PERANCANGAN DAN PEMBUATAN MESIN DC MAGNETRON SPUTTERING SERTA PENGUJIAN AWAL

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN MESIN DC MAGNETRON SPUTTERING SERTA PENGUJIAN AWAL

TUGAS AKHIR

Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan untuk Derajat Sarjana Strata-1 Pada Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

Disusun Oleh: Bagja Restu Muhammad

20110130049

PROGRAM STUDI S-1 TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA

YOGYAKARTA 2016

i

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN MESIN DC MAGNETRON SPUTTERING SERTA PENGUJIAN AWAL

TUGAS AKHIR

Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan Untuk Mencapai Derajat Sarjana Strata-1 Pada Prodi Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

Disusun Oleh:

BAGJA RESTU MEHAMMAD 20110130049

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA

YOGYAKARTA 2016

ii

PERNYATAAN

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi / tugas akhir berjudul “Perancangan dan Pembuatan Mesin DC Magnetron Sputtering Serta Pengujian Awal ” ini adalah asli hasil karya saya dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di Perguruan Tinggi dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis disebutkan sumbernya dalam naskah dan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, 12 Januari 2017 Yang menyatakan,

iii MOTTO

iv

PERSEMBAHAN

Dengan penuh rasa syukur, tugas akhir ini saya persembahkan untuk :

1. Bapak dan Ibuku tercinta, Nurdin Efendi dan Suyatinah. Terimakasih atas dedikasi , pendidikan, kasih sayang, kesabaran, kepercayaan dan dukungan kalia selama ini, sehingga saya mampu menyelesaikan Tugas Akhir ini. Insyallah saya akan menjadi anak yang sholeh dan berbakti kepada kalian. 2. Gilang Adi Purnama, Yuliana Sari Efendi Dan Akbar Maulana. Kakak

dan adikku yang telah memberikan motivasi untuk sukses, saya harap kalian lebih sukses dari pada saya saat ini, semoga kalian bisa meraih apa yang kalian cita-citakan.

3. Dede A calon makmum saya yang selalu menyemangati, memotivasi dengan cerewetnya, sehingga sampai pada titik finish tugas akhir ini.

4. Ir. Aris Widyo Nugroho, M.T., Ph.D. dan Muhammad Budi Nur Rahman, S.T., M.Eng. Selaku dosen pembimbing, terimakasih atas bimbingan bapak sehingga saya bisa menyelesaikan Tugas Akhir ini sampai selesai.

5. Teman-teman Teknik Mesin UMY angkatan 2011 dan semua angkatan yang selalu memberi dukungan satu sama lain “M Forever”.

v INTISARI

DC magnetron sputtering memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan teknik-teknik pembentukan film tipis lainnya. penumbuhan film tipis dengan metode magnetron sputtering merupakan salah satu metode pelapisan pada bahan non logam, dimana prosesnya mudah dan membutuhkan waktu relatif cepat dibandingkan dengan proses pelapisan biasa. Tugas akhir ini membahas tentang perancangan dan pembuatan DC magnetron sputtering skala laboratorium.

Langkah pertama proses perancangan dan pembuatan adalah dengan merancang mesin sputtering secara keseluruhan menggunakan Software Autodesk Inventor. Komponen yang didesain dan dirangkai meliputi vakum chamber dan power supply yang terdiri atas transformator, diode bridge, kapasitor, dan indokator. Pengujian DC magnetron sputtering melakukan proses pelapisan pada substrat kaca dengan ukuran (70 mm x 35 mm x 2 mm) dan menggunakan variasi waktu 90 detik dan 130 detik, tekanan vakum 10-2 torr, tegangan 150 volt, dan arus (Imax) 1 ampere. Kemudian hasil pelapisan diamati secara visual dan diukur hambatannya menggunakan multimeter digital.

Hasil perancangan dan pembuatan DC magnetron sputtering diperoleh tegangan voltage regulator maksimum 180 volt dengan pembatasan arus fuse sebesar 8 ampere. Tegangan power supply sama dengan besar tegangan voltage regulator. Out put dari voltage regulator digunakan sebagai input power supply. Tekanan vakum maksimal tercatat sebesar 25 micron/ . Mesin DC Magnetron Sputtering telah berhasil dibuat dan berfungsi. Dilakukan dua kali pengujian pada mesin, percobaan pertama dengan waktu 90 detik menghasilkan hambatan sebesar 12.6 Ω dan percobaan kedua dengan waktu 120 detik menghasilkan hambatan sebesar 9.2 Ω.

vi

KATA PENGATAR

Puji syukur senantiasa penulis panjatkan kepada Allah SWT atas rahmat dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan penelitian untuk Tugas Akhir sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana di Program Studi S1 Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.

Penulis menyadari bahwa keberhasilan dalam menyusun Tugas Akhir ini tidak terlepas dari bantuan dan dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih kepada :

1. Bapak Novi Caroko, S.T., M.Eng., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.

2. Bapak Ir. Aris Widyo Nugroho, M.T., Ph.D., selaku dosen pembimbing Utama Tugas Akhir atas pengarahan, motivasi, dan bimbingannya selama proses pengerjaan Tugas Akhir.

3. Bapak Muhammad Budi Nur Rahman, S.T., M.Eng., selaku dosen pembimbing kedua yang telah banyak membimbing dan membantu selama proses pengerjaan Tugas Akhir.

4. Bapak Sunardi, S.T., M.Eng. selaku dosen penguji yang telah memberikan saran dan masukan guna menyempurnakan Tugas Akhir ini.

5. Seluruh karyawan, karyawati Prodi Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Yogyakarta atas bantuan yang telah diberikan selama masa kuliah.

6. Kepada Ayah - Ibu tercinta Bapak Nurdin efendi dan Ibu Suyatinah yang tidak pernah lelah untuk memberikan dukungan moril, materi, dan doa selama ini.

7. Kakak dan adik tercinta Gilang Adi Purnama, Yuliana Sari Efendi, Akbar Maulana yang selalu mengingatkan dan memberikan semangat baru dalam menyelesaikan tugas - tugas selama masa studi.

8. Seluruh teman seperjuangan Teknik Mesin Angkatan 2011 terutama kepada Bagus Farkhan Almadani, Galang Ayusi Putra, Egin Subarkah,

vii

Tintus Dwi Cahyo, Imawan Insani, Luhur Yudis Pratama, Alvian jefri malindo dan semuanya yang tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu yang selalu memberikan kritik, saran serta motivasi untuk terus berjuang.

9. Semua pihak yang telah berperan dalam seluruh proses pembelajaran yang tidak bisa penulis sebutkan satu - persatu.

Penulis sangat menyadari akan keterbatasan penulis, sehingga Tugas Akhir ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu segala kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan. Harapan penulis adalah Tugas Akhir ini dapat menjadi sumbangan wawasan yang bermanfaat bagi siapapun yang membacanya. Aamiin.

Yogyakarta, 12 Januari 2017 Penyusun,

viii DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PENGESAHAN ... ii

HALAMAN PERNYATAAN ... iii

MOTTO ... iv

HALAMAN PERSEMBAHAN ... v

INTISARI ... vi

KATA PENGANTAR ... vii

DAFTAR ISI ... ix

DAFTAR GAMBAR ... xi

DAFTAR TABEL ... xii

DAFTAR LAMPIRAN ...xiii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Rumusan Masalah ... 2

1.3. Batasan Masalah ... 2

1.4. Tujuan Penelitian ... 2

1.5. Manfaat Penelitian ... 3

1.6. Sistematika penulisan ... 3

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI ... 4

2.1. Kajian Pustaka ... 4

2.2. Dasar Teori ... 5

2.2.1. Lapisan Tipis ... 5

2.2.2. Sputtering ... 6

2.2.3. Proses Sputtering ... 6

2.2.4. DC Magnetron Sputtering ... 7

2.2.5. Kelebihan DC Magnetron Sputtering ... 9

2.2.6. Hasil Sputtering ... 9

2.2.7. Faktor Yang Mempengaruhi Hasil Sputtering ... 10

2.2.8. Transformator ... 11

BAB III METODE PENELITIAN ... 13

3.1. Pendekatan Penelitian ... 13

3.2. Alat dan Bahan Penelitian ... 13

3.2.1. Alat Penelitian ... 13

3.2.2. Bahan Penelitian ... 14

3.3. Flowchart/Diagram Alir Penelitian... 15

3.4. Tahapan Persiapan ... 17

3.5. Perancangan Mesin DC Magnetron Sputtering ... 17

3.6. Pembuatan Vakum Chamber ... 19

3.6.1. Tabung Vakum Chamber ... 19

ix

3.6.3. Alas Tabung Vakum Chamber ... 22

3.6.4. Katoda dudukan Benda Kerja ... 23

3.7. Pembuatan Power Supply ... 24

3.7.1. Rangkaian Power Supply ... 24

3.8. Vacum Pump ... 25

3.9. Pengujian Mesin DC Magnetron Sputtering ... 25

3.9.1. Pengujian Tekanan Takum... 25

3.9.2. Pengujian Sistem Power Supply ... 26

3.10.Spesifikasi Mesin DC Magnetron Sputtering ... 28

BAB IV HASIL PERANCANGAN DAN PABRIKASI ... 29

4.1. Hasil Pembuatan Mesin DC Magnetron Sputtering ... 29

4.1.1.Mekanisme Kerja DC Magnetron Sputtering ... 31

4.2. Spesifikasi Mesin DC Magnetron Sputtering ... 32

4.3. Pengujian Terhadap Bahan Non Logam Berupa Kaca ... 32

4.4.Pengukuran Hasil Pengujian ... 34

4.5. Analisis Biaya ... 36

BAB V PENUTUP ... 37

5.1. Kesimpulan ... 37

5.2. Saran ... 38

DAFTAR PUSTAKA ... 39

x

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Proses sputtering ... 7

Gambar 2.2 Sistem reactor DC Magnetron Sputtering ... 9

Gambar 2.3 Transformator step up ... 12

Gambar 3.1 Anoda tembaga ... 14

Gambar 3.2 Katoda stainless steel ... 14

Gambar 3.3 Benda kerja kaca ... 15

Gambar 3.4 Diagram alir penelitian ... 16

Gambar 3.5a Desain 3D vakum chamber perkomponen ... 17

Gambar 3.5b Desain 3D vakum chamber assembly ... 17

Gambar 3.6 Desain 2D vakum chamber assembly tampak kanan dan atas ... 18

Gambar 3.7a Desain 3D tabung vakum chamber tampak depan ... 19

Gambar 3.7b Desain 2D tabung vakum chamber tampak depan dan atas ... 19

Gambar 3.8a Desain 3D tutup tabung vakum chamber tampak atas ... 21

Gambar 3.8b Desain 2D tutup tabung vakum chamber tampak depan ... 21

Gambar 3.9a Desain 3D alas tabung vakum chamber tampak atas ... 22

Gambar 3.9b Desain 2D alas tabung vakum chamber tampak depan dan atas . 22 Gambar 3.10a Desain 3D katoda dudukan benda kerja tampak atas ... 23

Gambar 3.10b Desain 2D katoda dudukan benda kerja tampak depan dan atas . 23 Gambar 3.11a Skema rangkaian power supply ... 24

Gambar 3.11b Rangkaian jadi power supply ... 24

Gambar 3.12 Vacum pump dan spesifikasi ... 25

Gambar 3.13 Proses pemvakuman ... 26

Gambar 3.14 Rangkaian power supply ... 26

Gambar 3.15 Voltage regulator ... 27

Gambar 4.1 Mesin DC magnetron sputtering ... 29

Gambar 4.2 Komponen mesin DC magnetron sputtering ... 30

Gambar 4.3a Skema mekanisme kerja DC magnetron sputtering ... 31

Gambar 4.3b Mekanisme kerja DC magnetron sputtering ... 32

Gambar 4.4a Hasil pengujian variasi waktu 90 detik ... 34

Gambar 4.4b Hasil pengujian variasi waktu 130 detik ... 34

Gambar 4.5a Pengukuran hambatan variasi waktu 90 detik ... 35

xi DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Komponen vakum chamber ... 18 Tabel 3.2 Spesifikasi peralatan pendukung mesin DC magnetron sputtering ... 28 Tabel 4.1 Spesifikasi mesin DC magnetron sputtering ... 32 Tabel 4.2 Hasil pengujian sputtering ... 35 Tabel 4.3 Riancian biaya pembuatan mesin DC magnetron sputtering ... 36

xii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Desain Vacum Chamber ... 41

Lampiran 2. Desain Tabung vacum Chamber... 42

Lampiran 3. Desain Tutup atas vacum Chamber ... 43

Lampiran 4. Desain Alas bawah vacum Chamber ... 44

Lampiran 5. Desain Katoda dudukan benda kerja ... 45

Lampiran 6. DC Magnetron Sputtering ... 46

Lampiran 7. Vacum Chamber ... 47

Lampiran 8. Tabung vacum Chamber ... 48

Lampiran 9. Tutup atas vacum Chamber ... 49

Lampiran 10. Alas bawah vacum Chamber ... 50

LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKITIR

PERANCAIYGAI{ DAN PEMBUATAII MESIN DC fuTAGNETRON SPUTTERING SERTA PENGUJIAN AWAL

Ilisusun 0leh:

BAGJA RESTU MEHAIVTMAI) 2$r1 S13 SS49

Telah llipertahankan

lli

Depan Tim Penguji Pada Tanggal : 12 Januari

z0fi

Susunan Tim Penguji:

Ilosen Pembimbing

I

Ilosen Pembimbing

II

lF

Tanggal : 'o _{aa

/

?erl Mengesahkan

rogram Studi Teknik Mesin

Ir. Aris Widvo

Nlgq[o

M.T..PhD. Muhemmad Budi lllur RAhman. S.T.. M.Ens.

htIK. 19700301199fl)9 L?3 022 h[rP, 19790523 2005{t1

I

001

Penguji

Sunardi. S.T.. M.Ens.

Frrrc 197702102a'/.10 123 068

Tugas Akhir Ini Telah Dinyatakan Sah Sebagai Salah $atu Persyaratan

Untuk Mcmperoleh Gelar Srrjane Teknik

i Caroko S.T.. M.En

INTISARI

DC magnetron sputtering memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan teknik-teknik pembentukan film tipis lainnya. penumbuhan film tipis dengan metode magnetron sputtering merupakan salah satu metode pelapisan pada bahan non logam, dimana prosesnya mudah dan membutuhkan waktu relatif cepat dibandingkan dengan proses pelapisan biasa. Tugas akhir ini membahas tentang perancangan dan pembuatan DC magnetron sputtering skala laboratorium.

Langkah pertama proses perancangan dan pembuatan adalah dengan merancang mesin sputtering secara keseluruhan menggunakan Software Autodesk Inventor. Komponen yang didesain dan dirangkai meliputi vakum chamber dan power supply yang terdiri atas transformator, diode bridge, kapasitor, dan indokator. Pengujian DC magnetron sputtering melakukan proses pelapisan pada substrat kaca dengan ukuran (70 mm x 35 mm x 2 mm) dan menggunakan variasi waktu 90 detik dan 130 detik, tekanan vakum 10-2 torr, tegangan 150 volt, dan arus (Imax) 1 ampere. Kemudian hasil pelapisan diamati secara visual dan diukur hambatannya menggunakan multimeter digital.

Hasil perancangan dan pembuatan DC magnetron sputtering diperoleh tegangan voltage regulator maksimum 180 volt dengan pembatasan arus fuse sebesar 8 ampere. Tegangan power supply sama dengan besar tegangan voltage regulator. Out put dari voltage regulator digunakan sebagai input power supply. Tekanan vakum maksimal tercatat sebesar 25 micron/ . Mesin DC Magnetron Sputtering telah berhasil dibuat dan berfungsi. Dilakukan dua kali pengujian pada mesin, percobaan pertama dengan waktu 90 detik menghasilkan hambatan sebesar 12.6 Ω dan percobaan kedua dengan waktu 120 detik menghasilkan hambatan sebesar 9.2 Ω. Kata kunci : DC magnetron sputtering, film tipis, substrat.

1 BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Dunia pelapisan permukaan menjadi salah satu bagian penting dalam era modern saat ini. Bersamaan dengan berkembangnya ilmu fisika modern dan teknologi bidang pelapisan telah mengalami kemajuan yang sangat pesat, dimana dalam penggunaanya sebagian besar berfokus pada bidang logam yang rentan terhadap korosi seperti logam besi, tetapi logam besi dapat dilindungi dengan berbagai metode sehingga umur logam tersebut bisa lebih panjang. Seiring perkembangan teknologi, bahan non logam juga banyak digunakan dalam bidang teknik seperti kaca dan keramik karena sifatnya yang hampir sama dengan logam. Untuk melakukan proses pelapisan pada bahan non logam membutuhkan proses panjang yang harus melalui beberapa tahapan sehingga kurang efisien karena sifatnya yang non konduktor. Menurut Sudjatmoko (2003) dengan menggunakan metode penumbuhan film tipis, proses pelapisan pada bahan non logam dapat dilakukan dengan mudah dan membutuhkan waktu yang lebih sedikit dan relatif cepat. Film tipis merupakan lapisan dari bahan organik, anorganik, metal maupun campuran metal yang memiliki sifat konduktor, semikonduktor maupun isolator.

Proses penumbuhan film tipis dapat dilakukan dengan beberapa metode diantaranya close spaced sublimation (CSS), vapor transport depotition (VTD), physical vapor depotition (PVD), molecular beam epitaxy (MBE), dan electro depotition (Candles dan Sites, 2003). Dari beberapa metode, DC magnetron sputtering merupakan metode yang sering digunakan pada proses pelapisan non logam, karena metode plasma DC magnetron sputtering memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan teknik-teknik pembentukan film tipis lainnya. Kelebihan DC magnetron sputtering diantaranya adalah (1) dalam penumbuhan film tipis membutuhkan temperatur yang relatif rendah, (2) kontrol saat pendopingan

2

dapat dilakukan dengan baik, (3) mudah menghasilkan film tipis dari bahan yang mempunyai titik leleh tinggi, (4) hemat bahan yang akan dideposisikan, (5) hampir semua bahan padat, seperti semikonduktor, logam, logam paduan, dan keramik dapat ditumbuhkan (Compaan, 2004).

Dalam penggunaannya metode DC magnetron sputtering ini banyak diaplikasikan pada bidang industri. Namun dengan biaya oprasional dan pengadaan yang relatif mahal, tidak memungkinkan dilakukannya penelitian dalam skala kecil dengan biaya yang dikeluarkan relatif murah. Karena alasan-alasan tersebut maka perlu adanya rancang bangun mesin DC magnetron sputtering dengan desain sederhana, mudah pembuatannya, harga yang ekonomis, biaya perawatan yang murah, dan mudah dipindah-pindah (portable). Mesin DC magnetron sputtering direncanakan menggunakan pompa vakum dengan kapastitas 25 micron, dan penggunaan mesin DC magnetron sputtering dirancang untuk pelapisan dengan skala kecil.

1.2. Rumusan Masalah

Berdasarkan dari latar belakang diperoleh rumusan masalah yaitu bagaimana mendesain dan membuat mesin DC magnetron sputtering skala laboratorium beserta pengujian awalnya

1.3. Batasan Masalah

Pada penelitian ini penulis membatasi masalah yang akan dibahas agar tidak terlalu meluas, maka desain yang dilakukan tidak membahas rangkaian elektronik pada power suplay.

1.4. Tujuan penelitian

Tujuan utama dari tugas akhir ini adalah memperoleh desain mesin DC magnetron sputtering dan membuat mesin serta melakukan pengujian awal.

3

1.4. Manfaat penelitian

Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini:

1. Bagi dunia akademik dapat memberikan pengetahuan mengenai sistem pelapisan dengan menggunakan metode DC magnetron sputtering, dan mengetahui kekurangan dan kelebihannya serta dapat digunakan sebagai acuan bagi riset untuk pengembangan yang selanjutnya dan dapat menjadi media pembelajaran untuk digunakan sebagai alat peraga dan penelitian di Universitas.

2. Bagi masyarakat dapat memberikan kontribusi positif sebagai pengetahuan bagaimana pentingnya pengembangan teknologi pelapisan non logam dalam hal efektifitas dan efisiensi waktu, untuk meningkatkan jumlah produksi.

1.6. Sistematika penulisan

Sistematika penulisan tugas akhir ini secara garis besara adalah:

BAB I : Pendahulua, berisi tentang latar belakang masalah, batasan masalah, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, serta sistematika penulisan Tugas Akhir.

BAB II : Kajian Pustaka dan Dasar Teori, bab ini menjelaskan mengenai kajian pustaka, dasar teori meliputi pengertian lapisan tipis, macam-macam sputtering, DC magnetron sputtering, Prinsip kerja DC magnetron sputtering, kekurangan dan kelebihan DC magnetron sputtering.

BAB III : Perancangan dan pembuatan alat DC magnetron sputtering, membahas alat, bahan serta diagram alir.

BAB IV : Hasil dan Pengujian, tentang peracangan, pembuatan alat DC magnetron sputtering dan menguji performa alat, apakah sudah sesuia dengan perencanaan yang dibuat.

BAB V : Kesimpulan dan Saran, berisi tentang kesimpulan, dan saran mengenai perancangan dan pengujian yang telah dilakukan.

4 BAB II

KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1. Kajian Pustaka

Marwoto.P., dkk (2007) melakukan penelitian proses penumbuhan film tipis Ga2O3:Mn dengan mengguakan DC magnetron sputtering dan dilakukan dengan tiga langkah. Pertama, pembuatan target Ga2O3:Mn (5% mol) dalam bentuk pellet setelah melalui proses penggerusan, pemadatan, dan sintering pada suhu selama tiga jam. Kedua, preparasi substrat Si (100) yang meliputi pemotongan dan pencucian substrat dengan aseton dan metanol dalam ultrasonic bath masing-masing selama 10 dan 5 menit. Kemudian Substrat dicuci dengan DI water dan dicelupkan ke dalam larutan HF 10% dan dicuci lagi dengan DI water. Substrat selanjutnya dikeringkan dengan semprotan gas nitrogen. Ketiga, penumbuhan film tipis Ga2O3:Mn dengan reaktor dc magnetron sputtering. Substrat dipasang pada anoda, sedangkan target dipasang pada katoda.

Berdasarkan penelitian yang dilakukan Makhnunah (2011) tentang performa kelistrikan heterojunction CdTe/CdS yang ditumbuhkan dengan metode DC magnetron sputtering menggunakan parameter penumbuhan film tipis CdTe/CdS dengan tekanan argon sebesar 500 mTorr, suhu C, daya plasma 43 Watt dan waktu deposisi 2,5 jam. Mandapatkan hasil Performa kelistrikan film tipis CdTe/CdS dalam sifat listrik yang diukur I-V meter didapatkan nilai idealitas dan arus muatan ruang masing-masing didapat sebesar 3,26 dan Ampere yang merupakan nilai ideal untuk sambungan p-n. Maka dapat ditarik kesimpulan bahwa hasil film tipis ini mempunyai orientasi Kristal CdTe (101) dengan FWHM film yang tumbuh degan kualitas baik serta memiliki marfologi permukaan yang tampak homogen sehingga memiliki transfer elektron dan mobilitas pembawa muatan yang tinggi.

5

Wibowo dkk (2000) melakukan penelitian pengaruh parameter sputtering terhadap perubahan struktur lapisan tipis ZnO. Lapisan tipis ZnO dibuat diatas substrat gelas, pelastik, dan stainless steels dengan metode sputtering DC, variasi parameter pembuatan film tipis dengan sputtering adalah waktu deposisi, suhu substrat, tekanan dan prosentase gas oksigen, sedangkan untuk mengamati perubahan struktur lapisan ZnO yang terbentuk dengan menggunakan metode defraktometer sinar-x dengan panjang gelombang 1,54 A. Didapat hasil bahwa sudut puncak difraksi lapisan ZnO tersputter bergeser dibandingkan dengan sudut puncak difraksi target. Maka dapat diambil kesimpulan kondisi parameter sputtering mempengaruhi srtuktur lapisan ZnO yang terbentuk. Penambahan tekanan dan campuran gas oksigen kedalam tabung sputter dapat memperkecil pergeseran puncak difraksi (002) lebih konsisten.

Dari beberapa penelitian diatas menunjukkan bahwa material yang digunakan dalam penelitian film tipis hingga saat ini antara lain :CdTe, Ga2O3:Mn, dan ZnO. DC magnetron sputtering merupakan komponen terpenting dalam penelitian film tipis, karena mesin tersebut berperan dalam proses deposisi atom dari target. Beberapa hal penting dalam DC magnetron sputtering seperti tekanan vakum, temperatur, tegangan, dan arus listrik. Dari beberapa parameter tersebut, penulis mencoba merancang dan membuat mesin DC magnetron sputtering skala laboratorium yang lebih ekonomis dibandingkan dengan mesin skala industri.

2.2. Dasar teori 2.2.1. Lapisan tipis

Lapisan tipis adalah suatu lapisan yang mempunyai ketebalan dalam orde angstrom hingga mikrometer. Lapisan tipis dapat dibuat dari bahan organik, anorganik, logam, maupun campuran logam organik (organometalic) yang memiliki sifat konduktor, semikonduktor, superkonduktor maupun insulator. Lapisan tipis banyak digunakan sebagai bahan sensor karena murah dalam proses produksinya dan

6

sifat elektrisnya dapat diatur melalui parameter-parameter saat proses pembuatannya. Proses produksi lapisan tipis dapat menggunakan teknik Sputtering, evaporasi dan CVD (chemical Vapour Deposition). Dalam proses deposisinya pertumbuhan lapisan tipis secara garis besar dibagi menjadi dua bagian, yaitu pertumbuhan secara epitaksial dan difusi. Pertumbuhan epiaksial adalah pertumbuhan dengan arah keatas saja, jadi atom-atom terdeposisi saling bertumpukan selama proses deposisi terjadi. Sedangkan pertumbuhan difusi adalah pertumbuhan dengan arah pertumbuhan baik ka atas maupun kebawah permukaan Substrat (menyisip).

2.2.2. Sputtering

Sputtering pertama kali diamati dalam sebuah tabung lucutan gas DC oleh Grove pada tahun 1852. Grove menemukan bahwa katode tabung lucutan tersputter oleh ion-ion dalam lucutan gas, dan material katode terdeposit pada dinding dalam tabung lucutan. Pada waktu itu sputtering dipandang sebagai suatu fenomena yang tidak dikehendaki karena katode dan grid dalam tabung lucutan gas menjadi rusak (Suryadi, 2003).

Sputtering adalah proses terhamburnya atom-atom dari permukaan bahan padat karena memperoleh energi yang cukup dari penembakan partikel-partikel berenergi tinggi (Sudjatmoko, 2003).

2.2.3. Proses sputtering

Proses sputtering terjadi karena tumbukan terjadi secara terus menerus antara ion-ion penumbuk dengan atom-atom permukaan target. Atom-atom target yang terhambur berpindah ke permukaan Substrat. Perpindahan atom-atom permukaan target pada permukaan Substrat menjadi isotropik sehingga terbentuk film tipis pada permukaan Substrat (Wasa dan Hayakawa, 1992).

proses sputtering terjadi ketika muncul luncuran listrik (plasma) pada ruang antara katoda dan anoda. Ion-ion yang terbentuk dalam plasma lucutan pijar dipercepat kearah target (bahan yang akan di-sputter). Pada saat ion menumbuk target

7

maka akan terjadi tumbukan beruntun dengan atom-atom target dan selanjutnya akan mengakibatkan salah satu dari atom-atom target terpecik atau terhambur keluar dari permukaan target seperti ditunjukan dalam Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Proses sputtering

Sumber :: https://www.researchgate.net/figure/222313802_fig1_Fig-1-Schematic-diagram-of-a-DC-magnetron-sputtering-unit

Teknik sputtering memiliki beberapa kelebihan antara lain : film yang terbentuk mempunyai komposisi yang serupa dengan bahan taget, kualitas, struktur dan keseragaman hasil film dikendalikan oleh tingkat homogenitas target, mempunyai rapat arus yang besar sehingga memungkinkan terjadinya laju deposisi yang tinggi dan lapisan yang terbentuk mempunyai kekuatan rekat yang tinggi terhadap permukaan substrat (Sudjatmoko, 2003).

2.2.4. DC magnetron sputtering

Sistem DC magnetron sputtering merupakan modifikasi dari sistem DC sputtering dengan menambahkan sistem magnet, sehingga sistem DC magnetron sputtering terdiri dari tabung plasma berbentuk silinder, sumber tegangan tinggi, sepasang elektroda, sistem pemanas substrat, sistem pendingin, sistem vacum, sistem masukan gas sputter dan sistem magnet. untuk pemasangan target diletakan pada katoda dengan sistem magnet di bawahnya kemudian sistem pendingin target dan

8

magnet (biasanya menggunakan air), sedangkan Substrat dipasangkan pada anoda. Substrat tersebut dapat dipanaskan dengan menggunakan sistem pemanas, apabila tabung sputter diisi dengan gas argon (Ar) dan pada alektroda dipasangkan beda potensial, maka diantara elektoda terjadi plasma lucutan pijar (glow dischange).gas argon dan nitrogen yang melewati ruang antara elektroda dipecah oleh medan listrik

tinggi menjadi plasma yang mengandung electron (e−), ion (Ar), ion (N) dan atom

(N). Ion-ion positif Ar dan N dipercepat oleh medan listrik menuju elektroda negative (katoda), sehingga ion-ion positif menumbuk atom-atom permukaan target yang dipasang diatas katoda,. Ion-ion penumbuk memiliki energi sangat besar sehingga atom-atom permukaan target terlepas dari permukaan target berhamburan kesegala arah. Atom-atom target yang terpental menempel pada permukaan Substrat sehingga membentuk fim tipis.

Menurut Joshi (2003) menjelaskan metode untuk mencegah terjadinya resputtering dan meningkatkan derajat ionisasi pada film tipis yang terbentuk, maka sistem magnet diletakan pada bagian bawah katoda. Magnet membentuk lingkupan medan magnet untuk membelokan partikel bermuatan. elektron-elektron dikurung dalam lingkupan medan magnet dekat target dan mengakibatkan ionisasi pada gas argon lagi. Sedangkan menurut (Musta’anah, 2010) Jumlah ion-ion yang ditarik kepermukaan target menjadi lebih banyak, semakin banyak ion-ion yang menumbuk target hasil sputtering semakin meningkat. Sistem reaktor dc magnetron sputtering ditunjukan pada gambar 2.2, sedangkan sistem dc magnetron sputtering seperti pada Gambar 2.2 di bawah ini.

9

Gambar 2.2 Sistem reactor dc magnetron sputtering. Sumber : Marwoto,P., 2007.

2.2.5. Kelebihan DC magnetron sputtering

1. Lapisan yang terbentuk mempunyai komposisi yang serupa dengan bahan target. 2. Kualitas, struktur dan keseragaman lapisan tipis dikendalikan oleh tingkat

homoginitas target.

3. Mempunyai rapat arus yang besar sehingga memungkinkan terjadinya laju deposisi yang tinggi.

4. Lapisan yang terbentuk mempunyai kekuatan rekat yang tinggi terhadap permukaan Substrat.

5. Biaya oprasional lebih murah dibandingkan dengan metode yang lainnya.

2.2.6. Hasil sputtering

Hasil sputtering merupakan laju pemindahan atom-atom permukaan target karena penembakan ion dilambangkan dengan S. Hasil sputtering didefinisikan sebagai jumlah rata-rata atom yang dipindahkan dari permukaan target per ion penumbuk. Hasil sputtering dirumuskan sebagai berikut (Wasa & Hayakawa,1992).

10

Hasil sputtering dapat diukur dengan beberapa metode, antara lain adalah berat target yang hilang, penurunan tebal target, pengumpulan material yang tersputter, dan mendeteksi partikel-partikel yang tersputter.

2.2.7. Faktor yang mempengaruhi hasil sputtering

Beberapa faktoe yang mempengaruhi hasil sputtering adalah sebagai berikut: a. Partikel penumbuk.

Hasil sputtering berubah terhadap energi partikel atau ion penumbuk EI. pada daerah energi rendah mendekati energi ambangnya. Energi ambang sputtering sekitar 15-30 eV. Pada energi 100 eV besar S sebanding dengan E artinya jumlah atom yang dipindahkan karena tumbukan sebanding dengan energi penumbuk. Pada daerah energi ion yang lebih tinggi dari 10 keV hasil sputtering tidak dipengaruhi oleh hamburan pada permukaan, tetapi oleh hamburan di dalam target sehinga hasil sputtering akan menurun. Penurunan hasil sputtering karena partikel penumbuk kehilangan energi. Energi yang hilang disebabkan ion-ion penumbuk terlalu dalam masuk ke target (Wasa & Hayakawa, 1992).

b. Material target

Ion-ion penumbuk dan atom-atom yang terhambur dari permukaan target sering bertumbukan dengan atom-atom gas yang digunakan selama proses deposisi di dalam tabung reaktor dipertahankan pada tekanan gas rendah. Hasil sputtering dirumuskan sebagai berikut (Wasa & Hayakawa,1992).

11

………. (2.2)

Dimana :

W = berat target yang hilang selama proses sputtering berlangsung (dalam atom).

A = jumah atom material target.

I = arus ion menuju target (dalam ampere). t = waktu penumbuhan (dalam detik).

Hasil sputtering berubah sesuai dengan perubahan jumlah atom material target yang digunakan.

c. Sudut datang ion penumbuk pada permukaan target.

Hasil sputtering berubah dipengaruhi oleh sudut datang ion penumbuk terhadap bidang normal bahan target. Hasil sputtering bertambah dengan sudut datang dan maksimum pada sudut antara 600 dan 800, dan berkurang secara cepat untuk sudut yang lebih besar. Sudut tumbukan ion penumbuk juga ditentukan oleh struktur permukaan target.

d. Struktur Kristal permukaan target.

Hasil sputtering dan distribusi sudut partikel-partikel tersputter dipengaruhi oleh struktur kristal permukaan material target. Jika material target tersusun dari bahan polikristal, maka distribusi menjadi tidak seragam.

2.2.8. Transformator (travo)

Transformator (trafo) digunakan pada peralatan listrik terutama yang memerlukan perubahan atau penyesuaian besarnya tegangan bolak-balik.Misal radio memerlukan tegangan 12 volt padahal listrik dari PLN 220 volt, maka diperlukan transformator untuk mengubah tegangan listrik bolak-balik 220 volt menjadi tegangan listrik bolak-balik 12 volt. Contoh alat listrik yang memerlukan transformator adalah: TV, komputer, mesin foto kopi, gardu listrik dan sebagainya.

12

Transformator trafo adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan AC disebut transformator (trafo). Trafo memiliki dua terminal, yaitu terminal input dan terminal output. Terminal input terdapat pada kumparan primer. Terminal output terdapat pada kumparan sekunder. Tegangan listrik yang akan diubah dihubungkan dengan terminal input. Adapun, hasil pengubahan tegangan diperoleh pada terminal output.Prinsip kerja transformator menerapkan peristiwa induksi elektromagnetik. Jika pada kumparan primer dialiri arus AC, inti besi yang dililiti kumparan akan menjadi magnet (elektromagnet). Karena arus AC, pada elektromagnet selalu terjadi perubahan garis gaya magnet. Perubahan garis gaya tersebut akan bergeser ke kumparan sekunder. Dengan demikian, pada kumparan sekunder juga terjadi perubahan garis gaya magnet. Hal itulah yang menimbulkan GGL induksi pada kumparan sekunder. Adapun arus induksi yang dihasilkan adalah arus AC yang besarnya sesuai dengan jumlah lilitan sekunder.Bagian utama transformator ada tiga, yaitu inti besi yang berlapis-lapis, kumparan primer, dan kumparan sekunder. Kumparan primer yang dihubungkan dengan PLN sebagai tegangan masukan (input) yang akan dinaikkan atau diturunkan. Kumparan sekunder dihubungkan dengan beban sebagai tegangan keluaran (output). Seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Tranformator Step up

Sumber : http://teknikelektronika.com/pengertian-transformator-prinsip-kerja-trafo/

13 BAB III

METODOLOGI PERANCANGAN DAN PABRIKASI

Dalam bab ini membahas tentang segala sesuatu yang berkaitan langsung dengan penelitian seperti: tempat serta waktu dilakukannya penelitian, alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, apa saja yang menjadi variable dalam penelitian, diagram alir penelitian, serta prosedur-prosedur penelitian.

3.1. Pendekatan Penelitian

Pendekatan penelitian merupakan suatu sistem pengambilan data dalam suatu penelitian. Penelitian ini menggunakan metode eksperimen dan pengenbangan yaitu suatu metode untuk mengembangkan suatu produk baru, atau menyempurnakan produk yang telah ada, yang dapat dipertanggung jawabkan.

3.2. Alat dan Bahan Penelitian

3.2.1. Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini diantaranya adalah: 1. Software autodesk inventor.

2. Gergaji. 3. Mesin bubut. 4. Mesin bor.

5. Mesin las dan elektroda. 6. Amplas.

7. Jangka sorong. 8. Kamera saku. 9. Stopwatch. 10.Obeng. 11.Multimeter. 12.Tang. 13.Solder. 14.Akohol 90%

14

15.Alat pelindung diri (APD) : sarung tangan, masker, dan kaca mata. 16.Penggaris, alat tulis, dan kertas.

3.2.2 Bahan Penelitian

Adapun bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu sebagai berikut. a. Anoda Tembaga

Anoda yang digunakan untuk pengujian adalah tembaga berbentuk silinder dengan ukuran diameter 75 mm dan ketebalan 10mm seperti yang terlihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Anoda tembaga.

b. Katoda stainless steel

Katoda yang digunakan untuk pengujian adalah stanless steel berbentuk silinder dengan ukuran diameter luar 70mm dan lubang diameter dalam 45mm. Sedangkan tebal plat penyangga 1mm, lebar 20mm membentuk sudut , dengan ukuran diameter lubang plat penyangga 8mm, seperti yang terlihat pada Gambar 3.2.

15

c. Benda kerja kaca

Benda kerja yang digunakan adalah kaca yang berbentuk persegi panjang dengan ukuran panjang 70 mm, lebar 35 mm, dan ketebalan 2 mm seperti terlihat pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3. Benda kerja kaca.

3.3. Flowchart/ Diagram AlirPenelitian

Diagram alir dalam penelitian bertujuan memudahkan kita untuk melaksanakanpenelitian dan memperjelas tahap-tahapan dalam penelitian. Diagram alir penelitian akan ditunjukkan pada Gambar 3.4.

16

Gambar 3.4. Diagram alir penelitian. Tekanan vakum

chamber 10-2 torr

Arus dan tegangan sesuai

desain

Tidak _Tidak

Pembahasan dan analisis - Besar hambatan yang

melapisi substrat Pengujian

- Variasi waktu 90 dan 120 detik

Selesai Kesimpulan dan saran

Desain power supply

- Rangkaian

menghasilkan arus 1 ampere, tegangan 150 volt

Desain vacum chamber

- Tabung vakum

- Penutup tabung vakum - Alas tabung vakum

- Katoda dudukan benda kerja Mulai Studi Literatur

17

3.4. Tahap Persiapan

Pada tahap persiapan, penulis mencari referensi yang berasal dari buku dan jurnal yang berkaitan dengan penelitian yang akan dilakukan, yaitu mengenai rancang bangun mesin DC magnetron sputtering dan proses pelapisan menggunakan DC magnetron sputtering.

3.5. Perancangan Mesin DC Magnetron Sputtering

Perancangan mesin DC magnetron sputtering pada tahap awal dimulai dengan membuat sketsa kasar pada kertas dengan pertimbangan awal agar Mesin DC magnetron sputtering mempunyai sifat mudah dibuat, ringan, portable, ekonomis, dan mudah untuk dimaintenance, Tahap selanjutnya sketsa tersebut digambar menggunakan software Autodesk Inventor. Melalui perangkat lunak ini detail dimensi pada setiap komponen ditentukan. Mesin DC magnetron sputtering yang dirancang oleh penulis ditunjukkan oleh Gambar 3.5.

(a) (b)

Gambar 3.5. Desain vacum chamber (a) desain 3D perkomponen (b) desain 3D assembly

A _B

D E G I

K F

C

J H

18

Pada tahap awal perancangan komponen mesin DC magnetron sputtering memiliki beberapa bagian, seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.5.

Tabel 3.1. Komponen vakum chamber.

Gambar 3.6. Desain vacum chamber desain 2D assembly tampak depan dan tampak atas.

19

3.7. Pembuatan Vacum Chamber

Proses pembuatan vacum chamber dilaksanakan di Laboratorium, Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Yogyakarta. Langkah pertama yang dilakukan adalah mendesain menggunakan software Autodesk Inventor.

3.7.1. Tabung vacum chamber

Pertama mendesain silinder kaca untuk tabung vakum chamber, pemilihan menggunakan matrial kaca sebagai tabung vakum, karena kaca memiliki kelebihan dibandingkan silinder stainless steel yaitu karrna sifatnya yang transparan, dimaksudkan jika proses sputtering tejadi pengguna dapat melihat serta mengamati proses terjadinya plasma dan proses pelapisan dengan jelas. Pada dasarnya kaca lebih mudah pecah jika dibandingkan dengan stainless steel, akan tetapi jika ketebalan kaca yang digunakan memiliki ketebalan 6mm, tinggi 150 mm, diameter luar 117 mm dan diameter dalam 105 mm seperti pada (Gambar 3.7) maka diharapkan kaca yang digunakan dapat menahan tekanan yang terjadi pada saat proses pemvakuman.

20

(b)

Gambar 3.7. Tabung vacuum chamber (a) desain 3D tampak depan (b) desain 2D tampak atas dan tampak depan.

3.7.2. Penutup tabung vacum chamber

Tahap selanjutnya yaitu membuat penutup tabung vakum chamber menggunakan bahan besi plat tebal 20mm yang dibubut menjadi tebal 16mm, diameter luar 117mm, diameter dalam 105mm dan kedalaman coakan 7mm seperti ditunjukan (Gambar 3.8). pada bagian diameter dalam ditambahkan dua buah lubang dengan diameter yang sama, akan tetapi dengan fungsi yang berbeda. Lubang yang pertama berfungsi sebagai tempat selang dari pompa vakum, dan yang kedua sebagai tempat setelan jarak katoda.

21

(a)

(b)

Gambar 3.8. Penutup tabung vacuum chamber (a) desain 3D tampak atas (b) desain 2D tampak depan dan tampak atas

22

3.7.3 Alas tabung vacum

Pada proses pembuatan alas tabung vakum tidak terdapat perbedaan yang cukup segnifikan seperti pembuatan tutup tabung, hanya saja ketebalannya berbeda menjadi 9mm, dan pada diameter dalam tetap menggunakan dua lubang dengan ukuran yang berbeda dan fungsi yang berbeda. Lubang yang pertama digunakan untuk baut dudukan anoda tembaga, dan yang kedua untuk jalur masuk kabel. Seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.9.

(a)

(b)

Gambar 3.9. Alas tabung vacuum chamber (a) desain 3D tampak atas (b) desain 2D tampak atas dan tampak depan.

23

3.7.4 Katoda dudukan benda kerja

Tahap selanjutnya membuat katoda yang digunakan untuk melatakkan benda kerja, adapun bahan katoda yang adalah stainless steel berbentuk silinder dengan ukuran diameter luar 70mm dan lubang diameter dalam 45mm. Sedangkan tebal plat penyangga 1mm, lebar 20mm membentuk sudut , dengan ukuran diameter lubang plat penyangga 8mm. seperti yang terlihat pada Gambar 3.10.

(a)

(b)

Gambar 3.10. katoda dudukan benda kerja (a) desain 3D tampak atas (b) desain 2D tampak depan dan tampak atas.

24

3.8. Pembuatan Power Supply

Proses pembuatan power supply terdapat beberapa langkah diantaranya adalah sebagai berikut :

3.8.1.Rangkaian power supply

Rangkaian power supplay terdiri dari transformator, kapasitor high voltage, dan dioda high voltage sebagai inti dari rangkaian power supplay yang digunakan dalam mesin DC magnetron sputtering. Transformator yang digunakan dalam rangkaian ini adalah transformator jenis step up, transformator tipe ini dipilih karena memiliki spesifikasi daya 900 watt dan tegangan output sebesar 2000 V. Penggunaan fuse 1 ampere pada rangkaian power supply ditujukan agar tidak terjadi loncatan bunga api. Sedangkan rangkaian jadi power supply pada Gambar 3.11.

Gambar 3.9. Sekema rangkaian power supply.

Gambar 3.11. Rangkaian jadi power supply.

Dioda

Kapasitor Transformator

step up

Fan 12”

1 2

25

3.9. Vacum pump

Pompa vakum yang digunakan pada mesin DC magnetron sputtering ini adalah pompa vakum merk ROTHENBERGER seri ROAIRVAC 1.5 (Gambar 3.12) yang mampu bekerja hingga tekanan udara maksimal .

Gambar 3.12. Vacum pump dan spesifikasi

3.10. Pengujian Mesin DC Magnetron Sputtering

Pengujian mesin DC magnetron sputtering dilakukan dua kali yaitu : pengujian tekanan vakum dan pengujian sistem power supply.

3.10.1. Pengujian Tekanan Vakum

Setelah mesin DC magnetron sputtering selesai dibuat langkah selanjutnya adalah melakukan proses pengujian pada vakum chamber untuk melihat apakah dapat berfungsi sesuai dengan tujuan awal pembuatan. Karena proses pelapisan menggunakan mesin DC magnetron sputtering merupakan proses pelapisan dengan menggunakan tekanan rendah maka perlu diuji seberapa rendah tekanan udara pada vakum chamber yang dapat dicapai. Pengujian tekanan vacuum chamber ini dilakukan dengan langkah pertama tabung vakum chamber dipasangkan selang pompa vakum pada bagian tutup tabung, kemudian langkah selanjutnya pompa vakum dinyalakan dan tekanan udara didalam vakum chamber diturunkan sekecil mungkin yang ditunjukan dengan naiknya indikator tekanan pada pompa vakum secara maksimal. Langkah terakhir adalah mencatat tekanan yang tertera pada indikator pompa vakum. Ditunjukan pada gambar 3.13.

26

Gambar 3.13. Proses pemvakuman.

3.10.2. Pengujian Sistem Power Supply

Pengujian sistem power supply yang telah dibuat harus dapat membangkitkan plasma yang nantinya digunakan untuk mendeposisikan matrial target saat proses sputtering. Sistem power supply yang digunakan terdiri dari transformator jenis step up, kapasitor , diode, dan dua buah multimeter yang digunakan untuk mengukur arus dan tegangan listrik pada proses pelapisan Gambar 3.14.

Gambar 3.14.Rangkaian power supply.

kapasitor

Dioda Transformator

step up

Fan 12”

Multimeter tegangan Multimeter

arus On/off

27

Untuk memberi variasi tegangan pada proses pelapisan pada mesin DC magnetron sputtering menggunakan voltage regulator dengan input 220V, output 250V dan kapasitas 2000VA yang ditunjukan pada Gambar 3.15.

Gambar 3.15. Voltage regulator.

Proses pengujian sistem power supply dimulai dengan proses pemvakuman tabung vakum chamber karena plasma yang akan dibangkitkan terjadi pada tekanan rendah udara, langkah selanjutnya adalah menghubungkan voltage regulator pada stop kontak dan output dari voltage regulator dihubungkan ke rangkaian power supply untuk mengalirkan arus listrik pada anoda dan katoda mesin DC magnetron sputtering yang dibuat. Arus dan tegangan listrik DC yang dialirkan akan terukur pada kedua multimeter yang terpasang pada rangkaian power supply, knop voltage regulator diputar secara perlahan untuk menaikan tegangan dan arus liatrik yang mengalir sehingga plasma perlahan terbentuk. Saat plasma telah terbentuk dan stabil, arus dan tegangan listrik yang terukur pada kedua multimeter dicatat pada tabel pengamatan. Selanjutnya knop voltage regulator diputar kearah nol untuk menurunkan arus dan tegangan DC yang mengalir dan pompa vakum dimatikan sehingga tekanan udara pada vakum chamber kembali normal dan plasma yang terbentuk menjadi hilang. Proses pengujian sistem power supply ini diulang kembali untuk mendapatkan data yang baik.

Voltage regulator

Multimeter arus

Multimeter tegangan

2xfan 6”

2xfuse 8 ampere Multimeter

28

3.11. Spesifikasi Mesin DC Magnetron Sputtering

Spesifikasi dan parameter yang dipakai pada pengujian mesin DC Magnetron Sputtering dapat dilihat pada Tabel 3.1 berikut ini.

Tabel 3.1 Spesifikasi peralatan pendukung mesin DC Magnetron Sputtering

No Blok Komponen Spesifikasi Jumlah

1. Power supply

Transformator step up 900 watt 2000V 1 Dioda bridge type 5402

M10

3000 mA, 1.2V 10

Kapasitor 1000 Watt VAC 1.0.5 µF

1

2. Komponen pendukung

Vacuum pump 25 micron/ 1 Voltage regulator 220V 2000VA 1

Fan 12" 12 volt 1

Multimeter arus 0-50 ampere 1 Multimeter tegangan 0-500 volt 1

Magnet 6" 1

3 Dimensi mesin

Panjang total 190 mm

29 BAB IV

HASIL PERANCANGAN DAN PABRIKASI

4.1. Hasil Pembuatan Mesin DC Magnetron Sputtering

Mesin DC Magnetron Sputtering yang sudah selesai dibuat dan siap dilakukan pengujian untuk pelapisan pada bahan non logan berupa kaca. Ditunjukkan pada Gambar 4.1 berikut.

Gambar 4.1. Mesin DC Magnetron Sputtering

Dari Gambar 4.1. mesin DC Magnetron Sputtering yang sudah selesai dibuat dan siap dilakukan pengujian. Adapun bagian-bagiannya sebagai berikut :

A. Pompa vacuum B. Vacuum chamber C. Power supply D. Voltage regulator

A

D C

30

Gambar 4.2. komponen mesin DC Magnetron Sputtering

Bagian-bagian komponen mesin DC Magnetron Sputtering yang digunakan dalam rancang bangun ditunjukan pada gambar 4.2

A. kipas pendingin berfungsi sebagai pendingin komponen power supply

B. Transformator step up berfungsi untuk merubah arus tegangan dari arus tegangan kecil 220 volt menjadi arus tegangan yang lebih besar

C. Diode berfungsi sebagai penyearah arus pada sistem power supply

A B C D E

F

31

D. Kapasitor berfungsi untuk menyimpan muatan yang ada dan mengalirkan muatannya searah dengan arus induk, yang akan menghasilkan penambahan tegangan dua kalinya

E. Mesin vakum berfungsi untuk memvakum udara yang terdapat pada vakum chamber

F. Vakum chamber berfungsi sebagai tempat proses dilakukannya pelapisan G. Volt meter berfungsi sebagai alat ukur besarnya tegangan yang digunakan

pada saat proses pelapisan dilakukan

H. Ampere meter berfungsi sebagai alat pengukur besarnya arus yang terjadi pada saaat proses pelapisan dilakukan

I. Voltage regulator berfungsi sebagai Untuk memberi variasi tegangan pada proses pelapisan pada mesin DC magnetron sputtering

4.1.1. Mekanisme kerja DC Magnetron Sputtering

Mekanisme kerja DC Magnetron Sputtering dapat dilihat pada Gambar 4.3. berikut.

Gambar 4.3a. Skema mekanisme kerja DC Magnetron Sputtering

Sumber : https://www.researchgate.net/figure/222313802_fig1_Fig-1-Schematic-diagram-of-a-DC-magnetron-sputtering-unit

32

Gambar 4.3b. mekanisme kerja DC Magnetron Sputtering.

Dari Gambar 4.3b. terlihat cahaya plasma yang cukup baik pada proses pelapisan yang dilakukan. Hal ini bisa disimpulkan bahwa mesin DC Magnetron Sputtering yang sudah dirancang bangun bekerja dengan baik dan sesuai harapan. 4.2. Spesifikasi Mesin DC Magnetron Sputtering

Spesifikasi dan parameter yang dipakai pada pengujian mesin DC Magnetron Sputtering dapat dilihat pada Tabel 4.1 berikut ini

Tabel 4.1. Spesifikasi mesin DC Magnetron Sputtering Tegangan voltage regulator 150 Volt

I

max 1 Ampere

Tekanan pompa vakum 25 Micron

4.3. Pengujian Terhadap Bahan Non Logam Berupa Kaca

Langkah persiapan yang harus dilakukan sebelum pengujian terhadap bahan non logam beruap kaca sebagai berikut:

1. Membersihkan substrat kaca dan anoda tembaga, untuk anoda tembaga menggunakan amplas halus ukuran 2000 dan alcohol 90% kemudian untuk membersihkan substrat kaca menggunakan alcohol 90% dan ethatol lalu lap dan keringkan.

33

yang terdapat pada vakum chamber pastikan peletakan substrat tepat ditengah, supaya pada proses pelapisan film tipis tapat melekat dibagian tengah.

3. Menutup kembali tabung kaca vakum chamber dengan benar dan kencangkan menggunakan mur topi yang terdapat pada tutup vacuum chamber.

4. Memasang selang pada dudukan lubang output yang terdapat pada bagian tutup vakum chamber dan hubungkan pada lubang input mesin vakum, pastikan selang benar-benar rapat dan kencang agar tidak terjadi kebocoran pada saat pemvakuman.

5. Menghubungkan kabel output dari power supply, kabel negatif dihubungkan pada katoda dan positif dihubungkan ke anoda.

6. Menghubungkan kabel input dari power supply pada output voltage regulator supaya mudah menggunakan tegangan yang diatur melalui voltage regulator. 7. Menghubungkan input dari voltage regulator ketermilal yang teraliri arus

listrik.

8. Menyalakan mesin vakum, untuk memvakum udara yang berada di dalam tabung benar-benar hampa. Kemudian diamkan selama 3 sampai 5 menit sebelum menyalakan power supply.

9. Setelah selesai penyetingan alat persiapkan juga peralatan untuk kepentingan pengamatan dan pengambilan data yaitu berupa stopwatch, kamera, thermometer, bolpoin, kertas A4.

10.Menghidupkan tombol on/off power supply terlebih dahulu kemudian tombol on/off voltage regulator, naikan tegangan menggunakan voltage regulator sampai ada tanda-tanda plasma muncul, bersamaan munculnya plasma stopwatch juga dihidupkan. Jika plasma sudah muncul naikan kembali tegangan sampai plasma benar-benar setabil, dan catat tagangan pada volt meter, arus pada amper meter. Tunggu beberapa saat hingga atom yang tersputter dari anoda tembaga melapisi substrat. Jika film tipis sudah melapisi segera mematikan tombol power on/off power supply dan voltage regulator

34

bersamaan dengan stopwatch.

Pengujian pertama dengan menggunakan tegangan votage regulator 150 volt, Imax 1 ampere dan waktu 1 metit 30 detik dilanjutkan dengan pengujian kedua dengan tegangan sama 150 volt, Imax 1 ampere dan waktu 2 menit 10 detik. Hasil dari pengujian awal yang dilakukan ditunjukan pada Gambar 4.4.

(a) (b)

Gambar 4.4 (a) Hasil pengujian dengan menggunakan tegangan votage regulator 150volt, Imax 1 ampere dan waktu 1 menit 30 detik (b) Hasil pengujian dengan menggunakan tegangan votage regulator 150 volt, Imax 1 ampere dan waktu 2 menit

10 detik.

Mesin DC Magnetron Sputtering yang telah dirancang dan dibangun dengan spesifikasi mesin yaitu: mesin yang telah dibuat dapat berfungsi dengan baik sesuai dengan yang diharapkan, kemudian diuji performanya. Pengujian performa tersebut dengan melakukan pengujian pelapisan terhadap bahan non loganm berupa kaca yang nantinya akan diukur hambatan yang melapisi substrat kaca tersebut.

4.4. Pengukuran Hasil Pengujian

Hasil pengujian yang diukur adalah besar hambatan yang telah melapisi benda kerja. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan multimeter digital yang ditunjukan pada Gambar 4.5.

35

(a) (b)

Gambar 4.5 (a) Pengukuran hambatan dengan menggunakan multimeter digital dari hasil pengujian dengan menggunakan tegangan votage regulator 150 volt, Imax 1 ampere dan waktu 1 menit 30 detik (b) tegangan votage regulator 150 volt, Imax 1 ampere dan waktu 2 menit 10 detik.

Tabel 4.2. Hasil pengujian sputtering

Percobaan Tekanan vakum Tegangan Arus(Imax ) t (detik) Hambatan

(Ω)

1 150 volt 1 ampere 90 12.6

2 150 volt 1 ampere 130 9.2

Dari data yang disajikan Tabel 4.2 dapat dilihat pada percobaan pertama dengan waktu 90 detik menghasilkan hambatan sebesar 12.6 Ω. Hal ini disebabkan karena tekanan di dalam tabung tidak stabil, sehingga tegangan dari anoda menyambar pada permukaan substrat. Secara visual dapat terlihat warna yang lebih gelap pada permukaan substrat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.5a.. Sedangkan pada percobaan kedua dengan waktu 130 detik didapat besar hambatan yaitu 9.2 Ω. Hal ini dikarenakan masih tipisnya film yang terdeposisi ke permukaan substratg, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.5b. Dari data tersebut, dapat disimpulkan bahwa semakin lama waktu sputtering hambatan yang terukur semakin besar, karena semakin lama waktu deposisi membuat atom-atom dari target banyak yang terangkat dan menempel ke permukaan substrat. Semakin tebal film yang menempel, jarak antar atom akan semakin dekat. Hal ini yang membuat hambatan dari film semakin besar.

36

4.5. Analisis Biaya

Dari seluruh proses pabrikasi mesin DC magnetron sputtering, didapatlah biaya produksi seperti pada Tabel 4,3. Biaya tersebut belum termasuk biaya jasa.

Tabel 4.3. Rincian biaya pembuatan mesin DC magnetron sputtering.

No Nama komponen Jumlah Biaya Total

1 Voltage regulator 1 5.500.000 5.500.000

2 Pompa vakum 1 3.200.000 3.200.000

3 Tabung kaca 10 25.000 250.000

4 Tembaga 1 200.000 200.000

5 Plat besi tebal 2cm 2 48.000 96.000

6 Nepple 2 45.000 90.000

7 Selang vakum 1 meter 16.000 16.000

8 Transformator 1 200.000 200.000

9 Diode bridge 10 1.000 10.000

10 kapasitor 1 150.000 150.000

11 Kabel tunggal 4 meter 4.000 16.000

12 Ampere meter 1 45.000 45.000

13 Volt meter 1 45.000 45.000

14 Kayu 4 meter 8.000 32.000

15 Mata grinda 24 6.000 144.000

16 Amplas kertas 20 4.000 80.000

17 Jasa bubut 400.000 400.000

37 BAB V PENUTUP

5.1. Kesimpulan

Berdasarkan pada rancang bangun dan pengujian awal yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

1. Mesin DC Magnetron Sputtering yang telah dirancang bangun dengan spesifikasi Mesin yaitu: tegangan voltage regulator maksimal pada 180 volt karna dibatasi dengan pengamanan sekring 8 ampere, tegangan power supply sama dengan tegangan voltage regulator karna out put dari voltage regulator digunakan sebagai input dari power supply. Tekanan vakum yang digunakan pada alat ini bertekanan maksimal 25 micron/ .

2. Mesin DC Magnetron Sputtering telah berhasil dibuat dan berfungsi. Dilakukan dua kali pengujian pada mesin, percobaan pertama dengan waktu 90 detik menghasilkan hambatan sebesar 12.6 Ω dan percobaan kedua dengan waktu 120

38

5.2 Saran

Saran yang dapat berikan untuk pengembangan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Untuk memudahkan sistem pengoprasian alat pada saat pengujian sebaiknya sistem rangkaian elektrikal perlu adanya perbaharuan dengan dibuat sistem digital. 2. Penggunaan trafo step up sebaiknya digantikan dengan menggunakan Switching

Mode Power Supply (SMPS). Agar lebih efesien, ringan, dan temperatur kerja tetap setabil.

3. Sebaiknya Penggunaan tabung kaca pada vakum chamber digantikan dengan kaca pyrex agar tahan pada suhu tinngi.

4. Pada saat pengencangan tutup vakum chamber jangan terlalu kencang karena tabung kaca vakum chamber mudah pecah.

39

DAFTAR PUSTAKA

Castro, C., Pulgarin.C., Sanjines.R. 2010. Skema mekanisme kerja DC Magnetron

Sputtering.Diaksespada 13 Juni 2016. Dari

https://www.researchgate.net/figure/222313802_fig1_Fig-1-Schematic-diagram-of-a-DC-magnetron-sputtering-unit. Padapukul 21.38 WIB.

Compaan, A.D. 2004. High Effisieny, Magnetron Sputtered CdS/CdTe solar cells. Science direct, Solar Energy 77 (2004) 815-822.

Dhanz, 2016. Tranformator Step up.Diaksesada 9 Juni 2016. Dari

http://teknikelektronika.com/pengertian-transformator-prinsip-kerja-trafo/. PadaPukul 19.25 WIB.

Joshi, C. 2003. Charaecterization And Corrosion of BCC-Tantalum Coating Deposited On Aluminium And Stell Substrat by Dc Magnetron Sputtering (thesis). New jeresy:new jeresy institute of technology press.

Makhnunah, K. (2011). Performansi Kelistrikan Heterojunction CdTe/CdS yang ditumbuhkan dengan metote DC Magnetron Sputtering. Skripsi. Semarang: FMIPA Universitas Negri Semarang.

Marwoto, P., Sugianto, Wiyanto.(2007b). Doping Eu pada Film Tipis Ga2O3 yang Ditumbuhkan dengan DC Magnetron Sputtering. Seminar Nasional Teknik Kimia, Universitas Parahyangan, Bandung

McCandless, B.E., Sites. J.R. 2003. Cadnium Telluride Solar cell. Handbook of Photovltaic Science and Engeneering. Wiley. New York. Pp. 628-631.

Musta’anah. 2010. Pengaruh Daya Plasma Dan Suhu Substrat Pada Penumbuhan Film Tipis Ga2O3 Doping ZnO Dengan Metode Dc Magnetron Sputtering. Skripsi. Semarang: FMIPA Universitas Negri Semarang.

Sudjatmoko. 2003. Aplikasi Teknologi Sputtering untuk Pembuatan Sel Surya Lapisan Tipis. Workshop: Sputtering untuk Rekayasa Permukaan Bahan. Yogyakarta: Puslitbang Teknologi Maju Batan: 3.

Suryadi, H. Sudjatmoko, Atmono, T. M. 2003. Fisika Plasma (Diktat Kuliah Workshop Sputtering Untuk Rekayasa Permukaan Bahan). Yogyakarta Puslitbang Teknologi Maju BATAN:8.

40

Wibowo, P., Tri. M.A., Suryadi. (2000). Pengaruh Parameter Sputtering Terhadap Perubahan Struktur Lapisan Tips ZnO. Presentasi Ilmiah. Yogyakarta: P3TM-BATAN.

Wasa, K., Hayakawa, S. 1992. Hand Book Of Sputtering Deposition Tecnology. Principles, Technology and Apllication. Park Ridge. New Jersey. USA Noyes Publication.

(a) (b)

Gambar 4.5 (a) Pengukuran hambatan dengan menggunakan multimeter digital dari hasil pengujian dengan menggunakan tegangan votage regulator 150 volt, Imax 1 ampere dan waktu 1 menit 30 detik (b) tegangan votage regulator 150 volt, Imax 1 ampere dan waktu 2 menit 10 detik.

Tabel 4.2. Hasil pengujian sputtering

Percobaan Tekanan vakum Tegangan Arus(Imax ) t (detik) Hambatan (Ω)

1 150 volt 1 ampere 90 12.6

2 150 volt 1 ampere 130 9.2

Dari data yang disajikan Tabel 4.2 dapat dilihat pada percobaan pertama dengan waktu 90 detik menghasilkan hambatan sebesar 12.6 Ω. Hal ini disebabkan karena tekanan di dalam tabung tidak stabil, sehingga tegangan dari anoda menyambar pada permukaan substrat. Secara visual dapat terlihat warna yang lebih gelap pada permukaan substrat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.5a.. Sedangkan pada percobaan kedua dengan waktu 130 detik didapat besar hambatan yaitu 9.2 Ω. Hal ini dikarenakan masih tipisnya film yang terdeposisi ke permukaan substratg, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.5b. Dari data tersebut, dapat disimpulkan bahwa semakin lama waktu sputtering hambatan yang terukur semakin besar, karena semakin lama waktu deposisi membuat atom-atom dari target banyak yang terangkat dan menempel ke permukaan substrat. Semakin tebal film yang menempel, jarak antar atom akan semakin dekat. Hal ini yang membuat hambatan dari film semakin besar.

36

4.5.Analisis Biaya

Dari seluruh proses pabrikasi mesin DC magnetron sputtering, didapatlah biaya produksi seperti pada Tabel 4,3. Biaya tersebut belum termasuk biaya jasa.

Tabel 4.3. Rincian biaya pembuatan mesin DC magnetron sputtering.

No Nama komponen Jumlah Biaya Total

1 Voltage regulator 1 5.500.000 5.500.000

2 Pompa vakum 1 3.200.000 3.200.000

3 Tabung kaca 10 25.000 250.000

4 Tembaga 1 200.000 200.000

5 Plat besi tebal 2cm 2 48.000 96.000

6 Nepple 2 45.000 90.000

7 Selang vakum 1 meter 16.000 16.000

8 Transformator 1 200.000 200.000

9 Diode bridge 10 1.000 10.000

10 kapasitor 1 150.000 150.000

11 Kabel tunggal 4 meter 4.000 16.000

12 Ampere meter 1 45.000 45.000

13 Volt meter 1 45.000 45.000

14 Kayu 4 meter 8.000 32.000

15 Mata grinda 24 6.000 144.000

16 Amplas kertas 20 4.000 80.000

17 Jasa bubut 400.000 400.000

37

5.1. Kesimpulan

Berdasarkan pada rancang bangun dan pengujian awal yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

1. Mesin DC Magnetron Sputtering yang telah dirancang bangun dengan spesifikasi Mesin yaitu: tegangan voltage regulator maksimal pada 180 volt karna dibatasi dengan pengamanan sekring 8 ampere, tegangan power supply sama dengan tegangan voltage regulator karna out put dari voltage regulator digunakan sebagai input dari power supply. Tekanan vakum yang digunakan pada alat ini bertekanan maksimal 25 micron/ .

2. Mesin DC Magnetron Sputtering telah berhasil dibuat dan berfungsi. Dilakukan dua kali pengujian pada mesin, percobaan pertama dengan waktu 90 detik menghasilkan hambatan sebesar 12.6 Ω dan percobaan kedua dengan waktu 120 detik menghasilkan hambatan sebesar 9.2 Ω.

38

5.2 Saran

Saran yang dapat berikan untuk pengembangan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Untuk memudahkan sistem pengoprasian alat pada saat pengujian sebaiknya sistem rangkaian elektrikal perlu adanya perbaharuan dengan dibuat sistem digital. 2. Penggunaan trafo step up sebaiknya digantikan dengan menggunakan Switching

Mode Power Supply (SMPS). Agar lebih efesien, ringan, dan temperatur kerja tetap setabil.

3. Sebaiknya Penggunaan tabung kaca pada vakum chamber digantikan dengan kaca pyrex agar tahan pada suhu tinngi.

4. Pada saat pengencangan tutup vakum chamber jangan terlalu kencang karena tabung kaca vakum chamber mudah pecah.

39

diagram-of-a-DC-magnetron-sputtering-unit. Padapukul 21.38 WIB.

Compaan, A.D. 2004. High Effisieny, Magnetron Sputtered CdS/CdTe solar cells. Science direct, Solar Energy 77 (2004) 815-822.

Dhanz, 2016. Tranformator Step up.Diaksesada 9 Juni 2016. Dari

http://teknikelektronika.com/pengertian-transformator-prinsip-kerja-trafo/. PadaPukul 19.25 WIB.

Joshi, C. 2003. Charaecterization And Corrosion of BCC-Tantalum Coating Deposited On Aluminium And Stell Substrat by Dc Magnetron Sputtering (thesis). New jeresy:new jeresy institute of technology press.

Makhnunah, K. (2011). Performansi Kelistrikan Heterojunction CdTe/CdS yang

ditumbuhkan dengan metote DC Magnetron Sputtering. Skripsi. Semarang:

FMIPA Universitas Negri Semarang.

Marwoto, P., Sugianto, Wiyanto.(2007b). Doping Eu pada Film Tipis Ga2O3 yang Ditumbuhkan dengan DC Magnetron Sputtering. Seminar Nasional Teknik Kimia, Universitas Parahyangan, Bandung

McCandless, B.E., Sites. J.R. 2003. Cadnium Telluride Solar cell. Handbook of Photovltaic Science and Engeneering. Wiley. New York. Pp. 628-631.

Musta’anah. 2010. Pengaruh Daya Plasma Dan Suhu Substrat Pada Penumbuhan Film Tipis Ga2O3 Doping ZnO Dengan Metode Dc Magnetron Sputtering. Skripsi. Semarang: FMIPA Universitas Negri Semarang.

Sudjatmoko. 2003. Aplikasi Teknologi Sputtering untuk Pembuatan Sel Surya Lapisan Tipis. Workshop: Sputtering untuk Rekayasa Permukaan Bahan. Yogyakarta: Puslitbang Teknologi Maju Batan: 3.

Suryadi, H. Sudjatmoko, Atmono, T. M. 2003. Fisika Plasma (Diktat Kuliah Workshop Sputtering Untuk Rekayasa Permukaan Bahan). Yogyakarta Puslitbang Teknologi Maju BATAN:8.

40

Wibowo, P., Tri. M.A., Suryadi. (2000). Pengaruh Parameter Sputtering Terhadap Perubahan Struktur Lapisan Tips ZnO. Presentasi Ilmiah. Yogyakarta: P3TM-BATAN.

Wasa, K., Hayakawa, S. 1992. Hand Book Of Sputtering Deposition Tecnology. Principles, Technology and Apllication. Park Ridge. New Jersey. USA Noyes Publication.