FILM TIPIS & NANO TEKNOLOGI (THIN FILM & NANOTECHNOLOGY)
REFERENCES 1. Hand Book of Thin Film Technology Technology,, by Leon Meisel 2. The Material Science of Thin Film, by Milton Ohring 3. Thin Film Physics, by O.S Heavens 4. Thin Film Phenomena, by Chopra 5. Thin Film, by Rosemary Beatty
I. TEKNOLOGI & DEPOSISI LAPISAN TIPIS A. PENDAHULUAN PENDAHULUAN
Thin Film Coating banyak dipergunakan dipergunakan pada : Industri, Teknik & Penelitian Bidang Yang di Jangkau : a. Bidang Optik, untuk kacamata, lensa, filter dll b. Bidang Metalurgi, untuk mencegah korosi dan menambah kekerasan c. Bidang Mikroelektro Mikroelektronik nik (Chips, Kapasitor, Resistor, dll ) d. Bidang Sel Foto voltaik (produksi potensial listrik oleh cahaya datang e. Bidang Perhiasan
I. TEKNOLOGI & DEPOSISI LAPISAN TIPIS A. PENDAHULUAN PENDAHULUAN
Thin Film Coating banyak dipergunakan dipergunakan pada : Industri, Teknik & Penelitian Bidang Yang di Jangkau : a. Bidang Optik, untuk kacamata, lensa, filter dll b. Bidang Metalurgi, untuk mencegah korosi dan menambah kekerasan c. Bidang Mikroelektro Mikroelektronik nik (Chips, Kapasitor, Resistor, dll ) d. Bidang Sel Foto voltaik (produksi potensial listrik oleh cahaya datang e. Bidang Perhiasan
B. ARTI DAN TUJUAN THIN FILM COATING Thin Film Coating adalah pemberian lapian tipis yang ketebalannya bervariai antara 1 nm sampai beberapa ratus µm, untuk meningkatkan mutu dan memuliakan sifat-sifat bahan. Transmisi, Refleksi, absorbsi, kekerasan, korosi, permeasi, sifat listrik adalah sifat yang dengan pemberian lapisan tipis dapat memperbaiki sifat-sifat bahan dasar yang sebelumnya belum dimiliki bahan dasar itu.
Penggunaan lapisan tipis mutlak diperlukan, jika tidak terdapat pada bahan sifat yang dibutuhkan umpamanya di optik pelapisan sebagai Antirefleksi. Dalam beberapa bidang pelapisan tipis tidak mutlak dibutuhkan namun penggunaan lapisan tipis ini sangat bermanfaat, karena mempermudah dan mempercepat suatu proses pembuatan, misalnya : 1. Menambah ketahanan bahan terhadap gesekan dan korosi 2. Pelapisan anti karat 3. Penyepuhan dengan Emas untuk memperindah
C.
I.
CARA PEMBUATAN THIN FILM TANPA MENGGUNAKAN VAKUM
1. SPIN COATING ; Dimana benda yang ingin dilapisi diputar dengan cepat dan bahan pelapis cairan dituangkan pada benda yang berputar. 2. DIPCOATING ; Benda yang ingin dilapisi dicelupkan kedalam bahan pelapis berbentuk cairan misalnya : glasur pada keramik 3. SPRAY COATING ; Penyemprotan dengan bahan pelapis, disini benda yang akan dilapisi dipanasi dan dapat juga tidak dipanasi. 4.ELEKTRONIK DEPOSITION ; Pelapisan bahan pelapis dilakukan dengan pemberian aliran listrik disebut dengan metode Elektolisis. Kelemahan disini sukar mengatur ketebalan, lapisan tipis, sering menyebabkan pencemaran lingkungan dan daya lekat kurang kuat.
II. PEMBUATAN LAPISAN TIPIS DALAM VAKUM
A. Metoda PVD (Physical Vapour Deposition) B. Metoda CVD (Chemical Vapour Deposition)
A. Metoda PVD (Physical Vapour Deposition)
:
1. Metoda THERMAL EVAPORATION Pemanasan bahan pelapis, dapat berupa logam, oksida dan senyawa lainnya, dalam tempat/bejana yan disebut boat/kapalan yang dipanasi dengan mengalirkan arus listrik sampai beberapa ratus ampere. Disini diperlukan vakum tinggi, P ~ 10 -6 mbar.
2. Metoda SPUTTERING
Yaitu menembaki bahan pelapis dengan ion ber energi tinggi, umumnya dengan ion Argon (Ar) sehingga bahan pelapis dapat terlepas/menguap dengan Energi kinetik (Ek) tinggi dan menempel pada benda yang mau dilapisi. Untuk menambah tumbukan ion dengan bahan pelapis, maka sering diberi medan magnet, sehingga Sputtering semacan ini disebut Magnetron Sputtering
Keuntungan: Daya lekat pelapis sangat kuat karena deposisi rate tinggi, ke untungan lain dapat dilakukan dalam bentuk yang tidak perlu datar sama sekali, misalnya: mata bor, as roda gigi, tools dll. Kerugian: mahal, termasuk target.
3. Metoda REACTIVE SPUTTERING
Dalam bejana vakum, kecuali dimasukkan gas Argon juga dimasukkan gas lain, yang dapat bereaksi dengan mateial target umpamanya : Pelapis TiN, ZrN dilakukan dengan memasukkan gas Ar dan N 2 kedalam bejana vakum pada saat diadakan sputtering. Sebenarnya teknik ini dapat digolongkan kepada CVD karena ada reaksi kimia.
4. Metoda ELECTRON BEAM (E.B) Pemanasan dilakukan dengan menembaki bahan pelapis dengan berkas elektron (E.B) berenergi tinggi. Keunggulan cara ini adalah EB dapat diarahkan dan bahan pelapis dapat mencapai temperatur sangat tinggi sehingga memungkinkan mencapai pengupan bahan Oksida ; misalnya AL203, Ca O yang mempunyai titik didih yang sangat tinggi
5. Metoda ION ASSITED DEPOSITION Selama proses evaporasi, ditembakkan ion, sering disebut ion GUN, sehingga ion berenergi tinggi mengenai objek yang akan dilapisi beserta uap dan ion dapat menempel dalam objek sehingga disebut ion implatation. Keuntungan : pembidikan ion dengan jitu, sehingga dapat menggambar pada objek. Hal ini dipakai dalam mikroelektronik yang membutuhkan ketelitian gambar terutama pada VLSI ( Very Large Scale Integrated Circuit), ion berenergi tinggi disebut dengan plasma.
B. Teknik CVD (Chemical Vapour Deposition)
Adalah proses reaksi kimia, dimana uap suatu bahan yang akan dilapiskan bereaksi dengan gas – gas lain menghasilkan suatu lapisan pada substrat yang diletakkan secara tepat. CVD temperatur tinggi untuk menghasilkan thin film coating yang kuat, misalnya pada cutting tools, Ball Bearing, Komponen – komponen reaktor nuklir dll
SUBSTRAT Secara Umum Substrat adalah permukaan padatan yang berupa lapisan / sheet / plat yang digunakan untuk merangkai komponen elektronik yang kebanyakan terbuat dari bahan Alumina dan mengandung bahan Aditif untuk meningkatkan daya lekat terhadap lapisan tipis.
Temperatur Substrat Dalam proses pelapisan, temperatur substrat bisa beraneka ragam, ada yang temperaturnya seperti suhu kamar karena tidak memerlukan pemanasan, tetapi ada juga yang relatif tinggi suhunya. Dengan sendirinya bahan dan temperatur yang berlainan akan memberikan konsekuensi yang brelainan.
Persyaratan – persyaratan yang baik substrat adalah : 1. Permukaan harus halus untuk mendapatkan keseragaman 2. Tidak berpori 3. Mempunyai kekuatan mekanis untuk mencegah retak yang mungkin terjadi 4. Koefisien muai sama dengan Koefisien muai evaporant (bahan pelapis untuk menghindari STRESS pada Thin Film 5. Tahan terhadap SHOCK PANAS untuk mencegah rusak selagi proses. • Substrat
untuk polikristal : Glass, Quartz & Ceramic • Substrat untuk single krista; : Mica, MgO, Si, Ge, dll.
KARAKTERISTIK DARI THIN FILM Dalam pelapisan tipis, beberapa sifat dan karakter penting : A. KETEBALAN LAPISAN TIPIS Biasanya diukur dengan vibrasi kristal didalam vakum. Alat ukur ketebalan ini juga dipakai untuk memonitor dan mengatur laju deposisi. Lebih teliti daripada kuarsa ini adalah INTERFERENSI OPTIK. B. KEKERASAN LAPISAN TIPIS Biasanya diukur dengan cara Mikrohardness tester dengan intender vickers (VHN) = Vickers Hardness Number. Kekerasan lapisan tipis ini tergantung dari substratnya. Kekerasan inilah yang penting dalam pelapisan tools, karena makin keras suatu bahan makin baik dapat dipakai untuk memotong dan mengebor dan makin besar pula daya tahannya, artinya tidak mudah aus.
C. DAYA LEKAT LAPISAN TIPIS Suatu lapisan tipis dapat saja mempunyai kekerasan yang besar mendekati kekerasan intan, namun jika daya lekatnya kecil, ke ausannya menjadi besar pula, sehingga tidak dapat dipakai untuk tools. Daya lekat Thin Film tergantung pada bahan substrat yang dilapisi. TiN misalnya mempunyai daya lekat yang sangat besar pada HSS, sehingga cocok sebagai Wear resistant coating D. KETAHANAN TERHADAP KOROSI E. SIFAT LISTRIK DAN MAGNET F. KELELAHAN : Perubahan berulang kali baik secara mekanis maupun suhu sering menyebabkan kelelahan pada benda. Dalam hal lapisan tipis ketebalan dapat terlihat dengan adanya keretakan – keretakan mikro.
G. SIFAT OPTIS : umpamanya warna, tembus tembus pandangan dll. Sifat ini penting sebagai bahan dekoratif. Umpamanya TiN sering dipakai untuk melapisi frame kacamata, jam tangan karena mempunyai warna ke Emasan, juga coating pada kaca jendela dan kaca mata untuk meneruskan atau merefleksikan suatu warna.
H. KEKERASAN PERMUKAAN : yang berperan agar benda yang dibor misalnya dengan mata bor yang dilapisi tidak terdeformasi dan tidak menjadi terlalu panas. Dengan demikian kecepatan putar bor dapat dipertinggi dan pengerjaan pengeboran / pembubukan dapat diperbesar sampai 3 kali lipat tanpa mengganggu hasil pengeboran. KEADAAN VAKUM 1. Vakum rendah : 1000 – 1 mbar 2. Vakum sedang : 1 – 10-3 mbar 3. Vakum tinggi : 10-3 – 10-7mbar 4. Vakum sangat tinggi : < 10 -7
Law Vacum
: 700 – 25 Torr
Medium Vacum
: 25 – 10-3 Torr
High Vacum
: 10-3 – 10-6 Torr
Ultra High Vakum
: Below 10-9 Torr
1 atm = 1,013 x 10 5 N/m2 = Pa 1 atm = 1,013 bar 1 torr = 1 mmHg = 1 / 760 atm
II. SUMBER – SUMBER RESISTIVITAS PADA KONDUKTOR METAL A. Temperatur Teori elektronik quantum modern konduksi listrik pada metal disebabkan oleh elektron elektron, sementara resistivitas listrik dihasilkan
Resistivitas : adalah derajat ketidaksempurnaan kisi metal tetapi bagaimana pun tak ada kisi yang sempurna, elektron selalu mengalami hamburan pada saat melewati zat padat. Kisi yang tidak mempunyai cacat struktur dan tidak mempunyai atom asing pun, tidak dapat teratur sempurna diam, tetapi akan mengalami vibrasi sekitar posisi rata – ratanya. Hal ini tepat bila digunakan TEMPERATUR DEBYE dalam menerangkan interaksi antara elektron – elektron dan mode vibrasi yang bermacam – macam dari kisi (phonon). Temperatur Debye θD didefenisikan θD = hυ max./k
Pada temperatur rendah (T<<θD ) resistivitas bervariasi dengan Tn (n mendekati 5) dan pada temperatur tinggi (T>>θD ), resistivitasnya bervariasi secara linier terhadap T. Untuk sebagian besar metal temperatur debye berharga mendekati atau di bawah temperatur kamar, maka dari itu
Hal ini membuat mungkin untuk mendefenisikan temperatur koefisien resisitansi (TCR), α
α =
1 R R T
R = Resistansi ( Ω ) B. CACAT TITIK (POINT DEFECT) Atom impuritas yang menyelusup masuk dalam metal umumnya akan membawa muatan listrik efektif yang berbeda dengan logam induknya. Hal ini akan membuatnya berkelakuan sebagai sumber dari hamburan elektron, resistivitas bertambah dengan naiknya konsentrasi impuritas dan mencapai maksimal pada komposisi. Alloy mendekati 50% impuritas sistem perak – emas . LIHAT GAMBAR DIBAWAH.
Resistivity
Komposisi (%) Resistivity
C. KETIDAKSEMPURNAAN STRUKTUR (STRUCTURAL IMPERFECT)
Kontribusi resistivitas disebabkan kekosongan dan penyisipan (intertisial). 1. Material bulk pada suhu mutlak T mempunyai ketidaksempurnaan dalam orde e -w/kT dimana w adalah energi aktivasi untuk pembentukan ketidaksempurnaan. 2. Pada thin film pada ketebalan yang cukup besar dibentuk pada kondisi vakum yang baik dan bersih menjukkan resistivitas > beberapa % dari ρ bulknya 3. Phase insulating dapat hadir/timbul bila impuritas yang cukup besar dan terkonsentrasi pada batas butir.
I.
THIN FILM RESISTORS
A. Bentuk & bahan perbandingan Dua bentuk dasar dari resistor thin Film yang digambarkan berikut ini :
L
w
S
TERMINATIONS
W
W
a
b
Gbr 8. Patron Thin Film Resistor
W = film width (lebar film) S = spacing w = line width (lebar garis Film)
D. Hukum Matthiessen (Matthiessen rule)
Hukum ini menyatakan bawa resistivitas sampel akan merupakan penjumlahan dari masing – masing kontribusi yang dibuat oleh semua sumber – sumber resistivitas, resistivitas residual adalah jumlah resistivitas diluar pengaruh temperatur, yang ditulis,
T
T
temp
residual
Temp Po
str
Dari gambar 2. resistansi R dari film ditentukan oleh crossectional W.t, dimana : W = lebar Film, t = ketebalan , L = panjang Film dan ρ = specific resistivity
Untuk sheet resistivity ( di buat l = w), maka
Berarti Resistansi fil dan sheet ditentukan oleh resistivitas jenis dan ketebabalan
Dari bentuk Gbr b, adalah Bentuk Umum dari beberapa Thin Film Resistor. Resistansinya diberikan oleh :
Temperatur Koefisien dari resistansi (TCR) diberikan :
Dimana Ro = resistansi pada temperatur mula – mula (To) dan R1 = resistansi pada temperatur T1. Hubungan Resistivity dengan TCR untuk bahan fasa tunggal. Grafik TCR
Resistivity
Gbr 12. Resistivitas Jenis dari Chromium (Cr) sebagai fungsi Ketebalan & Temperatur substrat Grafik
Gbr 14 Resistivitas jenis dan komposisi dari Nichrome (Ni-Cr) film merupakan fungsi Ketebalan film Grafik
Gbr 15 Ketergantungan TCR pada Nichrome film terhadap Ketebalan Grafik
II. THIN FILM CAPACITOR
1. Model Thin Film kapasitor plat sejajar
I / 1 . Elektroda bawah II/ 2 . Dielektrik III/3 . Elektroda Atas
Kapasitansi suatu kapasitor dengan bahan dielektrik udara / vakum
Kapasitansi Kapasitor dengan Bahan dielektrik
Koefisien Dieletrik = konstanta Dielektrik
Tabel
Metoda Deposisi
Bahan
Konsatanta
Tegangan
Dielektrik
Breakdown
(k = ԑr) SiO2
R. Sputtering
4
3.0
MgF2
T. Evaporasi
5
1.0
SiO
T. Evaporasi
4.3 – 6.3
1.2
Al2O3
Plasma oxidation
8
2.0
To2O5
R. Sputtering
20
1.0
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Pengukuran Resistivitas Film 1. Four Point Probe(FPP) Metode 4 titik Probe ini adalah salah satu jenis alat yang bisa dilakukan untuk mengukur resistansi dari thin film. Four point probe (FPP) terdiri dari 4 buah probe dengan 2 Probe berfungsi untuk mengalirkan arus listrik dan probe lain untuk menukut tegangan listrik saat dikenakan sampel. Amperemeter
I
Voltmeter
V
1
2
3
Substrat
Skema Four Point Probe
4
Thin Film
Dimana ke empat probe dapat digerakkan naik-turun untuk mengenai permukaan thin film, Gerak naik untuk melepaskan sentuhan dari thin film. Susunan FPP yang digunakan terdiri dari 4 metal Tungsten yang sama jaraknya antar ujungnya dengan radius terbatas. Ujungnya berbentuk bulat. Dalam pengukuran resistansi thin Film dengan metode FPP dapat digunakan untuk menentukan Specific resistivity ρ dari bahan thin Film.
Rs = Resistansi Sheet
Dimana V dan I di dapat di pengukuran sehingga resistivity dengan persamaan ρ
ρ
dapat dihitung
= Rs . d d = Ketebalan Rs = Resistansi
Two Point Probe (TPP) juga dapat dilakukan untuk pengukuran Resistansi thin Film, dalam pengukuran ini di lakukan dua kali dengan 2 alat : alat ukur tegangan (Voltmeter) dan alat ukur arus (Amperemeter) secara terpisah namun hasil Resistansi sama dengan pengukuran resistansi dengan alat FPP. I V
Thin Film Substrat
Dalam perhitungan resistansi thin Film dengan metode ini dapat digunakan untuk menghitung specific resistivity dari bahan thin Film.
Jika L = b (di buat) b
L t
Rs = resistansi sheet t = ketebalan ρ = resistansi
Thin Film
3. Metode Van der Pauw
Metode Van der Pauw dapat digunakan untuk menentukan specific resistivity thin Film.
a
d Thin Film
Iab
Vcd
c
b Substrat
Dimana 4 kontak yaitu A, B, C, D yang diletakkan pada permukaan sampel. Pengukuran dilakukan dengan memberikan arus pada titik A, B dan mengukur tegangan pada titik C, D KEMUDIAN Arus diberikan pada titik B, C dan tegangan di ukur pada titik A, D (lihat gambar)
