I. Latar Belakang

Teknologi semikonduktor telah mengangalami kemajuan besar, baik dalam hal penemuan bahan, teknik pembuatan, maupun penerapan serta pengembangannya. Penemuan bahan semikonduktor dimulai dari bahan yang sederhana yaitu silikon (Si) dan germanium (Ge). Bahan semikonduktor yang ditemukan saat ini yaitu bahan semikonduktor paduan seperti GaAs dan GaN. Bahan GaN digunakan sebagai komponen semikonduktir baru yang dapat digunakan sebagai piranti elektronik. Piranti elektronik yang dibutuhkan saat ini merupakan piranti yang berukuran nano. Hal ini bertujuan untuk penghematan bahan dan minimilisasi ukuran. Penerapan bahan semikonduktor ke dalam bidang mikroelektronik memerlukan suatu teknologi penumbuhan bahan dengan ukuran yang kecil. Teknologi penumbuhan bahan tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan teknologi penumbuhan lapisan tipis.

Lapisan tipis adalah suatu lapisan tipis yang sangat tipis dari bahan organic, anorganik, metal maupun campuran metal yang memiliki sifat-sifat konduktor, semikonduktor, maupun isolator. Teknologi penumbuhan lapisan tipis banyak digunakan dalam pembuatan piranti elektronik seperti kapasitor, transistor, diode, sel surya silikon amorf, dan teknologi mikroelektronik. Sifat yang mungkin tidak terdapat pada material pdatannya (bulk material) dapat dihasilkan dengan melakukan variasi dalam proses deposisi maupun modifikasi sifat-sifat lapisan tipis selama deposisi.

Teknik pembuatan lapisan tipis salah satunya adalah dengan menggunakan teknik deposisi lapisan tipis. Metode yang digunakan dalam deposisi lapisan tipis, yaitu PVD (physical vapour deposition) dan CVD (chemical vapour deposition). Proses PVD diklasifikasikan menjadi tiga, thermal evaporation, PLD (pulsed laser deposition), dan sputtering.

Metode sputtering yang saat ini digunakan dan dikembangkan di laboratorium oksida Fisika, FMIPA ITB adalah metode dc magnetron sputtering. Metode ini memiliki kelebihan diantaranya (1) lapisan yang terbentuk mempunyai komposisi yang serupa dengan bahan target, (2) kualitas, struktur dan keseragaman hasil lapisan dikendalikan oleh tingkat homogenitas target, (3) mempunyai rapat arus yang besar sehingga memungkinkan terjadinya laju deposisi yang tinggi, (4) lapisan yang terbentuk mempunyai kekuatan rekat yang tinggi terhadap permukaan substrat, dan (5) biaya operasional lebih murah dibandingkan metode yang lain.

II. SPUTTERING

II.1. Proses Sputtering

Sputtering adalah proses dimana suatu material dikeluarkan atau dilontarkan dari sebuah permukaan benda padat atau cair melalui proses pertukaran momentum dengan cara membombardir permukaan tersebut dengan menggunakan partikel benergi tinggi. Proses ini biasanya dilakukan dalam suatu chamber atau ruang vakum. Didalam ruang vakum tersebut diletakkan dua material yang akan digunakan. Satu material adalah material yang akan ditumbuhkan lapisan tipisnya, material yang lain adalah material tempat dimana lapisan tipis akan ditumbuhkan. Gas akan dialirkan pada ruang vakum tersebut agar terbentuk suatu plasma dan juga diberi beda potensial agar tercipta partikel berenergi tinggi yang akan digunakan untuk membombardir permukaan material yang akan ditumbuhkan lapisan tipisnya. Chamber vakum pada alat sputtering dapat dilihat pada gambar 1.

Gambar 1. Chamber vakum alat sputtering

Proses penumbuhan lapisan tipis menggunakan metode sputtering ini memiliki beberapa kelebihan diantaranya, proses penumbuhan yang sederhana, biaya operasional yang murah, laju deposisi yang besar, dapat menghasilkan lapisan tipis dari bahan yang mempunyai titik cair tinggi, bahan sputtering memiliki keawetan atau ketahanan fisik yang baik sehingga lebih efisien, dan ketebalan lapisan tipis yang dihasilkan dapat dikontrol dengan waktu pendeposisian pada saat pembuatannya [4].

Pada proses sputtering jika ingin melakukan penumbuhan lapisan tipis, maka material tersebut harus disimpan di dalam ruang vakum alat sputtering. Material tersebut dapat berupa padatan atau cairan. Hampir semua material dapat ditumbuhkan melalui proses sputtering ini baik konduktor, isolator, logam, ataupun cairan. Berdasarkan pada jenis material yang akan dideposisikan dan sistem alat yang dipakai, sputtering memiliki berbagai macam metode, diantaranya adalah sputtering DC, magnetron sputtering, dan sputtering RF.

II.2. Sputtering DC

Metode sputtering DC adalah metode yang paling sederhana untuk menumbuhkan lapisan film tipis. Pada proses ini tegangan listrik dibutuhkan untuk membuat partikel benergi tinggi, yang digunakan adalah tegangan DC atau searah. Karena menggunakan tegangan DC maka proses sputtering DC ini hanya dapat digunakan untuk menumbuhkan lapisan tipis material yang bersifat konduktor atau semikonduktor.

Sistem alat sputtering DC ini pada umumnya memiliki empat buah komponen utama. Komponen pertama adalah ruang vakum dimana proses sputtering ini terjadi. Komponen kedua adalah sistem pompa vakum. Komponen ketiga adalah sistem gas yang digunakan, dan yang terakhir adalah sistem tegangan DC.

Gambar 2. Skema sistem DC Sputtering

Pada sistem tabung vakum yang digunakan dalam proses sputtering DC ini terdapat dua buah elektroda (diode) yang dipasang saling berhadapan satu sama lain. Elektroda yang dipakai disini biasanya berupa planar diode atau pelat elektroda. Kedua buah elektroda tersebut dipasang di bagian atas dan bagian bawah dan dihubungkan pada catu daya tegangan DC. Elektroda bawah dihubungkan pada kutub negatif tegangan DC (katoda), sedangkan elektroda bagian atas dihubungkan dengan kutub positif tegangan DC (anoda). Material yang akan dideposisikan ditempatkan pada katoda disebut target, sedangkan material yang menjadi tempat ditumbuhkannya lapisan tipis ditempatkan pada anoda yang disebut substrat. Selain elektroda tersebut, pada bagian bawah katoda terdapat heater yang berfungsi untuk memanaskan permukaan substrat agar atom-atom material target hasil sputtering DC dapat menempel dengan baik. Sistem tabung ini kemudian dirangkai dengan sistem pompa vakum dan sistem gas.

Pada sputtering DC yang proses penumbuhan lapisan film tipis suatu material dimulai dengan memasang material target yang akan dideposisikan pada katoda dan substrat yang biasanya merupakan wafer semikonduktor pada anoda. Kemudian proses dilanjutkan dengan proses pemvakuman tabung vakum. Udara dalam tabung vakum dipompa keluar hingga tekanan bisa mencapai orde 10-1 mBar. Setelah tekanan yang ditargetkan tercapai kemudian gas argon dialirkan ke dalam tabung vakum selama beberapa detik. Tabung vakum kembali

di vakumkan dengan memompa keluar udara dan gas argon yang ada. Hal ini dilakukan agar gas dalam tabung vakum menjadi lebih bersih dan dan hanya terdapat gas argon saja di dalamnya. Proses ini dilakukan seharusnya sebanyak 3 kali untuk memastikan kebersihan dan kemurnian argon di dalam tabung vakum.

Setelah tabung vakum terisi argon, kemudian katoda dan anoda alat sputtering DC diberi tegangan listrik searah atau DC. Tegangan listrik DC yang diberikan ini berfungsi untuk membentuk medan listrik diantara anoda dan katoda. Saat anoda dan katoda diberi tegangan listrik DC, anoda akan bermuatan listrik positif dan katoda akan bermuatan listrik negatif. Medan listrik kemudian terjadi antara keduanya yang arahnya dari katoda dan anoda.

Saat tegangan listrik diperbesar, maka medan listrik yang timbul juga semakin besar hingga pada suatu saat elektron dari katoda terlepas. Elektron yang terlepas ini akan mengalami percepatan gerak dikarenakan adanya medan listrik kearah anoda. Saat bergerak menuju anoda, elektron menumbuk atom gas argon sehingga menimbulkan proses ionisasi pada atom gas argon. Saat tumbukan itu terjadi, energi elektron diserap oleh atom gas argon. Energi tersebut digunakan untuk melepaskan elektron terluar atom gas argon sehingga menghasilkan ion argon yang bermuatan positif dan elektron yang bermuatan negatif. Kecepatan elektron sedemikian besar dan interaksi yang terjadi begitu cepat. Akibatnya pasangan elektron bebas dan ion bebas mampu membangkitkan pembawa muatan seketika secara bergantian dan terus menerus secara seimbang. Keadaan lucutan yang seimbang ini disebut Glow Discharge [5]. Elektron yang dihasilkan kemudian akan mengionisasi atom-atom gas argon lainnya secara berantai sampai dihasilkan ion positif argon dan elektron yang jumlahnya seimbang yang disebut plasma.

Gambar 3. Plasma pada proses sputtering

Plasma didefinisikan sebagai gas yang terionisasi dalam keadaan kuasinetral dari partikel yang bermuatan dan partikel netral yangmenunjukkan fenomena kolektif. Keadaan kuasinetral adalah keadaan gas terionisasi dimana rapat ion hampir sama dengan rapat elektron, sehingga dapat dikatakan ni ne n, dengan n menyatakan kerapatan secara umumyang disebut dengan rapat plasma. Fenomena kolektif adalah suatu kondisi yang

kompleks dengan proses-proses atomis seperti ionisasi, eksitasi serta kombinasi yang terjadinya dalam waktu yang hampir bersamaan [5].

Ion positif argon akan dipercepat oleh medan listrik dari anoda menuju katoda. Ion positif argon tersebut bergerak menuju katoda dan membombardir material target yang dipasang. Ikatan atom-atom pada target akan terputus dan menyebabkan atom-atom tersebut terlepas dari target. Selain atom-atom yang terlepas dari target, terbentuk pula elektron sekunder dari hasil tumbukan tersebut. Elektron sekunder ini menyebabkan ionisasi lanjutan pada gas argon. Atom-atom target yang terlepas akan membentuk lapisan tipis pada substrat yang dipasang pada anoda. Proses inilah yang disebut dengan proses sputtering.

Gambar 4. Proses DC sputtering

Proses sputtering DC merupakan metode sputtering yang paling sederhana, namun metode ini memiliki kelemahan dibanding metode lainnya yaitu adanya proses re-sputtering pada permukaan lapisan tipis yang terbentuk. Saat ion-ion positif argon yang digunakan untuk membombardir target terbentuk, partikel bermuatan negatif juga terbentuk. Partikel bermuatan negatif ini kemudian dipercepat oleh medan listrik bergerak menuju katoda dan menumbuk lapisan tipis yang sudah terbentuk sehingga merusak lapisan tipis tersebut.

III.3. Magnetron DC Sputtering

Magnetron sputtering merupakan proses sputtering pada diode (dua buah elektroda) sama seperti sputtering DC, namun diberi medan magnet untuk membuat perangkap elektron. Terdapat beberapa jenis magnetron sputtering, yaitu jenis Planar Magnetron, S-Gun magnetron Sputtering, dan Cylindrical Magnetron Sputtering[1].

Gambar 5. Skema umum alat DC magnetron sputtering

Secara umum, yang membedakan magnetron sputtering dan sputtering DC adalah pada magnetron sputtering terdapat magnet permanen pada alat yang digunakan yang dapat membentuk medan magnet untuk menjadi perangkap elektron yang terlepas dari katoda. Medan magnet yang terbentuk akan menjaga elektron yang ada agar terus berada di dekat target dan langsung mengionisasi atom gas argon lalu menuju target. Dengan ini, laju deposisi akan lebih tinggi dibandingkan dengan sputtering DC biasa. Tumbukkan material dari target dengan ion lain saat menuju substrat juga akan terminimalisir dikarenakan tekanan yang lebih rendah.

Gambar dari medan magnet yang terbentuk pada proses ini dapat dilihat pada gambar 5.

Gambar 6. Skema magnetron sputtering

Untuk menguji keadaan elektron, anggap medan magnet B sejajar dengan permukaan target dan medan listrik E tegak lurus terhadap permukaan target. Elektron-elektron dalam plasma dipercepat oleh medan listrik pada arah tegak lurus terhadap permukaan target. Jika medan magnet cukup kuat untuk membelokan elektron, maka elektron akan terhenti pada permukaan target. Jumlah elektron yang menuju anoda berkurang karena elektron banyak terperangkap dan bergerak di daerah dekat target oleh interaksi medan magnet dengan medan listrik. Proses sputtering menghasilkan panas pada daerah target akibat dari tumbukan antara

ion-ion penumbuk dengan atom-atom permukaan target dan pengaruh pemanasan substrat dengan pemanas (heater). Sistem magnet harus dialiri air pendingin untuk menjaga kekuatan magnet agar tidak hilang karena pengaruh panas selama proses deposisi lapisan tipis.

Keuntungan dari metode magnetron sputtering adalah laju deposisi yang tinggi, luas area deposisi yang besar dan pemanasan substrat yang rendah sehingga lebih hemat energi.

III. PARAMETER DEPOSISIHasil lapisan tipis yang terbentuk dari proses sputtering dapat kita sesuaikan dengan

kebutuhan yang ada. Dalam proses sputtering terdapat beberapa parameter yang mempengaruhi laju deposisi dan kualitas lapisan film tipis yang terbentuk pada substrat. Parameter-parameter tersebut adalah tekanan gas argon, tekanan udara dalam ruang vakum, daya listrik yang digunakan, jenis material target dan substrat yang digunakan, suhu deposisi, waktu deposisi, dan jarak antara kedua elektroda (target dan substrat).

a. Tekanan gas argonGas argon sering digunakan sebagai media pembentuk plasma. Alasan digunakannya gas

argon dalam proses sputtering adalah berat atomnya relatif tinggi (Mr = 40), harganya murah, merupakan golongan gas mulia terbanyak di udara, bersifat inert (sulit berikatan dengan unsur lain), dan mudah mengalami ionisasi.

Dari hasil eksperimen sputtering dengan parameter variasi tekanan gas Argon, hasilnya ditunjukkan pada gambar 7.

Gambar 7. Hubungan tekanan gas argon terhadap kecepatan deposisi (Lia, 2009)

Dari gambar 7 terlihat bahwa semakin besar tekanan gas argon yang diberikan, maka kecepatan deposisi semakin kecil. (Lia, 2009)

b. Tekanan udaraPada proses sputtering tekanan udara yang digunakan dalah tekanan rendah. Proses ini

dilakukan dalam keadaan vakum untuk menjaga kemurnian udara didalam ruang tempat terjadinya deposisi. Kemurnian ruang vakum harus terjaga dari ion-ion atau atom lainnya agar tidak terjadi reaksi yang tidak diinginkan selama proses berlangsung, Kemurnian ruang

vakum juga menentukan laju partikel target yang terlepas dan menuju substrat. Jika ruang vakum bersih, maka atom yang terlepas dari target bisa langsung menuju substrat tanpa ada tumbukan dengan atom atau ion lain.

Jika target yang digunakan adalah silikon, tekanan udara sangatlah berpengaruh pada proses deposisi. Pada tekanan yang lebih tinggi, rapat ion didalam plasma akan meningkat, maka arus ion juga akan meningkat. Namun muncul kemungkinan lain yaitu atom Si yang sudah terlepas akan kembali ke target karena adanya tumbukan gas. Hal tersebut dapat terjadi karena massa dari atom silikon lebih kecil dibanding ion argon. Kesimpulannya adalah, laju deposisi akan meningkat pada tekanan yang rendah. (Liang, 1979)

c. Daya listrikDaya listrik merupakan salah satu parameter terpenting dalan proses deposisi

menggunakan sputtering. Plasma yang terbentuk pada saat proses sputtering bergantung pada daya listrik yang digunakan sehingga terbentuk ion berenergi tinggi.

Telah dilakukan percobaan deposisi dengan variasi parameter daya listrik yang diberikan terhadap laju deposisi. Pada gambar 8 dapat dilihat hasil dari percobaan tersebut.

Gambar 8. Hubungan laju deposisi terhadap daya listrik (Tolis, 2001)

Gambar 8 menunjukkan daya untuk lapisan tipis Si menggunakan DC sputtering. Hubungan antara laju deposisi dan daya listrik yang diberikan adalah hubungan linier dengan koefisien 2.8Å/kW-s. Pada gambar dapat terlihat bahwa tingkat deposisi meningkat seiring semakin besarnya daya yang diberikan. Namun dapat dilihat pula diatas daya sebesar 10kW tingkat deposisi justru menurun. Hal ini menunjukkan bahwa daya listrik yang diberikan memiliki batasan untuk tingkat deposisi. Pemberian daya yang terlalu tinggi sebaiknya tidak dilakukan. Untuk penumbuhan lapisan tipis, besarnya daya dapat ditentukan tengantung dari material yang digunakan dan keseluruhan kualitas lapisan film tipis yang diinginkan. (Tolis, 2001)

d. Material target dan substrat

Pada proses sputtering seperti yang sudah diketahui terdapat dua material yang digunakan, yaitu material target dan substrat. Laju deposisi bergantung pada jenis material target yang digunakan. Telah dilakukan percobaan DC sputtering dengan adanya variasi material target. Hasil dari percobaan tersebut dapat dilihat pada gambar 9.

Gambar 9. Pengaruh jenis logam terhadap kecepatan deposisi (Lia, 2009)

Gambar 9 menunjukkan hubungan jenis logam terhadap laju deposisi sputtering. Logam yang digunakan adalah logam Cu, Cr, Pd, dan Au. Pada gambar terlihat bahwa logam Au memiliki kecepatan deposisi yang lebih besar dibandingkan dengan logam lainnya. Hal tersebut dikarenakan material logam Au adalah yang paling lunak dibandingkan material logam lainnya. Kelunakan ini menyebabkan atom-atom logam Au lebih mudah lepas pada saat dibombardir dengan atom gas Argon lalu menuju substrat dan akhirnya membentuk lapisan tipis pada permukaan substrat. (Lia, 2009)

e. Suhu deposisiPada proses deposisi, salah satu temperatur yang paling berpengaruh adalah temperatur.

Pada anoda, yaitu tempat substrat diletakkan, terdapat pemanas yang digunakan pada proses sputtering. Temperatur berpengaruh pada ikatan antar atom material substrat. Jika material substrat diberi kalor, maka akan terjadi fibrasi pada atom-atom substrat. Dengan adanya fibrasi atom-atom penyusun substrat, terciptalah ruang antar atom substrat yang akan ditempati oleh atom-atom target dan nantinya akan berikatan lalu terbentuk menjadi lapisan tipis.

Gambar 10. Hubungan temperatur dengan laju deposisi

Pada gambar 10, dapat dilihat bahwa semakin tinggi temperature substrat, laju deposisi semakin menurun. Hal tersebut dapat terjadi dikarenakan dengan meningkatnya energy kinetic, maka menyebabkan desorpsi pada permukaan substrat. Desorpsi adalah peristiwa pelepasan molekul, ion, dsb dari permukaan zat padat sehingga moleku atau ion itu menjadi gas pada permukaan). Maka dari itu, jika temperatur terlalu tinggi, dapat menyebabkan ikatan antara atom substrat dan target kembali lepas dan merusak lapisan tipis yang sudah terbentuk. Hal tersebut berakibat pada penurunan laju deposisi.

Namun secara keseluruhan, pengaruh temperatur pada laju deposisi juga tergantung pada jenis material substrat dan target yang digunakan.

f. Waktu deposisiHasil film tipis yang terbentuk pada permukaan substrat bergantung pada waktu deposisi

yang dilakukan. Semakin lama waktu deposisi, maka hasil lapisan tipis yang terbentuk seharusnya semakin bagus dan tebal. Namun, jika terlalu lama justru menyebabkan lapisan tipis yang sudah terbentuk rusak dan kualitasnya menurun.

g. Jarak antara target dan substratKekuatan medan magnet pada magnetron sputtering ditentukan sesuai dengan jarak

antara katoda dan anoda. Jika medan magnet terlalu besar, radius gaya magnet mencapai permukaan substrat yang dapat merusak permukaan film tipis yang terbentuk. Jika medan magnet terlalu kecil radius garis gaya magnet hanya melingkupi permukaan target saja.

Tegangan listrik minimum dibutuhkan untuk mengakibatkan plasma dinamakan sebagai tegangan spark atau breakdown voltage Vs. Tegangan spark ini secara matematis dapat dituliskan seperti persamaan 1 [2].

Vs=apl

log pl+b ……… (1)

Dimana p merupakan tekanan gas, l adalah jarak antar elektroda, a dan b adalah konstanta.

VI. KESIMPULAN

1. Sputtering menggunakan ion partikel benergi tinggi untuk membombardir permukaan target yang nantinya akan tumbuh menjadi lapisan tipis pada permukaan substrat.

2. Magnetron sputtering lebih efektif dibandingkan dengan DC sputtering karena adanya medan magnet yang menjadi perangkap elektron dan dapat meningkatkan laju deposisi.

3. Parameter deposisi mempunyai nilai optimal pada penumbuhan lapisan tipis yang mempengaruhi laju deposisi dan kualitas lapisan tipis yang terbentuk.

REFERENSI

1. J.A. Thornton, Thin Solid Films, 371, 218–224 (2000).

2. Wasa, K. and Hayakawa, S., Handbook of Sputter Deposition Technology, Noyes Publication, New York (1992)

3. Konuma, M., Film Deposition by Plasma Techniques, SpingerVerlag, Berlin (1992)

4. Suprapto, S. dan Lely Susita R.M., Karburasi baju ST 40 dengan Teknik Sputtering, 23-30 (2006)

5. Ohring, M, The Material Science of Thin Film, Academic Press Inc, New York (1992)

6. Muliani, L., et al, Pembuatan Konduktor Rangkaian Mikrostrip dengan Teknologi Thin Film, 1, 9, Bandung (2009)

7. Lia, et al,. Pembuatan Konduktor Rangkaian Mikrostip dengan Teknologi Thin Film. Jurnal Elektronika. No 1. Vol 9 (2009)

8. Tolis, et al. Sputtering Technology of Si Films for Low Temperatur Poly-Si TFTs. (2001)

9. Liu, C.P., Yang, H.G., Deposition temperature and thickness effects on the characteristics of DC-sputtered ZrNx films, Materials Chemistry and Physics, 86, 370-374. (2004)