23
Anggraeni, 2014
PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
A. Metode Penelitian
Metodepenelitianmengenai“Perancangan dan fabrikasi prototype pemandu gelombang optik berstruktur planar menggunakan polimer”yang digunakan adalahstudiliteraturdaneksperimen, dengan skema penelitian seperti pada Gambar 3.1.
MULAI Identifikasi dan Perumusan Masalah
Litografi
Wafer cleaning dengan RCA-1 dan RCA-2
Spin Coating Photo exposure,Wet etching,Resist strip,dan curing Karakterisasi fisik(karakterisasi SEM
dan jarum ukur)
SELESAI
Data Sekunder
Persiapan alat dan bahan
Pemograman Wolfram Mathematica
Marcatili’sMethodedanpers amaan Maxwell
Gambar 3.1. Bagan Alur Penelitian
Gambar 3.2. Bagan Alur Fabrikasi (HD MicroSystems)
B. Lokasi Penelitian
Tempat :
LaboratoriumBahandanKomponenMikroelektronikaPusatPeneliti an Elektronika dan Telekomunikasi–Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (PPET–LIPI)
Waktu : April 2014-Juli 2014
Alamat : Komplek LIPI Jl. Sangkuriang Gd. 20 – Bandung 40135 telp. 022-2505660, 2504661 Fax. 022-2504659. Si Wafer Cleaning Si oksidasi SiO2 Spin Coating Polimer SiO2 Polimer SiO2 Photoresist Polimer SiO2 Photoresist SiO2 SiO2 Photo Exposure Wet Etching spin coating
Anggraeni, 2014
PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR
C. Alat dan Bahan
1. Alat
a. Spin coater+vacum b. Hot Plate
c. Lampu Xenon(Exposure Unit) d. Peralatan kimia e. Positive mask f. Gas N2 g. Handphone (stopwatch) h. Gunting i. Tissue 2. Bahan a. Polimer(polyimide) b. Tetrametylamoniumhidroxide(TMAH) c. HF(Asam Florida) d. DI-water e. NH4OH f. H2O2 g. HCl h. Photoresist i. VM-651(promotor adhesive) j. Acetone k. N-Butylacetat
D. Alur Pembuatan Pemandu Gelombang Optik berstruk Planar menggunakan Polimer
1. Litografi
2. Wafer Cleaning dengan RCA-1 dan RCA-2
Gambar 3.4. AlurWafer Cleaning Dengan RCA-1 dan RCA-2 Preparasi substrat
Silika
RCA-1 Pencampuran NH4OH +
DI-Water + H2O2
Pemanasan pada suhu 75oC selama 15 menit
Pencampuran HCl + DI-Water + H2O2
RCA-2
Pemanasan pada suhu 75oC selama 15 menit
Perendaman wafer pada RCA-1 dan RCA-2
Pengeringan dengan gas N2
Larutan HF:H2O2(5:100) Pencucian dengan HF
Gambar 3.3. Alur proses litografi Merancang pemandu
gelombang optik planar
Pencetakan pola masker pada orto film
Aplikasi wolfram mathematica dengan menggunakan persamaan 19-23 dan persamaan 60 dan 62 Pembuatan masker :
1. Desain masker dengan Corel draw X5
Anggraeni, 2014
PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR 3. Spin Coating
Gambar 3.5. AlurSpin Coating 4. Photo exposure, Wet etching, resist strip,curing
Pelapisan wafer dengan VM-651(promotor adhesive)
Pelapisan Polyimide
Photoresist
Kecepatan 7600 rpm selama 60 detik Spin coating dengan kecepatan 3500 rpm
Photo exposure dengan lampu xenon selama 60 detik
curing Wet etching
Perendaman pada TMAH selama 20 dan 40 detik kemudian Spin dry dengan kecepatan 5000rpm selama
15 detik
Resist strip
Karakterisasi fisik
Perendaman pada N-butilacetate selama 10 detik kemudian Spin dry dengan kecepatan 5000rpm
selama 15 detik
Pemanasan pada hotplate (200℃ 30menit dan 350℃ 1jam)
Gambar 3.6.AlurPhotoExposure, Wet Etching, Resist Strip danCuring
E. Prosedur Pembuatan pemandu gelombang optik planar
Pada penelitian ini pembuatan pemandu gelombang optik planar menggunakan konsep perancangan menggunakan wolfram mathematica dan kemudian mengolahnya dalam proses fabrikasi semua material diletakkan secara menumpuk seperti sandwich (Gambar 3.2).
Penelitian ini terdiri dari beberapa tahapan proses yaitu : 1. Litografi
Proses litografi (sesuai Gambar 3.3) pada penelitian ini terdiri dari:
a. Perancangan pemandu gelombang optik planar dengan metode Marcatiili menggunakan aplikasi wolfram mathematica.
b. Pembuatan masker positif dengan ukuran lebar 10,20,30 dan 50 mikron dengan bantuan Corel Draw X5 yang kemudian dicetak pada kertas film transparan di POLAR sesuai gambar3.7.
2. Wafer Cleaning dengan RCA-1 dan RCA-2
Proses wafer cleaning (sesuai dengan Gambar 3.3) pada penelitian ini bertujuan untuk membersihkan wafer dari debu atau kotoran lainnya. Wafer atau substrat yang digunakan adalah berupa wafer silikon. Silikon dibersihkan dengan
Anggraeni, 2014
PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR larutan RCA-1 dan kemudian dengan RCA-2. Larutan RCA-1 untuk membuang sisa-sisa organik yang dihasilkan pada waktu proses pengoksidasian wafer, sedangkan RCA-2 untuk membuang ion-ion metal yang terdapat pada wafer. Adapun proses pembuatan larutan RCA-1 dan RCA-2 adalah sebagai berikut:
Pembuatan RCA-1
75 mL DI water dicampurkan dengan 15 mL NH4OH (Ammonium
Hydroxide)dan tambahkan 15 mL H2O2 (Hydrogen Peroxide), setelah itu dipanaskan di atas hotplatesampai 75oC. Kemudian, pindahkan larutan dari hotplatediamkan selama 1-2 menit. Larutan RCA 1 siapdigunakan (Bachman, 1999).
Pembuatan RCA-2
90 mL DI waterdicampurkandengan 15mLHCl (HydrogenChloride)dan tambahkan 15mL H2O2 (HydrogenPeroxide), dipanaskan di atas
hotplatehingga75oC.Kemudian, pindahkan larutan dari hotplatediamkan selama 1-2 menit. Larutan RCA 1 siapdigunakan (Bachman, 1-2001-2)
Pembersihan wafer
Waferdirendamdalamlarutan RCA-1 selama 15 menit, laludibilasdengan DI water. Setelahitu, waferdirendamdalamlarutan RCA-2 selama 15 menit, laludibilasdengan DI water.Wafer yang telahdirendam di larutan 1 dan RCA-2 kemudiandicucidenganlarutan HF (HydrogenFluoride) dan dikeringkandengan gas N2.
Gambar 3.8. Pembuatan RCA-1 dan RCA-2 Serta Pembersihan Wafer Setelah bersih tahap selanjutnya adalah mengoksidasi wafer dengan meletakkan silikon pada boat. Kemudian alat oksidasi tersebut dinyalakan dengan suhu 900-1100℃. Ketebalan oksidasi dipengaruhi oleh lama tidaknya proses oksidasi.
3. Spin Coating
Proses spin coating dilakukan melalui beberapa tahapan. Tahap pertama wafer yang sudah dibersihkan dengan RCA-1 dan RCA-2 ditempatkan pada spin coater.Spin coater yang digunakandalamfabrikasiinimempunyaikecepatanputar 0 – 8000 rpm denganlamanyawaktupercepatan (acceleration) sertaperlambatan (deceleration) yang bisa diatur secara manual. Spin coater yang digunakan dan proses spin coating ditunjukkan pada Gambar 3.8
Vacum Substrat Piringan Material
pelapis
Anggraeni, 2014
PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR a. Spin Coating Promotor Adhesive
Sebelum dilapisi polymer, maka terlebih dahulu substrat dilapisi dengan promotor adhesive(VM-651 oleh HD MicroSystems). VM-651 biasanya dicampurkan dengan DI-Water hingga 0.1%, dan dapat digunakan sebelum 24 jam. Pelapisan promotor adhesive dilakukan agar meningkatkan daya lekat polymer terhadap permukaan wafer(Norio,D.Heard). Substrat/wafer diletakkan diatas spin coater dan divacumkan. Larutan VM-651 yang mengandung G-aminopropytitrieth-oxysilane diteteskan diatas wafer kemudianspin coater diputar dengan variasi kecepatan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.10. Substrat yang telah dispin coating, kemudian dipanaskan 120oC diatas hotplate selama 60 detik (HD MicroSystems).
0 rpm 3500 rpm 3500 rpm 0 rpm 15 detik 20 detik 30 detik
Gambar 3.10. Profil Kecepatan Untuk PelapisanVM-651(Mahmudin,D. dkk)
b. Spin coating Polimer
Selanjutnya dilakukan proses pelapisan polyimide (PI-2545) diatas substrat. Substrat diletakkan diatas spin coater, divacumkan, dan ditetesi dengan PI-2545. Spin coater diputar dengan kecepatan putar 7500 rpm selama 60 detik, untuk memperoleh ketebalan yang diharapkan. Kemudian dipanaskan 140oCdiatas hotplate selama 6 menit (HD MicroSystems).
Gambar 3.11. Profil Kecepatan Untuk Pelapisan PI-2545
Sebelum pelapisan photoresist substrat yang telah terlapisi harus didinginkan pada temperatur ruang maksimum selama 24 jam. Jika disimpan lebih dari 24 jam, polimer tidak dapat digunakan lagi.
c. Spin Coating Photoresist
Setelah substrat dilapisi dengan polymer, maka selanjutnya dilakukan pelapisan dengan fotoresist. Fotoresist yang digunakan merupakan jenis fotoresist positif. Substrat yang telah ditetesi dengan fotoresist positif yang telah dipilih (mengandung: Etilasetat dan N-Butilasetat), kemudian diputar dengan spin coater. Profil kecepatan yang digunakan dalam proses ini ditunjukkan pada Gambar 3.12 Setelah dilakukan proses pelapisan, kemudian substrat dipanaskan 90oC diatas hotplate selama 3 menit.
Gambar 3.12. Profil Kecepatan Untuk Pelapisan Photoresist
500 rpm
5 detik
7500 rpm
60 detik
30 detik
0 rpm
500 rpm
5 detik
2500 rpm
30 detik
15 detik
0 rpm
Anggraeni, 2014
PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR 4. Photo Exposure, Wet Etching, Resist Strip dan Curing
Proses photo exposure dilakukan untuk memindahkan pola-pola waveguide yang terdapat pada masker ke substrat dengan menggunakan sinar lampu ultraviolet. Masker pola-pola waveguide yang akan difabrikasi dibuat diatas orthofilm. Masker yang digunakan dengan variasi ukuran, yaitu 10,20,30, dan 50 mikron yang dapat dilihat pada Gambar 3.13.
Gambar 3.13. Masker yang Digunakan
Pada fabrikasi ini digunakan alat photo exposure dari Oriel Corporation tipe 81150 dengan daya lampu Xenon sebesar 300 Watt.Jarak substrat dan masker dari titik pusat lensa sebesar 5 cm dan Photo exposure dilakukan selama 60.Alat photo exposure yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 3.14.
Setelah substrat diexposure, maka selanjutnya dilakukan proses etching untuk membuang lapisan photoresist dan polymer sehingga dihasilkan pola waveguide diatas substrat sesuai dengan pola pada maskerdetik (Lee, J.B; Darling, R.B). Pada fabrikasi ini digunakan photoresist positif, sehingga proses etchingakan membuang lapisan substrat yang tidak tertutupi oleh masker (bagian selain pola waveguide yang berupa garis hitam). Etching yang dilakukan yaitu wet etching dengan menggunakan larutan (CH3)4NOH yang biasa disebut sebagai TMAH (Tetra Methyl
Ammonium Hydroxide). Etching dilakukan dengan cara merendam substrat yang telah diexposure dalam TMAH dengan variasi waktu 20 detik, 20 detik dan 10 detik sampai terbentuk pola-pola waveguide seperti pada gambar 3.2.
Selanjutnya dilakukan proses resist strip untuk membuang sisa lapisan photoresist yang terdapat di substrat. Resist strip dilakukan dengan cara merendam substrat yang telah dietching dalam larutan N-Butylacetate sampai sisa lapisan photoresist di substrat hilang.
Setelah proses resist strip, maka selanjutnya dilakukan proses curing. Proses ini berguna untuk mengeraskan lapisan polymer diatas substrat. Curing dilakukan dengan cara memanaskan substrat di oven/hotplate sampai suhu tertentu. Grafik tahap-tahap pemanasan substrat dalam proses curing ditunjukkan oleh Gambar 3.15dan Gambar 3.16 menunjukkan urutan proses fabrikasi waveguide optik berbasis polymer secara lengkap.
20oC 200oC 200oC 350oC 350oC 50oC 10oC / menit 15 menit 10oC / menit 30 menit 10oC / menit
Anggraeni, 2014
PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR Gambar 3.15. Grafik Pemanasan Substrat Dalam Proses Curing(Dadin dkk)
Pelapisan Polymer (Spin Coater) Lensa Lampu UV Masker Photoresist Polymer SiO 2 Si Wafer Cleaning (RCA-1 + RCA-2) Masker Substrat Pelapisan Photoresist (Spin Coater) Masking Photo Exposure Wet etching (TMAH) Resist Strip (N-Butylacetate) Cutting Si + SiO 2 Wafer Kotoran
Gambar 3.16. Urutan Proses Fabrikasi Waveguide Optik Berbasis Polimer(Mahmudin, D. dkk.)
F. Karakterisasi Fisik
Setelah proses curing selesai, proses selanjutnya adalah karakterisasi fisik dengan menggunakan SEM(Scanning Electron Microscope), mikroskop dan profile meter. Hal ini berguna untuk memperoleh bentuk dari pemandu gelombang optik planar agar dapat terlihat hingga ukuran mikron. Sebelum dianalisis menggunakan SEM sampel terlebih dahulu dipotong menggunakan pisau diamond seperti pada gambar 3.17 Setelah itu sampel dapat diuji dengan ketiga alat tersebut. Selain itu ukur kembali masker yang digunakan, untuk dibandingkan dengan hasil sampel sebelum dan sesudah diberi masker.
