SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi persyaratan Memperoleh gelar sarjana sains (S.Si) Program studi fisika

  

DEPOSISI LAPISAN TIPIS S O MENGGUNAKAN TEKNIK DC

n

  

2

SPUTTERING DAN KARAKTERISASINYA

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi persyaratan

Memperoleh gelar sarjana sains (S.Si)

  

Program studi fisika

Oleh :

Anastasia Ima

  

NIM : 023214013

PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

2007

  DEPOSITION OF S O THIN FILM USING DC SPUTTERING n

2 AND IT’S CHARACTERISATION SKRIPSI

  

Precented as Partial Fulfillment of the Requirements to Obtain the

Sarjana Sains Degree In Physics

  

By

Anastasia Ima

NIM : 023214013 PHYSICS STUDY PROGRAM PHYSICS DEPARTMENT

  

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2007

  MOTTO DAN PERSEMBAHAN ”KaU HaNya DaPaT PerGi SeJauH YanG KaU DoRoNG” ”Pada akhirnya, bukan banyaknya tahun hidupmu yang dihitung, melainkan kehidupan dalam tahun-tahun kehidupanmu” ~Abraham Lincoln~

  ”Lapar bukan hanya karena roti ~ tetapi lapar akan kasih. Telanjang bukan hanya karena pakaian ~ melainkan martabat dan rasa hormat. Tidak punya tempat tinggal bukan hanya sebuah ruangan bertembok ~ melainkan tidak punya tempat tinggal karena penolakan.” ~Ibu Teresa~

  ”SedanG Kau TiDaK TahU aPa YanG aKan TerJaDi BesOk. ApaLah Arti hiDupMu? HidUpmu iTu saMa sePerTi UaP YanG seBenTar saJa keLiHaTan Lalu LenYaP” ~Yakobus 4:14~

  FirmanMu ...... jika kamu meminta sesuatu kepadaKu dalam namaKu Aku akan melakukannya .......(Yoh 14:14)

  Aku tahu............ Untuk segala sesuatu ada masanya, untuk apapun di bawah kolong langit....... ada waktunya......... (Pengkotbah 3:1)

  Karya sederhana ini kupersembahkan kepada : Jesus Kristus yang selalu membukakan pintu bagi setiap harapan dan doaku Papa dan Mama tersayang, i love u.

  Abang moses dan keluarga barunya (kak Tuti dan si kecil), niko dan my littel sister dedek (Emel), u all my inspiration.

  Almamater dan Sahabat-sahabatku terkasih .

  

ABSTRAK

Teknik sputtering merupakan proses terlepasnya beberapa atom suatu bahan

sebagai akibat penembakkan oleh ion positif berat. Proses ini dapat digunakan untuk

mendeposisikan suatu lapisan tipis logam secara merata di atas sebuah bahan dalam

suatu kondisi tertutup.

  Telah dilakukan deposisi lapisan tipis S O dengan metode sputtering DC. n

  2 Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh variasi waktu deposisi terhadap

karakteristik bahan lapisan tipis S O Karakteristik ini meliputi resistansi, struktur

n 2. morfologi dan komposisi kimia lapisan tipis S n O 2 . Variasi waktu deposisi dimulai

dari 30 menit, 60 menit, 90 menit, 120 menit dan 150 menit dengan parameter lain

• -2

  

dibuat tetap seperti tekanan kerja 3 x 10 Torr, temperatur substrat 200 C dan

tegangan elektroda 2,5 kV.

  Dari penelitian ini dihasilkan nilai resistansi optimal sebesar 180 M Ω. Kondisi

ini dicapai pada waktu deposisi 120 menit. Dari observasi SEM dihasilkan bahwa

pertumbuhan butir-butir terdistribusi cukup homogen dan ketebalan dari lapisan

sekitar 2,1 n dan O

  

μm. Sedangkan dari analisis EDX dihasilkan perbandingan unsur S

adalah 1 : 1,42.

  

ABSTRACT

DEPOSITION OF S n O

2 THIN FILM USING DC SPUTTERING AND

  

IT’S CHARACTERISATION

Sputtering technique is a rejected proses of atoms of the targets by

bombarding of weight ions. This proses can be used to deposit a thin film on a

substrate in vacuum conditions.

  The deposition of S n O 2 thin film was carried out using by DC sputtering

method. The purpose of this research is to study the effect of time variation of

deposition to the characteristic of S n O 2 . The characteristic cover the resistance, morphology structure and chemical composition of S n O

  2 thin film. The time variation

of deposition was from 30 minutes, 60 minutes, 90 minutes, 120 minutes and 150

minutes while the others parameter was kept constant, such as the pressure of Argon

• 2 gas 3 x 10 Torr, substrate temperature is 200 C and electrode voltage is 2.5 kV.

  It was found that the optimum resistance is in orde of 180 M Ω. This

conditions was achieved at the time of deposition is in orde of 120 minutes. From

SEM observation it was found that grains was distributed homogenously and the

thickness of layer is around 2.1 μm while from EDX analysis it was found that the ratio of S dan O is in orde of 1 : 1.42. n

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur penulis haturkan kepada Allah Bapa atas segala rahmat dan

anugrah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul :

DEPOSISI LAPISAN TIPIS S O MENGGUNAKAN TEKNIK DC SPUTTERING

n

2 DAN KARAKTERISASINYA.

  Dalam proses penulisan skripsi ini, penulis menyadari telah mendapat bantuan

dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini, penulis ingin

mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

  1. Bapak Dr. Ir. Widi Setiawan selaku kepala PTAPB-BATAN Yogyakarta yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk melaksanakan penelitian dibidang Akselerator.

  2. Bapak Drs. B.A. Tjipto Sujitno, MT, APU. selaku dosen pembimbing di BATAN yang telah banyak meluangkan waktu untuk membimbing, mendampingi, memberikan dorongan dan semangat dalam pengerjaan tugas akhir ini.

  3. Ibu Ir. Sri Agustini Sulandari, M.Si selaku dosen pembimbing di kampus yang telah banyak meluangkan waktu untuk membimbing, mendampingi, memberikan semangat dan dorongan dalam pengerjaan tugas akhir ini.

  4. Bapak Dr. Agung Bambang Setyo Utomo, SU. yang telah berkenan meluangkan waktu untuk menguji penulis serta memberikan masukan yang sangat berharga bagi penulis.

  

5. Bapak Dr. Ign. Edi Santosa, M.S. selaku dosen pendamping akademik

yang sudah banyak memberikan pendampingan selama menjadi mahasiswa.

  

6. Bapak Wikanda dan staffnya di LP3G (Lembaga Pusat Penelitian dan

Pengembangan Geologi) Bandung yang telah membantu penulis dalam karakteristik sample.

  

7. Bapak J. Karmadi selaku teknisi di lab. sputtering yang telah meluangkan

waktu dan segala bantuannya dalam pelaksaan penelitian ini

  

8. Papa dan Mama tercinta yang tanpa henti memberikan dukungan,

dorongan, doa, dan kasihnya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

  

9. Abangku tercinta Moses Umbu dan adik-adikku Niko dan Emel (dedek)

yang ku sayangi, kalian adalah inspirasi bagiku yang selalu memberikan semangat dan doa untukku dalam menyelesaikan skripsi ini.

  

10. Bapak Sukirno yang selalu memberikan semangat dan nasehat kepada

penulis. Dan seluruh staff akselerator PTAPB-BATAN yang telah banyak

membantu dalam pelaksaan penelitian.

  

11. Teman-teman seperjuangan di BATAN Erni, Frida, Ika (UAD), dll atas

kebersamaan, semangat dan masukannya.

  

12. Teman-Teman seperjuangan di LP3G Tanti, Kartini, dll atas kebersamaan

yang telah kita lalui selama di Bandung.

  13. Teman-teman kosku Lori, Nanut, Fani, Kia, Sari dan d’Pitha yang selalu memberikan semangat dan menjadi sahabat yang baik bagiku serta menemaniku mengerjakan skripsi.

  14. Teman-teman fisika yang selama bertahun-tahun selalu berjuang bersamaku, khususnya teman-teman angkatan 2002.

  15. Keluarga besar Komunitas Sant’Egidio atas dukungan dan persahabatan selama ini.

  16. Seluruh Staff Pengajar Jurusan Fisika yang telah memberikan pengajaran dan pendampingan.

  17. Semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian penelitian ini yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

  Penulis menyadari bahwa dalam penulisan ini masih banyak kekurangan, oleh

karena itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang sangat membangun

dari berbagai pihak.

  Akhirnya penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi dunia pendidikan dan khususnya pembaca.

  Yogyakarta, September 2007 Penulis

  

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL……………………….............................................. i

HALAMAN JUDUL ................................................................................ ii

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING………………………..... iii

HALAMAN PENGESAHAN .………………………………………….. iv

HALAMAN PENGESAHAN BATAN .................................................... v

HALAMAN MOTO PERSEMBAHAN …………......…………………. vi

ABSTRAK ………………………………………………………………. vii

ABSTRACT …………………………………………………………….. viii

KATA PENGANTAR …………………………………………………... ix

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA…………………………………. xii

DAFTAR ISI ……………………………………………………………. xiii

DAFTAR GAMBAR..………………………………………………....... xvi

DAFTAR TABEL .. .................................................................................. xviii

BAB I. PENDAHULUAN……………………………………………….

  1 1.1. Latar Belakang ………………………………………………….

  1 1.2. Perumusan Masalah …………………………………………….

  2 1.3. Batasan Masalah ………………………………………………..

  3 1.4. Tujuan Penelitian ………………….............................................

  3 1.5. Manfaat Penelitian ………………………………………...........

  4

  1.6. Sistematika Penulisan …………………………………………...

  4 BAB II. DASAR TEORI ………………………………………………...

  6

  2.1. Pembentukan Lapisan Tipis S n O 2 dengan Proses Sputterig DC ...

  6 2.1.1. Proses Sputtering DC .........................................................

  6

  2.1.2. Proses Pembentukan Lapisan Tipis S n O 2 ..........................

  8 2.1.3. Interaksi Ion Gas Sputter dengan Material Target S O ....

  11 n

  2 2.1.4. Sputter Yield (S, Atom/Ions)..............................................

  14 2.1.5. Energi Ion Gas Sputter ......................................................

  15 2.1.6. Kelebihan Metode Sputtering DC .....................................

  16

  2.2. Lapisan Tipis S n O 2 ………………………………......................

  17 2.2.1. Semikonduktor .................................................................

  17

  2.2.2. Semikonduktor S n O 2 ........................................................

  19

  2.2.3. Ketidaksempurnaan (cacat) pada Lapisan Tipis S n O 2 .....

  20

  2.3. Karakteristik Lapisan Tipis S n O 2 ……………………………....

  21 2.3.1. Resistansi dan Konduktivitas ...........................................

  21

  2.3.2. Scanning Elektron Mikroscope (SEM) dan Energy

Dispersive Spektroscopy (EDX).........................................

  23 BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ……………………………….

  29 3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ......................................................

  29 3.2. Bahan dan Alat Penelitian ............................................................

  29 3.3. Prosedur Penelitian ……………………………………..............

  32

  3.3.1. Preparasi Sampel ..............................................................

  32

  3.3.2. Prosedur Deposisi Lapisan Tipis S n O 2 dengan Teknik

Sputtering DC ..................................................................

  33 3.3.3. Karakteristik Lapisan Tipis S O ......................................

  35 n

  2 3.4. Keterbatasan Penelitian ...............................................................

  36 3.5. Tahapan Pelaksanaan Penelitian .................................................

  37 BAB IV. HASIL EKSPERIMEN DAN PEMBAHASAN……………..

  38 4.1. Hasil ...................................................................................

  38 4.1. Pembahasan .........................................................................

  50 BAB V. PENUTUP ……………………………………………………...

  54 5.1. Kesimpulan ……………………………………………………...

  54 5.2. Saran …………………………………………………………….

  54 DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………

  56 LAMPIRAN ...........................................................................................

  58

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Skema mesin sputtering DC .....................................................

  7 Gambar 2.2 Interaksi ion dengan atom target ...............................................

  12 Gambar 2.3 Skema pita energi pada semikonduktor intrinsik ......................

  17 Gambar 2.4 Struktur pita energi untuk : a) bahan isolator; b) bahan semikonduktor; c) bahan konduktor ..........................................

  18 Gambar 2.5 (a) Semikonduktor dengan donor atom asing dari golongan

  VA (arsenik) atau semikonduktor tipe-n. (b) Tingkat energi atom donor .................................................................................

  19 Gambar 2.6

  a) Semikonduktor dengan donor atom asing dari golongan

  IIIA (Boron ) atau semikonduktor tipe-p. (b) Tingkat energi

  20 atom akseptor ............................................................................

Gambar 2.7 Cacat titik (point defect) dalam sebuah kisi kristal ...................

  21 Gambar 2.8 Skema dasar dari Scanning Elektron Mikroscope (SEM) dan Energy Dispersive Spektroscopy (EDXS) ................................

  25 Gambar 2.9 Skema dasar dari Scanning Elektron Mikroscope (SEM) ........

  26 Gambar 2.10 Pancaran berkas elektron akibat interaksi dengan spesimen .....

  27 Gambar 4.1 Grafik hubungan resistansi lapisan tipis S n O 2 dengan waktu deposisi ......................................................................................

  42 Gambar 4.2 Grafik hubungan antara pertumbuhan butir-butir lapisan tipis S n O 2 terhadap waktu deposisi ....................................................

  45 Gambar 4.3 Struktur morfologi penampang muka lapisan tipis S n O

  2 dengan waktu deposisi 120 menit ..............................................

  45 Gambar 4.4 Grafik hubungn antara ketebalan lapisan tipis S n O 2 terhadap waktu deposisi ...........................................................................

  47 Gambar 4.5 Struktur morfologi penampang lintang lapisan tipis S n O

  2 dengan waktu deposisi 120 menit ..............................................

  47

Gambar 4.6 Spektrum hasil karakteristik EDX lapisan tipis S O yang

  n

  2

• dideposisi dengan metode sputtering DC pada tekanan 3 x 10

  49

  2 Torr, suhu 200 C dan waktu deposisi 120 menit .....................

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Pengukuran nilai resistansi lapisan tipis S n O 2 hasil dari

  sputtering DC terhadap variasi waktu deposisi pada tekanan 3

• 2 x 10 Torr, dan suhu 200 C ....................................................

  41 Tabel 4.2 Pengukuran nilai resistansi dan resistivitas lapisan tipis S n O

  2 hasil dari sputtering DC terhadap variasi waktu deposisi pada

• 2 tekanan 3 x 10 Torr, dan suhu 200 C ....................................

  43 Tabel 4.3 Pengukuran butir-butir lapisan tipis S n O 2 hasil dari sputtering

• 2

  DC terhadap variasi waktu deposisi pada tekanan 3 x 10 Torr, dan suhu 200 C ................................................................

  44 Tabel 4.4 Pengukuran ketebalan lapisan tipis S O hasil dari sputtering _{n 2 2} −

  DC terhadap variasi waktu deposisi pada tekanan 3 ×

  10

  46 Torr, dan suhu 200 C ............................................................ Tabel 4.5.

  Data karakteristik EDX hasil dari deposisi lapisan tipis S n O

  2

• 2

  dengan metode sputtering DC pada tekanan 3 x 10 Torr, dan suhu 200 C ................................................................................

  49

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

  Bersamaaan dengan semakin berkembangnya dunia industri pada saat ini, semakin meningkat pula tingkat pencemaran/polusi yang ditimbulkan. Polusi merupakan masalah dunia yang sangat serius, yang perlu diperhatikan secara khusus agar tidak merusak tatanan kehidupan makhluk hidup. Berbagai upaya telah dilakukan untuk menekan tingkat pencemaran lingkungan, baik melalui pencegahan maupun monitoring. Tingkat polusi tertinggi banyak terjadi di kota- kota besar, karena kegiatan seperti pembangunan industri, transfortasi yang padat berpusat di kota-kota besar sementara taman kota serta pohon perindang yang berfungsi sebagai filter bagi partikulan-partikulan polutan jarang ditemui.

  Upaya pencegahan polusi diantaranya adalah pihak industri melengkapi sistem pengolahan limbah sebelum dibuang ke alam bebas. Sistem tesebut harus dilengkapi dengan sistem monitoring, karena dengan sistem monitoring dapat diketahui jenis, konsentrasi maupun batas ambang dari tingkat polusi yang memenuhi standar kualitas udara yang diijinkan.

  Sistem monitoring telah dikembangkan sejak 40 tahun terakhir, khususnya untuk deteksi gas-gas berbahaya dari bahan semikonduktor yang dikenal dengan nama MOS (Metal Oxide Semiconductor). Ilmuan yang berjasa dalam pengembangan sensor jenis MOS adalah Naayoshi Taguchi, yang dikenal dengan nama Taaguchi Gas Sensor (TGS) (Lieznerski, 2004). Beberapa bahan MOS yang dikembangkan sebagai sensor gas adalah S O , T O C O WO dan Z O. Dalam

  n 2 i 2, e 2, 2 n penelitian ini dipilih bahan S O karena bahannya yang relatif murah, mudah

  n

  2 didapat serta mempunyai kepekaan yang tinggi.

  Dalam pengembangannya, parameter yang sering dijadikan tolok ukur kemampuan suatu sensor gas adalah sensitivitas dan selektivitas. Untuk menjadi suatu sistem yang terintegarsi dan siap digunakan dilapangan diperlukan suatu langkah yang cukup panjang. Untuk fabrikasi lapisan tipis menggunakan teknik

  

sputtering , parameter yang diperhitungkan meliputi tegangan elektroda, jarak

  antar elektroda, tingkat kevakuman, aliran gas sputter, temperatur substrat dan waktu deposisi.

  Dalam penelitian ini, akan dikembangkan teknik pembuatan lapisan tipis S O menggunakan teknik sputtering untuk berbagai variasi waktu dengan

  n

  2

  parameter lain seperti, tegangan kerja, arus kerja, tekanan kerja dan temperatur dibuat tetap. Lapisan tipis S O yang dihasilkan akan dikarakterisasi, karakterisasi

  n

  2

  ini meliputi analisis kandungan komposisi kimia dengan menggunakan teknik EDX, pengamatan struktur morfologi permukaan dan pengukuran ketebalan lapisan tipis dengan menggunakan SEM serta penggukuran resistansi menggunakan digital multimeter.

1.2. Perumusan Masalah

  Berdasarkan uraian yang telah dikemukankan dalam latar belakang, dapat dirumuskan beberapa masalah yaitu :

  1. Bagaimana pembuatan lapisan tipis S O dengan teknik sputtering

  n

  2

  sehingga diperoleh lapisan dengan resistansi terkecil ?

  2. Bagaimana cara menentukan nilai resistansi lapisan tipis S O ?

  n

  2

  3. Bagaimana cara mengukur ketebalan lapisan tipis S O ?

  n

  2

  4. Bagaimana menghasilkan nilai kandungan komposisi kimia dari lapisan tipis S O ?

  n

  2

  1.3. Batasan Masalah

  Kondisi lapisan tipis S O dalam merespon gas sangat ditentukan oleh

  n

  2

  kondisi parameter pembuatan lapisan tipis S O dan karakterisasinya, maka dalam

  n

  2

  penelitian ini akan dibatasi pada :

  1. Teknik pembuatan lapisan tipis S O menggunakan teknik sputtering

  n

  2

  untuk berbagai variasi waktu deposisi dengan parameter lain seperti, tegangan kerja, arus kerja, tekanan kerja dan temperatur dibuat tetap.

  2. Karakterisasi lapisan tipis S O yang meliputi analisis kandungan

  

n

  2

  komposisi kimia menggunakan teknik EDX, pengamatan struktur morfologi permukaan dan pengukuran ketebalan lapisan tipis dengan menggunakan SEM serta penggukuran resistansi menggunakan digital multimeter.

  1.4. Tujuan Penelitian

  Tujuan dari penelitian ini adalah untuk : 1. Membuat lapisan tipis S O menggunakan teknik sputtering.

  n

  2

  2. Mengkarakterisasi lapisan tipis S O hasil sputtering dengan teknik

  n

  2 EDX, SEM dan digital multimeter.

  1.5. Manfaat Penelitian

  Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah

  1. Dapat menambah wawasan pengetahuan bagi peneliti tentang metoda saat melakukan deposisi laposan tipis, metoda analisis unsur

  sputtering

  dengan menggunakan teknik EDX, pengamatan struktur morfologi permukaan dengan menggunakan SEM dan sifat kelistrikan dari lapisan tipis dengan menggunakan multimeter digital.

  2. Sebagai sumber informasi tambahan dalam bidang lapisan tipis semikonduktor oksida logam yang dapat dikembangkan lebih lanjut.

  1.6. Sistematika Penulisan

  Penelitian ini akan dituliskan dengan sistematika sebagai berikut:

  BAB I Pendahuluan Bab ini menguraikan tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, dan. manfaat penelitian

  BAB II Dasar Teori Bab ini menguraikan tentang teori pembuatan lapisan tipis dengan teknik sputtering DC, interaksi ion gas sputter dengan material target, sputter yield, energi ion gas sputter, semikonduktor, ketidaksempurnaan (cacat) lapisan tipis, resistansi, konduktivitas, dan teori yang terkait dengan prinsip kerja Scanning Electron

  Microscope (SEM) dan Energy Dispersive X-ray Spectroscopy

  (EDXS)

  BAB III Eksperimen Bab ini menguraikan tentang alat dan bahan yang digunakan, prosedur, metode dalam bereksperimen. BAB IV Hasil dan Pembahasan Bab ini menguraikan tentang hasil dan pembahasan dari eksperimen yang dilakukan. BAB V Penutup Bab ini berisi kesimpulan dan saran.

BAB II DASAR TEORI

2.1. Pembentukan Lapisan Tipis S O dengan Metode Sputtering DC n

  

2

2.1.1. Proses Sputtering DC

  Sputtering (percikan) merupakan proses yang menerangkan dibebaskannya

  beberapa atom suatu bahan logam sebagai akibat penembakan oleh ion positif berat. Proses ini dapat digunakan untuk mengendapkan suatu lapisan tipis logam secara merata di atas sebuah bahan dalam suatu lingkungan tertupup (Isaacs A., 1994). Pada umumnya bahan lapisan tipis dibuat dengan cara deposisi atom-atom individual suatu bahan pada permukaan substrat dengan ketebalannya mencapai orde kurang dari beberapa mikron. Lapisan metal tipis diperoleh pertama kali oleh Bunsen dan R. W. Grove pada tahun 1852, ketika mereka melakukan penelitian lucutan listrik dalam gas bertekanan rendah dalam suatu sistem vakum, yang menampakkan gejala terbentuknya lapisan metal tipis pada dinding tabung disekitar elektroda negatif.

  Metode sputtering merupakan salah satu teknik rekayasa bahan dengan cara menembakkan ion-ion berenergi tinggi kepermukaan target sehingga atom- atom target terlepas dari permukaannya, kemudian difokuskan kepermukaan substrat (Grainger, 1998). Proses ini berlangsung selama beberapa menit sampai terbentuk lapisan tipis dipermukaan substrat. Metode ini mudah dikontrol sesuai dengan tebal lapisan yang diinginkan.

  Sistem sputtering DC dilengkapi dengan beberapa peralatan seperti tabung reaktor plasma, sumber tegangan tinggi (HVDC), sistem pemanas substrat, sistem pendingin target, sistem vakum, pompa difusi, pompa rotari, alat pengukur dan pengontrol tekanan, sistem pengontrol temperatur, bahan target dan bahan substrat. Skema mesin sputtering DC dapat ditunjukkan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Skema mesin sputtering DC

  2.1.1.1 Tabung Reaktor Plasma Tabung reaktor plasma merupakan tempat terjadinya proses ionisasi gas yaitu untuk pembentukan plasma dan deposisi lapisan tipis pada substrat. Di dalam tabung terdapat dua elektroda, elektroda bagian bawah yang berfungsi sebagai katoda, diberi pendingin sedangkan elektroda bagian atas yang berfungsi sebagai anoda diberi elemen pemanas untuk memanaskan substrat

  2.1.1.2 Sistem Pemanas Untuk mengukur dan mempertahankan suhu pemanas pada substrat, digunakan alat pengukur suhu yang dilengkapi dengan termostrat. Sistem ini terdiri dari alat pemanas dan pengontrol suhu yang bekerja secara otomatis.

  2.1.1.3 Sistem Vakum Proses ionisasi atau pembentukan plasma dalam tabung reaktor plasma memerlukan suatu sistem vakum. Untuk menghampakan tabung dari gas-gas sisa digunakan pompa vakum bertekanan rendah. Pompa vakum ini terdiri dari pompa rotari dan pompa difusi.

  2.1.1.4 Alat Pengukur dan Pengatur Tekanan Alat pengukur tekanan digunakan untuk mengukur tekanan kerja pada tabung reaktor plasma dengan cara mengatur laju aliran gas Argon (Ar) yang masuk kedalam tabung.

  2.1.1.5 Sistem Tegangan Tinggi (HVDC) Sistem tegangan tinggi digunakan sebagai sumber daya tegangan dalam reaktor plasma. Tegangan yang dialirkan ke dalam tabung reaktor plasma akan menyebabkan beda potensial antara katoda dan anoda, akibatnya medan listrik yang dihasilkan akan mempercepat ion-ion gas sputter untuk menumbuk atom- atom target.

2.1.2. Proses Pembentukan Lapisan Tipis S O n

  2 Dalam proses pendeposisian diawali dengan proses ionisasi ion-ion gas

sputter (Argon), apabila tabung sputtering sudah terisi gas Argon dengan tekanan

• 3 -2

  di dalam tabung reaktor plasma dalam orde 10 – 10 Torr dan pengaruh medan listrik diantara elektroda (1-3 keV) maka ion-ion gas akan bergerak dengan energi yang cukup menuju target. (Sujitno Tjipto, B. A., 2003)

  Bahan target (S O ) ditembaki dengan ion-ion Argon yang diberi tegangan

  n

  2

  pemercepat, sehinga atom-atom bahan target akan terpercik dan memancar ke berbagai arah. Ion-ion Argon yang dipercepat menumbuk target akan mengakibatkan atom-atom S O memperoleh energi yang melebihi energi ikatnya

  n

  2

  untuk melepaskan diri dari target. Atom-atom yang terpercik tadi akan berhamburan kesegala arah, dan sebagian akan terdeposisi membentuk lapisan tipis pada substrat kaca. Teknik sputtering DC ini sejak dahulu hingga sekarang digunakan untuk membentuk lapisan tipis karena sistemnya yang sederhana.

  Namun pada metode ini bahan target yang digunakan terbatas pada logam dan semikonduktor (Konuma, 1992) Dalam proses pembentukan lapisan tipis terdapat berbagai parameter yang mempengaruhi, diantaranya adalah jarak antar elektroda, tegangan antar elektroda, tekanan gas, waktu deposisi dan suhu substrat.

  2.1.2.1. Jarak Antar Elektroda Jarak antar elektroda mempengaruhi banyaknya jumlah atom target yang mencapai substrat. Bila jarak kedua elektroda lebih dekat, maka atom target yang mencapai substrat akan semakin banyak bahkan untuk atom yang berenergi kecil sekalipun, karena atom-atom yang terpercik dari target memiliki energi yang berbeda-beda untuk mencapai substrat. Tetapi, bila jarak antar elektroda jauh, maka hanya atom yang berenergi cukup tinggi saja yang dapat mencapai substrat.

  2.1.2.2. Tegangan Tegangan elektroda mempengaruhi besarnya energi penumbuk, karena tenaga ion ditentukan oleh kuat medan listrik di daerah dekat dengan bahan target.

  Bila energi ion penumbuk lebih besar dari energi ikat atom target, maka atom- atom target dapat terlepas dari ikatan atomnya dan terpercik kesegala arah.

  Hubungan energi dalam medan listrik secara matematik dapat dituliskan : = + E E E ……………………………………………(1) _{k p}

  1

  E = mv qV ²

• ……………………………………….(2)

  2 dimana energi total sebuah partikel bermuatan atau ion dengan massa m dan muatan q yang bergerak dalam suatu medan listrik. Karena partikel-partikel fundamental dan inti memiliki muatan yang sama dengan muatan fundamental e atau kelipatannya, maka pers. (2) dapat ditulis

  1

  = ²

• E mv eV ……………………………………….(3)

  2

  2.1.2.3. Tekanan Gas Tekanan gas akan mempengaruhi tumbukan ion penumbuk dengan partikel udara yang masih ada di dalam ruang vakum. Tingkat kevakuman akan mempengaruhi laju deposisi atom-atom yang tersputter. Dalam penelitian ini

• 3 -2 tekanan gas yang dibutuhkan sekitar 10 – 10 Torr.

  2.1.2.4. Suhu Substrat Atom-atom suatu bahan tidak dapat bergerak pada suhu 0 K (-237 C). Pada kondisi ini, atom-atom menduduki keadaan dengan tingkat energi terendah dan setiap atom menempati kedudukan kisi dalam susunan geometri yang teratur.

  Setiap kedudukan kisi identik dan tidak terdapat getaran termal dalam atom. Bila suhu bahan tersebut dinaikkan maka energi akan meningkat sehingga atom-atom bergetar dan menimbulkan jarak antar atom lebih lebar. Jarak antar atom yang bertambah lebar memungkinkan atom-atom berenergi tinggi (berada di atas energi ikatnya) bergerak mendobrak ikatanya, setelah lepas atom tersebut berpindah keposisi yang baru, sehingga kisi menjadi kosong. Dengan bertambahnya suhu mengakibatkan jumlah kekosongan meningkat dengan cepat. Substrat bersuhu tinggi memungkinkan atom-atom asing menyusup lebih dalam diantara celah- celah atom atau menempati kekosongan yang ada. Hal ini mengakibatkan atom- atom asing terikat dan semakin kuat menempel pada bahan, sehingga lapisan yang terbentuk akan memiliki karakterisasi yang baik (Van Vlack, 1991).

  2.1.2.5. Waktu Deposisi Lamanya waktu pendeposisi sangat mempengaruhi ketebalan lapisan tipis yang dihasilkan. Semakin lama waktu deposisi, maka akan semakin banyak atom- atom bahan target yang terdeposisi menempati posisi interstisi atau ruang kosong dalam substrat sehingga kerapatan bahan disekitar permukaan akan meningkat dan dapat menghasilkan lapisan tipis yang maksimum. Kondisi ini juga dipengaruhi oleh daerah interstisi kekosongan substrat. Interstisi merupakan ruang kosong pada kisi kristal yang dipengaruhi oleh naiknya temperatur, bila suhu dinaikkan maka energi akan meningkat sehingga atom-atom bergetar dan menimbulkan jarak antar atom lebih lebar. Jarak inilah yang menjadi daerah interstisi.

2.1.3. Interaksi Ion Gas Sputter dengan Material Target S O n

  2 Secara skematis interaksi berkas ion gas sputter dengan material target dapat diilustrasikan seperti yang disajikan pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Interaksi ion dengan atom target

  Proses tumbukan partikel-partikel gas dengan permukaan atom target dalam lucutan pijar ini menggunakan tegangan tinggi dc, tegangan dc ini diberikan pada dua elektroda ( katoda dan anoda). Adanya beda potensial antara kedua elektroda tersebut menyebabkan gas Argon terionisasi dan ion-ion Argon bergerak bebas menuju katoda. Elektron-elektron pada atom target, dapat tereksitasi menuju ke tingkat energi yang lebih tinggi akibat penyerapan sejumlah energi ion penumbuk. Jika energi yang dipindahkan melebihi ambang ionisasi, maka elektron dapat terlepas dari ikatannya dan menjadi bebas. Dalam masalah ini dapat dikatakan bahwa atom terionisasi (Wong, 1984). Ionisasi gas adalah proses terlepasnya elektron suatu partikel gas dari ikatannya. Ionisasi ini akan menghasilkan ion-ion positif dan ion-ion negatif. Ion-ion positif yang dihasilkan dari peristiwa ionisasi akan bergerak menuju elektroda negatif (katoda), sedangkan ion-ion negatifnya akan bergerak menuju elektroda positif (anoda). Dalam pergerakannya menuju katoda, ion-ion positif tersebut akan dipercepat oleh medan listrik karena adanya beda tegangan diantara kedua elektroda, sehingga ion-ion positif yang mendapat percepatan dari gaya yang ditimbulkan oleh medan listrik, akan bergerak menuju katoda dan menumbukinya dengan energi yang cukup tinggi, dengan diikuti tumbukan berikutnya secara terus menerus. Proses tumbukan ini merupakan peristiwa penting mengawali proses pembentukan lapisan tipis pada permukaan bahan cuplikan (Wasa dan Hayakawa, 1992).

  Ada beberapa fenomena yang mungkin terjadi sebagai akibat interaksi berkas ion gas sputter dengan atom target. Fenomena-fenomena tersebut diantaranya adalah :

  1. Ion gas sputter terpantul dan dapat menjadi netral dengan menangkap elektron Auger. Elektron Auger merupakan sebuah elektron yang dibebaskan dari sebuah atom tanpa disertai pancaran foton sinar-X atau sinar gamma, akibat deeksitasi sebuah elektron tereksitasi di dalam atom tersebut. Transisi jenis ini berlangsung dalam jangkauan sinar-x dari spektrum pancaran. Energi kinetik elektron yang dibebaskan sama dengan energi foton sinar-x tersebut dikurangi energi ikat elektron Auger

  2. Atom target akan terpental keluar yang dapat disertai dengan elektron sekunder.

  3. Ion gas sputter yang mempunyai energi tinggi dapat terimplantasi/tertanam ke dalam target dan dapat mengakibatkan perubahan sifat-sifat permukaan target/lapisan permukaan target menjadi rusak.

  4. Elektron-elektron dalam plasma dapat terpantul oleh permukaan target.

  Fenomena terlepasnya atom tersebutlah yang mendasari dari pemanfaatan plasma sputtering untuk pendeposisian suatu atom-atom di atas permukaan suatu material untuk membentuk lapisan tipis.

2.1.4. Sputter Yeild (S, Atom/Ions)

  Banyaknya atom yang terlepas dari permukaan target untuk setiap ion datang didefinisikan dengan apa yang dinamakan sputter yield (S atom/ion datang) dan dapat dituliskan sebagai : (Wasa dan Hayakawa, 1992)

  jumlah . atom . rata rata . yang . terlepas

  −

  S …………………………(4)

  =

  ion . penumbuk

  Nilai sputter yield dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya adalah :

  1. Energi ion penumbuk;

  2. Jenis target;

  3. Sudut datang ion penumbuk dengan normal dan 4. Struktur kristal.

  Sputter yield dapat diukur dengan beberapa metode, diantaranya adalah :

  1. Penimbangan pengurangan berat 2. pengukuran pengurangan ketebalan 3. Pengumpulan dari material yang tersputter kemudian menimbangnya.

  Banyaknya bahan yang terpercik per satuan luas katoda secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :

  j S . t . A

• w = .....................................................(5) e . N _A

  2

  dengan : j = rapat arus berkas ion (mA/cm )

• S = sputter yield (atom/ion) t = waktu sputtering (detik) A = berat atom (amu)
• 19

  e = muatan elektron (1,6 x 10 coulomb)

  23 N = bilangan Avogadro (6,021 x 10 atom/mol) A

  Jumlah partikel/atom tersputter yang menempel pada permukaan material persatuan luas adalah (Wasa dan Hayakawa, 1992) :

  k . w W ...........................................................(6)

  =

  p . d

  dengan : k = konstanta (r /r dengan r dan r masing-masing adalah jari-jari

  c a c a

  katoda dan anoda, bernilai 1 untuk sistem planar) w = banyaknya partikel yang terpercik dari satuan luas katoda p = tekanan gas lucutan (Torr) d = jarak antar elektroda (m)

2.1.5. Energi Ion Gas Sputter

  Pada prinsipnya ion memiliki ukuran yang sama dengan atom, sehingga ketika ion menumbuk permukaan, dapat dikatakan sebagai tumbukan antar atom datang (ion) dengan atom permukaan. Dalam tumbukan itu terjadi proses pemindahan energi. Agar terjadi proses sputtering, energi ion harus lebih besar daripada energi ikat antar atom-atom permukaan. Besarnya energi yang dipindahkan selama proses tumbukan berlangsung bila arah ion datang tegak lurus permukaa target ( θ = 0), maka energi yang ditransfer adalah maksimum dan besarnya (Ohring, 1992) adalah :

  ⎛

  4 M M ⎞ _{i s} …………………………(7)

  

E = E

_{t i}

₂

  ⎜⎜ ⎟⎟

  

M M

_{i s}

• ( )

  ⎝ ⎠ Dengan E adalah energi ion penumbuk [eV], E adalah energi ion yang

  i t

  dipindahkan [eV], M adalah massa atom ion gas sputter [amu] dan M adalah

  i s massa atom target [amu].

2.1.6. Kelebihan Metode Sputtering DC

  Metode sputtering diaplikasikan untuk meningkatkan sifat keras, tahan aus, tahan korosi maupun tahan suhu tinggi. Metode sputtering telah terbukti mampu meningkatkan kekerasan permukaan logam dengan beberapa keuntungan antara lain (Sujitno Tjipto, B. A., 2003) :

  1. Dapat melapisi lapisan tipis dari bahan dengan titik leleh tinggi;

  2. Dapat melapisi bahan logam, paduan, semikonduktor dan bahan isolator;

  3. Daya rekatnya tinggi;

  4. Ketebalan lapisan dapat dikontrol; 5. Penghematan bahan yang dideposisikan.

2.2. Lapisan Tipis SnO

  2

2.2.1. Semikonduktor

  Semikonduktor merupakan bahan padat yang sifat hantaran listriknya terletak antara bahan konduktor dan bahan isolator. Daya hantar listrik semikonduktor tergantung pada suhu lingkungannya, yaitu pada suhu rendah berprilaku seperti bahan isolator (T = 0 K), sedangkan pada suhu tinggi berprilaku seperti bahan konduktor. Penghantar listrik pada semikonduktor adalah elektron dan hole, dimana pada semikonduktor intrinsik suhu tinggi dapat menyebabkan elektron pada pita valensi berpindah menuju pita konduksi dengan meninggalkan hole pada pita valensi. Semakin tinggi suhu, semakin banyak elektron dilepaskan dari ikatannya (Blocher Richard, 2003).

Gambar 2.3. Skema pita energi pada semikonduktor intrinsik.

  Berdasarkan azas Pauli, dalam suatu tingkat energi tidak boleh terdapat lebih dari satu elektron pada keadaan yang sama. Kumpulan garis pada tingkat energi yang sama akan saling berhimpitan dan membentuk satu pita, ini disebut pita energi. Secara umum penentuan struktur pita energi untuk kristal isolator, kristal semikonduktor dan kristal konduktor dapat diilustrasikan pada Gambar 2.4. dimana pada keadaan kesetimbangan pita energi tersplit menjadi dua bagian dan dipisahkan oleh daerah dimana elektron tidak bisa bergerak atau beroperasi, daerah ini disebut daerah terlarang (band gap).

Gambar 2.4. Struktur pita energi untuk : a). bahan isolator; b) bahan semikonduktor; dan c) bahan konduktor.

  Isolator memiliki celah energi cukup besar ~ 9 eV, dimana pita konduksinya tidak terisi oleh elektron (kosong), sedangkan pada pita valensinya penuh oleh elektron. Sehingga bahan isolator tidak bisa menghantarkan listrik. Semikonduktor memiliki celah energi sekitar ~ 1,1 eV, dimana sebagian elektron pada pita valensi pindah menuju pita konduksi, sehingga meninggalkan hole pada pita valensi. Kemudahan elektron pindah menuju pita konduksi karena energi gap- nya kecil. Elektron-elektron ini cukup untuk menimbulkan sejumlah arus yang terbatas untuk mengalir jika medan listrik dipasang, sehingga bahan memiliki resistivitas listrik diantara isolator dan konduktor. Sedangkan konduktor tidak ada celah energi, dimana pita konduksi terisi sebagian oleh elektron. Sehingga elektron-elektron pada pita valensi sangat mudah untuk pindah menuju pita konduksi, hal inilah yang menyebabkan bahan konduktor sangat mudah menghantarkan listrik. Elektron pembawa muatan negatif dalam pita konduksi dan hole merupakan pembawa muatan positif pada pita valensi (Van Vlack, 1991).

2.2.2. Semikonduktor SnO