pengaruh suhu substrat terhadap struktur kristal lapisan tipis nife hasil deposisi dengan teknik...

PROSIDING SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 19 September 2006

ISSN 1410 - 8178 Bambang Siswanto dkk 12

PENGARUH SUHU SUBSTRAT TERHADAP STRUKTUR KRISTAL LAPISAN TIPIS NiFe HASIL DEPOSISI DENGAN TEKNIK

SPUTTERING

Bambang Siswanto, J. Karmadi, Slamet Riyadi, Sumarmo Pustek Akselerator dan Proses Bahan Batan Yogayakarta

ABSTRAK

PENGARUH SUHU SUBSTRAT TERHADAP STRUKTUR KRISTAL LAPISAN TIPIS NiFe HASIL DEPOSISI DENGAN TEKNIK SPUTTERING. Telah dilakukan deposisi lapisan tipis NiFe pada substrat kaca dengan menggunakan teknik plasma sputtering. Variasi suhu substrat pada 150 – 250 oC sedangkan parameter proses yang lain dibuat tetap dengan tujuan dapat diperoleh lapisan tipis NiFe yang mempunyai struktur kristal yang sesuai dengan bahan target dan dapat digunakan sebagai bahan sensor magnet. Karakterisasi struktur kristal menggunakan X-Ray Difraction dan pengukuran resistansi dengan probe empat titik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kesesuaian struktur kristal lapisan tipis dengan target NiFe diperoleh pada suhu substrat 200 oC dengan nilai resistansi terkecil sebesar 34,4 Ω dan nisbah magnetoresistansi sebesar 2,03 %.

ABSTRACT

THE INFLUENCE OF SUBSTRATE TEMPERATURE ON CRYSTAL STRUCTURE OF NiFe THIN FILM PREPARED USING PLASMA SPUTTERING TECHNIQUE. The NiFe thin films were deposited on glass substrate using plasma sputtering technique. Variations of the substrate temperature were at 100 oC to 250 oC with the purpose is to obtain the thin film with the crystal structure of NiFe target and can be used for the magnetic sensor material. The crystal structure was characterized by the X-Ray Diffraction and the resistance of thin film has been measured by four point probes. It was obtained that the crystal structure of thin film that is FeNi crystal structure was achieved at substrate temperature 200 oC and the minimum resistance of thin film is 34.4 Ω with the magneto-resistance ratio is 2.03 %.

PENDAHULUAN

erkembangan teknologi di Indonesia sangat pesat terutama dalam bidang industri nasional

untuk menghasilkan suatu bahan yang mempunyai sifat-sifat yang lebih unggul. Satu diantara bahan yang sering digunakan adalah paduan NiFe khususnya untuk material yang berhubungan dengan medan magnet karena bahan tersebut dapat dibuat lapisan tipis dan sering diaplikasikan untuk bahan sensor magnet yang sensitiv. Gejala fisis utama yang melatar belakangi pengembangan pembuatan lapisan tipis NiFe adalah adanya perubahan nilai hambatan (resistansi) yang menyolok akibat pengaruh medan magnet luar, selain itu paduan NiFe tersebut hampir tidak menampilkan gejala magnetostriksi (magneto-striction) sehingga tidak perlu diperhitungkan lagi kemungkinan munculnya

perubahan struktur kisi (latitice), jadi kepekaan bahan tersebut terhadap medan magnet hanya cukup terkait dengan sifat resistivitasnya[1].

Banyak metode yang telah digunakan dalam pembuatan lapisan tipis yaitu metode evaporasi, CVD-glow discharge dan teknik sputtering baik DC, RF maupun Magnetron serta terdapat sejumlah metode yang telah dikembangkan baik dengan peralatan yang rumit sampai dengan peralatan yang sederhana[2,3]. Dalam penelitian ini dengan menggunakan metode sputtering karena selain peralatannya tidak begitu rumit, prosesnya cepat dan segala target padatan dapat dideposisikan tanpa harus diuapkan pada suhu tinggi. Namun demikian dal;am teknologi lapisan tipis yang hanya memiliki ketebalan 1nm sampai 1000 nm, maka penguasaan teknologi vakum tinggi sangat

P



Bambang Siswanto, dkk ISSN 1410 - 8178 13

diperlukan dan dengan menggunakan tingkat tekanan rendah ≈10-5 Torr diharapkan kontaminasi lapisan tipis dengan materi dalam ruang reaksi dapat diminimumkan.

Dalam proses penumbuhan lapisan tipis NiFe keberhasilannya sangat dipengaruhi oleh parameter deposisi yaitu tekanan gas, waktu deposisi, geometri sistem elektrode dan suhu substrat. Dalam masalah ini suhu substrat sangat dominan dalam pembentukan struktur kristal lapisan tipis yang terbentuk, karena substrat bukan hanya tempat menampung partikel-partikel terdeposit tetapi juga merupakan penyangga (buffer). Kelistrikan dan struktur kristal lapisan tipis magnetik sangat kuat dipengaruhi oleh suhu substrat selama deposisi karena pemanasan pada substrat merupakan supply enegi aktivasi termal pada atom-atom substrat sehingga memudahkan atom-atom tersebut untuk bergetar (vibration) dan menghasilkan celah antar atom untuk memudahkan atom-atom deposit memasukinnya.

TATA KERJA DAN PERCOBAAN

Dalam penelitian ini dilakukan beberapa tahapan yang meliputi, preparasi cuplikan dan target, proses deposisi, dan karakterisasi hasil deposisi.

Persiapan target dan preparasi cuplikan Bahan utama yang disiapkan dalam

percobaan ini adalah bahan target dengan diameter 60 mm tebal 3 mm dari bahan paduan NiFe. Sedangkan substrat terbuat dari bahan kaca preparat yang dipotong dengan ukuran 10×20 mm2, dihaluskan bekas potongannya menggunakan kertas abrasif. Kemudian dilakukan pencucian substrat secara berturut-turut; pertama dengan air deterjen untuk menghilangkan adanya kontaminasi senyawa organik maupun non organik pada permukaan substrat yang mungkin timbul pada pengerjaan sebelumnya, lalu dengan air bersih dan alkohol dalam ultrasonic cleanner, kemudian dikeringkan dalam oven dan selanjutnya dibungkus dengan kertas tisu dan dimasukkan ke dalam kantong plastik.

Proses deposisi lapisan tipis NiFe Peralatan sistem deposisi yang digunakan

adalah plasma sputtering DC dengan komponen utama : tabung reaktor plasma, sistem elektrode (terdiri dari sepasang elektrode yang dipasang sejajar, satu sebagai tempat substrat dan yang satu sebagai tempat target), sistem catu daya tegangan tinggi dc, sistem vakum difusi, rotari dan meter vakum, sistem pendingin target dan pemanas substrat, sumber gas argon dan sistem aliran gas ke tabung plasma. Dalam proses deposisi substrat dan

target diletakan pada elektrode di dalam tabung reaktor seperti ditunjukkan pada Gambar 1, lalu dihampakan dengan sistem vakum rotari dan turbo, selanjutnya sistem pemanas dan sistem pengontrol aliran gas diatur sesuai parameter yang dikehendaki, kemudian catu daya tegangan tinggi DC dihidupkan sampai gas argon dalam tabung reaktor terionisasi.

Interaksi ion-ion target energi tinggi dengan atom-atom sasaran akan menyebabkan tersputternya atom-atom target dan juga bergesernya atom-atom sasaran dari posisi awalnya sehingga terbentuk kekosongan (vacancies). Atom-atom target yang tersputter bertumbukan dengan molekul-molekul gas dan akhirnya tersebar pada permukaan karena tekanan gas sangat tinggi dan jalan bebas rata-rata dari partikel-partikel yang tersputter kurang dari jarak elektroda[3,4]. Dengan berjalannya waktu deposisi maka atom-atom target yang terhambur akan menempati ruang kosong di sekitarnya secara sisipan (interstition) dan masuk ke dalam permukaan substrat secara difusi. Kedalaman atom-atom terdeposi secara difusi juga dipengaruhi oleh suhu substrat, dalam hal ini suhu substrat divariasi dan suhu 50, 100, 150, 200 dan 250 oC dengan parameter proses yang lain tetap seperti tekanan gas 1,3 × 10-1 torr dan waktu deposisi 30 menit.

Skema peralatan tersebut disusun menjadi suatu sistem deposisi sebagai sistem Plasma Sputtering DC dengan sistem elektrode, ditunjukkan pada Gambar 1

Gambar 1. Skema Peralatan Plasma Sputtering DC.

Karakterisasi lapisan tipis NiFe

Karakterisasi struktur kristal Apabila sampel dikenai sinar-X, maka

intensitas sinar-X yang ditransmisikan lebih kecil dari intensitas sinar datang. Hal ini disebabkan adanya penyerapan dan hamburan oleh atom-atom




dalam material tersebut. Berkas sinar yang dihamburkan ada yang saling menghilangkan karena fasenya berbeda (distruktif) dan ada yang saling menguatkan karena fasenya sama (konstruktif). Persyaratan yang harus dipenuhi agar sinar-X yang dihamburkan terinterferensi kosntruktif (hukum Bragg), adalah perbedaan lintasan berkas difraksi sinar-X merupakan kelipatan panjang gelombang yang secara matematis dirumuskan : nλ = 2d sinθ

Di mana n adalah bilangan bulat 1, 2, 3, .., λ adalah panjang gelombang sinar-X, d adalah jarak antar bidang dan θ adalah sudut difraksi. Berkas sinar-X tidak hanya dipantulkan oleh bidang permukaan saja, melainkan juga dipantulkan oleh bidang-bidang dibawahnya dan keadaan ini mem-bentuk pola interferensi yang saling menguatkan untuk sudut-sudut yang memenuhi hukum Bragg. Gejala ini dapat diamati pada grafik hubungan antara intensitas spektrum karakteristik sebagai fungsi sudut hamburan 2θ, hal ini memberikan informasi dalam analisis struktur kristal dengan XRD.

Pengukuran magnetoresistansi dan perhitungan nisbah

Untuk membuat piranti elektronika, satu diantara beberapa sifat yang penting adalah resistivitas. Untuk mengukur resistivitas pada lapisan tipis dapat digunakan metode probe empat titik. Suatu jajaran empat probe diletakkan diatas lapisan tipis yang akan diukur resistivitasnya. Kemudian sumber tegangan dipasang pada dua probe terluar untuk menghasilkan arus diantara probe dalam, dengan demikian pada probe bagian dalam akan timbul tegangan. Hasil yang telah didapat dianalisa berdasarkan hukum ohm, dalam hal ini bila lapisan tipis yang diukur mempunyai ukuran yang tidak terbatas atau bila tebalnya cukup besar dibandingkan dengan jarak antar probe resistivitasnya dapat didekati dengan persamaan (1)[5].

ρ = π V / I ln 2 (1) Tetapi bila tebal lapisannya lebih kecil dari

jarak antar probe maka persamaan menjadi seperti persamaan (2)[5] :

ρ = π V t / I ln 2 (2) dengan t = tebal lapisan tipis

Magnetoresistansi merupakan fenomena perubahan resistansi listrik pada bahan feromagnetik sebagai akibat dari perubahan medan magnet luar. Kemampuan medan magnet luar ketika mengarah-kan momen magnetik dari keadaan arah spin magnetik berlawanan arah (anti paralel) menjadi searah (paralel) adalah sangat penting, karena dasar magnetoresistansi adalah ketergantungan dari

tahanan listrik terhadap arah spin elektron yaitu paralel/ antiparalel terhadap momen magnet lapisan. Besarnya nisbah magnetoresistansi adalah :

%100%100 Χ

−=Χ

∆=

o

Ho

o RRR

RRMRNisbah

(3) dengan RH adalah resistansi pada medan magnet luar (H) dan Ro adalah resistansi tanpa medan magnet luar.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil karakterisasi dengan X-Ray Difraction diperoleh spektrum hubungan antara intensitas difraksi dengan sudut 2θ, baik untuk target maupun lapisan tipis NiFe seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 - Gambar 5 dan hasil pengukuran magnetoresistansi ditunjukkan pada Gambar 6, 7.

Gambar 2. Spektrum pola difraksi sinar-X hasil pengamatan XRD dari target NiFe.

Gambar 2 menunjukkan spektrum pola difraksi sinar-X hasil pengamatan XRD dari target NiFe, juga terlihat bahwa telah terbentuk struktur kristal dari senyawa NiFe pada sudut 2θ sebesar 42,3419, selain itu juga terbentuk senyawa-senyawa Ni maupun Fe dengan oksigen yaitu ditandai dengan terbentuknya struktur kristal dari NiO, Fe2O3, FeO dan Fe3O4 masing-masing pada sudut 2θ sebesar 35,8312; 43,5579; 50,9434 dan 62,0055. Terbentuknya senyawa-senyawa oksida tersebut kemungkinan besar terjadi pada saat pemanasan target, hal ini disebabkan karena target dipanaskan dengan sistem pemanas di ruang atmosfir.

Gambar 3 menunjukkan spektrum pola difraksi sinar-X hasil pengamatan XRD dari lapisan tipis NiFe untuk suhu substrat 100 oC, tekanan gas 1,3×10-1 torr dan waktu deposisi 30 menit, juga terlihat bahwa telah terbentuk senyawa-senyawa yang mempunyai kemiripan dengan yang terjadi pada target seperti NiO, NiFe, Fe2O3 dan Fe3O4 dengan ditandai terbentuknya puncak-puncak intensitas difraksi yaitu pada sudut 2θ masing-



Bambang Siswanto, dkk ISSN 1410 - 8178 15

masing sebesar 37,5871, 43,5585, 44,8000 dan 63,0669 namun struktur kristal FeO tidak jelas terbentuk. Ditinjau dari intensitas difraksi maka intensitas puncak senyawa NiO lebih tinggi dibandingkan dengan intensitas puncak senyawa NiFe, hal ini membuktikan bahwa struktur kristal NiO lebih teratur dibandingkan dengan struktur kristal NiFe. Jika dibandingkan dengan spektrum pola difraksi sinar-X dari target, maka terjadi pergeseran sudut 2θ dari puncak-puncak intensitas difraksi. Hal ini kemungkinan terjadinya stress yang disebabkan adanya pemanasan substrat selama proses deposisi.

Gambar 3. Spektrum pola difraksi sinar-X hasil

pengamatan XRD dari lapisan tipis NiFe untuk suhu substrat 100 oC, tekanan gas 1,3×10-1 torr dan waktu deposisi 30 menit.

Gambar 4. Spektrum pola difraksi sinar-X hasil pengamatan XRD dari lapisan tipis NiFe untuk suhu substrat 200 oC, tekanan gas 1,3×10-1 torr dan waktu deposisi 30 menit.

Gambar 4 menunjukkan spektrum pola difraksi sinar-X hasil pengamatan XRD dari lapisan tipis NiFe untuk suhu substrat 200 oC, tekanan gas 1,3×10-1 torr dan waktu deposisi 30 menit, juga terlihat bahwa telah terbentuk senyawa-senyawa

yang mempunyai kemiripan dengan yang terjadi pada target seperti NiO, NiFe, Fe2O3 dan Fe3O4 dengan ditandai terbentuknya puncak-puncak intensitas difraksi yaitu pada sudut 2θ masing-masing sebesar 37,4391, 43,4239, 44,7255 dan 63,0043 namun struktur kristal FeO juga tidak jelas terbentuk. Ditinjau dari intensitas difraksi maka intensitas puncak senyawa NiO lebih rendah dibandingkan dengan intensitas puncak senyawa NiFe, hal ini terbukti bahwa struktur kristal NiFe lebih teratur dibandingkan dengan struktur kristal NiO.

Gambar 5. Spektrum pola difraksi sinar-X hasil

pengamatan XRD dari lapisan tipis NiFe untuk suhu substrat 250 oC, tekanan gas 1,3×10-1 torr dan waktu deposisi 30 menit.

Gambar 5 menunjukkan spektrum pola difraksi sinar-X hasil pengamatan XRD dari lapisan tipis NiFe untuk suhu substrat 250 oC, tekanan gas 1,3×10-1 torr dan waktu deposisi 30 menit, juga terlihat bahwa telah terbentuk senyawa-senyawa yang mempunyai kemiripan dengan yang terjadi pada target seperti NiO, NiFe, Fe2O3 dan Fe3O4 dengan ditandai terbentuknya puncak-puncak intensitas difraksi yaitu pada sudut 2θ masing-masing sebesar 37,4123, 43,3614, 44,6921 dan 62,8985 namun struktur kristal FeO juga tidak jelas terbentuk. Ditinjau dari intensitas difraksi maka intensitas puncak senyawa NiO lebih tinggi dibandingkan dengan intensitas puncak senyawa NiFe, hal ini menyerupai spektrum pola difraksi sinar-X untuk lapisan tipis NiFe pada suhu substrat 100 oC sedangkan yang membedakan adalah struktur kristal Fe2O3 hampir tidak terbentuk.

Pada Gambar 6 menunjukkan grafik hasil pengukuran magnetorsistansi lapisan tipis NiFe sebagai fungsi medan magnet luar, juga terlihat bahwa nilai resistansi lapisan tipis NiFe maksimum diperoleh pada medan magnet luar = 0 (sebesar 34,3 Ω), karena pada saat belum ada medan magnet keadaan momen magnetik lapisan masih berorientasi acak. Tetapi setelah diberi medan magnet luar maka resistansi lapisan tipis NiFe




menurun seiring dengan bertambahnya medan magnet terpasang, hal ini terjadi karena kehadiran medan magnet luar telah mengarahkan momen-momen magnetik lapisan tipis NiFe searah dengan arah magnetisasi. Dan kehadiran medan magnet luar juga menyebabkan rapat elektron meningkat sehingga mobilitas elektron meningkat dan resistansinya menurun. Pada penambahan medan magnet -5 s/d 5 Gauss terjadi penurunan resistansi yang sangat tajam hal ini mengindikasikan bahwa lapisan tipis NiFe cukup peka terhadap medan magnet lemah.

Gambar 6. Grafik hasil pengukuran magnetoresis-

tansi lapisan tipis NiFe sebagai fungsi medan magnet luar. Untuk lapisan tipis NiFe yang ditumbuhkan pada suhu substrat 200 oC.

KESIMPULAN

Dari beberapa hasil karakterisasi dan pengukuran magnetoresistansi lapisan tipis NiFe untuk berbagai suhu substrat maka dapat disimpulkan bahwa,

Suhu substrat pada teknik sputtering mempengaruhi terbentuknya struktur kristal lapisan tipis dan struktur kristal NiFe yang paling teratur dalam proses deposisi ini dicapai pad suhu substrat 200 oC.

Terbentuknya senyawa-senyawa oksida pada target terjadi ketika proses pemanasan dan untuk lapisan tipis dimungkinkan karena reaksi gas sisa di dalam ruang reaktor plasma.

Dari pengukuran magnetoresistansi diper-oleh karakteristik lapisan tipis NiFe yang peka terhadap medan magnet luar antara -5 s/d 5 Gauss dan mengindikasikan dapat digunakan untuk sensor magnet lemah dengan nisbah sebesar 2,03 %.

UCAPAN TERIMA KASIH

Terima kasih kepada Sdri Ririn Handarwati, yang telah banyak membantu dalam eksperimen dan semoga atas jerih payahnya mendapat imbalan yang setimpal dari Allah SWT..

DAFTAR PUSTAKA

1. BUDI PURNOMO, Analisis Gejala Magnetoresistansi dan Struktur Mikroskopi Lapisan Tipis Magnetik Ni80Fe20 Hasil Deposisi Sputering, Skripsi S-1 FMIPA UGM, 1998

2. GEORG HASS, MAURICE HF, JOHN IV, Physics of Thin Film, Academic Press, New York, (1982)

3. KONUMA M, "Film Deposition by Plasma Techniques", Springer Verlag, Berlin, 1992

4. WASA, K., HAYAKAWA, S., “Handbook of Sputter Deposition Technology : Principles, Technology and Aplication”, Noyes Publication, New Jersey, 1992.

5. HALLIDAY, RESNICK, PANTUN SILABAN, ERWIN SUCIPTO, “Fisika”, Erlangga, Jakarta, (1984).

TANYA JAWAB

Rani Saptaaji Parameter proses apa saja yang mempengaruhi terbentuknya struktur kristal ?

Dan parameter proses yang mana yang paling dominant ?

Dalam penelitian saudara apakah hasilnya sudah dapat digunakan untuk sensor magnet ?

Bambang Siswanto Ada beberapa parameter proses yang mempengaruhi terbentuknya struktur kristal diantaranya, suhu substrat, tekanan gas, waktu deposisi, jarak electrode. Parameter yang sangat dominan dalam hal ini adalah suhu substrat karena berhubungan langsung dengan proses difusi partikel-partikel tersputter. Dilihat dari grafik hasil pengukuran magnetoresistansi mengindikasikan material tersebut dapat digunakan sebagai sensor magnet lemah.

pengaruh suhu substrat terhadap struktur kristal lapisan tipis nife hasil deposisi dengan teknik...

Documents