Two-Dimensional Nanostructures
Two-Dimensional Nanostructures
(Thin Films)
(Thin Films)
Disusun untuk memenuhi Ujian Tengah Semester Matakuliah Fisika Material
Disusun untuk memenuhi Ujian Tengah Semester Matakuliah Fisika Material dan Divaisdan Divais Nano Nano dengan D
Nano Nano dengan Dosen Pengampu Prof. Dr.Engosen Pengampu Prof. Dr.Eng. Khairurrijal. Khairurrijal
Disusun oleh: Disusun oleh:
Yulianto Agung Rezeki / 20215010 Yulianto Agung Rezeki / 20215010
Kamaruddin / 20215040 Kamaruddin / 20215040 Akmal Zulfi M / 20215041 Akmal Zulfi M / 20215041
MAGISTER FISIKA
MAGISTER FISIKA
SEKOLAH PASCASARJANA ITB
SEKOLAH PASCASARJANA ITB
BANDUNG
BANDUNG
2015
2015
TWO-DIMENSIONAL STRUCTURES: THIN FILM TWO-DIMENSIONAL STRUCTURES: THIN FILM
Yulianto Agung Rezeki, Kamaruddin, Akmal Zulfi M Yulianto Agung Rezeki, Kamaruddin, Akmal Zulfi M
20215010, 20215040, 20215041 20215010, 20215040, 20215041 [email protected]
[email protected],, [email protected]@gmail.com,,[email protected]@yahoo.com Magister Fisika Institut
Magister Fisika Institut Teknologi BandungTeknologi Bandung
5.1 Pendahuluan 5.1 Pendahuluan
Deposisi film tipis telah menjadi subjek studi intensif selama hampir se-abad, dan banyak Deposisi film tipis telah menjadi subjek studi intensif selama hampir se-abad, dan banyak metode yang telah dikembangkan dan ditingkatkan. kebanyakan teknik ini
metode yang telah dikembangkan dan ditingkatkan. kebanyakan teknik ini telah dikembangkantelah dikembangkan dan banyak digunakan dalam industri, yang berpengaruh besar dalam pengembangan lebih dan banyak digunakan dalam industri, yang berpengaruh besar dalam pengembangan lebih lanjut dan perbaikan teknik deposisi. Metode pertumbuhan film pada umumnya dapat dibagi lanjut dan perbaikan teknik deposisi. Metode pertumbuhan film pada umumnya dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu: deposisi fase
menjadi dua kelompok yaitu: deposisi fase uap dan pertumbuhan berbasis cairan. Sebelumnyauap dan pertumbuhan berbasis cairan. Sebelumnya terdiri dari, misalnya, penguapan,
terdiri dari, misalnya, penguapan, Molecular Molecular Beam Beam EpitaxyEpitaxy (MBE), (MBE), Sputtering Sputtering ,, ChemicalChemical Vapor Deposition
Vapor Deposition (CVD), dan (CVD), dan Atomic Layer Deposition Atomic Layer Deposition (ALD). Contoh akhir-akhir ini adalah (ALD). Contoh akhir-akhir ini adalah deposisi endapan elektrokimia,
deposisi endapan elektrokimia, Chemical Solution DepositionChemical Solution Deposition (CSD), Lapisan Langmuir- (CSD), Lapisan Langmuir-Blodgett dan Self-assembled Monolayers (SAM). Deposisi lapisan lebih banyak melibatkan Blodgett dan Self-assembled Monolayers (SAM). Deposisi lapisan lebih banyak melibatkan proses
proses heterogen heterogen termasuk termasuk reaksi reaksi kimia kimia heterogen, heterogen, evaporasi, evaporasi, adsorpsi adsorpsi dan dan desorpsi desorpsi padapada permukaan
permukaan pertumbuhan, pertumbuhan, nukleasi nukleasi heterogen heterogen dan dan pertumbuhan pertumbuhan permukaan. permukaan. Selain Selain itu,itu, sebagian deposisi film dan proses karakterisasi dilakukan dalam keadaan vakum.
sebagian deposisi film dan proses karakterisasi dilakukan dalam keadaan vakum.
5.2 Dasar Pertumbuhan Film 5.2 Dasar Pertumbuhan Film
Pertumbuhan film tipis, karena semua transformasi fasa, melibatkan proses nukleasi dan Pertumbuhan film tipis, karena semua transformasi fasa, melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan pada
pertumbuhan pada substrat substrat atau atau pertumbuhan permukaan. pertumbuhan permukaan. Proses Proses nukleasi nukleasi memainkan peranmemainkan peran yang sangat penting dalam menentukan kristalinitas dan mikrostruktur film yang dihasilkan. yang sangat penting dalam menentukan kristalinitas dan mikrostruktur film yang dihasilkan. Untuk deposisi film tipis dengan ketebalan di wilayah nanometer
Untuk deposisi film tipis dengan ketebalan di wilayah nanometer , proses nukleasi awal bahkan, proses nukleasi awal bahkan lebih penting. Nukleasi dalam pembentukan Film adalah nukleasi heterogen. Ukuran dan lebih penting. Nukleasi dalam pembentukan Film adalah nukleasi heterogen. Ukuran dan bentuk dari inti a
bentuk dari inti awalnya diasumsikan walnya diasumsikan semata-mata tesemata-mata tergantung pada perubahan volume energirgantung pada perubahan volume energi bebas
bebas Gibbs, Gibbs, namun namun dalam dalam prakteknya, prakteknya, interaksi interaksi antara antara film film dan dan substrat substrat memainkan memainkan peranperan yang sangat penting dalam menentukan nukleasi awal dan pertumbuhan film. Banyak yang sangat penting dalam menentukan nukleasi awal dan pertumbuhan film. Banyak pengamatan eksperimental yang mengu
pengamatan eksperimental yang mengungkapkan bahwa ada tiga dasar model nukleasi:ngkapkan bahwa ada tiga dasar model nukleasi: 1.
1. Islands atau Pertumbuhan Volmer-Weber Islands atau Pertumbuhan Volmer-Weber
Pertumbuhan Volmer-Weber yaitu proses nukleasi awal yang terjadi karena ikatan antara Pertumbuhan Volmer-Weber yaitu proses nukleasi awal yang terjadi karena ikatan antara partikel
partikel pertumbuhan pertumbuhan lebih lebih kuat kuat dibandingkdibandingkan an pada pada substrat. substrat. Kebanyakan Kebanyakan keadaan keadaan iniini terjadi pada logam dengan substrat isolator, seperti halida alkali, grafit dan substrat mika terjadi pada logam dengan substrat isolator, seperti halida alkali, grafit dan substrat mika
TWO-DIMENSIONAL STRUCTURES: THIN FILM TWO-DIMENSIONAL STRUCTURES: THIN FILM
Yulianto Agung Rezeki, Kamaruddin, Akmal Zulfi M Yulianto Agung Rezeki, Kamaruddin, Akmal Zulfi M
20215010, 20215040, 20215041 20215010, 20215040, 20215041 [email protected]
[email protected],, [email protected]@gmail.com,,[email protected]@yahoo.com Magister Fisika Institut
Magister Fisika Institut Teknologi BandungTeknologi Bandung
5.1 Pendahuluan 5.1 Pendahuluan
Deposisi film tipis telah menjadi subjek studi intensif selama hampir se-abad, dan banyak Deposisi film tipis telah menjadi subjek studi intensif selama hampir se-abad, dan banyak metode yang telah dikembangkan dan ditingkatkan. kebanyakan teknik ini
metode yang telah dikembangkan dan ditingkatkan. kebanyakan teknik ini telah dikembangkantelah dikembangkan dan banyak digunakan dalam industri, yang berpengaruh besar dalam pengembangan lebih dan banyak digunakan dalam industri, yang berpengaruh besar dalam pengembangan lebih lanjut dan perbaikan teknik deposisi. Metode pertumbuhan film pada umumnya dapat dibagi lanjut dan perbaikan teknik deposisi. Metode pertumbuhan film pada umumnya dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu: deposisi fase
menjadi dua kelompok yaitu: deposisi fase uap dan pertumbuhan berbasis cairan. Sebelumnyauap dan pertumbuhan berbasis cairan. Sebelumnya terdiri dari, misalnya, penguapan,
terdiri dari, misalnya, penguapan, Molecular Molecular Beam Beam EpitaxyEpitaxy (MBE), (MBE), Sputtering Sputtering ,, ChemicalChemical Vapor Deposition
Vapor Deposition (CVD), dan (CVD), dan Atomic Layer Deposition Atomic Layer Deposition (ALD). Contoh akhir-akhir ini adalah (ALD). Contoh akhir-akhir ini adalah deposisi endapan elektrokimia,
deposisi endapan elektrokimia, Chemical Solution DepositionChemical Solution Deposition (CSD), Lapisan Langmuir- (CSD), Lapisan Langmuir-Blodgett dan Self-assembled Monolayers (SAM). Deposisi lapisan lebih banyak melibatkan Blodgett dan Self-assembled Monolayers (SAM). Deposisi lapisan lebih banyak melibatkan proses
proses heterogen heterogen termasuk termasuk reaksi reaksi kimia kimia heterogen, heterogen, evaporasi, evaporasi, adsorpsi adsorpsi dan dan desorpsi desorpsi padapada permukaan
permukaan pertumbuhan, pertumbuhan, nukleasi nukleasi heterogen heterogen dan dan pertumbuhan pertumbuhan permukaan. permukaan. Selain Selain itu,itu, sebagian deposisi film dan proses karakterisasi dilakukan dalam keadaan vakum.
sebagian deposisi film dan proses karakterisasi dilakukan dalam keadaan vakum.
5.2 Dasar Pertumbuhan Film 5.2 Dasar Pertumbuhan Film
Pertumbuhan film tipis, karena semua transformasi fasa, melibatkan proses nukleasi dan Pertumbuhan film tipis, karena semua transformasi fasa, melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan pada
pertumbuhan pada substrat substrat atau atau pertumbuhan permukaan. pertumbuhan permukaan. Proses Proses nukleasi nukleasi memainkan peranmemainkan peran yang sangat penting dalam menentukan kristalinitas dan mikrostruktur film yang dihasilkan. yang sangat penting dalam menentukan kristalinitas dan mikrostruktur film yang dihasilkan. Untuk deposisi film tipis dengan ketebalan di wilayah nanometer
Untuk deposisi film tipis dengan ketebalan di wilayah nanometer , proses nukleasi awal bahkan, proses nukleasi awal bahkan lebih penting. Nukleasi dalam pembentukan Film adalah nukleasi heterogen. Ukuran dan lebih penting. Nukleasi dalam pembentukan Film adalah nukleasi heterogen. Ukuran dan bentuk dari inti a
bentuk dari inti awalnya diasumsikan walnya diasumsikan semata-mata tesemata-mata tergantung pada perubahan volume energirgantung pada perubahan volume energi bebas
bebas Gibbs, Gibbs, namun namun dalam dalam prakteknya, prakteknya, interaksi interaksi antara antara film film dan dan substrat substrat memainkan memainkan peranperan yang sangat penting dalam menentukan nukleasi awal dan pertumbuhan film. Banyak yang sangat penting dalam menentukan nukleasi awal dan pertumbuhan film. Banyak pengamatan eksperimental yang mengu
pengamatan eksperimental yang mengungkapkan bahwa ada tiga dasar model nukleasi:ngkapkan bahwa ada tiga dasar model nukleasi: 1.
1. Islands atau Pertumbuhan Volmer-Weber Islands atau Pertumbuhan Volmer-Weber
Pertumbuhan Volmer-Weber yaitu proses nukleasi awal yang terjadi karena ikatan antara Pertumbuhan Volmer-Weber yaitu proses nukleasi awal yang terjadi karena ikatan antara partikel
partikel pertumbuhan pertumbuhan lebih lebih kuat kuat dibandingkdibandingkan an pada pada substrat. substrat. Kebanyakan Kebanyakan keadaan keadaan iniini terjadi pada logam dengan substrat isolator, seperti halida alkali, grafit dan substrat mika terjadi pada logam dengan substrat isolator, seperti halida alkali, grafit dan substrat mika
menunjukkan nukleasi ini selama deposisi a
menunjukkan nukleasi ini selama deposisi awal pembentukan film. Selanjutnya kumpulan-wal pembentukan film. Selanjutnya kumpulan-kumpulan yang terbentuk seperti pulau bergabung dan membentuk film yang kontinu. kumpulan yang terbentuk seperti pulau bergabung dan membentuk film yang kontinu. Gambar 1 adalah ilustrasi dari skema island.
Gambar 1 adalah ilustrasi dari skema island.
Gambar 1 Skema island atau Volmer-Weber Gambar 1 Skema island atau Volmer-Weber 2.
2. Layer atau Pertumbuhan Frank-van der MerweLayer atau Pertumbuhan Frank-van der Merwe
Pertumbuhan Frank van der Merwe adalah kebalikan dari
Pertumbuhan Frank van der Merwe adalah kebalikan dari pertumbuhan Volmer-Weber, dipertumbuhan Volmer-Weber, di mana pertumbuhan partikel sama-sama terikat lebih kuat pada substrat daripada antara mana pertumbuhan partikel sama-sama terikat lebih kuat pada substrat daripada antara setiap partikel lain. Pertumbuhan atau pembentukan lapisan pertama terjadi secara utuh setiap partikel lain. Pertumbuhan atau pembentukan lapisan pertama terjadi secara utuh atau lengkap sebelum pembentukan lapisan selanjutnya terjadi. Salah satu contoh dari atau lengkap sebelum pembentukan lapisan selanjutnya terjadi. Salah satu contoh dari model pertumbuhan ini adalah pertumbuhan epitaxial yaitu pertumbuhan film kristal model pertumbuhan ini adalah pertumbuhan epitaxial yaitu pertumbuhan film kristal tunggal. Gambar 2 adalah ilustrasi dari skema layer.
tunggal. Gambar 2 adalah ilustrasi dari skema layer.
Gambar 2 Skema layer of Frank-van der Merwe Gambar 2 Skema layer of Frank-van der Merwe 3.
3. Island-Layer atau pertumbuhan Stranski-KrastonovIsland-Layer atau pertumbuhan Stranski-Krastonov
Model pertumbuhan ini merupakan gabungan pertumbuhan dari pertumbuhan Model pertumbuhan ini merupakan gabungan pertumbuhan dari pertumbuhan Volmer-Weber dan Frank-van der
Weber dan Frank-van der Merwe. Misalnya model pertumbuhan biasanya membentuk tiMerwe. Misalnya model pertumbuhan biasanya membentuk ti tiktik kumpul, yang dikembangkan selama pembentukan inti atau film. Gambar 3 adalah ilustrasi kumpul, yang dikembangkan selama pembentukan inti atau film. Gambar 3 adalah ilustrasi skema island-layer.
skema island-layer.
Gambar 3 Skema island-layer atau Stranski-Krastonov Gambar 3 Skema island-layer atau Stranski-Krastonov
Bagian terpenting dalam pertumbuhan film adalah deposisi film dengan kristal tunggal baik Bagian terpenting dalam pertumbuhan film adalah deposisi film dengan kristal tunggal baik melalui homoepitaxy yaitu di mana dalam pembentukan film memiliki kesamaan struktur melalui homoepitaxy yaitu di mana dalam pembentukan film memiliki kesamaan struktur kristal dan komposisi kimia seperti
kristal dan komposisi kimia seperti yang dari substrat, atau heteroepitaxy yaitu di mana yang dari substrat, atau heteroepitaxy yaitu di mana dalamdalam pembentukan
pembentukan film film memiliki memiliki kecocokan kecocokan kristal kristal yang yang medekati medekati struktur struktur seperti seperti yang yang daridari substrat. Homoepitaxy adalah ekstensi sederhana dari substrat, dan dengan demikian hampir substrat. Homoepitaxy adalah ekstensi sederhana dari substrat, dan dengan demikian hampir tidak ada antarmuka antara substrat dengan film yang terbentuk dan tidak ada proses nukleasi. tidak ada antarmuka antara substrat dengan film yang terbentuk dan tidak ada proses nukleasi. Meskipun sumber pembentuk film memiliki komposisi kimia berbeda dari substrat, Meskipun sumber pembentuk film memiliki komposisi kimia berbeda dari substrat, pertumbuhan partikel
lain. Karena dari perbedaan komposisi kimia, konstanta ki
lain. Karena dari perbedaan komposisi kimia, konstanta ki si dari pembentuk film kemungkinansi dari pembentuk film kemungkinan besar akan berbeda dari substrat.
besar akan berbeda dari substrat.
Perlu dicatat bahwa model nukleasi ter
Perlu dicatat bahwa model nukleasi tersebut dan mekanisme yang berlaku untuk pembentukansebut dan mekanisme yang berlaku untuk pembentukan kristal tunggal, polikristalin dan bahan penyusun amorf, dan bahan penyusun anorganik, kristal tunggal, polikristalin dan bahan penyusun amorf, dan bahan penyusun anorganik, organik dan hibrida. Apakah bahan penyusun adalah kristal tunggal, polikristalin atau amorf, organik dan hibrida. Apakah bahan penyusun adalah kristal tunggal, polikristalin atau amorf, tergantung pada kondisi pertumbuhan dan substrat. Perubahan suhu dan tingkat tumpukan pada tergantung pada kondisi pertumbuhan dan substrat. Perubahan suhu dan tingkat tumpukan pada pertumbuhan
pertumbuhan partikel partikel adalah adalah dua dua faktor faktor yang yang paling paling penting. penting. Berikut Berikut ini ini adalah adalah penjelasanpenjelasan singkat
singkat dalam pertumbuhan dalam pertumbuhan kristal film. kristal film. :: 1.
1. Pertumbuhan film dengan kristal tunggal yang paling sulit, membutuhkan: (i) sebuahPertumbuhan film dengan kristal tunggal yang paling sulit, membutuhkan: (i) sebuah substrat kristal tunggal dengan kesamaan kisi yang mendekati, (ii) permukaan substrat substrat kristal tunggal dengan kesamaan kisi yang mendekati, (ii) permukaan substrat bersih
bersih sehingga sehingga menghindari menghindari kemungkinan kemungkinan terjadinya terjadinya nukleasi nukleasi sekunder, sekunder, (iii)(iii) pertumbuhan
pertumbuhan dengan dengan tinggi tinggi suhu suhu untuk untuk memastikan memastikan mobilitas mobilitas yang yang cukup cukup padapada pertumbuhan
pertumbuhan partikel partikel dan dan (iv) (iv) tingkat tingkat pertumbuhan pertumbuhan pembentukan pembentukan partikel partikel yang yang rendahrendah untuk memastikan waktu yang cukup untuk difusi permukaan dan penggabungan untuk memastikan waktu yang cukup untuk difusi permukaan dan penggabungan pertumbuhan
pertumbuhan partikel partikel ke ke dalam dalam struktur struktur kristal kristal dan dan untuk untuk kebebasan kebebasan stuktur stuktur bentuknybentuknyaa sebelum kedatangan partikel pertumbuhan berikutnya.
sebelum kedatangan partikel pertumbuhan berikutnya. 2.
2. Deposisi film amorf biasanya terjadi Deposisi film amorf biasanya terjadi ketika (i) pertumbuhan pada suhu rendah diterapkan,ketika (i) pertumbuhan pada suhu rendah diterapkan, sehingga terdapat mobilitas
sehingga terdapat mobilitas yang cukup pada permukaan untuk pertumbuhan partikel danyang cukup pada permukaan untuk pertumbuhan partikel dan atau (ii)
atau (ii) masuknya partikel pertumbuhan ke permukaan pertumbuhan yang sangat banyak,masuknya partikel pertumbuhan ke permukaan pertumbuhan yang sangat banyak, sehingga partikel pertumbuhan tidak memiliki
sehingga partikel pertumbuhan tidak memiliki waktu yang cukup untuk menemukan lokasiwaktu yang cukup untuk menemukan lokasi pertumbuhan dengan energi terendah.
pertumbuhan dengan energi terendah. 3.
3. Kondisi untuk pertumbuhan film polikristalin dimana kristal jatuh antara kondisiKondisi untuk pertumbuhan film polikristalin dimana kristal jatuh antara kondisi pertumbuhan
pertumbuhan kristal kristal tunggal dan tunggal dan endapan endapan film film yang bersifayang bersifat t amorf. amorf. Secara Secara umum, suhuumum, suhu deposisi yang cukup memastikan mobilitas permukaan partikel pertumbuhan dan deposisi yang cukup memastikan mobilitas permukaan partikel pertumbuhan dan mendorong pertumbuhan partikel cukup tinggi.
mendorong pertumbuhan partikel cukup tinggi.
Gambar 4 menunjukkan kondisi pertumbuhan untuk kristal tunggal, polikristalin, dan amorf Gambar 4 menunjukkan kondisi pertumbuhan untuk kristal tunggal, polikristalin, dan amorf dari film silicon dengan metode Chemical Vapor Deposition (CVD).
Gambar 4 Kondisi film tipis silikon penumbuhan kr istal tunggal, polikristalin, dan amorf dengan CVD
5.3 Ilmu Vakum
Kebanyakan deposisi film dan pengolahananya dilakukan dalam ruang hampa. Selain itu, hampir semua karakterisasi film dilakukan pada kondisi vakum. Banyak referensi yang dapat dirujuk untuk memperoleh keadaan vakum, namun dalam pembahasan deposisi film tipis dan karakterisasi beberapa konsep yang umum digunakan seperti jalan bebas rata-rata atom, tekanan vakum dan ketergantungan pada suhu. Dalam fase gas, molekul gas terus bergerak dan bertabrakan di antara mereka sendiri serta dengan dinding wadah. Tekanan gas adalah hasil transfer momentum dari molekul gas ke dinding, dan juga variabel sistem yang paling banyak dikutip dalam teknologi vakum. Itu berarti jarak yang ditempuh oleh molekul antara tabrakan beruntun disebut jalan bebas rata-rata dan merupakan sifat penting dari gas yang tergantung pada tekanan, diberikan oleh:
P x m fp 3 10 5
di mana mfpadalah jalan bebas rata-rata dalam sentimeter dan P adalah tekanan dalam torr. Ketika tekanan di bawah 10-3 torr, molekul gas dalam deposisi film khusus dan sistem karakterisasi maka akan sangat dekat bertabrakan hanya dengan dinding dari ruang vakum, yaitu tidak ada tabrakan antara molekul gas.
Fluks tumbukan gas pada deposisi film adalah ukuran dari frekuensi molekul gas yang bertumbukan atau bertabrakan dengan permukaan, dan merupakan parameter yang paling penting. Hal ini karena untuk deposisi film, hanya molekul yang bertumbukan ke permukaan
pertumbuhan yang akan dapat berkontribusi terhahadp proses pertumbuhan. Besarnya Fluks tersebut adalah
1/2 22 10 513 . 3 MT P x Dimana P adalah tekanan dalam torr, M adalah berat molekul, dan T adalah suhu. Gambar 5 menunjukkan kerapatan molekul, kecepatan tumbukan, jarak bebas rata-rata, dan waktu yang dibutuhkan dalam pembentukan satulapisan sebagai fungsi tekanan:
Gambar 5. Ringkasan densitas molekul, incident rate, jarak rata-rata, dan formasi waktu monolayer sebagai fungsi tekanan
Perlu dicatat bahwa aliran gas berbeda dengan gerak tak menentu dari tabrakan molekul gas. Aliran gas didefinisikan sebagai gerakan bersih diarahkan gas ke sistem dan terjadi ketika ada penurunan tekanan. Bergantung pada geometri sistem yang terlibat serta tekanan, suhu dan jenis gas yang bersangkutan, aliran gas dapat dibagi menjadi tiga jenis: aliran molekuler, aliran menengah dan aliran kental. Aliran molekul yang bergerak bebas terjadi pada kepadatan gas rendah atau vakum tinggi, berarti jalan bebas antara tabrakan antarmolekul lebih besar dari dimensi sistem dan molekul berbenturan dengan dinding sistem saja. Pada tekanan tinggi, tabrakan antar molekul menjadi dominan sehingga ini berarti jalan bebas berkurang dan aliran gas disebut sebagai jenis aliran viskos. Diantara aliran molekul bebas dan aliran viskos ada jenis transisi yaitu aliran menengah. Aliran gas di atas dapat didefinisikan sebagai besarnya jumlah Knudsen, Kn, diberikan oleh:
m fp n D K
Dimana D adalah karakteristik dimensi sistem (dalam hal ini adalah diameter pipa), dan mfp adalah jalan bebas rata-rata. Gambar 6 menunjukkan jenis aliran gas pada tabung sebagai
fungsi dari dimensi sistem dan tekanan, serta tabel kisaran angka Knudsen sesuai dengan jenis aliran gasnya,
Gambar 6. Daerah aliran gas dalam tabung sebagai fungsi dimens i sistem dan tekanan dan jarak bilangan Knudson Tabel 1 Kisaran Bilangan Knudsenuntuk wilayah aliran gas
Jenis Aliran Gas Bilangan Knudsen D.P
Aliran Molekuler K n< 1 D.P < 5x10-3cm.torr
Aliran Menengah 1 < K n< 110 5x10-3 < D.P. < 5x10-1 cm.torr Aliran Viskos/Kental K n> 110 D.P > 5x 10-1 cm.torr
(D=karakteristik dimensi system, P Tekanan)
Aliran viskos sedikit rumit dan dapat dibagi lagi menjadi aliran laminar, aliran turbulen dan aliran transisi. Dengan kecepatan aliran gas yang rendah, aliran laminar berlapis dimana-mana, garis aliran paralel dapat tervisualisasikan, tidak terdapat kecepatan yang tegak lurus, dan pencampuran dalam gas adalah hanya dengan difusi. Dalam aliran ini, kecepatannya nol pada antarmuka gas-dinding dan secara bertahap meningkat sebagai gerakan menjauh dari antarmuka, mencapai maksimum pada pusat ketika mengalir di dalam pipa. Perilaku aliran ini dapat didefinisikan oleh yang disebut bilangan Reynolds (Re), yang diberikan pada aliran gas dalam pipa:
. Re Dv
Dimana D adalah diameter pipa, vadalah kecepatan aliran, adalah massa jenis dan adalah
viskositas gas. Aliran laminar sesuai dengan Re kecil < 2100. Pada kecepatan gas yang tinggi terjadi aliran turbulen, di mana Re > 4000 dan gas secara terus-menerus bercampur. Pada 2100 < Re < 4000, transisi dari laminar ke aliran turbulen terjadi dan disebut sebagai aliran transisi.
Difusi adalah salah satu mekanisme perpindahan massa gas, yang juga terjadi pada cairan dan padatan. Difusi adalah gerak atom atau molekul dari daerah yang memiliki konsentrasi lebih tinggi ke daerah yang memiliki konsentrasi lebih rendah, sehingga meningkatkan entropi dari sistem. Mekanisme lain adalah konveksi, proses aliran gas massal. Konveksi muncul dari respon terhadap gravitasi, sentrifugal, medan listrik listrik dan gaya magnet. Konveksi dapat memainkan peran penting dalam deposisi film bertekanan tinggi. Misalnya, gas panas dan kurang padat di atas substrat maka panas akan meningkat, sedangkan gas dingin dan lebih padat akan menggantikan kesenjangan. Situasi seperti ini sering dijumpai dalam reaktor CVD dinding dingin.
5.4 Physical Vapor Deposition (PVD)
PVD adalah proses mentransfer partikel pertumbuhan dari sumber atau target dan partikel pertumbuhannya pada substrat untuk membentuk film. Hasil dari proses terjadi secara otomatis dan kebanyakan tidak melibatkan reaksi kimia. Berbagai metode ini dikembangkan untuk menghilangkan partikel pertumbuhan dari sumber atau target. Ketebalan partikel pertumbuhannya dapat bervariasi dari angstrom ke milimeter. Secara umum, metode ini dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu: Evaporasi (penguapan) dan sputtering. Pada metode penguapan, partikel pertumbuhan dikeluarkan dari sumber oleh heater. Sedangkan pada sputtering, atom atau molekul yang copot dari target padat melalui pengaruh ion gas (plasma). Setiap kelompok dapat dibagi lagi menjadi beberapa metode, tergantung pada teknik spesifik yang diterapkan untuk mengaktifkan sumber atau target atom atau molekul dan kondisi deposisi yang diterapkan.
5.4.1 Evaporasi (Penguapan)
Evaporasi adalah metode deposisi mungkin cukup sederhanadan telah banyak digunkana dalam deposisi film. Meskipun pembentukan film tipis melalui metode penguapan telah dikenal sekitar 150 tahun yang lalu, mengakuisisi berbagai aplikasi lebih dari 50 tahun ketika industri teknik skala vakum yang telah dikembangkan. Skema sederhana dapat dilihat pada Gambar 7 berikut ini,
Gambar 7. Kamar vakum untuk penguapan
Sistem ini terdiri dari sumber penguapan yang menguapkan bahan yang diinginkan dan substrat terletak pada jarak yang tepat menghadap sumber penguapan dan keduanya berada dalam ruang vakum. Substrat dapat dipanaskan atau pemberian tegangan listrik atau diputar selama deposisi. Tekanan uap yang diinginkan dari bahan sumber dapat dihasilkan dengan hanya pemanasan sumber dengan suhu tinggi, dan konsentrasi partikel pertumbuhan dalam fase gas dapat dengan mudah dikontrol dengan memvariasikan suhu sumber dan fluks pembawa gas. Kesetimbangan tekanan uap dari elemen dapat diperkirakan sebagai:
C T R H P g e e ln
dimana H eadalah panas molar penguapan, R g adalah konstanta gas, T adalah temperatur, dan
C adalah konstanta. Namun, penguapan senyawa lebih rumit, karena senyawa dapat mengalami reaksi kimia, seperti pirolisis, dekomposisi dan disosiasi, dan Komposisi yang dihasilkan sering berbeda dari komposisi sumber selama penguapan pada suhu yang tinggi. Laju penguapan
tergantung pada bahan yang bersangkutan:
P P
/ 2 mR T
12N A e h g
e
e
dimana eadalah tingkat penguapan, eadalah koefisien penguapan yang bervariasi antara 0
dan 1, NA adalah konstanta Avogadro, Pe adalah tekanan uap, Phadalah tekanan hidrostatik
yang bekerja pada sumber, m adalah berat molar, R gadalah konstanta gas dan T adalah suhu.
Ketika campuran elemen atau Senyawa ini digunakan sebagai sumber untuk pertumbuhan film kompleks, komposisi kimia dari fasa uap kemungkinan besar akan berbeda dengan sumber. Penyesuaian komposisi atau perbandingan molar dari konstituen di sumber dapat membantu. Namun, komposisi sumber akan berubah sebagai hasil penguapan, karena salah satu elemen mungkin menguap jauh lebih cepat dari yang lain yang mengakibatkan penipisan pertama elemen. Akibatnya, komposisi di fase uap akan berubah. Untuk sistem multikomponen,
komposisi kimia film yang menguap mungkin akan berbeda dari sumber dan dengan tebal bervariasi. Oleh karena itu pada umumnya sulit untuk partikel pertumbuhan film kompleks
yang menggunakan metode penguapan.
Deposisi film tipis dengan penguapan dilakukan pada tekanan rendah sekitar (10-3-10-10 torr); atom dan molekul dalam fase uap tidak bertabrakan satu sama lain di permukaan pertumbuhan, karena jalan bebas rata-rata sangat besar dibandingkan dengan jarak sumber ke substrat. Itu berarti perjalanan partikel dari atom atau molekul sumber ke substrat pertumbuhan langsung
di sepanjang garis pandang, dan oleh karena itu ukuran/ketebalan film yang seragam untuk area yang luas sulit untuk diperoleh. Beberapa pengaturan khusus yang telah dikembangkan untuk mengatasi kekurangan ini, termasuk (i) menggunakan berbagai sumber yang bukan titik sumber, (ii) memutar substrat, (iii) kedua sumber dan substrat memuat seperti permukaan bola, dan (iv) kombinasi dari semua di atas.
Selain penguapan sumber dengan tahan panas, teknik lain telah dikembangkan dan telah menarik perhatian yang meningkat dan banyak diminati. Misalnya, sinar laser telah digunakan untuk menguapkan bahan. Karakteristik penyerapan material yang akan menguap menentukan panjang gelombang laser yang akan digunakan. Untuk mendapatkan daya tinggi, kerapatan diperlukan dalam banyak kasus, sinar laser berdenyut pada umumnya digunakan seperti proses pengendapan yang sering disebut sebagai ablasi laser. Ablasi Laser terbukti menjadi teknik yang efektif untuk deposisi film kompleks termasuk oksida logam kompleks seperti film superkonduktor dengan Tc yang tinggi. Salah satu keuntungan besar yang ablasi laser tawarkan
adalah kontrol dari komposisi uap. Pada prinsipnya, komposisi fasa ua p dapat dikontrol seperti pada sumber. Kerugian dari ablasi laser meliputi desain sistem yang kompleks, tidak selalu mungkin untuk menemukan panjang gelombang laser untuk penguapan yang diinginkan, dan efisiensi konversi energi yang rendah.Penguapan Berkas Elektron adalah eknik teknik lain, tetapi terbatas untuk kasus bahwa sumber merupakan bahan elektrik konduktif. Keuntungan dari penguapan berkas elektron termasuk berbagai tingkat penguapan dapat dikendalikan karena kepadatan daya tinggi dan kontaminasi rendah. penguapan Arc adalah metode lain yang umum digunakan untuk penguapan sumber konduktif.
5.4.2 Molecular beam epitaxy (MBE)
MBE dapat dianggap sebagai kasus khusus dari penguapan untuk pertumbuhan film kristal tunggal, dengan pengontrolan penguapan yang sangat tinggi dari berbagai sumber pada keadaan ultrahigh-vakum, biasanya sekitar 10-10 torr. Selain sistem ultrahigh vakum, MBE
sebagian besar memiliki fungsi kemampuan karakterisasi struktural dan kimia secara realtime, termasuk Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED), X-ray Photoelectric Spectroscopi (XPS), Auger Electron Spectroscopy (AES). Dalam MBE, atom atau molekul menguap dari satu atau lebih sumber yang tidak tidak berinteraksi satu sama lain dalam fasa uap di bawah tekananseperti pada tekanan rendah. Meskipun beberapa sumber gas yang digunakan dalam MBE, kebanyakan berkas molekul yang dihasilkan oleh pemanasan bahan padat yang ditempatkan dalam sel sumber, yang disebut sebagai sel efusi atau sel Knudsen.
Sejumlah sel efusi yang radiatically selaras dengan substrat seperti ditunjukkan Gambar 8.
Gambar 8Skema yang menggambarkan nomer sel efusi secara radiasi sebanding dengan substrat
Bahan-bahan sumber yang paling sering digunakan untuk suhu yang diinginkan dengan pemanasan resistif. Jalan bebas rata-rata atom atau molekul (sekitar 100 m) jauh melebihi jarak
antara sumber dan substrat (biasanya sekitar 30 cm) di dalam ruang deposisi. Atom atau molekul ditandai pada hasil substrat kristal tunggal dalam pembentukan film yang diinginkan secara epitaxial yakni Lingkungan yang sangat bersih, tingkat pertumbuhan yang lambat, dan kontrol independen dari penguapan partikel sumber yang memungkinkan fabrikasi yang tepat dari struktur nano dan Nanomaterials pada lapisan atom tunggal. Lingkungan vakum ultrahigh memastikan tidak adanya pengotor atau kontaminasi, dan dengan demikian sebuah film yang sangat murni dapat segera diperoleh. Penguapan dapat dikontrol dari sumber yang memungkinkan presisi kontrol tersebut tepat secara komposisi kimia dari penyimpanan partikel pertimbuhan pada waktu tertentu. Tingkat pertumbuhan yang lambat memastikan difusi permukaan yang cukup dan relaksasi sehingga pembentukan cacat kristal dapat diminimalisir.
Bagian atau komponen utama dari MBE meliputi:
a. Suhu pertumbuhan yang rendah (misalnya sekitar 550 °C untuk GaAs) yang membatasi difusi dan mempertahankan antarmuka hyperabrupt, yang sangat penting dalam fabrikasi dua dimensi struktur nano atau struktur multilayer seperti sumur kuantum.
b. Tingkat pertumbuhan yang lambat yang menjamin terkontrol dengan baik pertumbuhan dua dimensi pada tingkat pertumbuhan yang khusus dari 1 µm/ jam. Permukaan yang sangat halus dan antarmuka dapat dicapai melalui pengendalian pertumbuhan pada tingkat lapisan monoatomik.
c. Mekanisme pertumbuhan yang sederhana dibandingkan dengan teknik-pertumbuhan film lainnya, teknik ini memberikan pemahaman yang lebih baik karena kemampuan individual penguapan dapat dikendalikan dari sumber.
d. Berbagai kemampuan analisis in situ memberikan informasi berharga untuk memahami dan penyempurnaan dari proses yang dilakukan.
5.4.3 Sputteri ng
Sputtering adalah proses dimana partikel yang dikeluarkan dari bahan target yang padat karena penembakan partikel berenergi tinggi. Ini hanya terjadi ketika energi kinetik dari partikel yang masuk jauh lebih tinggi dari energi termal bahan target untuk mengetuk atom atau molekul keluar dari target bahan. Berikut ini adalah ilustrasi dari sputtering,
Gambar 9 Ilustrasi sputtering
Target bertindak sebagai salah satu elektroda dan kemudian partikel pertumbuhan jatuh pada substrat yang bertindak sebagai elektroda lain. Berbagai teknik sputtering telah banyak dikembangkan namun dasar proses sputtering kurang lebih sama. Berikut ini adalah ilustrasi sputtering dengan dengan prinsip sistem DC dan RF:
Gambar 10 Skema gambaran prinsip sistem dc dan RF sputt ering
Target dan substrat berfungsi sebagai elektroda dan saling berhadapan di ruang sputtering khusus yang telah dirancang. Gas inert, biasanya berupa gas ar gon dengan tekanan sekitar 100 mTorr, diberikan ke dalam sistem sebagai pembatas/ penengah untuk memulai dan mempertahankan keadaan. Ketika medan listrik dari beberapa kilovolt per sentimeter ataupun tegangan DC diberikan pada elektroda, pancaran partikel dimulai dan dijaga antara pilihan elektroda. Elektron bebas akan dipercepat oleh medan listrik dan menghasilkan energi yang cukup untuk mengionisasi atom argon.
Kepadatan gas atau tekanan tidak harus terlalu rendah, atau elektron hanya akan bergerak ke anoda tanpa adanya tabrakan dengan atom argon dalam fase gas. Namun, jika kepadatan gas atau tekanan tekanan terlalu tinggi, elektron tidak akan mendapatkan energi yang cukup saat beinteraksi dengan atom gas untuk menyebabkan ionisasi. Sehingga ion positif (Ar +) dalam ruang dapat menyerang katoda (target sumber) dan mengakibatkan pengusiran atom netral pada target melalui transfer momentum. Atom-atom ini melewati ruang dan partikel pertumbuhan pada elektroda yang berlawanan (substrat dengan menumbuhkan film).
Sebagai tambahan untuk partikel pertumbuhan, yaitu atom netral, partikel bermuatan negatif pengaruh medan listrik juga akan membombardir dan berinteraksi dengan permukaan substrat
atau film.
Untuk mengisolasi deposisi film, medan listrik alternatif diberikan untuk menghasilkan plasma antara dua elektroda. Frekuensi RF khusus yang digunakan sekitar 5 sampai 30 MHz. Namun, 13.56 MHz telah banyak digunakan. Bagian penting pada sputtering RF adalah target bias diri untuk potensi negatif dan berperilaku seperti target DC. Sputtering campuran unsur atau
senyawa tidak akan menghasilkan perubahan komposisi dalam target dan dengan demikian komposisi fase uap akan sama dengan target dan tetap sama selama deposisi. Banyak modifikasi yang telah dilakukan untuk mengembangkan atau meningkatkan proses pengendapan dan pembentukan hibrida dan proses PVD dimodifikasi. Sebagai contoh, medan magnet telah diperkenalkan ke dalam proses sputtering untuk meningkatkan waktu hidup partikel pertumbuhan dalam fase uap; sputtering seperti ini disebut sebagai Magma Magnetron
Sputtering. Gas reaktif juga telah diperkenalkan ke dalam ruang deposisi untuk membentuk senyawa film, yang dikenal sebagai sputtering reaktif.
5.4.4 Comparison of evaporation and sputtering
Beberapa perbedaan utama antara penguapan dan sputtering secara singkat adalah sebagai berikut:
a. Perbedaan tekanan deposisi tampak dengan jelas. Metode penguapan menggunakan tekanan rendah biasanya berkisar antara 10-3 torr sampai 10-10 torr, sedangkan sputtering membutuhkan tekanan yang relatif tinggi biasanya sekitar 100 torr. Atom atau molekul dalam ruang penguapan tidak saling bertabrakan, sedangkan atom dan molekul pada
sputtering bertabrakan satu sama lain sebelum tiba di permukaan pertumbuhan.
b. Penguapan adalah proses yang dapat dijelaskan melalui kesetimbangan termodinamika, sedangkan sputtering tidak.
c. Pertumbuhan permukaan tidak terjadi (tidak diaktifkan) pada penguapan, sedangkan pertumbuhan permukaan pada sputtering terjadi secara terus-menerus selama pelepasan
elektron dan dengan demikian sangat reaktif.
d. Film yang diperoleh dengan penguapan terdiri dari partikel berbentuk seperti biji besar, sedangkan pada sputtering film terdiri dari biji-bijian yang lebih kecil dengan adhesi yang lebih baik ke substrat.
e. Fraksinasi sistem multi-komponen merupakan tantangan serius dalam penguapan, sedangkan komposisi target dan film bisa saja sama.
5.5 Chemical Vapor Deposition (CVD)
CVD adalah proses kimiawi untuk mereaksikan senyawa volatil (yang sangat mudah menguap) dari bahan yang akan terdeposisi (prekursor), dengan gas-gas la in, untuk menghasilkan padatan nonvolatil (yang sukar menguap) yang terdeposisi secara atomic pada substrat.
5.5.1 Reaksi kimia yang khas
Reaksi antara fase gas (homogen) dan permukaan (heterogen) adalah reaksi campuran yang rumit. Reaksi fase gas menjadi penting dengan bertambahnya suhu dan tekanan parsial dari reaktan. Konsentrasi sangat tinggi reaktan akan membuat reaksi fase gas menjadi dominan, mengarah ke nukelasi homogen. Untuk deposisi film dengan kualitas baik, nukleasi homogen harus dihindari. Beberapa macam reaksi kiia dapat dibagi menjadi: pirolisis, reduksi, oksidasi, pembentukan senyawa, disproporsionasi, dan transfer dapat balik, yang semuanya bergantung pada prekursor yang digunakan dan kondisi deposisi yang dipakai. Contoh dari reaksi kimia di
atas diberikan sebagai berikut:
(A) Pirolisis atau dekomposisi termal
SiH → Si 2H
at 650oCNiCO → Ni 4CO
at 180oC (B) ReduksiSiCl 2H → Si 4HCl
at 1200oCWF 3H → W
6HF
at 300oC (C) OksidasiSiH O → SiO 2H
at 450oC4PH 5O → 2P
O 6H
at 450oC (D) Pembentukan senyawaSiCl CH → SiC 4HCl
at 1400oCTiCl
CH
→ TiC
4HCl
at 1000oC (5) Disproporsionasi2GeI → Ge GeI
at 300oC (6) Transfer dapat balikAs As 6GaCl 3H → 6GaAs 6HCl
at 750oCKeserbagunaan sifat kimia dari proses CVD menunjukkan fakta bahwa untuk deposisi film tertentu, dapat digunakan banyak reaktan atau prekursor yang berbeda dan reaksi kimia yang berbeda pun mungkin berlaku. Sebagai contoh, film silika diperoleh dari reaksi kimia yang
menggunakan bermacam-macam reaktan sebagai berikut:
SiH
O
→ SiO
2H
SiH
2N
O
→ SiO
2H
2N
SiH
Cl 2NO → SiO 2HCl
2N
Si
Cl
2N
O
→ SiO
3Cl
2N
SiOC
H
→ SiO
4C
H
2H
O
Dari prekursor dan reaktan yang sama, film yang berbeda dapat terdeposisi ketika perbandingan dari reaktan dan kondisi deposisi divariasikan. Sebagai contoh, silika dan silikon nitrida film keduanya dapat dideposisikan dari campuran Si2Cl6 dan N2O dan Gambar 11
menunjukkan taraf deposisi dari silika dan silikon nitrida sebagai fungsi dari perbandingan reaktan dan kondisi deposisi.
Gambar 11 Taraf deposisi silika dan silikon nitrida sebagai fungsi dari perbandingan reaktan dan kondisi deposisi.
5.5.2 Reaksi kinetik
Meskipun CVD adalah proses ketidaksetimbangan yang dikendalikan oleh kinetika kimia dan fenomena tansport, analisa kesetimbangan masih berguna dalam memahami proses CVD. Reaksi kimia dan kesetimbangan fasa menentukan kelayakan suatu proses t ertentu dan keadaan akhir yang akan dicapai. Pada sistem yang diberikan, terlibat tahapan panjang dari reaksi kompleks. Reaksi dasar jalur reaksi dan kinetika telah diteliti hanya untuk beberapa karakteristik baik pada sistem penting industri. Reduksi klorosilan oleh hidrogen adalah contoh untuk menggambarkan kompleksitas jalur reaksi dan keterlibatan kinetik seperti terlihat pada sistem sederhana dan proses deposisi. Pada sistem Si – Cl – H, terdapat setidaknya delapan jenis gas, yaitu: SiCl , SiCl H, SiCl H , SiClH , SiH , SiCl , HCl, dan H . Delapan jenis gas tersebut
dalam keadaan setimbang di bawah kondisi deposisi teratur oleh enam persamaan kesetimbangan kimia. Menggunakan data termodinamika yang sudah ada, komposisi fase gas sebagai fungsi suhu reaktor untuk perbandingan satu molar dari Cl dan H sebesar 0,01 dan tekanan total 1 atm, terhitung dan direpresentasikan pada Gambar 12
Gambar 12 Komposisi fase gas sebagai fungsi suhu reaktor untuk perbandingan satu molar dari Cl dan H sebesar 0,01 dan tekanan total 1 atm, terhitung menggunakan data termodinamik yang sudah ada.
5.5.3 Fenomena transport
Transport fenomena memainkan peranan penting dalam CVD dengan akses yang mengatur prekursor film ke substrat dan dengan mempengaruhi tingkat yang diingankan dan tidak diinginkan reakse fase gas yang terjadi sebelum deposisi. Geometri reaktor kompleks dan karakteristik gradien termal besar dari ruang CVD menyebabkan berbagai struktur aliran ynag mempengaruhi ketebalan film, keseragaman komposisi, dan tingkat pengotor.
Untuk operasi rekator CVD pada tekanan rendah, di mana jarak bebas rata-rata dari molekul gas adalah 10 kali lebih besar dibanding dengan karakteristik panjang dari reaktor, sehingga tidak terjadi tabrakan antara molekul gas. Dengan demikian, transportasi gas terdapat dalam aliran molekul bebas. Untuk kebanyakan sistem CVD, karakteristik tekanan 0,01 atm dan di atasnya, dan jarak bebas rata-rata jauh lebih besar daripada karakteristik dimensi sistem. Selain itu, kecepatan gas rendah pada kebanyakan reaktor CVD, biasanya hanya puluhan cm/s, di mana bilangan Reynolds kurang dari 100 dalam arus lami nar. Sebagai akibatnya, lapisan batas
stagnan pada ketebalan, δ, mendekati penumbuhan permukaan selama deposisi. Dalam l apisan batas ini, komposisi spesies tumbuh berkurang dari konsentrasi bulk nya, Pi,untuk konsentrasi
permukaan di atas film tumbuh, Pio, dan spesies tumbuh terdifusi melalui lapisan batas sebelum
terdeposi pada permukaan tumbuh seperti yang didiskusikan pada Bab 3 dan juga diilustrasikan pada Gambar 3.6. Ketika hukum gas sempurna diterapkan pada komposisi gas pada sistem khas CVD yang cukup encer, aliran difusi dari gas atau spesies tumbuh melalui lapisan batas diberikan oleh persamaan berikut.
=
di mana D adalah difusivitas dan bergantung pada tekanan dan suhu.
=
0
(
)(
0
0
)
di mana n adalah pendekatan temuan eksperimental yaitu 1,8. Jumlah D0 adalah nilai D yang
diukur pada suhu T0 (273 K) dan tekanan P0 (1 atm) standar, dan bergantung pada kombinasi
gas yang bersangkutan. Gambar 13 menunjukkan laju deposisi silikon dari empat prekursor gas yang berbeda sebagai fungsi suhu. Gambar tersebut juga menunjukkan deposisi film silikon menjadi kontrol difusi pada suhu substrat yang tinggi, sedangkan reaksi permukaan adalah proses membatasi suhu substrat yang relatif rendah.
Gambar 13 Taraf deposisi silikon dari empat prekurso r gas yang berbeda sebagai fungsi suhu
Ketika laju penumbuhan tinggi dan tekanan pada kamar reaktor juga tinggi, maka difusi dari spesies tumbuh yang melalui lapisan batas dapat menjadi proses laju membatasi. Sebagaimana diindikasikan oleh persamaan (5.31), variasi difusivitas gas berbanding terbalik dengan tekanan dan dengan demikian aliran difusi gas melalui lapisan batas da pat ditingkatkan secara
sederhana dengan mengurangi tekanan pada reaktor. Untuk deposisi pada area film yang luas, penipisan spesies tumbuh atau reaktan di atas permukaan penumbuhan dapat mengakibatkan
deposisi film yang tak seragam. Untuk mengatasi ketidakseragaman deposit film, berbagai desain reaktor telah dikembangkan untuk meningkatkan transport massa gas melalui lapisan batas. Sebagai contoh adalah menggunakan tekanan rendah dan desain baru kamar reaktor serta susceptor substrat baru.
5.5.4 Metode CVD
Berbagai metode CVD dan reaktor CVD telah banyak dikembangkan, bergantung pada jenis prekursor yang digunakan, kondisi deposisi, dan bentuk-bentuk energi pada sistem untuk
mengaktifkan reaksi kimia yang diinginkan dalam deposisi film padat pada substrat. Sebagai contoh, ketika senyawa metalorganik digunakan sebagai prekursor, kemudian disebut MOCVD (metalorganic CVD) dan ketika plasma digunakan untuk mengaktifkan reaksi kimia, kemudian disebut PECVD ( plasma-enhanced CVD). Modifikasi dari metode CVD juga telah dilakukan. Beberapa diantaranya adalah low pressure CVD (LPCVD), laser-enhanced atau assisted CVD, dan aerosol-assisted CVD (AACVD). Gambar 14 beberapa jenis reaktor CVD.
Gambar 14 Beberapa jenis reaktor CVD
Reaktor CVD umumnya dibagi menjadi dua, yaitu hot-wall dan cold-wall . Hot-wall CVD biasanya berbentuk tabung dan pemanasnya berada di sekeliling reaktor dipisahkan dengan elemen penghambat. Pada tipe cold-wall, substrat dipanaskan secara induksi oleh susceptor grafit dan dinding chamber adalah udara atau air yang didinginkan. LPCVD berbeda dengan CVD konvensional, yaitu dioperasikan dalam tekanan gas rendah ~0,5 sampai dengan 1 torr. Tekanan rendah bertujuan untuk meningkatkan aliran massa reaktan dan produk gas yang
melalui lapisan batas antara aliran laminar gas dan substrat. Pada proses PECVD, plasma ditopang dalam ruang di mana reaksi simultan CVD terjadi. Biasanya, plasma sangat digunakan dengan medan RF dengan range frekuensi mulai dari 100 kHz sampai dengan 40 MHz pada tekanan gas antara 50 mtorr dan 5 torr, atau dengan microwave dengan frekuensi umum 2,45 GHz. Seringkali energi gelombang microwavedigabungkan ke frekuensi resonansi alami dari elektron plasma dengan adanya sebuah medan magnet statis, dan kemudian plasma tersebut disebut dengan plasma electron cyclotron resonance (ECR). Pengenalan hasil palsma pada banyak taraf peningkatan deposisi, sehingga memungkinkan penumbuhan film pada suhu substrat yang relatif rendah. Gambar 15 membandingkan laju penumbuhan film polikristalin silikon yang dideposit dengan dan tanpa peningkatan plasma. Contoh dari pembuatan thin film menggunakan PECVD adalah pembuatan film tipis SiGe[*]. Deposisi dilakukan pada tekanan dalam kamar deposisi sebesar 1000 mTorr, frekuensi tinggi 13,56 MHz, 15 W pada RF power, dan suhu 350oC. Film tipis ditumbuhkan pada wafer silikon. Laju alir silane dijaga konstan pda 25 sccm dan germane bervariasi (10, 8, 4) sccm setiap 10 menit. Film tipis yang dihasilkan merupakan polikristalin alami dengan ketebalan ~500 nm. Mengurangi laju alir germane mengurangi tekanan parsial germane sehingga menyebabkan peluang atom Ge terdeposisi pada permukaan film berkurang juga. Pada penelitian ini, sebenarnya dilakukan proses annealing, tetapi tidak dibahas dalam makalah ini karena fokus makalah hanya pada sintesis material saja. MOCVD, juga disebut organometallic vapor phase epitaxy (OMVPE) berbeda dengan proses CVD lainnya yaitu pada sifat kimia prekursor gasnya, yaitu senyawa metalorganik. Penumbuhan film tipis CeO2 merupakan salah satu contoh penggunaan MOCVD.[**] Film tipis CeO2 ditumbuhkan pada substrat silikon pada temperatur 400oC di bawah tekanan reaktor 10mbar, menggunakan 0,01 M larutan [Ce(mmp)4] yang diencerkan dalam C6H12 sebagai prekursor. Digunakan oksigen sebagai oksidan dengan laju alir dalam 100-500 sccm. Laju alir prekursor 0,5 atau 1 gram/menit dan N2sebagai pembawa gas dengan laju alir 1000 sccm. Pengurangan laju alir oksidan mengurangi ketebalan dari film tipis (50 nm dari 85 nm) dan pengurangan laju alir prekursor dari 1 sampai dengan 0,5 gram/menit sangat berpengaruh besar
terhadap ketebalan film tipis (10 nm dari 50 nm).
Laser juga dapat digunakan untuk meningkatkan atau membantu reaksi kimia atau deposisi dan dua mekanisme yang telibat yaitu: proses pirolitik dan fotolitik. Pada proses pirolitik, laser digunakan sebagai pemanas substrat untuk menguraikan gas di atas substra t dan meningkatkan laju reaksi kimia, sedangkan pada proses fotolitik, foton laser diguakan untuk memisahkan secara langsung molekul prekursor pada fase gas. AACVD dikembangkan untuk sistem di
mana tidak ada gas prekursor yang tersedia dan tekanan uap prekursor cair dan padaat adalah sangat rendah. Pada proses ini, prekursor cair bercampur pada bentuk tetesan cairan yang terdispersi pada gas pembawa dan dimasukkan ke dalam ruang deposisi. Dalam ruang deposisi, tetesan prekursor tersebut terurai, bereaksi, dan kemudian tumbuh film pada substrat.
Gambar 15 Laju penumbuhan film polikristalin silikon yang terdeposisi dengan dan t anpa peningkatan plasma
Selain penumbuhan film tipis pada substrat planar, metode CVD telah dimodivikasi dan dikembangkan untuk deposit fase padat dari prekursor gas pada substrat yang sangat berpori atau di dalam media yang berpori. Dua metode deposisi yang paling dikenal adalah electrochemical vapor deposition (EVD) dan chemical vapor infiltration (CVI). EVD dapat dieksplor untuk pembuatan film elektrolit padat gas-tight dense pada substrat berpori dan sistem yang paling banyak dipelajari adalah pembuatan film zirkonia yttria-stabilized pada substrat pori alumina untuk sel bahan bakar oksida padat dan membran padat. Pada proses EVD untuk menumbuhkan film elektrolit oksida padat, pemisahan pori substrat dengan prekursor logam dan sumber oksigen. Prekursor logam yang dipakai biasanya adalah klorida, sedagkan uap air, oksigen, atau udara atau campuran semuanya digunakan sebagai sumber oksigen. Awalnya, dua reaktaninter-diffuse pada pori substrat dan bereaksi satus sama lain hanya ketika keduanya sama-sama mengendapkan oksida padat yang sesuai. Ketika kondisi deposisi yang
tepat dikontol, deposisi padatan dapat ditempatkan pada ‘pintu masuk’ pori-pori pada sisi yang menghadap prekursor logam dan mengisi pori. Tempat endapan padatan utamanya bergantung pada laju difusi reaktan dalam pori-pori serta konsentrasi dari reaktan dalam kamar deposisi. Dalam kondisi deposisi yang khas, difusi molekul reaktan dalam pori berada pada wilayah difusi Knudsen, di mana tingkat difusi akan berbanding terbalik dengan akar kuadrat dari berat molekul. Prekursor oksigen berdifusi lebih cepat dibanding prekursor logam dan akibatnya
prekursor logam. Jika endapan padat berupa isolator, deposisi dengan proses CVD ini berhenti ketika pori-pori terhubung dengan dendapan, karena tidak terjadi reaksi langsung yang berlanjut antara kedua reaktan. Namun, untuk elektrolit padat, campuran konduktor terutama ion-elektronik, deposisi akan cenderung dengan cara CVD, dan film dapat tumbuh pada permukaan yang terkena secara langsung uap dari prekursor logam. Pada proses ini, oksigen atau air tereduksii pada oksigen/antarmuka fil, dan ion oksigen tertransfer dalam film, yang berdifusi ke arah yang berlawanan, dan bereaksi dengan prekursor logam ada antarmuka
film/antarmuka prekursor logam secara kontinyu membentuk oksida metal.
CVI melibatkan pengendapan produk padat pada media berpori, dan fokus utama dari CVI
adalah pada pengisian void dalam grafit berpori dan fobrous mats untuk membuat komposit
karbon-karbon. Berbagai teknik CVI terlah dikembangkan untuk infiltrasi substrat berpori dengan yujuan utama untuk mempersingkat waktu dseposisi dan untuk mencaai de posisi yang homogen pada: (a) infiltrasi isotermal dan isobaris, (b) infiltrasi gradien termal, (c) infiltrasi gradien tekanan, (d) infiltrasi aliran terpaksa, (e) infiltrasi berdenyut, dan (f) infiltrasi peningkatan plasma.
Berbagai macam hidrokarbon telah digunakan sebagai prekursor untuk CVI dan temperatur
khas untuk deposisi berkisar 850 s.d 1.100oC dan waktu deposisi berkisar 10-70 jam dan
cenderung lebih lama jika dibandingkan dengan penguapan dengan metode deposisi yang lain. Waktu deposisi yang lama disebabkan oleh rendahnya reaktivitas kimia dan difusi gas dalam media berpori. Selain itu, difusi gas akan semakin lambat seiring dengan lebih padatnya endapan dalam substrat berpori. Sehingga untuk meningkatkan laju difusi gas digunakan berbagai tekik, termasuk aliran terpaksa, gradien termal, dan gradien tekanan. Untuk
meningkatkan reaktivitas kimia dapat digunakan plasma. Namun, preferensial deposisi di dekat permukaan mengakibatkan pengisian homogen. Pengisian lengkap akan menjadi sulit dan
membutuhkan waktu yang lama, karena difusi gas menjadi sangat lama pada pori-pori kecil.
5.5.5 Penumbuhan film berlian menggunakan CVD
Berlian adalah fase termodinamika metastabil pada suhu kamar, sehingga berlian sintesis yang terbuat pada suhu tinggi di bawah tekanan tinggi dengan bantuan katalis logam transisi seperti Ni, Fe, dan Co. Penumbuhan film berlian di bawah tekanan rendah (sama dengan atau kurang
dari 1 atm) dan suhu rendah (~800oC) bukan merupakan proses kesetimbangan secara
termodinamika dan berbeda dari proses CVD lainnya. Pembentukan berlian dari fase gas pada tekanan rendah pada awalnya dilaporkan pada akhir 1960. Proses khas CVD pada pe mbentukan
film berlian diilustrasikan pada Gambar 16. Campuran gas hidrokarbon (biasanya metana) dan hidrogen dimasukkan ke dalam zona aktivasi ruang deposisi, di mana energi aktivasi diberikan ke dalam campuran dan menyebabkan disosiasi kedua molekul hidrokarbon dan hidrogen untuk membentuk radikal bebas hidrokarbon dan atom hidrogen. Banyak perbedaan skema aktivasi efektif yang telah ditemukan dalam deposisi film berlian dan termasuk filamen panas, RF, dan microwave plasma dan api. Setelah tiba pada permukaan penumbuhan, satu set generik reaksi permukaan akan terjadi:
C
H H∙→ C
D
∙H
CD ∙∙ CH → CD CH
CD ∙CxHy → CD CxHy
Reaksi (5.32) mengaktifkan situs permukaan dengan menghilangkan atom hidrogen permukaan yang terkait pada atom karbon di permukaan berlian. Aktivasi permukaan situs dengan mudah menggabungkan radikal hidrokarbon atau molekul hidrokarbon tak jenuh (seperti C2H2) pada reaksi (5.34). Atom hidrogen konsentrasi tinggi telah terbukti menjadi
faktor kunci dalam keberhasilan penumbuhan film berlian dan atom hidrogen diyakini untuk menghilangkan endapan grafit secara onstan pada permukaan penumbuhan berlian, untuk memastikan penumbuhan berlian secara terus menerus. Spesies oksigen juga terbukti penting dalam deposisi film berlian yaitu dengan pembakaran asmopheric menggunakan oksigen dan asetilen. Bahan bakar hidrokarbon yang lain seperti etilen dan metil asetilen, semuanya dapat digunakan sebagai prekursor untuk penumbuhan film berlian.
Gambar 16 Elemen-elemen pentinf pada proses komplek pembentukan berlian menggunakan CVD: laju reaktan masuk ke dalam reaktor, aktivasi reaktan oleh proses termal dan p lasma, reaksi dan transfort spesies ke permukaan tumbuh, dan proses deposisi kimia permukaan berlian dan bentuk-bentuk lain dari karbon.
5.6Atomi c layer depositi on (ALD)
Atomic layer deposition (ALD) atau deposisi lapisan atom adalah metode penumbuhan film tipis yang unik dan sangat berbeda dengan metode deposisi film ti pis lainnya. Fitur yang paling khas dari ALD adalah memiliki sifat penumbuhan yang dapat dibatasi dengan sendirinya ( self-limiting growth nature), setiap sekali hanya satu lapisan atom atau molekul yang dapat tumbuh. Oleh karena itu, ALD menawarkan kemungkinan terbaik untuk mengontrol ketebalan film dan kehalusan permukaan dengan skala nanometer atau sub-nanometer. Terdapat literatur yang menyebut ALD dengan istilah lapisan epitaksi atom (atomic layer epitaxy - ALE), penumbuhan lapisan atom (atomic layer growth - ALG), lapisan atomik CVD (ALCVD), dan lapisan epitaksi molekul (molecular layer epitaxy - MLE). Dibanding dengan teknik deposisi film tipis lainnya, ALD merupakan metode yang relatif baru dan pertama kali digunakan untuk menumbuhkan film ZnS. ALD dapat dianggap sebagai modifikasi khusus dari deposisi uap kimia (CVD), atau kombinasi dari fase uap self-assembly dan reaksi permukaan. Dalam proses ALD, pertama kali permukaan diaktifkan melalui reaksi kimia. Ketika molekul prekursor dimasukkan ke dalam ruang deposisi, prekusor bereaksi dengan spesies permukaan yang aktif dan membentuk ikatan kimia dengan substrat. Karena antar molekul prekursor tidak bereaksi satu sama lain, lapisan molekul yang dapat terdeposisi pada tahap ini jumlahnya tidak lebih dari satu. Selanjutnya, monolayer molekul prekursor yang terikat kimiawi pada substrat diaktifkan lagi melalui reaksi permukaan. Pada tahap selanjutnya, molekul prekursor yang sama atau berbeda dimasukkan ke ruang deposisi dan bereaksi dengan diaktifkannya kembali monolayer yang terdeposisi sebelumnya.
Gambar 17 merupakan skema yang menggambarkan proses penumbuhan film titania dengan metode ALD. Pertama kali substrat terhidrolasi, sebelum prekursor dimasukkan, titanium tetraklorida.
Titanium tetraklorida akan bereaksi dengan gugus hidroksil permukaan melalui reaksi kondensasi permukaan sebagai berikut.
TiCl
HOMe → Cl
TiO Me HCl
di mana Me merupakan logam atau substrat oksida logam. Reaksi akan berhenti ketika semua kelompok hidroksil pada permukaan bereaksi dengan titanium tetraklorida. Kemudian sisa gas produk, HCl dan molekul prekursor dibersihkan, dan uap air kemudian dimasukkan ke sistem. Titanium triklorida kimia terikat ke permukaan substrat dan mengalami reaksi hidrolisis sebagai berikut.
Cl
Ti OMeH
O → HO
TiO MeHCl
Antar prekursor Ti yang terhidrolisis selanjutnya mengalami kondensasis untuk membentuk ikatan Ti – O – Ti dengan reaksi sebagai berikut.
HO
TiO Me HO
TiOMe
→ MeO TiOH
OTiHO
OMe H
O
HCl hasil produk dan kelebihan H2O akan dibersihkan dari ruang reaksi. Satu lapisan TiO2
telah tumbuh dengan selesainya satu siklus dari reaksi kimia. Gugus hidroksil permukaan siap untuk bereaksi dengan molekul prekursor titanium lagi pada siklus berikutnya. Dengan mengulangi langkah di atas, lapisan TiO2 kedua dan lapisan berikutnya dapat terdeposisi
dengan pengontrolan yang sangat baik.
Pertumbuhan film ZnS merupakan contoh klasik dari pertumbuhan lain yang sering digunakan mengilustrasikan prinsip-prinsip proses ALD. ZnCl2 dan H2S digunakan sebagai prekursor.
Langkah pertama adalah ZnCl2 yang diadsorpsi secara kimia pada substrat, dan kemudian H2S
dimasukkan (dalam ruang reaksi) agar bereaksi dengan ZnCl2 untuk membentuk monolayer
dari ZnS pada substrat dan HCl dilepaskan sebagai produk samping reaksi. Film tipis dari berbagai bahan termasuk bahan oksida, nitrida, florida, unsur-unsur, unsur golongan II-VI, senyawa campuran dari golongan II-VI dan III-V, pada epitaksial, polikristalin atau bentuk amorf yang dideposisi dengan metode ALD terangkum dalam Tabel 2.
Tabel 2 Deposisi film tipis oleh ALD Senyawa Golongan II
s.d VI
Unsur golongan II-VI
Senyawa golongan III s.d V Nitrida Oksida Fluorida Unsur-unsur Others
ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnS1-xSex, CaS, SrS, BaS, SrS1-xSexCdS,
CdTe, MnTe, HgTe, Hg1-x,CdxTe, Cdl-xMnxTe
ZnS:M (M = Mn, Tb, Tm), CaS:M (M = Eu, Ce, Tb, Pb), SrS:M (M = Ce, Tb, Pb, Mn, Cu)
GaAs, AIAs, AIP, InP, GaP, InAs, AI,Ga1-xAs, GaxInl-xAs,
GaxIn1-xP
AIN, GaN, InN, SiN,, TiN, TaN, Ta3 N5, NbN, MoN, WzN,
Ti-Si-N
Al2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, Ta2O5, Nb2O5, Y2O3, MgO, CeO2,
SiO2, La2O3, SrTiO3, BaTiO3, BixTiyOz, In2O3, In2O3:Sn,
In2O3:F, In2O3:Zr, SnO2, SnO2:Sb, ZnO, ZnO:Al, Ga2O3,
NiO, CoOx,, Yba2Cu3O7-x, LaCoO3, LaNiO3
CaF2, SrF2, ZnF2
Si, Ge, Cu, Mo, Ta, W
La2S3, PbS, In2S3, CuGaS2, SiC
Tabel 3 Persyaratan prekursor ALD
Persyaratan Komentar
Tingkat penguapan
Tanpa dekomposisi diri
Agresif dan reaksi lengkap
Tanpa proses etsa bahan film atau substrat
Tanpa disolusi pada film
Hasil sampingan tidak reaktif
Untuk transportasi yang efisien, batas kasar 0,1 torr berlaku pada suhu maksimum sumber.
Dengan dekomposisi diri akan menghancurkan mekanisme
self-limiting film
Untuk memastikan penyelesaian yang cepat dari reaksi permukaan dan waktu siklus yang sangat singkat
Kemurnian film menjadi tinggi Reaksi fase gas tanpa masalah Tidak bersaing jalur reaksi
Akan mencegah pertumbuhan film
Akan menghancurkan mekanisme self-limiting penumbuhan film
Cukup murni Murah
Mudah untuk sintesis dan menangani
Tidak beracun dan ramah lingkungan
Penyerapan kembali hasil sampingan dapat mengurangi laju penumbuhan
Untuk memenuhi persyaratan tertentu untuk setiap proses
Hal utama dalam desain yang baik pada proses ALD adalah pemilihan prekursor yang tepat. Tabel 3 menunjukkan persyaratan-persyaratan yang harus dipenuhi oleh bahan prekursor untuk metode ALD. Dalam perkembangannya, berbagai prekursor telah digunakan dengan metode ALD. Misalnya, unsur seng dan sulfur yang digunakan pada eksperimen pertama kali sebagai unsur dasar untuk menumbuhkan ZnS dengan metode ALD. Logam klorida dipelajari segera setelah demonstrasi pertama ALD yang telah berhasil dilakukan. Senyawa logam-organik termasuk senyawa organologam dan logam alkoksida juga sering digunakan. Untuk non-logam, hidrida sederhana sebagian besar juga telah digunakan: H2O, H2O2, H2S, H2Se, H2Te,
NH3, N2H4, PH3, AsH3, SbH3 dan HF.
(a) (b)
Gambar 18 (a) spektrum XRD dan (b) gambar cross-section SEM pada 160 nm film Ta(Al)N(C) pada wafer silikon berpola
Dibandingkan dengan metode fasa uap deposisi yang lain, ALD mempunyai berbagai keuntungan terutama dalam aspek: (i) kontrol yang cukup akurat dari ketebalan. Pengontrolan film yang cukup akurat dari ketebalan film merupakan karakter dari proses self-assembly, dan ketebalan film dapat diatur secara digital dengan menghitung jumlah siklus reaksi, (ii) cakupan
konformal. Cakupan konformal merupakan keadaan nyata untuk deposisi film yang bebas dari variasi yang disebabkan oleh distribusi uap tak seragam atau suhu di area reaksi.
Gambar 18 menunjukkan spektrum XRD dan gambar SEM dari potongan melintang dari Film Ta(Al)N(C) dengan ketebalan 160 nm di atas wafer silikon yang berpola. Film Ta(Al)N(C) merupakan polikristalin dan menunjukkan konformalitas yang sempurna. Suhu deposisi diatur pada 350°C dan prekursor yang digunakan adalah TaCl5, trimetilaluminium (TMA), dan NH3.
Namun, perlu dicatat bahwa keadaan cakupan konformal yang sangat baik hanya dapat dicapai bila takaran prekursor dan waktu pulsa yang cukup untuk mencapai keadaan jenuh pada setiap langkah di semua permukaan dan tidak terjadi dekomposisi prekursor yang meluas. ALD telah menunjukkan kemampuan deposisi struktur multilayer atau nanolaminate yang baik. Sebagai contoh, pada Gambar 19 menunjukkan representasi skema nanolaminate yang telah terbentuk di atas substrat kaca dengan metode ALD.
Gambar 19 Skema yang merepresentasikan nanolaminates yang disiapkan ke dalam 5 x 5 cm2gelas substrat
menggunakan ALD. Lapisan Al2O3 menyediakan ion barrier melawan difusi sodium dari substrat gelas soda
lemon
ALD merupakan teknik yang ditetapkan untuk tujuan menghasilkan lapisan film dengan tampilan daerah electroluminescent yang besar, dan merupakan metode masa depan yang memungkinan untuk menghasilkan film sangat tipis untuk perkembangan mikroelektronika. Namun, beberapa aplikasi lain tidak dianjurkan menggunakan ALD karena penggunaan laju deposisi yang rendah, biasanya < 0,2 nm (kurang dari setengah monolayer) per siklus. Untuk deposisi silika, penyelesaian siklus reaksi biasanya memerlukan waktu lebih dari 1 menit. Beberapa upaya terakhir telah diarahkan utnuk pengembangan metode deposisi ALD yang lebih cepat. Misalnya, lapisan yang sangat konformal dari amorf silikon dioksida dan aluminium oksida nanolaminate yang dideposisikan pada skala 12 nm atau < 32 monolayers
per siklus, dan metode ini disebut sebagai "lapisan deposisi bolak-balik" (alternating layer deposition).
Contoh lainnya dari metode ini adalah penumbuhan film tipis ZnO pada substrat silikon. [***] Tahapan dari penumbuhan film tipis ZnO adalah injeksi dietilzinc, membersihkan reaktor dengan mengalirinya dengan N2, injeksi uap air dan membersihkan reaktor kembali menggunakan N2. Substrat dipanaskan dengan suhuh 200oC. Spektra PL pada suhu 5K sampai dengan 80K digunakan secara terus menerus pada operasi laser He-Cd (λ = 325 nm, W = 5
mW) dan pulsa laser N2(λ = 337 nm, W = 150 kW, τ = 10 nsec). Film tipis ZnO dihasilkan
dengan ketebalan 3,5 – 100 nm.
5.7Superlattices
Superlattices dalam bab ini merupakan film tipis yang strukturnya terdiri dari lapisan-lapisan kristal tunggal. Namun, perlu dicatat bahwa superlattice awalnya merupakan istilah yang digunakan untuk menggambarkan paduan yang disusun secara homogen. Supperlattices film komposit mampu menampilkan spektrum yang luas dari sifat konvensional serta sejumlah efek kuantum yang menarik. Ketika kedua lapisan relatif tebal, sifat material berbentukbulkdiamati karena ekstensi sering sinergis dari hukum campuran properti yang operatif. Namun, ketika lapisan sangat tipis, efek kuantum muncul, karena fungsi gelombang dari pembawa muatan dalam lapisan tipis yang berdekatan menembus hambatan dan pasangan dengan satu sama lain. Struktur superlattice biasanya dibuat menggunakan molecular beam epitaxy (MBE), tetapi juga dapat dibuat dengan metode CVD. Selain itu, ALD juga merupakan teknik lain yang unik dalam pembuatan struktur superlattice. Sebagai contoh adalah deposisi superlaticce PbTe/CdTe menggunakan electrochemical form of atomic layer deposition (E-ALD)
Superlattices organik juga dapat dibuat menggunakan teknik Langmuir-Blodgett atau dengan
self-assembly, yang akan dibahas pada bagian berikutnya. Beberapa sistem superlattice
semikonduktor tercantum dalam Tabel 4.
Tabel 4 Contoh dari sistem superlattice
Bahan film Ketidaksesuaian Metode deposisi
GaAs-AsxGa1-xAs In1-xGaxAs-GaSb1-yAsy GaSb-AlSb InP-GaxIn1-xAsyP1-y InP-In1-xGaxAs 0,16%, x = 1 0,61% 0,66% 0%, x = 0,47 MBE, MOCVD MBE MBE MBE
GaP-GaP1-xAsx GaAs-GaAs1-xPx Ge-GaAs Si-Si1-xGex CdTe-HgTe MnSe-ZnSe PbTe-Pb1-xSnxTe 1,86% 1,79%, x = 0,5 0,08% 0,92%, x = 0,22 0,75% 4,7% 0,44%, x = 0,2 MOCVD MOCVD, CVD MBE MBE, CVD MBE MBE CVD
Superlattice semikonduktor dapat dikategorikan ke dalam superlattice dengan komposisi dan modulasi doping superlattice (yaitu doping periodik selektif). Fabrikasi superlattice semikonduktor pada dasarnya merupakan sintesis yang mengendalikan struktur band gap, yang juga dikenal sebagai band gap engireering . Gambar 20 menunjukkan gambar TEM dari
struktur superlattice InGaO3(ZnO)5
(a) (b)
Gambar 20 Struktur InGaO3(ZnO)5 (a) Skematik struktur kristak. Gambar kisi HRTEM menunjukkan perbandingan (b dan c) cross-section gambar HRTEM dari InGaO3(ZnO)5
Sejauh ini semua metode yang dibahas adalah metode deposisi fasa uap. Film tipis juga dapat dilakukan melalui proses kimia basah. Ada banyak metode yang dikembangkan dan dicontohkan termasuk deposisi elektrokimia, pengolahan sol-gel, dan self-assembly. Dibanding dengan metode deposisi vakum, metode deposisi film berbasis larutan menawarkan berbagai keuntungan termasuk kondisi pengolahan ringan sehingga metode ini berlaku dan secara luas digunakan untuk pembuatan film tipis dari bahan yang memiliki suhu sensitif. Kondisi pengolahan ringan juga menghasilkan film yang bebas tegangan.
5.8. Self-assembly (Penataan Diri)
Self-asssembly (penataan diri) molecular adalah proses dimana molekul (atau bagian dari molekul) secara sepontan membentuk formasi agregat yang semestinya tanpa intervensi dari
