี Swanepoel โดยใชขอมูลจากสเปกตรัมการสงผานแสงมาคํานวณ พบวาที่ความยาวคลื่นแสง 550 nm ฟลมเซอรโคเนียมออกไซดที่เคลือบไดมีคาดัชนีหักเห (n) ประมาณ 2.03 สวนคาสัมประสิทธิ์การดับสูญ (k) มีคาประมาณ 0.001 ที่ความหนาตางๆ

350 400 450 500 550 600 650 700 750 8001.8

1.9

2.0

2.1

2.2

2.3

Ref

ract

ive

inde

x

wavelength (nm)

60 min 90 min 120 min 150 min 180 min

Figure 4 Refractive index (n) of the ZrO2 thin films deposited at different times.


697

350 400 450 500 550 600 650 700 750 8000.000

0.001

0.002

0.003

0.004

Extin

ctio

n co

effic

ient

wavelength (nm)


Figure 5 Extinction coefficient (k) of the ZrO2 thin films deposited at different times.

3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4.0 4.1 4.2 4.3 4.40

5

10

15

20

25

30

35

40

(αhν

)2 (1012

eV2 cm

-2)

Photon energy (eV)


Figure 6 Energy band gap (Eg) of the ZrO2 thin films deposited at different times. Figure 6 แสดงคาแถบพลังงาน (Eg) ของฟลมเซอรโคเนียมออกไซด ซึ่งคํานวณไดจาก

( ) hv/EhvA p gλα −= เมื่อ p = 2 (direct optical band gap) (Henri and Jansen, 1991) พบวาแถบพลังงาน (Eg) ของฟลมเซอรโคเนียมออกไซด ในงานวิจัยนี้มีคาประมาณ 4.16 eV ที่ความหนาตางๆ


698

สรุปผลการวิจัย งานวิจัยนี้ไดศึกษาผลของความหนาตอโครงสรางผลึกและสมบัติทางแสงของฟลมเซอรโคเนียมออกไซดที่

เคลือบดวยวิธี ดีซ ีรีแอคตีฟ แมกนีตรอน สปตเตอริง ผลการศึกษาพบวาความหนามีผลตอโครงสรางผลึกและสมบัติทางแสงของฟลม เมื่อฟลมเซอรโคเนียมออกไซดที่เคลือบโดยแปรคาความหนา มีโครงสรางผลึกแบบโมโนคลินิก ทุกเงื่อนไขการเคลือบ โดยฟลมที่ไดมีความเปนผลึกเพิ่มขึ้นตามความหนา สําหรับคาคงที่ทางแสงของฟลมเซอรโคเนียมออกไซด ซึ่งแสดงดวยคาดัชนีหักเห (n) และคาสัมประสิทธิ์การดับสูญ (k) ของฟลมที่ความยาวคลื่นแสง 550 nm มีคาประมาณ 2.03 และ 0.001 ตามลําดับ สวนคาแถบพลังงาน (Eg) มีคาประมาณ 4.16 eV

เอกสารอางอิง Elsholz, F., E. Schöll and A. Rosenfeld. 2004. Control of surface roughness in amorphous thin-film

growth. Applied Physics Letter 84: 4167 Henri, J. and F. Jansen. 1991. Electronic structure of cubic and tetragonal zirconia. Physical Review B

43: 7267–7278. Kim, H., J. S. Horwitz, G. Kushto, A. Piqué, Z. H. Kafafi, C. M. Gilmore and D. B. Chrisey. 2000. Effect

of film thickness on the properties of indium tin oxide thin films. Journal of Applied Physics 88: 6021

Lai, F., L. Lin, Z. Huang, R. Gai and Y. Qu. 2006. Effect of thickness on the structure, morphology and optical properties of sputter deposited Nb2O5 films. Applied Surface Science 253: 1801-1805

Lai, F., M. Li, H. Wang, H. Hu, X. Wang, J.G. Hou, Y. Song and Y. Jiang. 2005. Optical scattering characteristic of annealed niobium oxide films. Thin Solid Films 488: 314.

Ma, H.L., X.T. Hao, J. Ma, Y.G. Yang, J. Huang, D.H. Zhang and X.G. Xu. 2002. Thickness-dependence of properties of SnO2:Sb films deposited on flexible substrates. Applied Surface Science 191: 313

Swanepoel, R. 1983. Determination of the thickness and optical constants of amorphous silicon. Journal of Physics E 16: 1214-1222.

Wu, K.R., J.J. Wang, W.C. Liu, Z.S. Chen and J.K. Wu. 2006. Deposition of Graded TiO2 films Featured both Hydrophobic and Photo-Induced Hydrophilic Properties. Applied Surface Science 255: 5829-5838.

Zhao, S., F. Ma, Z. Song and K. Xu. 2008. Thickness-dependent structural and optical propertiesof sputter deposited ZrO2 films. Optical Materials 30: 910-915

Zhao, X.T., K. Sakka, N. Kihara, Y. Takada, M. Arita and M. Masuda. 2005. Structure and Photo Induced Features of TiO2 Thin Films Prepared by RF Magnetron Sputtering. Microelectronics Journal 36: 549-551.

01-จินดาวรรณ...

Documents