TINJAUAN PUSTAKA
2.4. Film Tipis
Deposisi film tipis telah menjadi subjek studi intensif selama hampir satu abad, dengan berbagai metode yang telah dikembangkan dan ditingkatkan. Teknik deposisi film tipis semakin banyak dikembangkan dan digunakan dalam industri, dan semakin banyak pula bidang yang dijangkau, umpama di bidang optik untuk kacamata, lensa , filter dan lain-lain, yang selanjutnya memberikan kekuatan besar untuk mendorong pengembangan lebih lanjut dan perbaikan teknik deposisi.
Metode pertumbuhan film tipis secara umum dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu: tanpa menggunakan vakum yaitu: spin coating, dip coating, spray coating, electronic deposition, dan dengan menggunakan vakum yaitu: teknik PVD (Physical Vapor Deposition) yang meliputi: termal Evaporation, teknik sputtering, teknik reactive sputtering, teknik electron beam evaporation (EB), teknik ion assited deposition dan teknik CVD (Chemical Vapour Deposition).
Deposisi film tipis melibatkan proses dominan yang heterogen termasuk reaksi kimia yang heterogen, penguapan, adsorbs dan desorbsi pada pertumbuhan permukaan. Pertumbuhan film tipis, untuk semua fase transformasi, melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan pada substrat atau pertumbuhan permukaan.
Proses nukleasi memainkan peran yang sangat penting dalam menentukan kristalinitas dan mikrostruktur film tipis yang dihasilkan. Untuk deposisi film tipis dengan ketebalan dalam ukuran nanometer, proses nukleasi awal bahkan lebih penting. Nukleasi dalam pembentukan film tipis adalah nukleasi heterogen, energi penghalang dan ukuran nukleus kritis. Ukuran dan bentuk awal inti yang dianggap hanya bergantung pada perubahan volume energi bebas Gibbs, karena untuk supersaturation, dan efek gabungan energi permukaan dan antarmuka diatur oleh persamaan Young. Interaksi antara film tipis dan substrat memainkan peran yang sangat penting dalam menentukan nukleasi awal dan pertumbuhan film.
Berdasarkan hasil eksperimental dinyatakan bahwa ada tiga model dasar nukleasi yaitu (Ohring, 1992):
1. Pertumbuhan gugusan atau Volmer-Weber, 2. Pertumbuhan lapisan atau Frank-van der Merwe 3. Gugusan-lapisan atau Stranski-Krastonov.
Gambar 2.4 mengilustrasikan tiga model dasar nukleasi awal dalam pertumbuhan film. Pertumbuhan gugusan terjadi ketika spesies pertumbuhan lebih kuat terikat satu sama lain daripada substrat. Banyak sistem logam pada substrat isolator, halida alkali, grafit dan mika menampilkan jenis nukleasi selama awal deposisi film. Hasil pertumbuhan berikutnya terjadinya pengabungan gugusan-gugusan dan membentuk lapisan film. Pertumbuhan lapisan adalah kebalikan dari pertumbuhan gugusan, di mana pertumbuhan spesies sama-sama terikat lebih kuat ke substrat daripada satu sama lain. Monolayer lengkap pertama dibentuk, sebelum deposisi lapisan kedua terjadi.
Gambar 2.4. Mengilustrasikan tiga model dasar nukleasi awal dalam pertumbuhan film.
Pertumbuhan gugusan, pertumbuhan lapisan dan pertumbuhan gugusan-lapisan umumnya melibatkan stress selama terjadi pembentukan inti atau film.
Perhitungan ukuran nukleus kritis r*, dan energi penghalang ∆G*, menggunakan persamaan yaitu:
Untuk pertumbuhan gugusan, dimana sudut kontak harus lebih besar dari nol, atau θ > 0. Menurut persamaan Young, maka persamaannya dapat ditulis sebagai berikut :
sv fs vf (2.9)
Jika deposito tidak membasahi substrat sama sekali atau θ = 180 ", maka nukleasi adalah nukleasi homogen. Untuk pertumbuhan lapisan, dimana deposito membasahi substrat sepenuhnya dan sudut kontak sama dengan nol, persamaan yang sesuai yang menjadi:
sv fsvf (2.10)
Pada pertumbuhan lapisan yang paling penting adalah deposisi film kristal tunggal baik melalui homoepitaxy, di mana film harus memiliki struktur kristal dan komposisi kimia yang sama dengan substrat, atau heteroepitaxy, di mana deposito film kristal memiliki struktur kristal yang tidak sesuai dengan substrat.
Homoepitaxy merupakan ekstensi sederhana dari substrat, dan hampir tidak ada antarmuka antara substrat dan deposito film kristal dan tidak ada proses nukleasi.
Meskipun deposito memiliki komposisi kimia yang berbeda dari substrat, spesies
pertumbuhan lebih mudah untuk mengikat substrat daripada satu sama lain.
Karena perbedaan dalam komposisi kimia, konstanta kisi deposito kemungkinan besar akan berbeda dari substrat. Perbedaan semacam itu umumnya mengarah ke pengembangan stres dalam deposito. Stres adalah salah satu alasan umum untuk pertumbuhan gugusan-lapisan. Pembahasan tentang pertumbuhan lapisan gugusan lebih rumit dan melibatkan stres. Pada awalnya pengendapan akan mengikuti model lapisan pertumbuhan, dan ketika deposito tegangan elastisitas terjadi hal ini disebabkan karena ketidaksesuaian antara kisi deposito dan substrat, maka tegangan energi harus dinaikkan. Jika untuk setiap lapisan deposito yang ditambahkan, akan menyebabkan stres meningkat dan terjadi energi tegangan.
Energi tegangan tersebut sebanding dengan volume deposito, dengan asumsi ada relaksasi tidak plastik. Oleh karena itu, untuk menghitung besarnya energi penghalang ∆G* maka harus memasukkan energi tegangan dan persamaan (2.8) menjadi : di mana ω adalah energi regangan per satuan volume yang dihasilkan oleh stres
dalam deposito. Karena tanda ∆Gv adalah negatif, dan tanda ω adalah positif, maka hambatan energi secara keseluruhan untuk meningkatkan nukleasi. Ketika stres melebihi titik kritis dan tidak bisa dilepaskan, energi regangan per satuan luas deposito menjadi besar yang berhubungan dengan γvf, dan memungkinkan awal inti untuk terbentuk di atas deposit berlapis. Dalam hal ini, energi permukaan substrat lebih besar dari kombinasi energi permukaan deposito dan energi antarmuka antara substrat dan deposito yaitu:
vf fs
sv
(2.12)
Jika terjadi perubahan yang meningkat pada energi bebas Gibbs secara keseluruhan, maka penghalang energi untuk nukleasi awal berkurang dan ukuran kritis inti menjadi kecil. Model nukleasi dan mekanisme yang berlaku untuk
pembentukan kristal tunggal, polikristalin dan deposito amorf, dan deposito anorganik, organik dan hibrida yang tergantung pada kondisi pertumbuhan dan substrat. Deposisi suhu dan tingkat pertumbuhan spesies merupakan dua faktor yang paling penting dalam hal ini.
1. Pertumbuhan film kristal tunggal merupakan yang paling sulit dan membutuhkan: (i) substrat kristal tunggal dengan pertandingan jarak kisi , (ii) permukaan substrat yang bersih sehingga untuk menghindari terjadinya nukleasi sekunder, (iii) suhu pertumbuhan yang tinggi sehingga untuk menjamin mobilitas yang cukup dari spesies pertumbuhan dan (iv) tingkat spesies pertumbuhan rendah sehingga untuk memastikan waktu yang cukup untuk difusi permukaan dan penggabungan spesies pertumbuhan ke dalam struktur kristal dan untuk relaksasi struktural sebelum munculnya spesies pertumbuhan berikutnya.
2. Pengendapan amorf film biasanya terjadi : (i) ketika pertumbuhan dilakukan pada suhu rendah, sehingga tidak cukup mobilitas permukaan untuk pertumbuhan spesies dan (ii) ketika masuknya pertumbuhan spesies ke permukaan pertumbuhan sangat tinggi, pertumbuhan spesies tidak memiliki cukup waktu untuk menghasikan pertumbuhan dengan energi terendah.
3. Kondisi untuk pertumbuhan film polikristalin kristal terjadi antara kondisi pertumbuhan kristal tunggal dan deposisi film amorf. Secara umum, suhu deposisi yang cukup memastikan mobilitas permukaan untuk pertumbuhan spesies dan fluks pertumbuhan spesies cukup tinggi.
Kondisi pertumbuhan untuk polikristalin kristal tunggal, dan film amorf silikon dengan metode uap kimia juga dapat berlaku untuk film elemen tunggal.
Namun, proses pertumbuhan ini merupakan kasus yang kompleks dalam sistem yang disebabkan adanya materi kotoran dan aditif. Epitaksial adalah proses yang sangat khusus, dan mengacu pada pembentukan atau pertumbuhan kristal tunggal di atas substrat. Tingginya pertumbuhan epitaksial menyebabkan terjadinya homoepitaxy dan heteroepitaxy. Homoepitaxial merupakan untuk tumbuh film
pada substrat, di mana keduanya bahan yang sama. Pertumbuhan homoepitaxial biasanya digunakan untuk menumbuhkan kualitas film yang lebih baik atau memperkenalkan dopan menjadi film yang lebih baik. Heteroepitaxy mengacu pada kasus bahwa film dan substrat adalah bahan yang berbeda. Perbedaan antara film homoepitaxial dan film heteroepitaxial adalah perbandingan kisi antara film dan substrat. Tidak ada mismatch kisi antara film dan substrat pada pertumbuhan homoepitaxial. Sebaliknya, akan ada mismatch kisi antara film dan substrat pada pertumbuhan heteroepitaxial. Mismatch kisi disebut juga ketidakcocokan, yang dirumuskan sebagai berikut :
dengan as adalah konstanta kisi unstrained substrat dan af adalah konstanta kisi unstrained film.
Jika f = 0, film dalam keadaan tegang, sedangkan jika f < 0, film dalam kompresi. Persamaan untuk menentukan besarnya energi tegangan Es yang berhubungan dengan tegangan film adalah :
hA kebanyakan material), ε adalah tegangan lateral, h adalah ketebalan dan A adalah luas permukaan. Energi tegangan Es meningkat dengan meningkatnya ketebalan.
Besarnya energi tegangan Es disebabkan oleh tegangan film dan juga karena ketidakcocokan relatif substrat kecil, atau karena film menjadi kendur disebabkan pembentukan dislokasi dan terjadi ketidakcocokan yang besar. Homoepitaxial dan heteroepitaxial pertumbuhan film telah telah diaplikasi, terutama dalam industri elektronik