Influence of Anode Bias Voltage on the Structural and Mechanical Properties of Titanium Diboride Thin Films Deposited by DC Magnetron Sputtering Technique

Abstract

In this research, titanium diboride (TiB2) thin film was prepared using DC magnetron sputtering technique. From target compound titanium diboride on the Si wafer (100). To study the influence of positive bias voltage at an anode electrode in the range of 0 to 150 V. On the properties of the plasma with a Langmuir probe. From the results, we found that Increasing the anode voltage increases the plasma potential in the range of -0.41 to 111.76 V. For the ion energy of Ar gas. Measured with a retarding field analyzer probe, we found that the ion energy tended to increase in the range of 0.22 to 138.41 eV when increasing anode voltage. For structural properties of films, showed hexagonal TiB2 structure with (001) preferred orientation, which was analyzer by XRD. The density of films was the highest at an anode voltage of 75 V, which was 4.47 g/cm3. The electrical properties were measured by a four-point probe technique. the electrical conductivity of film tends to increase as the anode voltage increase. For the results obtained from the cross-section images with the scanning electron microscope technique. we found that the TiB2 thin film has a thickness of approximately 750 nm and the hardness of the film had the highest hardness value of 31.37 GPa.

งานวิจัยนี้ได้ทำการเตรียมฟิล์มบางไทเทเนียมไดโบไรด์ (TiB2) ด้วยเทคนิคดีซีแมกนีตรอนสปัตเตอริง จากเป้าสารประกอบไทเทเนียมไดโบไรด์ บนชิ้นงานซิลิกอน (100) เพื่อศึกษาอิทธพลจากการปรับเปลี่ยนศักย์บวกที่ขั้วแอโนดในช่วง 0 ถึง 150 V ที่มีต่อสมบัติของพลาสมา ด้วยหัววัดแลงเมียร์ จากการทดลองพบว่า เมื่อเพิ่มศักย์แอโนดจะส่งผลทำให้ศักย์พลาสมามีค่าเพิ่มขึ้นอยู่ในช่วง -0.41 ถึง 111.76 V สำหรับพลังงานไอออนของแก๊สอาร์กอน วัดด้วยหัววัดพลังงงานไอออนแบบสนามหน่วงซึ่งก็พบว่าพลังงานไอออนมีแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นอยู่ในช่วง และสมบัติต่างต่างๆ ของฟิล์มบางไทเทเนียมไดโบไรด์ 0.22 ถึง 138.41 eV เมื่อศักย์แอโนดเพิ่มขึ้น ส่วนฟิล์มบาง TiB2 แบ่งการวิเคราะห์เป็นสมบัติเชิงโครงสร้าง ปรากฏโครงสร้างของผลึกแบบหกเหลี่ยมที่ระนาบ (001) ของTiB2 ซึ่งวิเคราะห์ด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ และความหนาแน่นของฟิล์มมีค่ามากที่สุดที่เงื่อนไขศักย์แอโนด 75 V ซึ่งมีค่าเป็น 4.47 g/cm3 สมบัติเชิงไฟฟ้าวัดด้วยเทคนิคหัววัดสี่จุด ซึ่งสภาพการนำไฟฟ้าของฟิล์มมีแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นเมื่อศักย์แอโนดเพิ่มขึ้น สำหรับผลที่ได้จากภาพถ่ายภาคตัดขวางด้วยเทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ทำให้ทราบว่าฟิล์มมีความหนาประมาณ 750 nm และความแข็งของฟิล์มวัดด้วยเทคนิค nanoindentation โดยที่เงื่อนไขศักย์แอโนด 75 V ฟิล์มมีค่าความแข็งที่สูงที่สุดเป็น 31.37 GPa