PENIN G KA TAN LAJU D EPOSISI LAPISAN TIPIS Zn 0 DENGAN TEKNIK SPUTTERING RF MAGNETRON
Yunanto,Suryadi, Tono Wibowo, Wirjoadi P3TM-BATAN, Kotak Pas 1008, Yogyakarta 55010
ABSTRAK
PENINGKATAN LAJU DEPOSISI LAPISAN TIPIS ZnO DENGAN TEKNIK SPUTER/NG RF MAGNETRON. Te/ah di/akukan peningkatan /aju deposisi /apisan tipis ZnO dengan teknik sputering RF magnetron dengan tujuan mempersingkat waktu deposisi sehingga dapat menghemat biaya operasi.
Pendeposisian /apisan tipis ZnO dapat di/akukan juga dengan tegangan DC tetapi arus ionnya masih rendah. untuk meningkatkan arus ion tegangan tinggi DC diganti dengan tegangan RF don diberi juga medan magnet dari 270 gauss sampai dengan 670 gauss Dengan me/akukan variasi medan magnet maka akan dipero/eh /aju deposisi yang optima/. Keteba/an /apisan tipis diamati denga SEM Dari //aSi/
percobaan dipero/eh peningkatan /aju deposisi /apisan tipis Zn 115/300 cacahldetik cacah menjadi 288/300 cacahldetik pada kondisi kuat medan magnet 670 gauss. don peningkatan keteba/an /apisan tipis ZnO dari O,9.urn menjadi 1.3.urn
ABSTRACT
DEPOSISTION RATE IMPROVEMENT OF ZnO THIN FILM WITH A MAGNETRON RF SPWTER/NG TECHNIQUE. The deposition rate improvement of the ZnO thin film have been done with a magnetron RF sputtering technique a shorten deposition time and less operation cost Deposition of ZnO thin film with DC voltage was used but the current of ion was low, to increase the ion current the DC high voltage was replace with RF voltage and magnetic field from 270 gauss to 670 gauss. The variation of magnetic field gave the optimal deposition rate. The thickness of a thin film is determinated by SEM The experiment result shows the improvement of deposition rate of Zn thin film from 115/300 count/sec to 288/300 count/sec at magnet field 670 gauss and increasing thickness thin film from 0.9}Jm to 1.3}Jm.
PENDAHULUAN
P ada tahun terakhir penelitian teknologi lapisan tipis telah berkembang pesat di negara-negara maju clan telah menjangkau hampir semua bidang, misalnya pada bidang metalurgi yaitu mengubah bahan metal menjadi bahan unggul yang mempunyai kekerasan yang tinggi, lebih tahan aus, lebih tahan korosi.. Di bidang optik lapisan tipis juga dibuat untuk membuat anti refleksi, filter interferensi, cermin reflektor tinggi clan dekorasi. Di bidang listrik magnet lapisan tipis digunakan untuk pita rekam, mikro elektronik, sensor magnet, sensor aliran gas(I}.
Di bidang semikonduktor bahan ZoO dapat dibuat lapisan tipis yang mempunyai sifat piezoelektrik dengan faktor kopling elektromekanik yang kuat clan nilai konstanta dielektrikum yang rendah.. Sifat piezoelektrik dari lapisan tipis ZoO tergantung dari orientasi kristal pada sumbu c, dimana semakin terarah kristal ke sumbu c semakin kuat sifat piezoelektriknya. Arab dari sumbu c tergantung dari ketebalan lapisan tipis ZoO.
Semakin tebal lapisan tipis ZoO kemungkinan terarah pada sumbu c semakin besar. Dengan demikian lapisan tipis ZoO dapat digunakan untuk membuat penentu frekuensi sangat tinggi pada rangkaian osilator, filter frekuensi, pengukur laju
aliran gas, diode, pemandu gelombang akustik(2).
Untuk membuat lapisan tipis ZnO ialah dengan membuat serbuk ZnO dijadikan target daD ditumbuki dengan ion argon dalam tabung vakum.
Ion argon berasal dari gas argon yang diionisasikan dengan tegangan tinggi DC atau RF. Tegangan DC hanya dapat digunakan untuk target yang berupa bahan konduktor daD semikonduktor, sedangkan tegangan RF dapat digunakan untuk bahan konduktor, semikonduktor daD isolator. Arus ion yang ditimbulkan oleh tegangan tinggi DC lebih rendah dari tegangan RF, hal ini disebabkan karena pada tegangan RF dengan frekuensi di ares 10 MHz maka potensial plasma tidak bolak-balik lagi. Ion yang dihasilkan searah tetapi elektronnya masih bolak-balik. Untuk target dari bahan isolator akan timbul tegangan bias secara otomatis pada pennukaan target, sehingga ion-ion dipercepat menuju target dengan tegangan ini daD dapat menghasilkan arus ion yang cukup besar<I.3).
Laju deposisi pada teknik sputering tergantung antara lain berbanding terbalik dengan tekanan gas, berbanding tebalik dengan jarak
elektroda, sebanding dengan waktu deposisi daD daya elektroda. Untuk membuat tekanan yang sangat rendah diperlukan pompa vakum difusi daD sambungan pada pompa vakum dengan tabung
Prosiding Pertemuan dan Presentasi /lmiah
~BA TAN, Yogyakarta 14 -15 Ju~~ 93
Buku I
reaktor plasma yang rapat. Terdapat jarak elektroda tertentu yang paling baik/optimal, sehingga tidak dapat jarak elektroda dibuat sedekat mungkin..
Untuk menambah waktu deposisi diperlukan biaya operasi yang lebih mahal lagi. Penambahan daya dengan menaikkan tegangan akan memerlukan penyedia daya tegangan tinggi DC atau tegangan RF yang lebih rumit dalam pembuatannya.
Untuk mengatasi hal tersebut di atas maka digunakan tegangan RF yang ditambah medan magnet pada elektroda. Medan magnet ini dikenakan tegak lurus terhadap medan listrik, sehingga elektron akan terjebak di dekat permukaan elektroda. Elektron ini akan berjalan setaro sikloida sehingga akan menambah partikel daD menambah tumbukan yang akhimya akan meningkatkan arus ion. Dengan meningkatnya arus ion maka, jumlah percikan atom target akan meningkat(4). Dengan demikian diharapkan dengan laju deposisi seperti menggunakan tegangan tinggi DC atau tegangan RF akan diperlukan waktu yang lebih singkat.
TAT A KERJA
Dalam penelitian ini dilakukan beberapa tahapan meliputi penyiapan cuplikan, pendeposisian lapisan tipis, pengamatan lapisan tipis yang terdeposisi pada substrat, pengukuran ketebalan lapisan tip is.
Penyiapan Cuplikan
Bahan penelitian yang digunakan sebagai substat dibuat dari kaca ukuran 70 mm x 25 mm x 1 mm, dipotong 10 mm x 20 mm dipoles sampai pada bagian pinggir untuk mengamati ketebalan lapisan tipis. Sebelum dideposisi dengan lapisan tipis ZnO,
substrat dibersihkan terlebih dahulu untuk mencegah adanya kontaminasi senyawa organik maupun non organik yang terjadi pada proses pemotongan.
Berturut-turut pembersihan itu menggunakan air dan deterjen yang dimasukkan dalam mesin cuci ultrasonik. Setelah itu dibersihkan dengan akuades dan alkohol, baru dikeringkan dengan pemanas dan dan setelah benar-benar kering dimasukkan dalam plastik klip.
Proses Deposisi Lapisan Tipis
Peralatan sitem sputering yang digunakan terdiri daTi : tabung reaktor plasma" pompa rotari dan difusi, sumber gas argon, penyedia RF , elektromagnet, penyedia days elektromagnet
Target ZnO diteffc~atkan pada katoda yang terletak di bawah, sedangkan substrat ditempatkan pada anoda. yang mendapat tegangan RF. Udara di dalam tabung reaktor plasma divakumkan dengan pompa vakum rotari dan difusi sampai tekanan turun menjadi 10.5 torr. Tekanan serendah ini bertujuan untuk membersihkan dari gas yang tidak diinginkan,
tekanan kerja yang akan digunakan hanya sekitar 10- 2 torr sampai dengan 10-1 torr. Pada bagian katoda diberi pendingin dari air yang didinginkan dengan AC untuk mencegah kenaikkan suhu karena pengaruh dari tumbukan ion argon,. sedangkan anoda dipanaskan dengan pemanas yang suhunya dapat diatur. Pemanasan pada anoda ini bertujuan untuk meningkatkan getaran atom pada substrat.
Gas argon dialirkan melalui kran sampai tekanan kerja dan elektroda diberi tegangan RF dengan frekuensi 13,56 MHz, sehingga diantara elektroda terjadi lucutan plasma.
Untuk mendapatkan laju deposisi yang paling baik, maka dilakukan variasi tiga parameter sebelum elektroda diberi medan magnet. Ketiga parameter tersebut adalah : daya RF, suhu subatrat dan waktu deposisi Daya RF divariasi dari 40 watt sampai dengan 120 watt, pada suhu 3000 C, tekanan gas 8.10.2 torr, waktu deposisi 2 jam. Suhu substrat divariasi dari 1000 C sampai dengan 3000 C pada daya 120 watt, tekanan 8.10.2 torr, waktu deposisi 2 jam. Waktu deposisi divariasi dari 1 jam sampai dengan 4 jam, pada suhu 300°C, tekanan 8.10.2 torr, daya 120 watt.
Dengan melakukan variasi ketiga parameter terse but akan diperoleh laju deposisi yang paling baik Setelah itu baru elektroda diberi medan magnet searah yang dapat divariasi kuat medannya dari 270 gauss sampai dengan 670 gauss. Pengaturan medan magnet dengan mengatur arus pada kumparan elektromagnet. Secara visual dapat dilihat, setelah elektroda diberi medan magnet nyala plasma akan semakin terang .Diagram kotak sistem sputering RF magnetron seperti pada gambar I.
Pengukuran Ketebalan Lapisan Tipis ZoO dengan SEM
Ketebafan lapisan tipis ZnO yang terdeposisi pada substrat kaca ordenya hanya beberapa mikrometer, sehingga pengukuran ketebalan lapisan tipis ini harus menggunakan SEM. Untuk pengamatan ketebalan lapisan tipis ZnO ini substrat harus diletakan melintang. Dengan demikian akan dapat diamati perbedaan ketebalan lapisan tipis yang dihasilkan antara elektroda tanpa diberi medan magnet dengan elektroda yang diberi medan magnet.
SEM bekerja berdasarkan berkas elektron yang dipercepat dengan tegangan tinggi DC 30 kV, sehingga mempunyai tenaga yang cukup tinggi.
Berkas elektron ini difokuskan dengan lensa kondensor pada suatu titik yang diameternya hanya 100 A. Karena ditumbuki dengan elektron yang mempunyai tenaga tinggi maka elektron dari cuplikan akan lepas dan difokuskan dengan elektroda elektro statik pada alat pemantul yang dimiringkan, sehingga akan membentuk bayangan
topografi. Sinar yang dihasilkan ke alat pembesar foto dan sinyal yang didapat digunakan untuk menimbulkan terangnya suatu titik pada osiloskop dengan pembangkit skan. Garnbaran yang diperoleh pada layar osiloskop sarna dengan gambaran optik cuplikan. Cuplikan yang diarnati dengan SEM ditempatkan di dalam ruang vakum, dimana tempat
cuplikan dapat digeser ke kanan-kiri, maju-mundur"
daD rotasi beberapa derajat untuk menempatk~
posisi cuplikan benar-benar tegak lurus..Dengan demikian dalam pengukuran teballapisan tipis tidak inengamati tebal dinding.
Gambar Diagram kotak peralatan sistem sputering RF magnetron
pacta Domer saluran tertentu daD ini ditampilkan pacta layar penganalisa saluran ganda sebagai spektrum sinar X. Data ini kemudian dikeluarkan melalui printer atau perekam XY, dimana di dalam gambar perekam XY akan menunjukkan tinggi sinyal unsur yang terkandung dalam substrat.
Pengujian atom yang terdeposisi pada substrat kaca
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam penelitian yang dilakukan, cuplikan yang dideposisi dengan lapisan tipis adalah substrat kaca yang acta di pasaran. Untuk mendapatkan laju
deposisi lapisan tipis ZnO yang paling baik dilakukan variasi suhu substrat, peningkatan waktu deposisi daD daya RF serta variasi medan magnet.
Dalam teknik sputering, ion daTi gas argon yang terionisasi oleh tegangan RF mempunyai tenaga yang cukup besar untuk menumbuk daD melepaskan atom pacta target ZnO. Sebagian atom daTi target ZnO akan terpecik ke substrat kaca. Ion dari target ini masih mempnyai tenaga yang cukup untuk menumbuk dan sebagian menyisip daD menggeser atom substrat. Dengan demikian akan terbentuk lapisan tipis ZnO yang terikat dengan kuat pacta permukaan substrat.
Dilakukan variasi suhu karena dengan meningkatnya suhu, maka akan meningkatkan getaran atom pacta substrat, sehingga akan menaikkan proses difusi ion Zn daD 0 masuk lebih dalam pacta susunan atom substrat.. Dilakukan Uutuk mengetahui apakah atom-atom daTi
target Zn (unsur 0 tidak dapat diamati dengan XRF karena termasuk unsur ringan, untuk menagamati unsur 0 harus menggunakan EDAX) telah terdeposisi pada substrat kaca maka perlu dilakukan pengujian dengan spektrometer pendar sinar X (XRF). Spektrometer ini adalah untuk analisa unsur suatu bahan berdasarkan pengukuran tenaga daD intensitas sinar X suatu unsusr di dalam bahan basil eksitasi oleh sumber radio isotop. Tenaga siitar X substrat yang terukur dipakai sebagai dasar analisa kualitatip, sedangkan intensitas spektrum sinar X yang terukur dipakai dasar' analisa kuantitatip.
Peralatan spektrometer pendar sinar X terdiri daTi : detektor Si(li), sumber tegangan tinggi DC, penguat awal daD penguat, penganalisa saluran ganda, sistem pengolah data daD sumber pengektasi daTi 109 Cd. Substrat diletakkan di atas sumber radio
isotop daD detektor diletakkan di bawah sumber.
Radiasi sumber radio isotop terhadap substrat akan menimbulkan siitar X, sinar X iiti akan mengenai
detektor yang akan menghasilkan sinyal. Sinyal ini dimasukkan di dalam saluran penganalisa saluran ganda yang berfungsi untuk memisahkan sinyal menurut tinggi tenaga sinar X yang dihasilkan oleh substrat.
Pada tiitggi siityal tertentu dicatat cacahnya
Yunanto, dkk. ISSN 0216-3128
Prosiding Pertemuan don Presentasi l/miah
P3TM-BAT:1~'Y°!fYakarta 14 -15 Juli 199~ Buku I
jumlah partikel dan jumlah tumbukan antara ion argon. Tumbukan ion argon ini akan meningkatkan arus ion yang akhirnya akan menambah tenaga ion argon untuk menumbuk target ZnO.. Tetapi semakin tinggi medan magnet penambahan jumlah cacah relatip kecil hal ini kemungkinan sudah terjadi kejenuhan.
Perubahan struktur mikro yang terjadi dapat dilihat pada gambar 3, yaitu dengan photo SEM.
Dengan melihat penampang melintang kaca yang dideposisi dengan lapisan tips ZnO, terlihat adanya lapisan tipis yang berbeda dengan substrat ditandai dengan garis tipis gelap dan udara yang tampak gelap. Lapisan tipis ini merupakan indikasi dari terbentuknya lapisan tipis ZnO. Pada gambar 3 dan 4 terlihat adanya perubahan ketebalan lapisan tipis dari 0,9 f.tm menjadi 1.3 f.tm. Pada gambar 3 adalah gambar tebal lapisan tipis yang dihasilkan oleh sputering RF dan gambar 4 adalah gambar ketebalan yang dihasilkan oleh sputering RF magnetron.
0 270 370 ~70 570 670
Meden MagMI (0"")
Gambar 2 Graflk hubungan antara kuat medan megnet dengan cacah pada XRF untuk 3 macam parameter
Peningkatan yang paling tinggi terjadi pada parameter waktu deposisi, yang menghasilkan 288/300 cacah/detik Hal ini disebabkan dengan meningkatnya waktu deposisi semakin banyak atom Zn dan 0 yang terlepas dari target dan menempel pada substrat. Setelah parameter waktu parameter daya RF juga dapat meningkatkan laju deposisi, karena parameter daya RF menentukan tenaga yang menumbuk pada target. Semakin tinggi tenaga yang menumbuk maka semakin banyak atom Zn dan 0 yang terlepas dari target. Sedangkan parameter suhu.paling kecil peningkatan laju deposisinya karena dengan meningkatnya suhu maka jarak antar atom semakin merenggang. Dengan demikian semakin banyak ion Zn yang mengisi kekosongan pada susunan atom substrat. Untuk medan 270 gauss sampai 670 gauss jumlah cacal: meningkat untuk ketiga parameter meningkat semua. Hal ini disebabkan karena dengan meningkatnya medan magnet dimana medan magnet dikenakan tegak lurus terhadap medan listrik maka ion argon akan terjebak didepan elektroda. Dengan demikian ion argon akan berjalan sikloida yang akan menambah
Gambar 3 Ketebalan lapisan tipis ZnO yang diukur dengan SEM tanpa medan magnet
Gambar 4 Ketebalan lapisan tipis ZnO yang diukur dengan SEM elektroda diberi medan magnet
KESIMPULAN
Dari basil percobaan yang telah dilakukan dapat diarnbil kesimpulan
I. Terjadi peningkatan laju deposisi lapisan tipis Zn, setelah elektroda diberi medan magnet.
Yunanto "
* Ukuran yang menunjukkan laju deposisi ialah dengan meningkatnya ketebalan lapisan tipis ZnO diamati dengan SEM don meningkatnya
cacah lapisan tipis Zn yang diamati dengan XRF.
Peningkatan lapisan tipis Zn dengan bertambahnya jumlah cacah unsur Zn dari
115/300 cacah/detik menjadi 288/300 cacah/detik. Sedangkan jumlah atom 0 tidak dapat diamati dengan XRF .
Terjadi peningkatan laju deposisi lapisan tipis ZnO, setelah elektroda diberi medan magnet.
Peningkatan ketebalan lapisan tipis ZnO yang diperoleh dari 0,9 ~m menjadi 1,3 ~m
DAFTARPUSTAKA
1. KONUMA, 'ThinFilm Deposition by Plasma Techniques", Springer Verlag, Berlin, 1992.
2. KIYOT AKA W ASA, SHIGERU
HA Y AKA W A,"Handbook Sputter Deposition Tecnology", Noyes Publication, New Yersey, 1991
.RV STUART,"Vacuum Technology, Thin Film and Sputtering", Academic Press, Tokyo, 1993 ..S.SW ANN,"Magnetron Sputteing", lOP
Publishing Ltd, 1988
S. T. MITSUYU, S. aNa, K. WASA,"Structures and SAW Properties of RF Sputtered Single Crystal Film of ZnO on Sppiere", J.Appl. Phys, May, 1980
* Penmgkatan ketebalan maksimum 44 %.
Agus Purwadi
* Apakah medan magnet 670 Gauss ini paling optimum?, bagaimana kalau diperbesar lagi apakah kemungkinan peningkatan kualitas laju deposisi, dll akan terjadi ?
* Ketebalan lapisan tipis meningkat dari 0,9 I.1m menjadi 1,3 I.1m, apakah untuk lapisan tipis semakin tebal semakin bagus kualitasnya, berikan contohnya ?
3 Yunanto
4 Kuat medan 670 Gauss be/urn optimum, don
hila medan magnet diperbesar lagi kemungkinan akan jenuh, ha/ ini terlihat do/am grafik yang hampir dolor, sehingga penambahan /aju deposisi tidak begitu besar.
Lapisan tipis ZnO yang semakin teba/
kemungkinan arah sumbu krista/ ke arah sumbu C semakin besar, sehingga sifat piezoelektriknya semakin kuat, contoh lapisan ZnO untuk membuat pengukur tekanan gas,
tranduser ultrasonik.
TANYAJAWAB
Djoko SP.Bagaimana penelitian lapisan tipis ZnO di Indonesia hila dibandingkan dengan negara maju
Apakah sudah pemah dilakukan optimasi terhadap parameter-parameter yang mempengaruhi laju deposisi ?
Sayono
* Apa kelebihan pembuatan lapisan tipis dengan sputtering dibanding dengan menggunakan Implantasi terutama dalam hal teknologi
Yunanto
* Ke/ebihan teknik sputtering da/am membuat /apisan tipis hila dibandingkan dengan Imp/antasi ion ada/ah : tidak me/ibatkan suhu tinggi untuk membuat /apisan tipis dari bahan padat yang mempunyai titik /e/eh yang tinggi, dapat untuk me/apisi cup/ikan yang berbentuk si/inder tanpa harus memutas cup/ikon dan pera/atannya cukup sederhana.
Yunanto
* Penelitian lapisan tipj's 2nO di Indonesia masih jauh lebih sedikit dibandingkan negara maju.
* Sudah pernah dilakukan optimasi terhadap parameter yang mempengaruhi laju deposisi, tetapi masih terbatas misalnya tekanan gas antara 710-2 torr sampai 1,5 10-1 torr, daya RF maksimum 120 watt, suhu maksimum 400 DC don jarak elektroda minimum 2,7 cm
Sigit Hariyanto
* Ukuran yang menunjukkan bahwa laju deposisi itu naik ?, biasanya kata 'laju' ada hubungannya dengan kecepatan.
* Berapa persen peningkatannya ?
Yunanto, dkk. ISSN 0216-3128
