Sutikno*, Muhammad Lukman Hakim, Sugianto
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang (UNNES)
Jalan Raya Sekaran, Gunungpati Semarang 50229, Indonesia *E-mail: smadnasri@yahoo.com
Abstrak
Photoresist berbasis phenol untuk aplikasi photolithographytelah dikembangkan dalam penelitian ini yaitu dengan mencampurkan phenolik resin dengan pelarut ethanol 20% dan sodium asetat 3-hydrate 30% dari massa phenolik resin. Novolak phenolik resin dibuat dengan mencampurkan formaldehid dan phenol dengan perbandingan mol 0,75:1 dan 0,8:1 dengan asam sulfat sebagai katalisator. Sedangkan resol phenolik resin dibuat dengan mencampurkan formaldehid dan phenol dengan perbandingan mol 2,8:1 dengan natrium hidroksida sebagai katalisator. Pembuatan phenolik resin dilakukan dengan pemanasan sampai campuran mencapai suhu 85oC dan pengadukan pada laju putaran 1000 rpm. Sampel film tipis photoresist dibuat dengan metode spin coating
pada substrat kaca preparat. Proses pemanasan awal dilakukan setelah proses spin coating dengan menempatkan substrat kaca preparat yang sudah terlapisi photoresist pada hot plate pada suhu 95oC selama 60 detik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa film tipis photoresist berbahan resol phenolik resin mempunyai struktur permukaan yang lebih rata dan lebih homogen dibandingkan film tipis photoresist berbahan novolak phenolik resin. Rentang panjang gelombang nilai absorbansi maksimum terletak pada 380-500 nm. Nilai densitas 1,41 g/ml dan mempunyai nilai viskositas 198 centipoise.
Kata kunci: Photoresist; phenol; novolak; spin coating
PENDAHULUAN
Dalam mengembangkan industri sebagai salah satu tonggak untuk menopang perekonomian, Indonesia masih mengalami sulitnya ketersediaan bahan mentah untuk industri. Bahan dasar untuk industri elektronik kenyataannya belum banyak yang diolah, misalnya bahan photoresist belum diproduksi di Indonesia. Untuk itu perlu dikembangkan metode untuk produksi photoresist dari bahan phenol yang dapat diterapkan pada teknik fotolitografi.
Baru-baru ini, sintesis polimer yang peka terhadap cahaya telah dikembangkan untuk litografi. Beberapa polimer peka cahaya diterapkan dalam bidang mikrolitografi, bahan cetak, kristal cair, dan bahan optik non linier. Polimer ini mempunyai sifat: kelarutan yang baik, kemampuan untuk membentuk film yang baik, fotosensitivitas yang tinggi, tidak terlarut oleh pelarut setelah terjadi proses ikatan silang, memiliki stabilitas termal dan tahan terhadap plasma dan agen etsa (Rehab, 1998).
Pengembangan polimer untuk digunakan pada fabrikasi film tipis khususnya litografi perlu diperhatikan, karena proses litografi adalah kunci untuk memproduksi rangkaian listrik dengan ukuran kecil sehingga mengurangi ukuran elemen dalam alat mikroelektronik. Pengurangan ukuran piranti tersebut berguna untuk meningkatkan kemampuan dan mengurangi biaya (Aronson, 2004).
Untuk meningkatkan densitas dari Integrated Circuit (IC), variasi ukuran fitur dari jalur yang dibuat dengan metode litografi semakin diperkecil. Baru-baru ini, bahan organik dianggap menjanjikan untuk dibuat photoresist karena mempunyai kepekaan fotothermal yang baik, umur hidup panjang, dapat diproses dalam ruang hampa, memiliki batas yang jelas antara daerah terpapar dan tidak terpapar karena berat molekulnya lebih ringan dan ikatan kimia yang lebih kuat (Xi, 2012).
Photoresist adalah sistem multi komponen yang terutama terdiri atas polimer photoresist,
photoacid generator (PAGs) dan aditif (Prabhu, 2006). Photoresist merupakan bahan kimia penting
dalam pengolahan semikonduktor, layar kristal cair (LCD) dan banyak proses pencetakan (Kim, 2007). Dalam proses manufaktur piranti semikonduktor, bahan photoresist digunakan sebagai topeng (Saito, 1999). Komposit photoresist juga dikembangkan untuk photopatterning electrode yang digunakan
untuk substrat biochip. Photoresist merupakan bahan yang digunakan untuk fotolitografi klasik pada saat fabrikasi piranti mikroelektronik (Benlarbi, 2012).
Salah satu polimer yang sering digunakan adalah polimer resin phenol formaldehid. Resin phenol formaldehid (phenolik resin) adalah polimer sintetis yang diperoleh dari reaksi phenol dengan formaldehida. Phenolik resin terutama digunakan dalam produksi papan sirkuit (wang, 2010). Phenol formaldehid merupakan resin sintetis yang pertama kali digunakan secara komersial baik dalam industri plastik maupun cat. Reaksi kondensasi dari phenol pada dua kondisi yang berbeda. Satu disebut resol dan yang satu disebut novolak (Ku, 2008). Polimer yang banyak digunakan untuk photoresist adalah novolak resin yaitu polimer phenol formaldehid dengan asam sebagai katalisnya (sharma, 2012).
Kinerja photoresist dalam mikrolitografi tergantung pada sifat polimer yang digunakan. Banyak penelitian difokuskan pada struktur mikro polimer untuk mendapatkan resolusi tinggi. Polimer juga berfungsi untuk mengatur viskositas (kekentalan). Fungsi lain polimer yang tidak kalah pentingnya adalah untuk membantu pembentukan film dan menaikkan sifat mekanis dari cairan photoresist yang dihasilkan (Feiring, 2003).
Aplikasi photoresist di bidang industri elektronika yang begitu besar dan bahwa komponen utama dari photoresist yaitu polimer sangat mempengaruhi viskositas, maka dikaji pembuatan polimer untuk bahan photoresist. Dengan variasi komposisi fraksi mol formaldehid dan mol phenol serta lama reaksi akan dihasilkan polimer yang mempunyai viskositas yang berbeda satu sama lain. Viskositas polimer yang berbeda pada pembuatan photoresist akan menghasilkan photoresist yang mempunyai viskositas yang berbeda, sehingga pada pembuatan film dengan perlakuan sama akan dihasilkan struktur permukaan berbeda dan tingkat absorbansi berbeda untuk masing-masing photoresist. Dengan sifat yang berbeda akan dikaji sifat yang paling sesuai, sehingga photoresist tersebut dapat diaplikasikan pada proses fotolitografi dilihat dari rentang panjang gelombang nilai absorbansi maksimum untuk mengetahui rentang panjang gelombang cahaya yang digunakan pada proses fotolitografi.
Penelitian ini difokuskan pada masalah pembuatan photoresist dari bahan phenol. Dengan dihasilkan produk resist maka diharapkan dapat mengurangi ketergantungan negara kita untuk membeli bahan dasar industri dari negara lain terutama untuk pengembangan fotolitografi.
METODE PENELITIAN
Pembuatan sampel dilakukan di Laboratorium Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Negeri Semarang dan karakterisasi sampel dilakukan di Laboratorium Fisika Komputasi, Jurusan Fisika FMIPA dan Laboratorium Kimia Fisika, Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Semarang.
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi timbangan digital, pot berukuran 75 g, spatula, pipet, heated magnetic stirrer (pengaduk magnetik panas), substrat kaca preparat,
gelas beker berukuran 100 ml, gelas ukur 10 ml, termometer,spin coater, mikroskop CCD (scopeman digital CCD microscope MS-804), spektrometer ocean optic Vis-NIR USB 4000, brookfield dial viscometer, phenol (C6H5OH), formaldehid (CH2O), 4-tert-butylphenol (C10H14O), natrium hidroksida
(NaOH), asam sulfat (H2SO4), ethanol (C2H5OH), dan sodium acetate trihydrate (Na-C2-H3-O2.3H2O).
Pembuatan polimer resol phenolik resin dengan mencampurkan phenol yang terdiri dari 0,8 mol phenol dan 0,2 mol 4-tert-butylphenol dengan 2,8 mol formaldehid. Pembuatan polimer novolak phenolik resin dengan dua variasi perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol yaitu dengan mencampurkan phenol yang terdiri dari 0,8 mol phenol dan 0,2 mol 4-tert-butylphenol dengan 0,8 mol formaldehid dan dengan mencampurkan phenol yang terdiri dari 0,8 mol phenol dan 0,2 mol 4- tert-butylphenol dengan 0,75 mol formaldehid. Pencampuran dilakukan dengan pengaduk magnetik panas dengan laju putaran 1000 rpm sampai suhu 85oC dengan asam sulfat sebagai katalisator untuk pembuatan novolak phenolik resin dan natrium hidroksida sebagai katalisator untuk pembuatan resol phenolik resin.
Photoresist dibuat dengan mencampurkan polimer phenolik resin dengan pelarut ethanol sebanyak 20% dari massa polimer dan bahan peka cahaya sodium asetat 3-hydrate sebanyak 30 % dari massa polimer phenolik resin dengan menggunakan pengaduk magnetik panas dengan laju konstan 1000 rpm sampai suhu campuran mencapai 85oC. Pembuatan sampel film tipis photoresist dengan menggunakan metode spin coating. Cairan photoresist diteteskan pada substrat kaca preparat dengan yang diputar denganspin coaterpada laju putaran tetap selama 60 sekon.
Analisis struktur mikro permukaan dilakukan dengan mengamati secara fisik film tipis photoresist yang dihasilkan menggunakan mikroskop CCD (scopeman digital CCD microscope MS- 804), Analisis sifat optik berupa tingkat absorbansi film tipis photoresist terhadap rentang panjang gelombang antara 350-1000 nm menggunakan spektrometer ocean optic Vis-NIR USB 4000. Analisis sifat fisik cairan photoresist berupa nilai viskositas diukur menggunakan brookfield dial viscometer,
analisis sifat fisik lainnya berupa nilai densitas dapat digunakan perbandingan nilai massa dibagi volume untuk tiap jenis sampel cairan photoresist.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Struktur permukaan film tipis photoresist dikarakterisasi dengan tujuan untuk mengetahui homogenitas dan kekasaran struktur permukaan film tipis dari photoresist yang berbahan polimer resol phenolik resin dan photoresist berbahan novolak phenolik resin. Pembuatan film tipis photoresist dengan cara meneteskan cairan photoresist pada substrat kaca preparat yang diputar dengan kelajuan tertentu pada spin coating. Setelah melalui proses pemanasan awal maka terbentuklah film tipis photoresist yang dikarakterisasi struktur permukaannya dengan mikroskop CCD dengan perbesaran 400x, 800x, 1500x, dan 2400x. Contoh hasil karakterisasi mikroskop CCD dari film tipis yang dibentuk oleh cairan photoresist berbahan resol phenolik resin ditunjukkan seperti Gambar 1.
Gambar 1.Struktur permukaan film tipis photoresist berbahan polimer dengan nilai perbandingan mol formaldehid dan mol phenol 2,8:1 dengan lama reaksi katalisator 35 menit.
Dari Gambar 1 dapat dilihat bahwa permukaan film tipis photoresist yang dihasilkan halus dilihat secara fisik didukung gambar dari mikroskop CCD tetapi masih ada bagian yang kurang larut dengan campuran bahan lain sehingga terbentuk bulatan-bulatan pada gambar struktur permukaan photoresist berbahan polimer dengan perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol adalah 2,8:1. Dapat disimpulkan bahwa larutan tersebut bersifat homogen. Contoh lain dari film tipis photoresist terdapat pada Gambar 2.
Gambar 2 merupakan film tipis photoresist berbahan resol phenolik resin dengan komposisi perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol 2,8:1. Gambar tersebut diambil dengan perbesaran 2400x. Dari gambar 2a dapat dilihat bahwa film tipis photoresist yang dihasilkan mempunyai permukaan halus namun masih terdapat bulatan-bulatan yang menunjukkan ada komposisi yang tidak dapat larut pada larutan tersebut. Bulatan tersebut berukuran sangat kecil sehingga dapat disimpulkan bahwa larutan tersebut bersifat homogen.
Gambar 2b juga menunjukkan bahwa film tipis cairan photoresist yang dihasilkan juga mempunyai struktur permukaan halus dan bersifat homogen. Struktur permukaan halus juga dimiliki oleh film tipis photoresist seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2c. Dengan mengamati hasil karakterisasi struktur permukaan film tipis dari cairan photoresist berbahan polimer resol phenolik resin lainnya, maka dapat disimpulkan bahwa film tipis photoresist berbahan polimer resol phenolik resin mempunyai struktur permukaan halus dan bersifat homogen.
(a) (b) (c)
Gambar 2. Struktur permukaan film tipis photoresist berbahan polimer dengan perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol 2,8:1 dengan lama reaksi katalisator (a) 37,5 (b) 40 (c) 42,5 menit.
Film tipis photoresist berbahan novolak phenolik resin mempunyai keadaan yang berbeda dengan film tipis photoresist berbahan resol phenolik resin. Film tipis photoresist berbahan novolak phenolik resin dengan perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol 0,8:1 ditunjukkan pada Gambar 3.
(a) (b) (c)
Gambar 3: Struktur permukaan film tipis photoresist berbahan polimer dengan perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol 0,8:1 dengan lama reaksi katalisator (a) 37,5 (b) 40 (c) 42,5 menit.
Gambar 3a menunjukkan bahwa film tipis photoresist yang dihasilkan mempunyai struktur permukaan kasar. Dari gambar tersebut juga menunjukkan bahwa film tipis photoresist dengan perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol 0,8:1 tidak bersifat homogen. Gambar 3b juga menunjukkan bahwa struktur permukaan film tipis photoresist tersebut mempunyai struktur permukaan yang kasar dan tidak bersifat homogen.
Gambar 3c Merupakan film tipis yang dibuat dari cairan film tipis photoresist berbahan novolak phenolik resin dengan lama reaksi asam sulfat sebagai katalisator 42,5 menit. Dari gambar tersebut terlihat struktur permukaan film tipis lebih halus dan lebih homogen dari film tipis Gambar 3a dan Gambar 3b. Semakin lama reaksi asam sulfat sebagai katalisator dengan campuran bahan pada proses pembuatan polimer novolak photoresist maka tingkat homogenitasnya semakin tinggi. Struktur permukaan film tipis photoresist berbahan novolak phenolik resin dengan perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol 0,75: 1 ditunjukkan pada Gambar 4.
(a) (b) (c)
Gambar 4: Struktur permukaan film tipis photoresist berbahan dengan perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol 0,75:1 dengan lama reaksi katalisator (a) 37,5 (b) 40 (c) 42,5 menit.
Film tipis pada Gambar 4a merupakan film tipis photoresist berbahan novolak phenolik resin dengan lama reaksi asam sulfat dengan campuran bahan lain pada proses pembuatan polimer novolak phenolik resin selama 37,5 menit. Dapat dilihat bahwa struktur permukaan yang terbentuk kasar dan tidak bersifat homogen.
Pada Gambar 4b dan Gambar 4c merupakan film tipis cairan photoresist berbahan novolak phenolik resin dengan lama reaksi asam sulfat sebagai katalisator dengan campuran bahan lain pada pembuatan novolak phenolik resin selama 40 dan 42,5 menit. Pada Gambar 4b menunjukkan struktur permukaan lebih halus dibandingkan dengan film tipis pada Gambar 4a.
Gambar 4c mempunyai struktur permukaan yang lebih halus dan lebih homogen dibandingkan film tipis pada Gambar 4a dan 4b. Semakin lama reaksi antara asam sulfat sebagai katalisator dengan campuran bahan pada pembuatan polimer novolak phenolik resin menghasilkan cairan yang lebih
homogen. Disimpulkan bahwa film tipis photoresist berbahan resol phenolik resin mempunyai struktur permukaan lebih halus dan lebih homogen dibandingkan film tipis photoresist berbahan novolak phenolik resin.
Karakterisasi sifat optik digunakan untuk mengetahui tingkat absorbansi film tipis photoresist dan rentang panjang gelombang tingkat absorbansi film tipis photoresist tinggi. Dengan diketahuinya nilai rentang panjang gelombang untuk nilai penyerapan maksimum maka dapat diketahui rentang panjang gelombang lampu UV untuk proses fotolitografi.
Gambar 5. Grafik hubungan panjang gelombang dengan tingkat absorbansi film tipis photoresist berbahan polimer dengan perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol 0,75:1, 0,8:1, dan 2,8:1 dengan lama reaksi katalisator 37,5 menit.
Dari Gambar 5 menunjukkan bahwa rentang panjang gelombang untuk nilai absorbansi maksimum pada rentang panjang gelombang 380-500 nm untuk photoresist berbahan polimer dengan perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol 0,75:1, 0,8:1, dan 2,8:1. Dari grafik tersebut menunjukkan hubungan panjang gelombang dengan tingkat absorbansi film tipis photoresist dengan meningkatnya nilai perbandingan formaldehid dengan mol phenol nilai absorbansinya semakin tinggi. Dengan melihat grafik lain dengan lama reaksi katalisator sama yaitu 40 dan 42,5 menit dengan variasi perbandingan mol 0,75:1, 0,8:1, dan 2,8:1 hubungan antara perbandingan mol dengan nilai absorbansi menunjukkan hasil yang sama. Sedangkan untuk hubungan antara lama waktu reaksi dengan nilai absorbansi cenderung tidak ada pengaruh antara lama reaksi katalisator dengan nilai absorbansi. Grafik hubungan antara lama reaksi dengan nilai absorbansi seperti pada Gambar 6.
Gambar 6. Grafik hubungan panjang gelombang dengan tingkat absorbansi film tipis photoresist berbahan polimer dengan perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol 2,8:1 dengan lama reaksi katalisator 37,5, 40, dan 42,5 menit.
Dari Gambar 6 menunjukkan bahwa tidak ada hubungan antara lama reaksi dengan nilai absorbansi film tipis photoresist yang dihasilkan. Dengan melihat grafik lain yaitu hubungan antara perbandingan mol formladehid dengan mol phenol 0,75:1 dan 0,8:1 dengan lama reaksi 37,5, 40 dan 42,5 menit, dapat disimpulkan bahwa tidak ada hubungan antara perbandingan lama reaksi dengan nilai absorbansi film tipis photoresist. Nilai densitas photoresist dengan perbandingan mol formaldehid dan mol phenol dengan variasi lama reaksi katalisator seperti pada Gambar 7.
Gambar 7.Diagram batang nilai densitas cairan photoresist.
Photoresist berbahan polimer dengan perbandingan mol formaldehid dan mol phenol 0,75:1, 0,8:1 dan 2,8:1 mengalami kenaikan nilai densitas sesuai lama waktu reaksi, semakin besar nilai
perbandingan mol formaldehid dan mol phenol, nilai densitas photoresist yang dihasilkan semakin besar. Nilai densitas maksimum photoresist hasil penelitian ini adalah 1,43 g/ml yaitu photoresist berbahan polimer resol phenolik resin dengan perbandingan mol formaldehid dan mol phenol 2,8:1 dengan lama reaksi katalisator 42,5 menit. Photoresist S1800 series mempunyai nilai densitas 1,02 g/ml [12]. Data yang dihasilkan dari pengukuran viscometer untuk cairan photoresist berbahan polimer novolak phenolik resin dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1.Hasil pengukuran viscometer cairan photoresist berbahan polimer novolak phenolik resin Nilai pada viscometer Faktor pengali
Nilai viskositas (centipoise)
16 2 32
16,5 2 33
17 2 34
Pengukuran nilai viskositas cairan photoresist berbahan resol phenolik resin dengan menggunakan cara yang sama seperti pada pengukuran nilai viskositas cairan photoresist berbahan novolak phenolik resin. Data pengukuran nilai viskositas cairan photoresist berbahan polimer resol phenolik resin ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2.Hasil pengukuran viscometer cairan photoresist berbahan polimer resol phenolik resin. Nilai pada viscometer Faktor pengali Nilai viskositas (centipoise)
99,5 2 199
99 2 198
99,5 2 199
Dari data pada Tabel 1 cairan photoresist berbahan polimer novolak resin mempunyai nilai viskositas rata-rata 33 centipoise dari pengukuran tiga kali. Dari Tabel 2 yaitu data nilai viskositas cairan photoresist berbahan polimer resol phenolik resin mempunyai nilai viskositas rata-rata 198,6 centipoise. Cairan photoresist berbahan polimer novolak phenolik resin dengan perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol 0,75:1. Cairan photoresist berbahan polimer novolak phenolik resin yang digunakan adalah cairan photoresist yang berbahan novolak phenolik resin dengan lama reaksi antara katalisator asam sulfat dengan campuran phenol, formaldehid dan 4-tert butylphenol selama 40 menit.
Sampel cairan photoresist berbahan polimer resol phenolik resin yang digunakan adalah sampel cairan photoresist dengan bahan polimer resol phenolik resin dengan perbandingan formaldehid dengan mol phenol 2,8:1. Cairan photoresist berbahan polimer resol phenolik resin dengan lama reaksi katalisator natrium hidroksida selama 40 menit. Dapat ditarik kesimpulan bahwa nilai viskositas cairan photoresist berbahan polimer resol phenolik resin mempunyai kekentalan lebih tinggi dibandingkan cairan photoresist berbahan novolak phenolik resin.
SIMPULAN
Semakin besar nilai perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol dan semakin lama reaksi katalisator pada pembuatan polimer sebagai bahan untuk pembuatan photoresist dihasilkan struktur pernukaan yang semakin halus seperti permukaan cermin dilihat secara fisik dengan
didukung oleh gambar hasil karakterisasi menggunakan mikroskop CCD dan bersifat homogen. Peningkatan lama reaksi katalisator menghasilkan struktur permukaan lebih halus dan lebih homogen pada tiap nilai perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol.
Tingkat absorbansi untuk masing-masing jenis cairan photoresist tidak dipengaruhi oleh lama reaksi katalisator. Tingkat absorbansi film tipis photoresist berbahan resol phenolik resin yaitu dengan perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol 2,8:1 lebih tinggi dibandingkan tingkat absorbansi film tipis photoresist berbahan novolak resin dengan perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol 0,75:1 dan 0,8:1. Untuk rentang panjang gelombang tingkat absorbansi maksimum terletak pada rentang panjang gelombang 380-500 nm untuk semua jenis photoresist yang dihasilkan. Semakin tinggi nilai perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol dihasilkan photoresist dengan nilai absorbansi semakin tinggi.
Nilai densitas cairan photoresist berbahan resol phenolik resin lebih tinggi dibandingkan dengan nilai densitas cairan photoresist berbahan novolak resin. Semakin lama reaksi katalisator dan semakin tinggi nilai perbandingan mol formaldehid dengan mol phenol menghasilkan photoresist dengan nilai densitas yang semakin tinggi. Tingkat kekentalan cairan photoresist berbahan resol phenolik resin lebih tinggi dibandingkan dengan tingkat kekentalan cairan photoresist berbahan novolak phenolik resin.