Physical Vapor Deposition

ZIKKY SURYO PERMADI

5353117330

TUGAS PERLAKUAN PERMUKAAN

PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS NEGERI JAKARTA

2014

BAB 1

PENDAHULUAN

The thin film hard coating dan Thermal Diffusion adalah metode coating

/pelapisan yang paling baru untuk meningkatkan lifetime stamping tool dan

meningkatkan qualitas hasil stamping. Applikasi metode ini terus meningkat dan

yang paling penting adalah meningkatkan keuntungan kepada pemakai Stamping tool

dan alat kerja lainnya. The thin film hard coating (Lapisan keras tipis) adalah Nitride

dan Keramik bahan dasar-Carbide dengan ketebalan 0.2-10µm. Metode ini

mempunyai dua teknik, diantaranya :

Chemical Vapor Deposition (CVD), di mana material coating (contoh :

Titanium dan Nitrogen) berbentuk gas, dan reaksi thermochemical untuk

membentuk coating tool. Kemudian dipanaskan mendekati. 1,000 °C. yang

dikenal sebagai "Hot Process"

Physical Vapor Deposition (PVD), di mana material coating berbentuk padat

(Solid) dengan menggunakan ruang hampa Tinggi. Dan pembuatan metal

atom oleh evaporasi, sputter dan metoda pemboman ion, pada temperatur

500°C. yang dikenal dengan "Cold Process"

Physical Vapor Deposition (PVD) adalah bagian dari Vacuum coating

technology istilah umum yang digunakan untuk menjelaskan dari berbagai metoda

untuk deposit thin film oleh kondensasi yang di evaporasi dari material ke berbagai

permukaan. Semua metoda PVD yang digunakan memerlukan ruang hampa tinggi,

secara relatif mengijinkan melekul bebas, metal dari atom dan gas yang dicampur

untuk membentuk reaksi dari permukaan tool. Ada beberapa sistim PVD untuk

menghasilkan metal ion dan reaksi thermochemical untuk membentuk lapisan

diantaranya :

1. Electron Gun, mengarahkan suatu arus dari energy elektron yang tinggi ke

arah Material deposisi dalam suatu tempat dan penguapan di ruang hampa

tinggi dari sistem deposisition.

2. Sputtering, di mana argon yang di ionisasi membom target deposisi metal

dan atom yang diperlukan untuk reaksi pembentukan pelapisan.

3. Arc, Evaporasi material deposisi dan melempar dengan cepat ke arah tool

surface(Substrate) , bersama-sama dengan gas reaktif ( Nitrogen atau Carbon

gas dari metan).

1. PROSES PVD ARC

PVD Arc atau Cathodic Arc Deposition adalah Proses Physical Vapor

Deposition di mana suatu busur cahaya digunakan untuk Evaporasi material dari

suatu target katode. Material yang di evaporasi kemudian dikondensasi di suatu

substrate, membentuk suatu film yang tipis. Teknik ini dapat digunakan untuk

deposit metalik, ceramic dan film komposit. Proses Arc evaporation dimulai

dengan membentuk suatu busur cahaya Arus tinggi, Voltage yang rendah dari

suatu katode (yang dikenal sebagai TARGET) pada umumnya beberapa

mikrometer lebar/luas, kegiatan pancaran area dikenal sebagai Cathode Spot.

Temperatur disekitar cathode spot sangat tinggi (sekitar 15000 °C), yang

mengakibatkan suatu percepatan yang tinggi (10 km/s). Pancaran dari material

katode yang dievaporasi, meninggalkan suatu kawah/lubang ledakan di sekitar

permukaan katode. Cathode Spot adalah hanya aktip untuk jangka pendek

(Triger), Perilaku ini disebabkan oleh gerakan arc. Arc pada dasarnya adalah

konduktor pembawa arus yang dapat dipengaruhi oleh medan elektromagnetis,

yang dalam prakteknya digunakan untuk mempercepat perpindahan gerakan

busur cahaya keseluruh permukaan target sehingga total permukaan dikikis dari

waktu ke waktu. Arc mempunyai rapat daya sangat tinggi yang menghasilkan

ionisasi yang lebih tinggi (30-100%), multiply charged ion, unsur partikel netral,

cluster dan macro-particles (droplets). Jika reaktif gas diperkenalkan sepanjang

proses penguapan, pemisahan, eksitasi dan ionisasi dapat terjadi selama interaksi

dengan perubahan ion terus menerus dan composite film akan dideposit.

2. Mesin PVD

Teknik PVD tidak terlalu susah untuk dipahami, yang penting kita harus

mengerti : Teknik Vacuum, Evapouration, Deposition, Ionization dan Electronic

Automation . Proses PVD melibatkan penarikan ruang hampa/vacuum chamber

yang tertutup rapat dan bersih. dimana penarikan ruang hampa yang cukup akan

mempunyai jarak yang sangat besar diantara atom di dalam ruang chamber. pada

dasarnya chamber harus hampa seperti di angkasa luar.

Mesin PVD adalah chamber yang sederhana dengan apa yang disebut sebagai

cathode metal plate di dalamnya. Bagian dalam yang dilengkapi dengan berbagai

alat ukur yang digunakan untuk mengontrol reaksi yang ada. Ruang hampa dan

plat metal yang mempunyai electric arc untuk melempar material ke permukaan

yang di coating, ini menyebabkan permukaan Target bangkit dan meluncurkan

ion logam pada tingkatan energy tinggi melalui bukaan pada mesin sampai

mereka menghadapi medan plasma di sekitar part yang di coating. medan plasma

ini sangat dibebankan oleh kelompok partikel unsur yang memancarkan warna

tertentu tergantung pada gas yang digunakan (ingat bola lampu neon, HID

automotive head light atau plasma cutting) Gas yang dibangkitkan ini (yang

dibuat dari Nitrogen) detemui oleh ion logam yang dipancarkan dari plat metal,

yang sudah dijelaskan di permulaan ini. Ion logam (Titanium+plasma+Nitrogen)

menciptakan Titanium nitride (TiN). kombinasi lapisan sederhana dari metal dan

gas.

Contoh :

1. Titanium + Nitrogen = TiN

2. Aluminum + Titanium + Nitrogen = AlTiN

3. Titanium + Aluminum + Nitrogen = TiAlN

4. Titanium + Nitrogen + C2H2 (Acetylene) = TiCN

5. Chromium + Nitrogen = CrN

6. Cr + Ti + C2H2 (Acetylene) + Nitrogen - CrTiCN

3. Preparasi (surface preparation) :

Semua tool steels dapat dilapisi dengan teknik ini - Temperature coating dari

300 sampai 500 ° C sungguh baik karena di bawah temperatur normal heat

treatment. Ukuran dan dimensi dari alat tetap tidak berubah setelah proses

coating.

Semua permukaan part harus bebas dari oksidasi, cat marker atau potensi

kontaminasi.

Perubahan dangkal yang diproduksi oleh EDM cutting, ion nitriding "White

layer" atau oksidasi heat treatment harus dibersihkan secara mekanik.

Semua insert, baud, dan lain lain harus dihilangkan, supaya pembersihan

benar2 komplit.

Welded repair diperbolehkan dengan welding continous tanpa ada crack dan

kontaminasi.

Permukaan kerja secara menyeluruh dipolising, mirror finish (0.1-0.4µm).

sangat direkomendasikan untuk mengikuti surface finish quality.

Jika alat mempunyai kerusakkan lapisan tipis, dapat dibersihkan dengan

metode mekanis (dry blasting) atau bahan kimia. Pembersihan mekanis

memerlukan juga re-polishing dari permukaan kerja, dengan 0.02 sampai 0.04

mm. perubahan yang dimensional di permukaan masing-masing.

Cost proses PVD coating adalah 2 - 3 kali lebih tinggi dibanding Hard

Chrom, 2 kali lebih rendah dari CVD dan 3 - 4 kali lebih rendah dari TD. Hasil

yang ekonomis bervariasi tergantung dari aplikasi.

Benda kerja diendapkan dengan uap melalui reaksi kimia oleh gas yang

terdiri dari senyama kimia. Ketebalan pelapisan biasanya dalam skala micron.

Material yang mampu diendapkan di antaranya logam, paduan, karbida, nitride,

borides, keramik, atau oksida. Dua metode dalam vapor deposition

4. Physical vapor deposition

Terdiri dari tiga tipe yaitu vakum, sputtering, dan ion plating.

Temperature kerjanya 2000 – 5000C. partikel diendapkan ke benda kerja melalui

reaksi kimia

1. Vacuum deposition

Logam diuapkan pada temperature tinggi dalam vakum dan

diendapkan dengan substrate (substrate bertemperatur kamar). Pelapisan ini

bersifat uniform meskipun bentuknya kompleks. Dalam endapan oleh busur

listrik, pelapisan material (katode) diuapkan dengan penguap busur listrik.

Kemudian uap akan terkondensasi. Aplikasi metode ini pada hardware,

perhiasan, dan alat-alat rumah tangga. Pulsed laser deposition, hampir sama

dengan dua metode sebelumnya namun sumber energinya menggunakan sinar

pulsa.

2. Sputtering

Medan listrik diionisasi dengan gas inert. Ion positif menyerang benda

kerja yang akan dilapisi (katode) dan menyebabkan sputtering (percikan) pada

atom.atom kemudian terkondensasi pada benda kerja sehingga meningkatkan

kekuatan ikatan. Dalam reactive sputtering, gas inert digantikan dengan gas

reaktif yang menyebabkan teroksidasi dan oksida diendapkan. Karbida dan

nitride juga diendapkan dengan reactive sputtering. Radio frequency

menggunakan material nonkonduktif sebagai isolator listrik dan peralatan

semikonduktor.

3. Ion plating

Kombinasi antara vakum dengan sputtering. Medan listrik

menyebabkan asap dan menimbulkan plasma. Atom yang teruapkan

terionisasi sebagian. Ion beam enhanced deposition cocok untuk

menghasilkan lapisan tipis saat pelapisan semikonduktor, aplikasi optic, dan

tribological. Dual ion beam deposition pelapisan hybrid, gabungan dari

physical Vapor deposition dengan ion beam bombardment. Aplikasinya pada

bearing keramik dan instrument pada gigi.

5. Chemical Vapor Deposition

Merupakan sebuah proses termokimia. Aplikasinya pada pelapisan titanium

nitride, peralatan yang ditempatkan pada grapit. CVD biasanya lebih tebal

dibandingkan PVD. CVD berlangsung lama terdiri dari 3 jam pemanasan, 4 jam

pelapisan, dan 6-8 jam pendinginan. Ketebalan pelapisan tergantung dengan gas

yang digunakan, waktu, dan temperature.

CVD memiliki kekuatan ikatan yang berubah-ubah. Mampu menghasilkan

pelapisan berlian tanpa pengikat.

Deposisi uap fisik ( PVD ) menjelaskan berbagai metode deposisi vakum

digunakan untuk deposit film tipis dengan kondensasi bentuk menguap dari

bahan film yang diinginkan ke berbagai permukaan benda kerja ( misalnya , ke

wafer semikonduktor ) .

Metode pelapisan melibatkan murni proses fisik seperti suhu tinggi vakum

penguapan dengan kondensasi berikutnya , atau plasma menggerutu penembakan

daripada melibatkan reaksi kimia di permukaan yang akan dilapisi seperti

deposisi uap kimia .

Istilah deposisi uap fisik awalnya muncul dalam 1.966 buku Vapor Deposition

oleh CF Powell , JH Oxley dan JM Blocher Jr. , (tapi Michael Faraday

menggunakan PVD untuk deposit lapisan sejauh 1838 ) . Fisik lapisan deposisi

uap adalah proses yang saat ini sedang digunakan untuk meningkatkan sejumlah

produk , termasuk suku cadang otomotif seperti roda dan piston , alat-alat bedah

, bor , dan senjata .

Versi saat ini dari deposisi uap fisik selesai pada tahun 2010 oleh para ilmuwan

NASA di NASA Glenn Research Center di Cleveland , Ohio . Lapisan ini deposisi

uap fisik terdiri dari lapisan tipis logam yang terikat bersama-sama melalui rig bahwa

NASA selesai berkembang pada tahun 2010. Dalam rangka untuk membuat lapisan ,

pengembang menempatkan bahan penting ke dalam rig , yang menjatuhkan tekanan

atmosfer sekitarnya untuk satu torr ( 1/760 dari atmosfer kita sehari-hari ) . Dari sana

, lapisan dipanaskan dengan obor plasma yang mencapai 17.540 derajat Fahrenheit

atau 9.727 derajat Celcius . NASA PS - PVD adalah salah satu dari hanya dua

fasilitas seperti di Amerika Serikat dan salah satu dari empat di dunia . Dalam dunia

otomotif , itu adalah alternatif terbaru untuk plating chrome yang telah digunakan

untuk truk dan mobil selama bertahun-tahun . Hal ini karena telah terbukti

meningkatkan daya tahan dan berat kurang dari lapisan krom , yang merupakan

keuntungan karena akselerasi dan efisiensi bahan bakar kendaraan akan meningkat .

Fisik uap deposisi lapisan mulai populer karena berbagai alasan , termasuk bahwa itu

meningkatkan daya tahan produk. Bahkan , penelitian telah menunjukkan bahwa hal

itu dapat meningkatkan umur produk yang tidak dilindungi sepuluh kali lipat .

Varian dari PVD termasuk , dalam urutan abjad :

Katodik Arc Endapan : Di mana busur listrik berdaya tinggi habis di target ledakan (

source) materi pergi beberapa menjadi uap yang sangat terionisasi harus disetorkan ke

benda kerja .

Elektron balok deposisi uap fisik : Di mana material yang akan disimpan

dipanaskan dengan tekanan uap tinggi dengan penembakan elektron dalam " tinggi "

vakum dan diangkut oleh difusi harus disetorkan oleh kondensasi pada ( dingin )

benda kerja .

Deposisi evaporasi : Di mana material yang akan disimpan dipanaskan dengan

tekanan uap tinggi dengan pemanasan listrik resistif di " rendah " vakum [ 1 ] [ 2 ] .

Laser deposisi berdenyut : Di mana laser daya tinggi ablates bahan dari target

menjadi uap .

Menggerutu deposisi : Di mana debit cahaya plasma ( biasanya terlokalisasi di

sekitar " target" oleh magnet ) membombardir bahan sputtering beberapa pergi

sebagai uap untuk deposisi berikutnya .

PVD digunakan dalam pembuatan barang-barang , termasuk perangkat

semikonduktor , PET film aluminized untuk balon dan tas makanan ringan , dan alat

pemotong dilapisi untuk logam . Selain alat PVD untuk fabrikasi , alat kecil khusus (

terutama untuk tujuan ilmiah ) telah dikembangkan . Mereka terutama melayani

tujuan film tipis ekstrim seperti lapisan atom dan digunakan sebagian besar untuk

substrat kecil . Sebuah contoh yang baik adalah evaporator e - beam Mini yang dapat

menyimpan monolayers dari hampir semua bahan dengan peleburan poin hingga

3500 ° C .

Pelapis umum yang diterapkan oleh PVD adalah Titanium nitrida , Zirkonium nitrida

, Chromium nitrida , Titanium aluminium nitrida . [ 3 ]

Bahan sumber terhindarkan juga disimpan pada sebagian besar permukaan lain

interior untuk ruang vakum , termasuk fixture untuk memegang bagian .

Beberapa teknik yang digunakan untuk mengukur sifat fisik lapisan PVD adalah :

Calo tester : uji ketebalan lapisan

nanoindentation: Uji kekerasan untuk lapisan film tipis

Scratch tester : lapisan uji adhesi

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Pengendapan lapisan tipis adalah suatu proses yang digunakan di industri

semikonduktor untuk mengembangkan material elektronik, di industri penerbangan

untuk membentuk lapisan pelindung termal atau kimia untuk melindungi permukaan

dari lingkungan yang bersifat korosif, pada optik dapat memberikan sifat reflektif

yang diinginkan dan sifat tranmisi pada substrat dan dimana saja pada industri untuk

mengubah permukaan yang bermacam-macam sesuai sifat yang diinginkan. Proses

pengendapan secara luas dapat di klasifikasikan yaitu physical vapor

deposition (PVD) dan chemical vapor deposition (CVD). Pada CVD, pengembangan

lapisan membutuhkan temperatur yang tinggi, yang utama berdasarkan bentuk dari

hasil gas korosif, dan akan menghasilkan kotoran pada lapisan. Proses PVD

dilakukan pada temperatur pengendapan yang rendah dan tanpa hasil yang korosif

tetapi laju pengendapan rendah.

2.1. Physical Vapor Deposition

Physical Vapor Deposition adalah teknik dasar pelapisan dengan cara

penguapan, yang melibatkan transfer material pada skala atomik. PVD merupakan

proses alternative dari elektroplating. Physical Vapor Deposition terdapat beberapa

metode, diantaranya:

1. Sistem penguapan

Penguapan Thermal/arus panas

Penguapan sinar elektron atau plasma

2. Sistem Percikan (sputtering)

DC diode

DC triode

RF Dioda

DC magnetron

Pada sistem percikan lebih serikali digunakan DC magnetron karena hasil

lapisan lebuh baik dan lebih seragam.

Semua proses ini terjadi di dalam ruang hampa udara pada tekanan kerja 10-2

sampai 10-4 mbar dan secara umum melibatkan pemecahan dari substrat untuk

dilapisi dengan ion bermuatan positif yang reaktif selama proses pelapisan untuk

menaikan densitas tinggi. Tambahan pula, gas-gas reaktif seperti nitrogen, asetilena

atau oksigen bisa dimuat ke dalam ruang vakum selama pengendapan logam untuk

menciptakan berbagai komposisi-komposisi pelapisan. Hasilnya adalah suatu ikatan

sangat kuat antara pelapis dan substrat pembuatan alat dan secara fisik, struktural

yang dikhususkan dan tribological kekayaan lapisan.

Cara kerja Physical Vapor Deposition (PVD) meliputi tahapan evaporasi,

transportasi, reaksi dan deposisi.

1. Evaporasi

Pada tahap ini, sebuah target yang mengandung material yang ingin

diendapkan, dibombardir menjadi bagian-bagian kecil akibat sumber energi

yang tinggi seperti penembakan sinar elektron. Atom-atom yang keluar

tersebut akhirnya menguap.

2. Transportasi

Proses ini secara sederhana merupakan pergerakan atom-atom yang

menguap dari target menuju substrat yang ingin dilapisi dan secara umum

bergerak lurus.

3. Reaksi

Pada beberapa kasus pelapisan mengandung logam oksida, nitrida, karbida

dan material sejenisnya. Atom dari logam akan bereaksi dengan gas

tertentu selama proses perpindahan atom. Untuk permasalahan ini, gas

reaktif yang mungkin adalah oksigen, nitrogen dan metana. Merupakan

proses terjadinya pelapisan pada permukaan substrat.

4. Deposisi

Beberapa reaksi terjadi antara logam target dan gas reaktif mungkin juga

terjadi pada permukaan substrat yang terjadi serempak dengan proses

deposisi.

Physical Vapor Deposition merupakan deposisi uap dengan reaksi fisika yang

dapat dikategorikan menjadi dua jenis:

1. Sputtering (DC atau RF)

Sputerring adalah proses pengeluaran atom dari permukaan suatu material

yang dihasilkan dari benturan antar partikel dengan energi yang besar. Atom-atom

dari permukaan target dapat terlepas akibat ion yang dipercepat menumbuk

permukaan target melalui proses transfer momentum. Pada system sputtering model

planar dua elektroda yaitu katoda dan anoda anoda dalam vakum chamber berada

pada posisi berhadapan dan Katoda dihubungkan dengan sumber RF (radio frekuensi)

atau DC dengan tegangan negatif sedangkan anoda tegangan positif. Antara katoda

dan anoda terbentuk medan elektromagnet yang berperan menginduksi gas-gas

membentuk plasma.

Gambar 1. Skema Proses Sputtering

Sputtering sebagai teknik pengendapan yang memiliki langkah-langkah sebagai

berikut:

1. Penghasilan dan pengendapan ion-ion kepada material

2. Percikan ion-ion atom dari target material

3. atom yang dipercikan berpindah ke substrate yang bertekana rendah

4. atom yang dipercikan mengendap ke substrat, berubah jadi lapisan tipis

Dalam pembuatan VLSI, sputtering memiliki keuntungan yang lebih

dibanding metode PVD yang lain, seperti:

1. Sputtering dapat dilakukan dengan ukuran target yang besar, pengendapan

yang tipis dengan ketebalan yang seragam.

2. Ketebalan lapisan mudah ditentukan dengan parameter pengoperasian yang

tepat dan waktu pengendapan yang sesuai

3. Pengendalian komposisi paduan dapat dilakukan dengan mudah

dibandingkan proses evaporasi.

4. Substrat sputter-cleaning terbentuk dalam ruang hampa sebelum

pengendapan lapisan.

5. Kerusakan dari pengoperasian sinar X dapat dihindari

Namun sputtering juga memiliki beberapa kekurangan, seperti:

1. Biaya awal yang mahal.

2. Beberapa material padatan didapatkan dengan peledakan ion.

3. Sputtering lebih cenderung memberikan kemurnian yang lebih kurang

dibandingkan proses evaporasi.

2. Evaporasi

Evaporasi dibagi menjadi dua tipe:

a. Thermal Evaporation

Meletakkan material target yang ingin diendapkan pada sebuah

container.

Panaskan container tersebut hingga suhu yang tinggi.

Material pelapis menguap

Uap dari material target tersebut bergerak dan menempel pada

permukaan substrat.

Uap pelapis akan menurun suhunya sehingga akan mengeras dan

melekat dipermukaan substrat

Gambar 2. Skema Proses Evaporasi secara umum

Gambar 3. Skema proses penguapan thermal pada uap Alumunium

Pada proses penguapan thermal diatas sebagai contoh pada uap

alumunium pelapis komponen yang diatas diistilahkan wafers. Batang

alumunium ditempatkan diantara filamen tungsten yang keduanya akan dialiri

arus listrik. Arus listrik yang dibutuhkan besar. Ketika dialiri oleh arus listrik,

filamen tungsten tersebut mengalami pemanasan begitu pula pada batang

alumunium. Panas dari filamen dan alumunium tersebut menimbulkan

perpindahan konduktifitas panas dimana ion alumunium akan melepaskan

elektronnya sehingga membentuk lapisan uap alumunium. Tekanan panas

pada tungsten dan batang alumunium sangat tinggi sehingga elekton uap akan

naik sehingga memembentuk permukaan wafers.

Kondisi wafers yang mendapatkan hantaran panas dari filamen dan

batang alumunium akan sedikit mengubah karakterisrik permukaan benda

kerja. Partikel elektron uap alumunium tersebut akan mengisi sedikit demi

sedikit permukaan lapisan wafers sehingga permukaan benda kerja akan

terselimuti oleh endapan dari elektron alumunium. Prinsip kerja ini sama

halnya seperti eletrolisis, namun yang jadi perbedaan adalah ukuran dari ion

yang melapisi dan melibatkan uap dari material logam.

b. Electron Beam Evaporation

Teknik ini menyebabkan penguapan dari material oleh tembakan sinar

elektron yang dipusatkan pada permukaan dari material. Uap dari material

tersebut akan terurai dan akan menuju permukaan dari substrat.

Dipanaskan pada tekanan uap yang tinggi oleh penembakan elektron pada

keadaan vakum.

Gambar 4. Skema Electron Beam Evaporation secara umum

Tak jauh berbeda dengan proses penguapan thermal yang membedakan

adalah cara menghasilkan uap logam yang dicontohkan oleh alumunium. Uap

alumunium dihasilkan dari tembakan lectron untuk mengeluarkan partikel

lectron pada alumunium sehingga dapat dijadikan uap. Partikel lectron

alumunium akan membentuk endapan yang akan menyelimuti benda kerja

Gambar 5. Skema proses penguapan Electron Beam Evaporation pada uap

Alumunium

Hig

h C

urre

nt

Sou

rce

Wafers

Aluminium

Charge

Tungsten

Filament

Aluminium Vapour

Berikut Perbandingan antara Thermal Evaporation dan Electron Beam

Evaporation dapat dijelaskan melalui tabel dibawah ini.

2.2. Chemical Vapor Deposition

Chemical Vapour Deposition (CVD) merupakan reaksi kimia yang

dimaksudkan untuk meningkatkan kemurnian dan hasil yang tinggi dari suatu

material padat. Proses ini sering digunakan dalam industri semikonduktor untuk

menghasilkan lapisan yang tipis. Dalam beberapa tipe CVD, substrat diarahkan ke

satu atau beberapa bagian yang mudah menguap, sehingga reaksi terjadi pada bagian

permukaan substrat untuk menghasilkan endapan yang diinginkan. Seringkali

dihasilkan produk sampingan yang mudah menguap yang terdistribusi oleh gas yang

mengalir dalam ruang reaksi.

Proses microfabrication kebanyakan menggunakan CVD untuk

mengendapakan material dalam berbagai bentuk, seperti monocrystalline,

polycrystalline, amorphous, and epitaxial. Material yang diendapkan biasanya silikon, serat

karbon, carbon nanofibers, filaments, carbon nanotubes, SiO2, silikon-germanium,

tungsten, silicon nitride, silikon oxinitrit, titanium nitrit. CVD juga biasa digunakan

untuk pembuatan berlian sintetik.

Jenis-Jenis Deposisi Uap Kimia

Gambar 6. Hot-wall thermal CVD (batch jenis operasi)

Gambar 7. Plasma assisted CVD

Beberapa proses CVD sering digunakan dan literaturnya sering disesuaikan.

Proses-proses ini dibedakan dari reaksi kimia yang aktif dan kondisi proses.

1. Penggolongan Berdasarkan Tekanan Operasi

a) Atmoshpheric pressure CVD (APCVD) dimana proses CVD terjadi

pada tekanan atmosfer.

b) Low-pressure CVD (LPCVD) dimana proses CVD terjadi pada

tekanan rendah. Pengurangan tekanan biasanya ditujukan untuk

mengurangi reaksi-reaksi fasa gas yang tak diinginkan dan

memperbaiki pendistribusian lapisan pada target. Proses ini pun

termasuk yang paling modern diantara yang lain.

c) Ultrahigh vacuum CVD (UVCVD) dimana CVD terjadi pada tekanan

yang sangat rendah, pada umumnya di bawah 10-6 Pa (~10-8 torr).

2. Penggolongan Berdasarkan Ciri-ciri Fisik Dari Uap Air

a) Aerosol assisted CVD (AACVD) dimana proses CVD terjadi dengan

ditandai pendistribusian ke substrat dengan aerosol liquid ataupun gas.

Teknik ini cocok untuk material yang tidak mudah menguap.

b) Direct liquid injection CVD (DLICVD) dimana CVD terjadi dengan

ditandai dengan panyisipan zat cair. Larutan disuntikan pada ruang

penguapan, lalu uap air didistribusikan ke substrat .

Diklasifikasikan oleh tekanan operasi

Tekanan atmosfer CVD (APCVD)

Proses CVD pada tekanan atmosfer.

Tekanan rendah CVD (LPCVD)

Proses CVD pada tekanan sub atmospheric. Mengurangi tekanan

cenderung mengurangi gas yang tidak diinginkan fase reaksi dan

meningkatkan keseragaman film di wafer. Paling modern proses CVD baik

LPCVD atau UHVCVD.

Ultra High Vaccum CVD (UHVCVD)

Proses CVD pada tekanan sangat rendah, biasanya di bawah 10 -6 Pa (~

10 -8 torr ). Perhatikan bahwa dalam bidang lain, sebuah divisi yang lebih

rendah antara tinggi dan vakum ultra-tinggi adalah umum, seringkali 10 -7 Pa.

Diklasifikasikan oleh karakteristik fisik dari uap

Aerosol dibantu CVD (AACVD)

Sebuah proses CVD di mana prekursor diangkut ke substrat dengan cara

aerosol cair / gas, yang dapat dihasilkan ultrasonically. Teknik ini cocok untuk

digunakan dengan non-volatile prekursor.

Direct Liquid Innjection CVD (DLICVD)

Sebuah proses CVD di mana prekursor dalam bentuk cair (cairan atau

padatan terlarut dalam pelarut yang sesuai). Solusi cair yang disuntikkan di

ruang penguapan menuju injector (biasanya injector mobil). Kemudian uap

prekursor diangkut ke substrat seperti dalam proses CVD klasik. Teknik ini

cocok untuk digunakan pada prekursor cair atau padat.Tingkat pertumbuhan

yang tinggi dapat dicapai dengan menggunakan teknik ini.

Metode plasma

Microwave plasma dibantu CVD (MPCVD)

Plasma Enhanced CVD (PECVD)

CVD proses yang memanfaatkan plasma . untuk meningkatkan laju reaksi

kimia dari prekursor [2]proses deposisi PECVD memungkinkan pada

temperatur rendah, yang sering kritis dalam pembuatan semikonduktor.

Remote Plasma Enhanced CVD (RPECVD)

Serupa dengan PECVD kecuali bahwa substrat wafer tidak langsung di

wilayah debit plasma. Menghapus wafer dari wilayah plasma memungkinkan

pengolahan suhu turun ke suhu kamar.

Atom lapisan CVD ( ALCVD )

Simpanan lapisan yang berurut dari zat yang berbeda untuk menghasilkan

berlapis, kristalin film. Lihatepitaksi lapisan Atom .

Pembakaran Chemical Vapor Deposition (CCVD)

Pembakaran Chemical Vapor Deposition adalah proses suasana terbuka,

api berbasis teknik untuk menyimpan film berkualitas tinggi tipis dan

Nanomaterials.

Kawat panas CVD (HWCVD)

Dikenal sebagai CVD katalitik (Cat-CVD) atau filamen panas CVD

(HFCVD). Menggunakan filamen panas untuk menguraikan kimia gas

sumber. [3]

Deposisi uap kimia metalorganik (MOCVD)

Proses CVD berdasarkan metalorganik prekursor.

Hybrid Fisik-Kimia Vapor Deposition (HPCVD)

Proses deposisi uap yang melibatkan kedua dekomposisi kimia gas

prekursor danpenguapan dari sumber yang solid.

CVD termal cepat (RTCVD)

Proses CVD yang menggunakan lampu pemanas atau metode lain untuk

cepat panas substrat wafer.Pemanasan hanya substrat daripada dinding kamar

gas atau membantu mengurangi reaksi fasa gas yang tidak diinginkan yang

dapat menyebabkan partikel formasi.

Epitaksi fase uap (VPE)

Bahan Yang digunakan Dalam CVD Untuk Intergrated Circuits

Bagian ini membahas proses CVD sering digunakan untuk sirkuit

terpadu (IC). Bahan tertentu yang disimpan terbaik dalam kondisi tertentu.

Polysilicon

Silikon polikristal diendapkan dari silan (SiH4), dengan menggunakan reaksi

berikut:

SiH4 → H + 2 Si2

Reaksi ini biasanya dilakukan dalam sistem LPCVD, baik dengan bahan baku

silan murni, atau larutan silan dengan 70-80 % nitrogen . Suhu antara 600 dan 650° C

dan tekanan antara 25 dan 150 Pa menghasilkan tingkat pertumbuhan antara 10 dan

20 nm per menit. Sebuah proses alternative menggunakan hidrogen solusi

berbasis. Hidrogen mengurangi tingkat pertumbuhan, tetapi suhu dinaikkan sampai

850 atau bahkan 1050°C untuk mengkompensasi.

Polysilicon dapat ditanam langsung dengan doping, jika gas

seperti fosfin , arsine atau diborane ditambahkan ke ruang CVD. Diborane

meningkatkan tingkat pertumbuhan, namun arsine dan fosfin menguranginya.

Silikon dioksida

Silikon dioksida (biasanya disebut hanya "oksida" dalam industri

semikonduktor) dapat disimpan oleh proses yang berbeda. Sumber gas umum

termasuk silan dan oksigen ,dichlorosilane (SiCl2H2) dan oksida nitrogen (N2O), atau

tetraethylorthosilicate (TEOS: Si (OC2H5) 4). Reaksi adalah sebagai berikut:

SiH4 + O2 → SiO2 + 2 H2

SiCl2H2 + 2 N2O → SiO2 + 2 N2 + 2 HCl

Si (OC2H5)4 → SiO2 + sampingan

Pemilihan sumber gas tergantung pada stabilitas termal dari substrat,

misalnya, aluminium sensitif terhadap suhu tinggi. Deposito silan antara 300 dan

500°C, dichlorosilane pada sekitar 900°C, dan TEOS antara 650 dan 750°C,

menghasilkan lapisan oksida suhu rendah (KPP). Namun, silan menghasilkan oksida

kualitas lebih rendah daripada metode lain (lebih rendah kekuatan dielektrik,

misalnya), dan deposito non conformally. Setiap reaksi ini dapat digunakan dalam

LPCVD, namun reaksi silan juga dilakukan di APCVD. CVD oksida selalu memiliki

kualitas lebih rendah dari oksida termal , tetapi oksidasi termal hanya dapat

digunakan pada tahap awal pembuatan IC.

Oksida juga dapat ditanam dengan kotoran ( paduan atau " doping "). Ini

mungkin memiliki dua tujuan. Selama langkah proses lebih lanjut yang terjadi pada

suhu tinggi, kotoran dapat berdifusi dari oksida ke dalam lapisan yang berdekatan

(terutama silikon) dan obat bius mereka.Oksida mengandung kotoran 5-15% massa

sering digunakan untuk tujuan ini. Selain itu, silikon dioksida paduan dengan fosfor

pentoksida("P-kaca") dapat digunakan untuk kelancaran keluar permukaan yang tidak

rata. P-kaca melembutkan dan reflows pada suhu di atas 1000°C. Proses ini

memerlukan konsentrasi fosfor minimal 6%, tetapi konsentrasi di atas 8% dapat

menimbulkan korosi aluminium. Fosfor diendapkan dari gas phosphin dan oksigen:

4 PH3 + 5 O2 → 2 P2O5 + 6 H2

Kacamata yang mengandung boron dan fosfor (kaca borophosphosilicate,

BPSG) menjalani aliran viskos pada suhu yang lebih rendah; sekitar 850°C adalah

dicapai dengan gelas mengandung sekitar 5% berat dari kedua konstituen, tapi

stabilitas di udara bisa sulit untuk dicapai. Fosfor oksida dalam konsentrasi tinggi

kelembaban ambien berinteraksi dengan untuk menghasilkan asam fosfat. Kristal

BPO4 juga dapat endapan dari gelas mengalir pada pendinginan, ini kristal tidak

mudah tergores dalam plasma reaktif standar yang digunakan untuk pola oksida, dan

akan mengakibatkan kerusakan sirkuit dalam pembuatan sirkuit terpadu.

Selain itu kotoran yang disengaja, oksida CVD mungkin berisi produk

sampingan dari proses pengendapan. TEOS menghasilkan oksida relatif murni,

sedangkan silan memperkenalkan kotoran hidrogen, dan dichlorosilane

memperkenalkan klorin .

Menurunkan suhu deposisi dari silikon dioksida dan gelas doped dari TEOS

menggunakan ozon bukan oksigen juga telah dieksplorasi (350 sampai 500°C). Gelas

ozon telah conformality sangat baik tetapi cenderung higroskopis - yaitu, mereka

menyerap air dari udara karena penggabungan silanol (Si-OH) di kaca. Spektroskopi

inframerah dan regangan mekanik sebagai fungsi temperatur adalah alat diagnostik

yang berharga untuk mendiagnosis masalah seperti itu.

Silikon nitrida

Silikon nitrida sering digunakan sebagai insulator dan hambatan kimia di

bidang manufaktur IC. Dua berikut reaksi deposito nitrida dari fase gas:

3 SiH4 + 4 NH3 → Si3N4 + 12 H2

3 SiCl2H2 + 4 NH3 → Si3N4 + 6 HCl H2

Silikon nitrida yang disimpan oleh LPCVD berisi hingga 8% hidrogen. Ini

juga pengalaman tarik yang kuat stres , yang dapat retak film tebal dari 200

nm. Namun, memiliki tinggi resistivitas dan kekuatan dielektrik dari isolator yang

paling umum tersedia dalam microfabrication (10 16 Ω ·cm dan 10 M V / cm,

masing-masing).

Dua reaksi dapat digunakan dalam plasma untuk deposit Sinh:

2 SiH 4 + N 2 → 2 H + 3 Sinh 2

SiH 4 + NH 3 → H + 3 Sinh 2

Film-film ini memiliki stres jauh lebih sedikit tarik, tapi sifat listrik lebih

buruk (resistivitas 6 - 15 Ω. cm, dan kekuatan dielektrik 1 sampai 5 MV / cm).

Logam

Beberapa logam (terutama aluminium dan tembaga ) jarang atau tidak pernah

disimpan oleh CVD. Tembaga pengendapan logam telah dilakukan kebanyakan

oleh elektroplating, dalam rangka untuk mengurangi biaya. Aluminium dapat

disimpan dari tri- isobutil aluminium (TIBAL), tri etil/metil aluminium (TEA, TMA),

atau hidrida dimethylaluminum (DMAH), namun fisik deposisi uap metode biasanya

disukai.

Namun demikian, CVD proses untuk molibdenum , tantalum , titanium , nikel,

dan tungsten banyak digunakan. Logam ini dapat membentuk silisida ketika disimpan

ke silikon. Mo, Ta dan Ti yang disimpan oleh LPCVD, dari pentachlorides

mereka. Nikel, molibdenum, dan tungsten dapat disimpan pada suhu rendah dari

prekursor karbonil mereka. Secara umum, untuk sebuah M logam sewenang-wenang,

reaksi adalah sebagai berikut:

2 MCL5 + 5 H2 → 2 M + 10 HCl

Sumber biasa untuk tungsten heksafluorida , yang dapat disimpan dalam dua cara:

WF6 → W + 3 F2

WF6 + 3 H2 → W + 6 HF

Semprot elektrostatik dibantu deposisi uap (ESAVD)

Semprot elektrostatik dibantu deposisi uap (ESAVD) adalah teknik (yang

dikembangkan oleh sebuah perusahaan bernama IMPT) untuk deposit kedua

lapisan tipis dan tebal pelapisan ke berbagai substrat . Dalam istilah yang

sederhana prekursor kimia yang disemprotkan di sebuah elektrostatik medan

menuju substrat dipanaskan, bahan kimia menjalani reaksi kimia terkontrol dan

diendapkan pada substrat sebagai pelapis yang diperlukan. Teknik penyemprotan

elektrostatik dikembangkan pada 1950-an untuk penyemprotan partikel

terionisasi pada substrat dibebankan atau dipanaskan.

ESAVD digunakan untuk banyak aplikasi di banyak pasar termasuk:

Termal penghalang pelapis untuk mesin jet turbin pisau

Berbagai lapisan tipis dalam pembuatan panel layar datar

dan photovoltaic panel :

a. Komponen elektronik

b. Pelapis Biomedis

c. Kaca pelapis (seperti membersihkan diri)

d. Korosi perlindungan lapisan

Proses ini memiliki keunggulan dibandingkan teknik lain untuk deposisi

lapisan (Plasma, Electron-Beam) karena tidak memerlukan penggunaan

setiap vakum , sinar elektron atau plasma sehingga mengurangi biaya

produksi. Hal ini juga menggunakan daya yang lebih kecil dan bahan baku

sehingga lebih ramah lingkungan. Juga menggunakan medan elektrostatik

berarti bahwa proses dapat melapisi bagian 3D yang kompleks dengan mudah.

ALD (Atomic Layer Depositiion)

ALD adalah self-limiting (jumlah bahan film disimpan di masing-masing

siklus reaksi adalah konstan), kimia permukaan sekuensial yang deposito konformal

film tipis bahan ke substrat komposisi yang bervariasi. ALD adalah serupa dalam

kimia untuk deposisi uap kimia (CVD), kecuali bahwa reaksi ALD istirahat reaksi

CVD menjadi dua setengah-reaksi , menjaga bahan prekursor terpisah selama

reaksi. Karena karakteristik membatasi diri dan reaksi permukaan, pertumbuhan film

ALD membuat skala kontrol deposisi atom mungkin. Dengan menjaga prekursor

terpisah selama proses pelapisan, lapisan kontrol atom pertumbuhan film dapat

diperoleh sehalus ~ 0,1 Å (10 pm ) per siklus.Pemisahan dilakukan dengan prekursor

berdenyut gas pembersihan (biasanya nitrogen atau argon ) setelah setiap pulsa

prekursor untuk menghapus kelebihan prekursor dari ruang proses dan mencegah

'parasit' deposisi CVD pada substrat.

ALD pertama kali diterbitkan di bawah nama "Layering Molekuler" di awal

tahun 1960 oleh Prof SI Kol'tsov dari Leningrad (Lensovet) Institut

Teknologi (LTI). Percobaan ini dilakukan ALD di bawah pengawasan ilmiah sesuai

anggota dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia Prof VB Aleskovskii. Konsep proses

ALD pertama kali diusulkan oleh Prof VB Aleskovskii di gelar Ph.D. tesis diterbitkan

pada tahun 1952. ALD telah dikembangkan dan diperkenalkan di seluruh dunia

dengan nama epitaksi lapisan atom (ALE) pada akhir tahun 1970. Untuk film

tipis electroluminescent (TFEL) display panel datar, berkualitas tinggi dan dielektrik

film bercahaya yang diperlukan pada besar-daerah substrat, sehingga metode deposisi

ALD dikembangkan. Minat ALD telah meningkat dalam langkah-langkah pada

pertengahan 1990-an dan 2000-an, dengan kepentingan terfokus pada silikon

berbasis mikroelektronika. ALD adalah dianggap sebagai salah satu metode deposisi

dengan potensi terbesar untuk memproduksi sangat tipis, film konformal dengan

kontrol dari ketebalan dan komposisi film yang mungkin pada tingkat atom. Sebuah

kekuatan pendorong utama untuk kepentingan terakhir adalah calon dilihat ALD di

skala bawah perangkat mikroelektronik.

ALD dapat digunakan untuk deposit beberapa jenis film tipis, termasuk

berbagai oksida (misalnya Al 2O3, TiO2, SnO 2, ZnO, HFO2), logamnitrida (misalnya

TiN, Tan, WN, NbN), logam (misalnya Ru, Ir, Pt), dan logam sulfida (ZnS misalnya).

Proses ALD

Pertumbuhan lapisan material oleh ALD terdiri dari mengulangi

karakteristik berikut empat langkah:

Paparan dari prekursor pertama.

Bersihkan atau evakuasi dari ruang reaksi untuk menghapus prekursor

non-bereaksi dan reaksi gas dengan-produk.

Paparan dari prekursor kedua - atau pengobatan lain untuk

mengaktifkan permukaan lagi untuk reaksi dari prekursor pertama.

Bersihkan atau evakuasi dari ruang reaksi.

Setiap siklus reaksi menambah jumlah tertentu dari bahan ke

permukaan, disebut sebagai pertumbuhan per siklus. Untuk

menumbuhkan lapisan bahan, siklus reaksi diulang sebanyak yang

diperlukan untuk ketebalan film yang diinginkan. Satu siklus dapat

mengambil waktu dari 0,5 s untuk beberapa detik dan deposito antara 0,1

dan 3 Å ketebalan film. Sebelum memulai proses ALD, permukaan stabil

untuk sebuah negara, yang dikenal dikendalikan, biasanya dengan

perlakuan panas. Karena reaksi diri mengakhiri, ALD adalah suatu proses

yang dikendalikan permukaan, di mana parameter proses selain prekursor,

substrat, dan suhu memiliki pengaruh sedikit atau tidak ada. Dan, karena

kontrol permukaan, ALD-tumbuh sangat film konformal dan seragam

ketebalan. Ini film tipis juga dapat digunakan dalam korelasi dengan

metode fabrikasi lainnya umum.

Keuntungan Dan Keterbatasan

Keuntungan

Menggunakan ALD, ketebalan film hanya bergantung pada jumlah

siklus reaksi, yang membuat kontrol ketebalan yang akurat dan

sederhana. Tidak seperti CVD, ada kurang perlu homogenitas fluks

reaktan, yang memberikan area yang luas (batch yang besar dan skala up-

mudah) kemampuan, conformality sangat baik dan reproduktifitas, dan

menyederhanakan penggunaan prekursor padat. Juga, pertumbuhan

struktur multilayer berbeda adalah lurus ke depan. Keunggulan ini

membuat metode ALD menarik untuk mikroelektronika untuk pembuatan

sirkuit terpadu generasi masa depan. Keuntungan lain dari ALD adalah

berbagai macam bahan film yang tersedia, kepadatan tinggi dan tingkat

kenajisan rendah. Juga, suhu deposisi yang lebih rendah dapat digunakan

dalam agar tidak mempengaruhi substrat sensitif.

Keterbatasan

Keterbatasan utama dari ALD adalah kelambatan; biasanya hanya

sebagian kecil dari monolayer disimpan dalam satu siklus. Untungnya,

film-film yang dibutuhkan untuk masa depan generasi IC sangat tipis dan

dengan demikian lambatnya ALD bukanlah suatu isu penting.

Meskipun pemilihan bahan film tumbuh dengan ALD adalah luas,

bahan teknologi penting ( Si , Ge , Si 3 N 4 , beberapa multi-komponen

oksida, logam tertentu) saat ini tidak dapat disimpan oleh ALD dengan

cara yang hemat biaya.

ALD adalah teknik kimia dan dengan demikian selalu ada risiko residu

yang tersisa dari prekursor. Isi pengotor dari film tergantung pada

kelengkapan reaksi. Dalam proses oksida logam halida khas di mana

senyawa alkil yang digunakan bersama dengan air sebagai prekursor,

kotoran ditemukan dalam film berada pada tingkat 0,1-1% atom.