Development of sputtering method for fabrication of superior ZnO thin films material for gas sensors

HAZA'A, Salah Kaduri, Promotor Prof.Dr.Ir. Prayoto, MSc

2004 | Disertasi | S3 MIPA (Fisika)

Lapisan tipis ZnO dideposit pada subtract kaca oleh dc magnetron sputtering. Karateristik hasil lapisan tipis ZnO tergantung pada parameter deposisinya, seperti suhu, tekanan, medan magnetik, campuran gas, jarak elektroda, power, dan waktu. Dengan menyesuaikan pada parameter tersebut, difraksi sinar-x lapisan tipis ZnO dengan peak yang menonjol pada 0.484o didapat. Resistivitas dari lapisan tipis ZnO yang terdeposit pada suhu substrat 430oC adalah 0.307.103Ù.cm, dan resistivitas lapisan tipis ZnO yang terdeposit dari target Zn dengan 20% O2 dan suhu substrat 430oC adalah 0.106.102Ù.cm. Sifat kristallografik lapisan tipis ZnO dibentuk oleh teknik magnetron sputtering yang diteliti menggunakan diffraksi sinar-x, SEM (Scanning Electron Microscopy), dan spectrophotometer UV. Pada saat suhu pertumbuhan bertambah, peak diffraksi (002) menjadi lebih dominan dan pada suhu mendekati 430oC lapisan tipis tersebut terbentuk dengan berorientasi pada sumbu (002). Hasil tersebut menandakan bahwa c-axis lapisan tipis ZnO terorientasi tegak lurus pada substrat. Ketika tekanan gas sputtering adalah 6´10-2 Torr, peak diffraksi (002) sangat kuat dan pada saat tekanan tinggi (sampai 9´10-2 Torr) peak diffraksi sangat lemah. Kristal terorientasi kembali dengan sendirinya, sehingga c-axis tegak lurus pada substrat seperti lapisan permukaan yang baru terbentuk. ZnO, pada disertasi ini, didope dengan Al2O3 untuk membentuk lapisan tipis ZnO:Al. Berdasarkan pola diffraksi analisis sinar-x, morfologi permukaan dan nilai resistivitas lapisan tipis ZnO:Al, sifat elektriknya optimum pada kondisi parameter: kondisi konsentrasi 1,05%wt Al, suhu substrat 450oC, tekanan gas argon 6 ´ 10 -2 Torr dan waktu deposisi 1,5 jam. Hasilnya mempunyai konduktivitas yang tinggi dan berdasarkan diffraksi sinar-x dapat diketahui bahwa orientasi ZnO tidak berubah, walaupun dicampur dengan konsentrasi dan suhu ZnO:Al yang berbeda. Dari hasil XRD pada dua parameter, suhu dan tekanan, butiran terkecil didapat pada suhu 430oC dan pada tekanan 60 mTorr. Hal ini sesuai dengan efek Canibalism, yaitu ukuran butiran yang kecil menghasilkan resistansi yang kecil dan kebalikannya, ukuran butiran yang besar menghasilkan resitance yang besar pula. Suhu (250 – 420)oC digunakan sebagai jangkau suhu operasi sensor gas, dan hasil yang maksimum dihasilkan pada suhu 400oC. pada suhu tersebut, serapan gas ZnO:Al mampu untuk mendeteksi gas-gas tertentu seperti HNO3, CH3COCH3, C2H5OH, NH3, CO, N2, O2, dan H2 sampai 100 ppm.

High quality ZnO thin films were deposited onto glass substrates by dcmagnetron sputtering. The characteristics of ZnO films obtained depends on the deposition parameters, such as temperature, pressure, magnetic field, gas mixture, electrode gap, power, and time. By adjusting these parameters, ZnO thin films with an extremely sharp x-ray diffraction peak with an 0.4840 full width at halfmaximum were obtained. The resistivity of the deposited ZnO films at substrate temperature 4300C is 0.307.103W.cm, and the resistivity of the deposited ZnO films from Zn target with 20% O2 and substrate temperature 4300C is 0.106.102W.cm. The crystallographic properties of ZnO thin films formed by the magnetron sputtering technique were investigated using X-ray diffraction, SEM (scanning electron microscopy) and UV-spectrophotometer. As the growth temperature increases, the (002) diffraction peak becomes progressively more dominant and at a temperature near 4300C the films are strongly textured with preferential orientation along the (002) axis. This result indicates that the c-axis of the ZnO thin films is oriented almost normal to the substrate. When the sputtering gas pressure is 6´10-2 Torr, the (002) diffraction peak is very strong and when gas pressure is high (up to 9 ´10 -2 Torr) the diffraction peak is very weak. The crystallites reorient themselves so that the caxis is normal to the substrate as new surface layers are formed. The ZnO, in this dissertation, is doped by Al2O3, to form ZnO:Al thin films. Based on the analysis of X-rays diffraction patterns, the surface morphology and the resistivities value of ZnO:Al thin films, its optimum electrical properties was obtained at the following parameter condition: condition concentration of 1.05% wt Al, substrate temperature of 450oC, argon gas pressureof 6´10-2 torr and deposition time 1.5 hours. From the resulting higher conductivity and the X-Ray Diffraction results we know that the orientation of the crystal ZnO does not change, although mix with the different concentration and temperature of ZnO:Al. The (250–420)oC temperature from range is used as the operation temperatures range of gas sensor, and we can see the significant result at 400oC. At this temperature, ZnO:Al gas absorption is capable to detect certain gases such as HNO3, CH3COCH3, C2H5OH, NH3, CO, N2, O2, and H2 up to 100 ppm

Kata Kunci : Fisika,Lapisan Tipis ZnO,Difraksi Sinar X