CVD (Chemical Vapor Deposition) I. Definisi
CVD adalah proses reaksi kimia senyawa volatil yang akan disimpan dengan gas lain, untuk menghasilkan padatan nonvolatile yang terserap secara atom pada substrat yang sesuai.
Padatan yang yang dihasilkan seperti lapisan, bubuk, atau kristal tunggal. Dengan memvariasikan kondisi percobaan bahan substrat, suhu substrat, komposisi campuran gas reaksi, aliran gas tekanan total dan lain lain material dengan sifat yang berbeda dapat ditumbuhkan. Fitur karakteristik dari CVD ini adalah daya lempar yang sangat baik, yang memungkinkan produksi pelapis ketebalan dan sifat seragam dengan porositas rendah bahkan pada substrat dengan bentuk yang rumit. Ciri khas lainnya adalah kemungkinan untuk penempatan lokalisasi atau deposit yang selektif pada substrat berpola. CVD banyak digunakan dalam aplikasi thin film (lapisan tipis). Misalnya, digunakan dalam industri mikroelektronika untuk membuat film berfungsi sebagai dielektrik, konduktor, lapisan pasivasi, penghalang oksidasi, dan lapisan epitaxial.
Untuk produksi serat optik seperti pelapis tahan korosi, dan tahan panas dengan teknik ini yang sudah sangat terkenal. Aplikasi CVD lainnya adalah pembuatan bahan bersuhu tinggi (tungsten, keramik, dll.) dan produksi sel surya, komposit serat suhu tinggi, dan partikel dengan ukuran yang terdefinisi dengan baik.
Baru-baru ini, high Tc superkonduktor juga telah dibuat dengan teknik ini. Karena aktivitas oksigen dalam uap dapat dikontrol dengan tepat selama pengendapan, tidak diperlukan annealing dalam oksigen untuk mencapai superkonduktivitas.
II. Macam macam CVD
Teknik CVD dapat diklasifikasikan ke dalam berbagai jenis, bedasarkan klasifikasi perbedaan standar. Sebagai contoh, berdasarkan tekanan operasi, dapat dibagi menjadi tekanan rendah CVD (LPCVD), ultrahigh vacuum CVD (UHVCVD) dan atmosfir CVD (APCVD). Cara lain untuk mengklasifikasi teknik CVD adalah berdasarkan perbedaan jenis energi yang diterapkan untuk mengatasi hambatan energi aktivasi pemecah obligasi, seperti CVD termal, berkas elektron CVD, CVD laser dan plasma enhanced CVD (PECVD). Untuk lebih lengkapnya dibawah ini disediakan klasifikasi CVD, diantaranya:
Berdasarkan energi : 1. Rapid thermal CVD 2. Hot wire CVD (HWCVD)
a. HWCVD memberikan kemampuan untuk mensintesis film tipis fluorkarbon dan organosilikon.
b. HWCVD mengatasi beberapa kendala pemrosesan substrat yang dipanaskan secara langsung.
3. Photo Enchanced CVD
a. Berdasarkan aktifasi dari reaktan pada fase gas dan uap dari radiasi elektromaknetik. Contohnya gelombang pendek radiasi ultraviolet.
b. Absorbsi yang selektif dari energi photon pada molekul reaktan dari proses inisiasi atom.
c. Suhu rendah (150 ℃ ) dibutuhkan untuk membentuk film.
Contohnya SiO2.
d. Kerusakan radiasi sangat diperkecil.
4. Laser Induced CVD
a. Memunginkan deposisi lokal dari material dalam fokus dari sebuah laser.
b. LCVD memungkinkan one step deposisi dari struktur dengan dimensi lateral sampai setidaknya 1 μm .
c. Struktur 3 dimensi dalam ukuran mikron sangat memungkinkan.
5. Plasma enhanced CVD 6. High density Plasma CDV Berdasarkan substrat:
1. Non Porous CVD 2. Porous
Berdasarkan Tekanan:
1. Atmospheric Pressure CVD
a. Proses terjadi pada tekanan atmosfer.
b. Desain reaktor sangat sederhana, belum dilengkapi dengan pembacaan high deposition.
c. Pada suhu 400 ℃ biasanya menghasilkan lapisan film dalam kisaran 2000 sampai 3000 Å /min.
2. Low Pressure CVD
a. CVD berada antara 0,25 – 2 Torr ( 1 atm=760 Torr)
b. Proses reaksi pada permukaan dibatasi tanpa aturan penurunan suhu.
c. Memungkinkan untuk menumpuk lapisan dan throughput yang lebih tinggi.
d. Biasanya dilakukan pada kisaran 300-900 °C . 3. Ultra high vacuum CVD
Vakum sangat tinggi menghilangkan kontaminasi pada permukaan.
Berdasarkan Hybrid source:
1. Hybrid Physical CVD 2. Combustion CVD
Berdasarkan Precursor 1. Metal Organic CVD
a. Prekursor berdasarkan metal organic.
b. Digunakan untuk memproduksi single atau polikristaline thin film.
c. Proses komplek untuk menumbuhkan lapisan kristaline.
d. Tekanan 10 sampai 760 Torr.
e. Teknik ini lebih bagus untuk paduan metastabil secara termodinamika.
2. Aerosol Assisted CVD
Prekursor ditransportasikan ke substrat oleh cairan atau gas aerosol 3. Direct Liquid Injection CVD
a. Prekursor dalam bentuk cairan
b. Cairan diinjeksikan di vaporization chamber melalui injectors, lalu uap pekursor ditransportasikan ke substrat sepeti CVD biasanya.
III. Karakteristik
A. Karakteristik umum
A. Diproses pada tekanan atmosfir atau dalam ruang hampa
B. Reaksi terjadi pada permukaan bagian, dengan lapisan yang menunjukkan ikatan kimia dan metalurgi ke substrat
C. Film keramik logam menunjukkan kekerasan mikro tinggi (2400-3400 HV), biasanya lebih dari 80 HRc, tergantung pada komposisi film.
D. Pelapis biasanya akan menunjukkan koefisien gesekan yang rendah (0,15-0,35) tergantung pada komposisi film
E. CVD adalah proses aditif, dengan ketebalan film rata-rata 0,006 - 009 mm, atau .00024 - .00035 inci
F. Suhu proses tinggi (~ 1925 ° F)
G. CVD lebih mampu melapisi permukaan dalam ruangan daripada proses PVD.
H. Pemolesan pra-dan pasca-pelapisan dapat mencapai hasil akhir yang baik. Perlakuan panas paska pelapis diperlukan pada peralatan baja
B. Metode CVD
Macan macam metode CVD dan reaktor CVD telah dikembangkan, berdasarkan pada tipe perkusor yang digunakan, kondisi deposisi yang pakai dan bentuk energi yang dipakai. Reaktor CVD umumnya dibagi menjadi hot-wall dan cold-wall CVD. Gambar dibawah menggambarkan beberapa rancangan umum dari reaktor CVD. Reaktor Hot-wall CVD biasanya berbentuk tabung, dan
pemanasan dilakukan oleh elemen resistensi disekitar reaktor. Untuk tipe cold-wall CVD reaktor, substrat langsung dipanaskan secara induksi oleh susceptor grafit, saat dinding ruangan didinginkan oleh udara atau air.
C. Struktur dan morfologi CVD
Struktur bahan CVD dapat dikelompokkan menjadi tiga jenis utama yang ditunjukkan secara skematis pada gambar dibawah. Di zona (A), strukturnya terdiri dari butiran kolumnar yang ditutup oleh top domelike. Di zona (B), strukturnya juga kolumnar tapi lebih condong dan sudut. Di zona (C), itu terdiri dari biji-bijian accost halus. Contoh struktur ini ditunjukkan pada Gambar 2.14. [24] Ini adalah CVD yang setara dengan model struktural untuk film vakum- evaporatif yang pertama kali diperkenalkan oleh Movchan dan Demshishin.
Gambar 2.13. struktur skematik dari CVD (a) clumnar grains with domed tops, (b) faceted columnar grains, (c) equiaxed fine grains.
(a).ka (c)
(b) (d)
Gambar 2.14.. struktur skematik dari CVD (a) clumnar grains with domed tops, (b) faceted columnar grains, (c) equiaxed fine grains, (d) mixed structures.
Seperti yang diharapkan, variasi struktur mikro tergantung pada material yang didepositkan. Secara umum, keramik yang diperoleh CVD seperti SiO2, Al2O3, Si3N4, dan kebanyakan bahan dielektrik cenderung amorf atau, paling tidak, memiliki butiran mikro yang sangat kecil (Tipe C). Endapan logam cenderung lebih kristalin dengan struktur kolumnar khas tipe (A) atau (B).
IV. Aplikasi CVD
Lapisan CVD digunakan di banyak aplikasi manufaktur sebagai lapisan tahan aus: penggilingan karbida dan sisipan balik, komponen keausan, beberapa alat pengolah plastik, dll. Namun, aplikasi yang paling umum untuk pelapis CVD adalah untuk alat pembentuk logam.
Lapisan CVD memberikan ketahanan yang sangat baik terhadap jenis keausan dan ketangguhan yang biasa terlihat pada banyak aplikasi pembentuk logam. Seperti, Punches, Draw Dies, Alat tempa ,Trim Dies, Alat stamping, Kawat Draw Dies, Ekstrusi Dies, Coining Dies, Drawing Plug, Swaging Dies, Rolls form, Seaming Rolls, Cold Heading Tools, Peralatan Crimping Tube, Bending Dies.
Sputtering
I. Definisi
Sputtering merupakan pelepasan atom atom dari permukaan target oleh bombardir partikel berenergi tinggi. Atom atom dari permukaan target dapat terlepas akibat ion yang dipercepat menumbuk permukaan target melalui proses transfer momentum. Pada sistem sputering model planar 2 elekroda yaitu katoda dan anoda dalam vakum chamber berada pada posisi berhadapan.
Katoda di hubungkan dengan sumber RF (radiofrekuensi) atau DC dengan tegangan negatif sedangkan anoda tegangan positif. Antara katoda dan anoda terbentuk medan electromagnet yang berperan menginduksi gas-gas membentuk plasma.
II. Jenis Sputtering
1. DC Sputtering
DC (direct current) Sputtering adalah sebuah proses deposisi material yang digunakan untuk melapisi substrat dengan lapisan tipis dari material lain. Proses ini melibatkan penembakan material donor dengan ionisasi molekul gas, sehingga menyebabkan perpindahan atom donor. Atom-atom ini kemudian akan bereaksi dengan bahan penerima yang bermuatan negative menciptakan lapisan tipis di permukaannya.
DC sputtering digunakan secara luas di dunia industry elektronika untuk membangun komponen semikonduktor dan pembuatan PCB. DC sputtering mampu mendeposisi bahan yang sangat akurat dan terkontrol
pada berbagai permukaan substrat
Awalnya sistem pompa turun sampai 10-6 -10-7 Torr untuk kemurnian, kemudian biarkan dalam jumlah terkontrol gas menjadi terionisasi (umumnya Argon), akhirnya tekanan ruangan akan berada di sekitar 1 - 100 mTorr - jumlah ini ditentukan oleh tekanan yang dibutuhkan untuk memiliki plasma berkelanjutan dengan dimensi ruang. Kontrol utamanya adalah energi ion, mereka harus berada di kisaran yang tepat untuk sputtering.
Beberapa Keterbatasan Sputtering DC
• Tekanan tinggi yang dibutuhkan untuk mencapai plasma dapat menurunkan kualitas film.
• Hanya sebagian kecil gas yang diubah menjadi ion.
• Semua ini menghasilkan tingkat deposisi yang rendah (~ 100 Ǻ / menit).
2. Frekuensi radio (RF) sputtering
Frekuensi radio (RF) sputtering adalah teknik yang digunakan untuk membuat lapisan tipis, seperti yang ditemukan di komputer dan industri semikonduktor. Seperti arus searah (DC) sputtering, RF sputtering melibatkan gelombang energik berjalan melalui gas inert untuk menciptakan ion positif. Bahan target, yang pada akhirnya akan menjadi lapisan film tipis, ditumbuk oleh ion dan dipecah menjadi penyemprotan halus yang menutupi substratpada dasar lapisan tipis. RF sputtering berbeda dari DC sputtering dalam tekanan, sistem tegangan, pola sputter deposisi, dan tipe ideal dari bahan target. Selama proses RF
sputtering, bahan target, substrat, dan elektroda RF dimulai dalam ruang vakum.
Selanjutnya, gas inert, yang biasanya argon, neon, kripton atau tergantung pada ukuran molekul bahan target, diarahkan ke dalam kamar. Alih-alih menerapkan tegangan DC ke katoda, voltase pada frekuensi radio (RF), biasanya sekitar 13,5 MHz. Puncak RF ke tegangan puncak sekitar 1000V, kerapatan elektron sekitar 109-1011 cm -3 dan tekanan ruang adalah 0,5 10 mTorr. Pada siklus positif, elektron tertarik pada katoda, menciptakan bias negatif (anggap itu sebagai pengisian muatan negatif pada permukaan target). Pada pengeboran ion siklus negatif berlanjut.
3. Megnetrons
Sumber sputtering magnetik dapat didefinisikan sebagai perangkat dioda di mana medan magnet digunakan bersamaan dengan permukaan katoda untuk membentuk perangkap elektron yang sangat terkonfigurasi sehingga arus elektron arus E ¯ xB mendekati pada diri mereka sendiri. Magnetron dapat dikonfigurasi dalam berbagai bentuk.
Contohnya meliputi magnetar planar yang ditunjukkan pada Gambar dibawah.
Gambar. Magnetron dengan magnetic end confinenment:
(a) planar magnetion, (b) gun typie.
Perbedaan utama antara ini dan sistem sputtering DC dasar yang dijelaskan di atas adalah penambahan medan magnet yang kuat di dekat area target. Bidang ini menyebabkan elektron perjalanan berputar sepanjang garis fluks magnet di dekat sasaran dan bukannya tertarik ke substrat. Keuntungan dari ini adalah bahwa plasma terbatas pada area di dekat sasaran, tanpa menyebabkan kerusakan pada lapisan
tipis yang terbentuk. Selain itu, elektron bergerak untuk jarak yang lebih jauh, meningkatkan kemungkinan atomisasi Argon pengion lebih lanjut. Hal ini cenderung menghasilkan plasma stabil dengan kepadatan ion yang tinggi. Lebih banyak ion berarti lebih banyak atom dikeluarkan dari sasaran, oleh karena itu, meningkatkan efisiensi proses sputtering. Tingkat ejeksi yang lebih cepat, dan karenanya tingkat deposisi, meminimalkan kotoran yang terbentuk pada film tipis, dan peningkatan jarak antara plasma dan substrat meminimalkan kerusakan yang disebabkan oleh elektron liar dan ion Argon.
III. Karakteristik Sputtering
Membuat plasma ionik dengan menerapkan voltase tinggi ke tabung cahaya. Ion membombardir bahan target di katoda. Target atom dikeluarkan (tergagap) dari katoda oleh transfer energi dan momentum. Atom yang tergagap dari sasaran diendapkan ke substrat (anoda).
IV. Aplikasi Sputtering
Kemampuan untuk mengendalikan komposisi telah menyebabkan sputtering menjadi banyak digunakan di industri elektronika. Macam macam aplikasi antara lain adalah lapisan paduan aluminium dan metalisasi elektromagnetik logam tahan api, lapisan isolasi mikroskopis, elektroda konduktor transparan, film optik amorf untuk perangkat optik terintegrasi, transduser piezo-elektrik, fotokonduktor dan film luminescent untuk perangkat display, perangkat memori yang disesuaikan secara optik, perangkat memori gelembung amorf , resistor film tipis dan kapasitor, cakram video,
elektrolit padat, laser film tipis, dan masker fotokopi sirkit sirkular kosong.
Daftar Rujukan
Cao, Ghuozong., Wang, Ying. Nanostructures and Nanomaterials.Hackensack: World Scientific Publishing.2011.
Puspitasari, Poppy., Ph.D.2017. Sintesis Nanomaterial. Universitas Negeri Malang.
Bunshah, Rointan F. Deposition Technologies For Film and Coatings.New Jersey: Noyes.1994.
Pierson, Hugh O.Handbook of Chemical Vapor Deposition.New Jersey:
Noyes.1999.
