DEPOSISI LAPISAN TIPIS SiN MENGGUNAKAN TEKNIK SPUTTERING UNTUK PELINDUNG KOROSI P ADA LOGAM BESI

ISSN 0216 -3128

166

Tri Mardji Almono, dkk.

--DEPOSISI LAPISAN TIPIS SiN MENGGUNAKAN

TEKNIK

SPUTTERING UNTUK PELINDUNG KOROSI P ADA LOGAM

BESI

Tri Mardji Atmono, Elin Nuraini, Sabat Simbolon

P3TM-BATAN

ABSTRAK

DEPOS/S/ LAP/SAN T/P/S SiN MENGGUNAKAN TEKN/K SPUTTERING UNTUK PELlNDUNG KOROS/ P ADA LOGAM BES/. Telah dilakukan deposisi lapisan tipis SiN diatas substrat Fe dengan teknik sputtering pada frekuensi radio /3.56 MHz untuk tujuan perlindungan terhadap korosi. Dengan metoda ini bahan Silikon yang ditempatkan pada katoda sebagai target ditembaki dengan ion-ion positiv Argon. sehingga partikel dari target akan tersputter kesegala arah dan sebelum sampai ke substrat Fe bersenyawa dengan ion N membentuk lapisan tipis SiN melalui proses reactive-sputtering. Substrat Fe ditempatkan sebagai anoda pada posisi ground tanpa tegangan bias. Metoda Analisa Pengaktipan Neutron Cepat digunakan untuk karakterisasi lapisan tipis yang telah terdeposisi diatas lapisan Fe. APNC menunjukkan puncak-puncak pada tenaga sekitar 830 keV (Fe). 533 keV(N) dan /785 (Si).Laju korosi diamati dengan potensiostat dengan media air yang mengandung Karam. Pada variasi daya RF. diperoleh daya optimal yang menghasilkan laju korosi terkecil. yaitu pa 175 Watt. Untuk tekanan gas Nitrogen dan waktu deposisi.

diperoleh nilai optimal masing-masing 9.5./0-2 torr dan 25 me nit. yang menghasilkan korosi minimal. Dengan demikian dari hasil experimen ini diperoleh penurunan laju korosi dari 2.38 mpy menjadi 0.59 mpy.

ABSTRACT

THE DEPOSITION OF SiN-THIN FILM BY SPU1TERING-TECHNIQUE FOR THE PROTECTION OF IRON AGAINST CORROSION. The deposition of SiN-thin film onto Fe-substrat by using sputtering technique at the radio frequenz of 13,56 MHz for the purpose of protection against corrosion has been done. By this method, the Si target put at the.kathoda as target are bombarded by the positiv Argon-ions, so that the target particles are sputtered at all of direction and reaction with ion N was occurred before the particles reached the substrat to form the SiN thin film by the process of reactive sputtering. The Fe-substrat was put as anoda at the ground-position without bias-voltage. The APNC-method was used for the characterization of the thin film deposited on the Fe layer. This mesurement showed the peaks of energy 830 .533 .and 1785 keV. which are Fe. Nand Si. respectively. The speed of corrosion was measured with the potentiostat at the salt contained water medium. At the variation of the RF-power. it was found the optimal value of I 75W resulted the minimum corrosion. The Nitrogen pressure and the depositionstime of 9,5. 10-2 torr and 25 minutes, respectively, were also found for the minimal value of corrosion. The experiment results was therefore the decreasing of the speed of corrosion, i.e, from 2.38 to 0.59 mpy.

PENDAHULUAN

Fe, karena bahan Zn lebih anodik dari pada Fe pada_{deret galvanik. Meskipun bahan Cd dan Mg mudah}

terkorosi, tetapi Zn tidak, karena akan membentuk lapisan tipis yang melindungi dari korosi hila membentuk senyawa oks ida, hidroksida dan karbonat basa. Sifat korosi bahan Zn setelah terbentuk senyawa akan lebih tahan terhadap korosi dari pada bahan Fe.

Teknik arus terpasang pada umumnya menggunakan potensiostat yang pada prinsipnya terdiri dari piranti kompensasi otomatis dan unit pengontrol. Untuk pengontrol disetel pada arus terpasang yang besarnya tertentu pada harga tetap, sehingga permukaan Fe yang dilindungi akan terhindar dari korosi. Tetapi metode irii

memer-lukan peralatan yang rum it.

U ntuk mempertahankan sesuatu konstruksi seperti anjungan pengeboran minyak, pipa

minyak dan pipa pendingin reaktor nuklir yang berada di bawah laut, pada umumnya dilakukan modifikasi bahan/material. yang digunakan. Perlindungan dengan cara modifikasi ini bertujuan supaya peralatan tersebut tidak terkorosi oleh air laut yang agresif. Selama ini biasanya dipakai metoda anoda tumbal atau arus terpasang. fada teknik anoda tumbal digunakan prinsip kbrosi dwilogam, sedangkan teknik arus terpasang menggunakan prinsip arus korosi yang dikendalikan secara elektrik:')

Pad a teknik anoda tumbal, bahan yang mudah terkorosi misalnya Zn dilapiskan pada bahan

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

ISSN 0216-3128

167

Tri Mardji Almono, dkk.

dikembangkan lagi untuk mendapatkan bahan lapisan tipis SiN sebagai pelindung Fe terhadap korosi air yang mengandung garam.

TATA KERJA DAN PERCOBAAN

Da1am pene1itian ini untuk mendapatkan 1apisan tipis SiN dengan metode sputtering di1akukan variasi komposisi unsur Si dan N, daya RF antara 155-175 Watt dan variasi waktu deposisi 10-30 menit. Sebagai sputter gas ada1ah argon dengan kemumian 99,9%. Tekanan gas dan jarak e1ektroda dibuat tetap yaitu 8,5 x lO-2 torr dan 25

rom. Substrat dipasang pada anodal ground dan

target Si dipasang pada katoda. Untuk menghasilkan 1apisan tipis SiN, maka dia1irkan gas Nitrogen yang juga diionkan dengan tegangan RF.

Komposisi daTi target pada umumnya tidak sarna dengan 1apisan tipis yang dihasilkan karena proses sputtering yang kompleks dan melibatkan ban yak parameter. Unsur yang terdeposisi pada substrat dianalisa dengan metode Analisa Pengatipan Netron Cepat. Dalam pengamatan ini atom yang terdeposisi pada substrat diradiasi dengan neutron cepat 14 MeV dari generator neutron dengan waktu tertentu Se1ama mengalami radiasi neutron, substrat menga1ami aktivitas peningkatan nomor massa inti atom, sehingga substrat bersifat radioaktif. Sete1ah berakhimya proses aktivasi substrat yang te1ah bersifat radioaktif akan mengalami peluruhan dengan memancarkan sinar

gamma. Tenaga sinar gamma yang dipancarkan

menunjukkan nomer massa unsur substrat. Sinar gamma ini dianalisa menggunakan spektrometer

gamma.

Untuk mengukur laju korosi digunakan potensiostat merk Tacussel tipe PGS 201 S. Media pengkorosi adalah air yang dicampur dengan garam 0,01 ppm sebanyak 200 m1 untuk tiap pengukuran. Substrat dimasukkan dalam tempat dengan diameter 14 mm clan bagian yang terkorosi oleh cairan garam ditampung diatas tempat seluas 78 mm2. Setiap pengukuran dimulai pada tegangan E.w.' -250 mV (lawan EkotOSi ) serta berakhir pada E.khi' 1.600 mV (lawan E,er.). Kecepatan pelarikan ditentukan I sebesar 2 mV/dt.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar 1 adalah hasil pengukuran laju korosi sebagai fungsi dari waktu deposisi. Waktu deposisi divariasi dari 10 menit sampai dengan 30 men it. Terlihat bahwa untuk waktu deposisi yang relatif masih singkat dibawah 10 men it, laju

Teknik lain yang akhir-akhir ini

dikembangkan adalah dengan memberi lapisan tipis

pacta permukaan Fe dengan lapisan tipis SiN.

Dengan mencampur unsur Si dan N maka akan

terjadi senyawa SiN yang mempunyai struktur

kristal yang berbeda dengan struktur kristal Si.

Kekuatan suatu bahan akan meningkat hila struktur

pacta bahan tersebut berubah misalnya jarak antar

atom berkurang, tenaga permukaan meningkat,

bentuk butimya bertambah halus.(2.3)

Dengan preparasi menggunakan sistem

sputtering pacta parameter tertentu misalnya waktu

deposisi dan daya, maka lapisan tipis SiN akan

mempunyai jarak antar atom yang lebih sempit

dibandingkan dengan jarak antar atom Si, karena

proses insterstisi ion N, bentuk butir bertambah

halus sehingga lapisan tipisnya mempunyai tahanan

yang tinggi. Parameter ditentukan tersebut yang

renting adalah daya RF, tekanan gas N dan

ketebalannya. Tahanan daTi Si intrinsik sendiri

sudah besar, dan oleh karena disenyawakan dengan

unsur N, maka tahanannya akan menjadi lebih besar

lagi. Dengan demikian lapisan tipis akan dapat

memisahkan antara elektrolit yang agresif dengan

permukaan Fe yang mudah terkorosi. Lapisan tipis

SiN selain dapat melindungi ~ogam daTi korosi juga

dapat memperkeras permukaan logam dan juga

stabil pacta suhu tinggi.(4)

Lapisan tipis SiN dapat dibuat dengan

berbagai macam metode antara lain: teknik

evaporasi, teknik CVD dan teknik sputtering.

Dalam penelitian ini digunakan metoda sputtering

pacta gelombang radio 13,56 MHz. Penggunaan

frekuensi ini mengikuti perjanjian lntemasional

selain itu karena pacta frekuensi ini impedansi

elektroda paling rendah, sehingga akan terjadi

deposisi yang efektif. Pacta teknik RF sputtering

bahan yang dideposisikan pacta substrat akan dapat

merekat dengan kuat, dapat untuk mendeposisikan

bahan konduktor, semikonduktor maupun isolator

dengan laju deposisi yang tinggi.(S)

Dalam makalah ini disajikan hasil penelitian

tentang pembuatan lapisan tipis SiN dengan teknik

sputtering, sebagai substrat dipilih bahan Fe yang

mudah terkorosi. Sedangkan untuk membuat lapisan

tipis SiN dipilih target Si dengan diameter 75 rom.

Dalam hat ini dibahas komposisi unsur hasil

sputering. Selain itu juga dibahas pengaruh

campuran unsur Si dengan N, daya RF serta waktu

deposisi terhadap ketahanan korosi.

Tujuan daTi penelitian ini adalah menyelidiki

pengaruh paduan unsur, daya RF dan waktu

deposisi terhadap laju korosi lapisan tipis.

Selanjutnya diharapkan hasil penelitian ini dapat

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImlah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

168

_{ISSN 0216-3128}

Tri Mardji Atmono, dkk.

yang datar, dan kemudian menurun agak tajam setelah waktu deposisi melewati 20 men it, dan akhimya diperoleh laju korosi minimal pad a t=30 men it, yaitu mencapai 0,76 mpy. Nampaknya pada ketebalan ini terjadi senyawa SiN yang optimal, menghasilkan proses reactive-sputtering, sehingga terbentuk kristal SiN yang mempunyai ikatan atom Si dan N sangat kuat dan mempunyai tahanan yang besar. Dengan demikian arus elektron dari cairan menuju permukaan substrat sangat kecil dan secara maksimal melindungi permukaan substrat Fe dari korosi.

korosinya menunjukkan kecenderungan

menurun.

Hal ini mungkin disebabkan karena terjadinya perbedaan yang tajam dari aliran elektron antara substrat dengan dan tanpa pelindung SiN-thin film. Tanpa "wearing" diperoleh angka sekitar 2,5 mpy, kemudian menurun secara tajam karena substrat Fe yang telah dilapisi SiN mempunyai tahanan yang cukup besar yang akan menghambat aliran elektron dari cairan ke permukaan lapisan.

Setelah waktu deposjsi di alas 10 men it terlihat penurunanya hanya sedikit , terlihat kurva

~

.§.

.§ k

~

:J ...,., <IS ,..J

Gambar 1. Grafik hubungan

antara waktu deposisi

dengan /aju korosi.

0 155 160 165 170

0 a ya RF [watt]

-.~

-"-Gambar 2. Hubungan

an/ora daya RF dengan laju koro.\"i.

175 I

Prosiding Pertemuan dan Presentasillmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

ISSN 0216-3128

169

Tri Mardji A/mono, dkk.

dilakukan variasi campuran partikel Si yang telah tersputter dengan ion N dengan cara mengatur perbandingan tekanan sputter gas Ar dan gas Nitrogen. Dari pengamatan, secara umum diperoleh basil bahwa untuk prosentase unsur N yang semakin tinggi, maka akan menghasilkan senyawa SiN yang semakin baik dengan diperolehnya laju korosi yang menurun. Pacta Gambar 3 terlihat bahwa dengan naiknya prosentase unsur N maka laju korosinya cenderung turun dan mencapai minimum 0,59 mpy pacta tekanan gas N 9,5.10-2 torr. Kemungkinan disini unsur Si dan N

mempunyai ikatan ionik atau ikatan kovalen. Jadi sifatnya sudah berubah, berbeda dengan semikonduktor Si, sehingga senyawa SiN dalam bentuk lapisan tipis akan mempunyai tahanan yang besar yang dapat memisahkan dengan baik antara cairan garam dengan perrnukaan substrat Fe. Tetapi dengan naiknya jumlah ion N maka komposisi an tara Si dan N tidak sesuai lagi untuk membentuk

thin film, teramati untuk tekanan diatas 0,1 torr. Selain itu dengan semakin meningkatnya jumlah ion N pada tabung reaktor akan menghambat

ion Ar untuk menembaki katoda/perrnukaan target Si. Dengan demikian ion Si yang terpecik akan semakin berkurang dengan menurunnya sputter-rate, sehingga perbandingan unsur N akan terlalu banyak, tidak memenuhi "stochiometri". Pacta akhimya tidak dapat lagi terjadi ikatan ionik maupun kovalen antara unsur Si dan N, sehingga menyebabkan laju korosinya akan naik lagi, diatas 1,5 mpy.

Pacta Gambar 2 disajikan grafik laju korosi sebagai fungsi daya RF. Output daya dari match-box yang langsung dihubungkan ke elektroda adalah daya RF dari 155 watt sampai dengan 175 watt. Pacta awalnya laju korosi menurun tajam dengan naiknya daya. Oleh karena cairan yang digunakan adalah bersifat agresif, maka substrat tanpa lapisan tip is SiN akan mengalirkan arus elektron yang besar, laju korosi mencapai sekitar 2,4 mpy. Setelah substrat Fe dideposisi dengan lapisan tipis SiN tampak penurunan yang tajam sampai dengan 1,35 mpy pacta daya 155 watt. Pacta daya antara 155 sampai dengan 165 watt, laju korosinya stabil disekitar 1,3 mpy. Bila daya Rf dinaikkan terns, maka diperoleh kemudian laju korosi minimum

1,17 yaitu pacta 175 watt.

Pacta daya 170 watt laju korosi menunjukkan kecenderungan naik sedikit, J<emungkinan disebab-kan energi yang diterima oleh target Si (oleh ion-ion Argon positit) adalah sangat besar, sehingga pacta saat partikel -partikel Si bergerak menuju substrat tidak menghasilkan proses reactive-sputtering ':fang optimal, atau bahkan sebagian dari partikel dipantulkan kembali (rescattered) ke arab dinding sputter-chamber, temetralisir. Pacta daya 175 watt, nampaknya ion Si dan ion N berikatan secara

kovalen dan secara ionik, sehingga akan mempunyai ikatan yang kuat yang melindungi permukaan substrat Fe terhadap cairan garam.(J)

Gambar 3 menyajikan grafik hubungan antara tekanan gas N dengan laju korosi. Untuk mendapatkan senyawa SiN yang paling baik, telah

-~

Prosiding Pertemuan dan presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

170

ISSN 0216 -3128 Tri Mardji Atnl0nO, dkk.

Pada proses sputtering, gas Argon terionisasi

oleh gelombang RF menghasilkan ion-ion Argon

yang

digunakan untuk menembaki target Si,

sedangkan

gas N diionkan untuk "mencampur" ion

Si yang terpercik menuju subGtrat

Besamya

sputter-yield, diberikan oleh(6.7)

telah dilapisi dengan thin .film SiN. Pengamatan dilakukan sebelum dan sesudah substrat Fe dideposisi dengan lapisan tip is SiN. Pada Gambar 4. disajikan spektrum substrat Fe standar pada tenaga 856,82 keY dan unsur lainnya (karena material substrat bukan Fe mumi). Unsur Si dan N tidak tampak pada spektrum ini. Pada Gambar 5 disajikan substrat Fe yang dideposisi dengan lapisan tipis SiN. Pada spektrum ini terlihat unsur N pada tenaga 532,79 keY dengan 960 cacah, unsur Fe pada

tenaga 830,39 keY dengan cacah 1.637 cacah dan

unsur Si pada tenaga 1.784,75 keY dengan cacah 347 cacah. Dengan demikian peningkatan ketahanan korosi pennukaan Fe disebabkan karena telah terbentuknya lapisan tipis SiN. Hasil perhitungan yang didapat untuk lapisan tipis SiN yang terdeposisi di atas substrat Fe adalah sebesar 2% dan 6,3% masing-masing untuk Si dan N dari prosentase berat.

S=(W/A.l.t)

Dengan W weight loss dari target selama petiode

waktu t, I adalah arus ion dan A adalah nomor atom

dari material target.

Untuk menganalisa percikan atom Si yang

telah bersenyawa dengan ion N yang kemudian

terdeposisi pada permukaan Fe, telah digunakan

Analisa Pengaktipan

Neutron Cepat. Pada Gambar

4 dan Gambar 5 disajikan masing-masing

Gambar

spektrum substrat Fe standard dan substrat

Fe yang

lZ-~,,-tll 1!1:tI1:1!l ~r= 3. IlAJlKERS/RO I ChaRS 2848 LD=l RD= 2848 LK=399 JlII= 587 CURSOR i Chan «8 Cnts .G8 tOTALS totl 261!. Het 2188 Back A36 PCM.. 4~B PCnts 68 Counts per Sec

total Het

ROIs Defined

urr cr:; b'l/RI..In (;(; '1'111/ 11'I1I.t.lf

Fe 85682 keV

.

""-"""--~

Gambar 4. Spektrum

dari tenaga unsur Fe pada substrat Fe tanpa lapisan tipis.

12-Se -91 Z2:24:~7 81= RZIV1 Off CFS WALln Z36/ 517.3'JS

3. MRms/lOl F~830,39 keY CN... 2848 ---LI=1 U= 2&4Q 1.11=141 1Ii= 33? aJRSOR CMII z:w. (,1\\. TOTAL'; totl Z1~ Net g(,8 B.ck 114b PCMII .Z6 :;:~.. .

~~~s per Sac:

z ~?~~~}~~

~~~

~t;1

.'.:::'Tt~f~:.~ "".. .".".

".

ROls

Defl-

: ,.~ :~~t:~~~:~~;;;;::~~;."~,

_.

Gambar 5. Spektrum

dari tenaga

pada unsur SiN pada substrat Fe.

I:~ \

.:

511.784,75 keY

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Juni 2002

ISSN 0216 -3128 171

Tri Mardji Atmono, dkk.

K. W ASA, S. HA Y AKA W A, Handbook of

Sputter Deposition Technology, Principles,

Technology and

Applications,

Noyes

Publications,

USA 2000.

GA. GOGOTSI,

YG GOGOTSI, VP ZAVADA,

VV TRANSKOVSKY, The Effect of Air and

Sodium Salt on Strength of Silicon Nitride

Based Ceramic, Mater High Temperature 9,

209-216 (1991).

6

KESIMPULAN

Dengan proses reactive sputtering meng-gunakan target material Si yang ditempatkan sebagai katoda, serta gas N, telah terbentuk lapisan tip is SiN diatas substrat Fe yang ditempatkan sebagai anoda, tanpa tegangan bias. Lapisan tersebut dalam aplikasinya dimaksudkan untuk melindungi logam besi dari korosi, memungkinkan perlindung-an yperlindung-ang optimal pada parameter sputtering tertentu. Pada daya 175 W, diperoleh penurunan laju korosi dari sekitar 2,45 mpy (tanpa wearing) menjadi 1,17 mpy. Penurunan ini menjaai lebih tajam untuk lapisan SiN yang dihasilkan melalui proses sputtering pada tekanan 9,5.10-2 torr, yaitu menjadi sebesar 0,59 mpy. Pada daya dan tekanan optimal tersebut dihasilkan kandungan Si sebesar 2% djln N sebesar 6,3% dari beratnya, untuk waktu deposisi 30 men it.

7.

TANYAJAWAB

Djoko Sujono

-Teknik ini diterapkan pada Fe. Apakah hal ini dapat diterapkan untuk logam yang lain; apakah teknik ini sudah yang terbaik atau masih ada teknik lain yang lebih baik?

UCAP AN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Sdr. Giri Slamet untuk pembuatan lapisan tips dengan metode Sputtering clan Sdri Ratmi Herlani A.Md yang telah mengamati laju korosi dengan Potensiostat.

Tri Mardji Atmono

-Teknik wearing atau modifika.\'i dalam hal ini dapat diterapkan untuk logam lain dengan tujuan menghambat/memperkecil korosi bahan lersebut. Bahan yang akan dilapisi harus dipasang sebagai anoda pada sistem sputtering. Tentu saja terdapat/ada teknik-teknik lain yang tentunya masing-masing punya kekurangan dan kelebihan (baca pada bab pendahuluan dalam makalah ini).

DAFTARPUSTAKA

J. CHAMBERLAIN, K.R. TRETHEWEY,

Karasi, PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta,

1991.

Isnaeni

-Mengapa terjadi pembelokan kurva pacta kurva (laju korosi vs Nz) dan (laju korosi vs daya). TATA.SURDIA, SHINAKUSAITO,

Penge-tahuan Bahan Teknik, PT Pradnya Paramita, Jakarta, 1992.

J MORT, F JONSON, Plasma Deposited Thin Film, CRC Press Inc. Florida, New Edition,

1999.

4 Tri Mardji Atmono

-Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memperoleh "wearing" dengan laju korosi minimal pada berbagai tekanan N2 dan berbagai daya. Sehingga dicari pembelokan kurva yang memberikan efek minimal terhadap

corrosion-rate.

DAE GYU PARK, ZHI CHEN, HADIS MORKOC, Characteristics of Si3N4/GaAs Metal-Insulator-Semiconductor Interfaces with Coherent Si/AIO,3 GaD,? As Interlayer, Journal of Electronics Materials, Vol. 26, No.9, 1997.

KONUMA, Film Deposition by Plasma Techniques, Springer Verlag, 1992.

5

-Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002