Sol-jel yöntemiyle üretilen HfO2 ince filmlerin karakterizasyonu
Characterization of sol-gel derived HfO2 thin films
Yazar: SEDA KOL
Danışman: PROF. DR. AHMET YAVUZ ORAL
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Dalga kılavuzları = Waveguides ; Sol-jel yöntemi = Sol-gel method ; İnce filmler = Thin films

Özet:
HfO2 yüksek kırılma indisi (~2) ve yüksek bant boşluğu (5.4 eV) sayesesinde en uygun dielektrik malzemedir. Bu yüzden hem optik hem de mikroelektronik cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. 
Bu çalışmada, sol-jel yöntemiyle üretilen HfO2 tozların ve ince filmlerin mikroyapı ve optik özellikleri incelenmiştir. Hafniyum tetraklorür, etanol içinde çözüldükten sonra, asetik asit ve saf su eklenerek berrak bir çözelti hazırlanmıştır. Çözeltinin bir kısmı hava ortamında kurutulup, farklı sıcaklıklarda sinterlenerek toz elde edilmiştir. Kalan çözelti 0,45 µm'lik mikro filtreden geçirilmiştir. HfO2 ince filmler 20, 30 ve 40 kat olarak, cam altlıklar üzerine daldırmalı kaplama yöntemi kullanılarak kaplanmıştır. Her kattan sonra, filme 2 dk ara tavlama yapılmıştır. Son olarak üretilen filmler, fırında farklı sıcaklıklarda, 1 saat tavlanmıştır. 
Üretilen numuneler, X-ışını kırınımı (XRD), atomik kuvvet mikroskobu (AFM), taramalı elektron mikroskobu (SEM), ultraviyole-görünür bölge (UV-Vis) spektroskopisi ve prizma çiftleyici kullanılarak karakterize edilmiştir. XRD sonuçlarında, 450℃ üzerindeki sıcaklıklarda sinterlenen HfO2 tozlarının monoklinik faz yapısında, 450℃ altındaki sıcaklıklarda ise amorf yapıda olduğu sonucuna varılmıştır. İnce filmlerin XRD sonuçlarında ise, 400 ve 500℃'de tavlanan HfO2 ince filmlerin amorf yapıda, 600℃'de tavlanan HfO2 ince filmlerin monoklinik faz yapısında olduğu gözlemlenmiştir. AFM sonuçlarında, 600°C'de tavlanan 40 kat kaplı HfO2 ince filmin yüzey pürüzlülüğü 2.260 nm olarak en yüksek değerde ölçülmüştür. SEM görüntülerinde, 30 kat kaplı HfO2 filmin kalınlığı yaklaşık 1 μm olarak ölçülmüştür. UV-vis spektroskopisi ile 400℃'de tavlanan 30 kat kaplı HfO2 ince filmin bant boşluğu 5,06 eV'luk değeri ile en yüksek bant boşluğu elde edilmiştir. Prizma çiftleyici ile 750-850 nm'lik kalınlığa sahip ince filmlerin, kırılma indisinin yaklaşık 2 olduğu saptanmıştır.

Abstract:
HfO2 is a suitable candidate dielectric material with high refractive index (~ 2) and high band gap (5.4 eV). Therefore, it is widely used in both optical and microelectronic devices. 
In this study, microstructure and optical properties of HfO2 thin films fabricated by sol-gel method have been investigated. The solution is formed by dissolving hafnium tetra-chloride in ethanol, and mixing with acetic acid and DI water. Part of the solution was dried in the air and sintered at different temperatures to obtain powders. The solution was filtrered by a micro-filter of 0.45 μm. HfO2 thin films have been deposited on glass substrates as 20, 30 and 40 layers by dip coating. After the deposition, the films were heat treated for 2 minutes. Finally, the films were calcinated at different temperatures for 60 minutes. 
The powders and the films were characterized by X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM), ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis) and prism coupler. XRD results showed that HfO2 powders were amorphous up to 450℃, over that temperature HfO2 powders were in monoclinic phase. On the other hand, XRD results showed that the thin films annealed at 400 and 500 °C were amorphous, while at 600 °C were monoclinic phase. In AFM results, the highest surface roughness value was obtained as 2.260 nm with 40-layered HfO2 thin films annealed at 600 °C. SEM images showed that the thickness of 30-layered HfO2 films was determined around 1 μm. UV- Vis spectrophotometer results showed that the highest optical band gap value was determined as 5,06 eV with the 30-layered HfO2 thin film annealed at 400 °C. In prism coupler analyses, refractive index of HfO2 thin films with thickness between 750-800 nm was obtained as around 2.