i DEPOSISI LAPISAN TIPIS S n O 2 MENGGUNAKAN TEKNIK DC SPUTTERING DAN KARAKTERISASINYA SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi persyaratan Memperoleh gelar sarjana sains (S.Si) Program studi fisika Oleh : Anastasia Ima NIM : 023214013 PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2007 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
83
Embed
DEPOSISI LAPISAN TIPIS S n O 2 MENGGUNAKAN TEKNIK DC … · sebagai akibat penembakkan oleh ion positif berat. Proses ini dapat digunakan untuk mendeposisikan suatu lapisan tipis
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
i
DEPOSISI LAPISAN TIPIS SnO2 MENGGUNAKAN TEKNIK DC
SPUTTERING DAN KARAKTERISASINYA
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi persyaratan
Memperoleh gelar sarjana sains (S.Si)
Program studi fisika
Oleh :
Anastasia Ima
NIM : 023214013
PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2007
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
ii
DEPOSITION OF SnO2 THIN FILM USING DC SPUTTERING
AND IT’S CHARACTERISATION
SKRIPSI
Precented as Partial Fulfillment of the Requirements to Obtain the
Sarjana Sains Degree
In Physics
By
Anastasia Ima
NIM : 023214013
PHYSICS STUDY PROGRAM
PHYSICS DEPARTMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2007
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
iii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
iv
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
vi
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
”KaU HaNya DaPaT PerGi SeJauH YanG KaU DoRoNG”
”Pada akhirnya, bukan banyaknya tahun hidupmu yang dihitung, melainkan
kehidupan dalam tahun-tahun kehidupanmu” ~Abraham Lincoln~
”Lapar bukan hanya karena roti ~ tetapi lapar akan kasih.
Telanjang bukan hanya karena pakaian ~ melainkan martabat dan rasa hormat.
Tidak punya tempat tinggal bukan hanya sebuah ruangan bertembok ~ melainkan
tidak punya tempat tinggal karena penolakan.” ~Ibu Teresa~
”SedanG Kau TiDaK TahU aPa YanG aKan TerJaDi BesOk. ApaLah Arti hiDupMu?
HidUpmu iTu saMa sePerTi UaP YanG seBenTar saJa keLiHaTan Lalu LenYaP”
~Yakobus 4:14~
FirmanMu ......
jika kamu meminta sesuatu kepadaKu dalam namaKu
Aku akan melakukannya .......(Yoh 14:14)
Aku tahu............
Untuk segala sesuatu ada masanya, untuk apapun di bawah kolong langit.......
ada waktunya......... (Pengkotbah 3:1)
Karya sederhana ini kupersembahkan kepada :
Jesus Kristus yang selalu membukakan pintu bagi setiap harapan dan doaku
Papa dan Mama tersayang, i love u.
Abang moses dan keluarga barunya (kak Tuti dan si kecil), niko dan my littel
sister dedek (Emel), u all my inspiration.
Almamater dan Sahabat-sahabatku terkasih.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
vii
ABSTRAK
Teknik sputtering merupakan proses terlepasnya beberapa atom suatu bahan
sebagai akibat penembakkan oleh ion positif berat. Proses ini dapat digunakan untuk
mendeposisikan suatu lapisan tipis logam secara merata di atas sebuah bahan dalam
suatu kondisi tertutup.
Telah dilakukan deposisi lapisan tipis SnO2 dengan metode sputtering DC.
Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh variasi waktu deposisi terhadap
karakteristik bahan lapisan tipis SnO2. Karakteristik ini meliputi resistansi, struktur
morfologi dan komposisi kimia lapisan tipis SnO2. Variasi waktu deposisi dimulai
dari 30 menit, 60 menit, 90 menit, 120 menit dan 150 menit dengan parameter lain
dibuat tetap seperti tekanan kerja 3 x 10-2 Torr, temperatur substrat 2000 C dan
tegangan elektroda 2,5 kV.
Dari penelitian ini dihasilkan nilai resistansi optimal sebesar 180 MΩ. Kondisi
ini dicapai pada waktu deposisi 120 menit. Dari observasi SEM dihasilkan bahwa
pertumbuhan butir-butir terdistribusi cukup homogen dan ketebalan dari lapisan
sekitar 2,1 μm. Sedangkan dari analisis EDX dihasilkan perbandingan unsur Sn dan O
adalah 1 : 1,42.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
viii
ABSTRACT
DEPOSITION OF SnO2 THIN FILM USING DC SPUTTERING AND
IT’S CHARACTERISATION
Sputtering technique is a rejected proses of atoms of the targets by
bombarding of weight ions. This proses can be used to deposit a thin film on a
substrate in vacuum conditions.
The deposition of SnO2 thin film was carried out using by DC sputtering
method. The purpose of this research is to study the effect of time variation of
deposition to the characteristic of SnO2. The characteristic cover the resistance,
morphology structure and chemical composition of SnO2 thin film. The time variation
of deposition was from 30 minutes, 60 minutes, 90 minutes, 120 minutes and 150
minutes while the others parameter was kept constant, such as the pressure of Argon
gas 3 x 10-2 Torr, substrate temperature is 2000 C and electrode voltage is 2.5 kV.
It was found that the optimum resistance is in orde of 180 MΩ. This
conditions was achieved at the time of deposition is in orde of 120 minutes. From
SEM observation it was found that grains was distributed homogenously and the
thickness of layer is around 2.1 μm while from EDX analysis it was found that the
ratio of Sn dan O is in orde of 1 : 1.42.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
ix
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis haturkan kepada Allah Bapa atas segala rahmat dan
anugrah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul :
DEPOSISI LAPISAN TIPIS SnO2 MENGGUNAKAN TEKNIK DC SPUTTERING
DAN KARAKTERISASINYA.
Dalam proses penulisan skripsi ini, penulis menyadari telah mendapat bantuan
dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini, penulis ingin
mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Dr. Ir. Widi Setiawan selaku kepala PTAPB-BATAN Yogyakarta
yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk melaksanakan
Sampel yang diamati diukur dengan profesional multimeter digital
yang diset pada tahanan, nilai resistansi yang terukur menunjukan
adanya sifat kelistrikan pada sampel.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
32
2. SEM (Scanning Electron Mictroscope) dan EDXS (Energy Dispersive
X-Ray Specrtoscopy)
SEM digunakan untuk mengetahui struktur morfologi permukaan
lapisan tipis dan EDXS digunakan untuk menganalisis komposisi
kimia lapisan tipis yang terbentuk.
3.3. Prosedur Penelitian
Urutan kerja dalam penelitian ini dibagi menjadi tiga tahap, yaitu tahap
preparasi sampel, tahap pendeposisian lapisan tipis dan tahap karakterisasi lapisan
yang terbentuk.
3.3.1. Preparasi sampel
Dalam penelitian ini target yang digunakan adalah 2OSn . Target 2OSn
telah tersedia dalam keadan jadi, berbentuk bundar dengan diameter 60 mm, tebal
3 mm dan berat 30 gram.
Substrat dibuat dari kaca slide microscope yang dipotong-potong dengan
ukuran (1,2 x 2,5 x 0,1) cm. Kemudian dicuci dengan air bersih yang diberi
deterjen dengan menggunakan ultrasonic cleaner selama 30 menit. Setelah itu
dikeringkan menggunakan hair dryer. Setelah selesai kemudian disimpan dalam
plastik klip supaya terlindung dari kotoran luar.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
33
3.3.2. Prosedur Deposisi Lapisan Tipis dengan Teknik Sputtering DC
3.3.2.1. Deposisi lapisan tipis SnO2 dengan teknik sputtering DC
Pendeposisian lapisan tipis 2OSn pada substrat kaca dilakukan dengan
langkah-langkah sebagai berikut :
1. Memasang target 2OSn pada elektroda negatif (katoda) untuk sasaran
penembakan gas argon dalam tabung lucutan.
2. Memasang substrat kaca pada elektroda positif (anoda) dalam tabung
lucutan
3. Mengoperasikan pompa rotari hingga mencapai tekanan 210− Torr.
4. Mengalirkan gas argon ke dalam tabung lucutan, dan mengatur
tekanan gas sesuai dengan yang dikehendaki dengan cara memutar
kran aliran gas.
5. Menghidupkan sistem tegangan tinggi DC dan mengatur tegangan
sesuai dengan tegangan kerja yang dikehendaki. Selanjutnya di dalam
tabung akan nampak terbentuknya plasma, yang berarti proses deposisi
sedang berlangsung.
6. Menghidupkan sistem pendingin untuk mendinginkan target pada
katoda, supaya atom-atom 2OSn yang terlepas dari target benar-benar
disebabkan oleh percikan arus searah (DC)
7. Menghentikan proses deposisi setelah mencapai waktu yang
dikehendaki, dengan cara : 1) menutup aliran gas; 2) mematikan sistem
tegangan tinggi dengan memutar pengatur tegangan ke posisi nol;
3) menutup kran pompa vakum rotari; 4) mematikan aliran listrik dan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
34
sistem pendingin; 5) mengeluarkan substrat dari tabung setelah
keadaan dingin.
3.3.2.2. Pembuatan kontak perak
Kontak perak sebagai penghubung lapisan tipis 2OSn , yaitu untuk
mempermudah pengukuran nilai resistansi. Pembuatan kontak perak dilakukan
menggunakan teknik sputtering DC, dengan langkah-langkah sebagai berikut :
1. Menutup bagian tengah sampel lapisan tipis dengan aluminium foil
agar tidak terlapisi perak.
2. Memasang target perak (Ag) pada katoda dan sampel lapisan tipis pada
anoda.
3. Menghidupkan pompa rotari dan membuka katub by pass ke sistem,
agar sistem dapat divakumkan .
4. Setelah penghampaan sistem mencapai orde sekitar 210− Torr, katub
by pass ke sistem ditutup.
5. Menghidupkan sistem pendingin target dan pemanas substrat.
6. Setelah temperatur mencapai C0200 , gas Argon dialirkan ke dalam
tabung sputtering dengan mengatur mikrometer yang dilengkapi
flowmeter sehingga mencapai tekanan kerja 2103 −x Torr yang dapat
dilihat langsung pada Dynavac.
7. Menghidupkan dan mengatur tegangan tinggi DC hingga mencapai 2,2
kV dan arusnya sekitar 40 sampai dengan 50 mA, maka proses
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
35
sputtering akan terjadi pada tabung reaktor plasma yang dapat dilihat
melalui jendela tabung reaktor.
8. Mengatur waktu deposisi selama 15 menit.
3.3.3. Karakterisasi lapisan tipis SnO2
Karakteristik lapisan tipis bahan semikonduktor meliputi tiga tahapan,
yaitu tahap pengukuran nilai resistansi, analisis struktur morfologi permukaan,
dan analisis komposisi kimia lapisan tipis.
3.3.3.1. Pengukuran nilai resistansi.
Untuk menguji sifat listik lapisan tipis 2OSn hasil deposisi adalah
menggunakan profesional multimeter digital seri : UT 70A, data yang diperoleh
dari alat ini berupa nilai resistansi lapisan tipis tersebut. Adapun pengukurannya
dilakukan dengan cara menempelkan stik pengukur dari multimeter pada ujung-
ujung sampel, kemudian diamati nilai resistansi sampai pada keadaan stabil,
setelah menunjukan suatu nilai yang stabil lalu dicatat datanya. Hasil pengukuran
dapat dilihat pada layar LCD.
3.3.3.2. Mengamati struktur morfologi permukaan dan ketebalan lapisan
tipis serta analisis komposisi kimia lapisan tipis.
Langkah-langkah pengujian bentuk morfologi permukaan dan ketebalan
lapisan serta komposisi kimia menggunakan alat SEM/EDX dengan merk Joel
JSM-636OLA adalah sebagai berikut :
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
36
1. Memotong sampel hasil preparasi dengan ukuran (1 x 0,3) cm².
2. Menempelkan sampel yang sudah dipotong pada tempat sampel dan
mengelemnya dengan menggunakan lem konduktif (Dottite dan pasta
perak).
3. Memanaskan sampel tersebut menggunakan pemanas air guna
mengeringkan lem konduktifnya
4. Membersihkan sampel dari debu-debu yang menempel dengan
menggunakan hand blower.
5. Melapisi sampel (lapisan tipis) dengan gold-paladium (Au : 80% dan
Pd : 20%) dengan menggunakan alat ion sputter JFC – 1100 selama 4
menit, yang memiliki spesifikasi : 1) tegangan 1,2 kV; 2) arus listrik
6 – 7,5 mA; dan 3) tingkat kevakuman 0,2 Torr.
6. Memasukkan sampel ke dalam tempat sampel pada mesin SEM/EDS
dengan merk Joel JSM-636OLA untuk dilakukan pemotretan.
7. Melakukan pengamatan dan pemotretan pada titik yang diinginkan,
kemudian menyimpan datanya dalam sebuah file.
3.4. Keterbatasan penelitian
Pompa rotari dalam sistem vakum mesin sputtering DC tidak dapat
difungsikan, sehingga mempengaruhi tingkat kevakuman tabung lucutan.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
37
3.5. Tahapan Pelaksanaan Penelitian
Gambaran tentang langkah-langkah dalam penelitian dapat dilihat melalui
diagram alir di bawah ini :
Proses Sputtering
Bahan Semikonduktor Lapisan Tipis
Karakteristik
Persiapan substrat dan target
SEM EDX Resistansi
Nilai Resistansi
Gambar/Foto-foto
Spectrum Sinar-x
Sensitivitas sensor gas
Bentuk Morfologi
Komposisi kimia
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
38
BAB IV HASIL EKSPERIMEN DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil
Pada bab ini akan diuraikan hasil penelitian serta pembahasannya yang
terdiri dari proses pembuatan lapisan tipis SnO2 menggunakan teknik sputtering
DC dengan memvariasikan waktu deposisi pada parameter jarak antar elektroda,
tekanan kerja, tegangan antar elektroda dan temperatur substrat tetap. Hasil
deposisi lapisan tipis SnO2 dikarakterisasi, yaitu meliputi pengamatan morfologi
permukaan dan ketebalan lapisan tipis menggunakan SEM, analisis komposisi
kimia menggunakan EDX, dan sifat kelistrikan dari lapisan tipis menggunakan
multimeter digital.
4.1.1. Deposisi lapisan tipis SnO2 dengan teknik sputtering DC
Telah berhasil dilakukan deposisi lapisan tipis SnO2 pada substrat kaca
dengan variasi waktu 30 menit, 60 menit, 90 menit, 120 menit dan 150 menit
dengan set alat tetap yaitu :
1. Tekanan kerja : 3 x 10-2 Torr
2. Tegangan kerja : 2 KeV
3. Arus : 40 mA
4. Temperatur : 2000C
5. Jarak antar elektroda : 2,5 cm
Pendeposisian lapisan tipis di atas permukaan substrat terdiri atas dua
tahap, yaitu proses deposisi lapisan tipis SnO2 dan tahap pembuatan kontak perak
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
39
pada bagian kedua tepi substrat yang telah dilapisi SnO2. Pemberian kontak perak
akan mempengaruhi hasil pengukuran nilai resistansi karena akan memperbesar
daerah sample yang terhubung sehingga arus-arus yang lewat semakin mudah
terdeteksi.
Lapisan tipis SnO2 yang terbentuk di atas substrat kaca berwarna agak
putih buram. Tebalnya lapisan tipis tergantung dari lamanya waktu deposisi. Hal
ini ditandai dengan lapisan warna putih buram yang semakin tebal sebanding
dengan bertambahnya waktu deposisi. Sedangkan hasil dari kontak perak akan
ditandai dengan lapisan warna agak kehitaman pada kedua tepi substrat.
4.1.2. Karakterisasi lapisan tipis SnO2
Setiap alat tentu mempunyai sifat dan karakteristik tersendiri yang
tergantung dari prinsip kerjanya. Untuk lapisan tipis SnO2 yang baik sebagai
sensor gas, dengan prinsip kerja dari sensor gas itu sendiri adalah berdasarkan
perubahan resistansi dari bahan akibat kehadiran gas-gas di sekelilingnya, dimana
semakin kecil perubahan resistansi dari lapisan tipis berarti semakin tinggi
sensitivitas suatu sensor gas tersebut.
Telah dilakukan karakterisasi lapisan tipis SnO2, yang meliputi
pengamatan morfologi permukaan dan ketebalan lapisan tipis menggunakan SEM,
analisis komposisi kimia menggunakan EDX, dan sifat kelistrikan/resistansi dari
lapisan tipis menggunakan multimeter digital. Pengukuran dan pengamatan ini
bermaksud untuk megetahui pada kondisi waktu deposisi berapa sample terukur
dengan sensitive.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
40
Dari nilai pengukuran resistansi menggunakan multimeter digital akan
diperoleh grafik yang menunjukan perubahan nilai resistansi untuk setiap waktu
deposisi. Untuk pengamatan morfologi permukaan dan pengukuran ketebalan
lapisan tipis menggunakan SEM akan diperoleh gambar/foto permukaan lapisan
tipis baik penampang muka yang menunjukan banyaknya atom yang terdeposisi
maupun penampang lintang lapisan tipis yang menunjukan pertumbuhan dari
lapisan tipis tersebut. Dari gambar/foto penampang lintang dapat diukur ketebalan
lapisan tipis dengan membandingkan garis berwarna putih tipis dengan
pertumbuhan lapisan tipis, dari perbandingan ini akan didapatkan grafik hubungan
antara ketebalan lapisan tipis dengan waktu deposisi, sedangkan dari gambar/foto
permukaan lapisan tipis penampang muka yang menunjukkan banyaknya atom
dapat juga dicari nilai rata-rata dari pertumbuhan butir atom-atom yang
terdeposisi dengan menghitung banyaknya butir atom-atom yang terdeposisi per
satuan panjang kemudian dibagi dengan 2, pengukuran ini akan mendapatkan
grafik hubungan antara besarnya pertumbuhan butir-butir dengan waktu deposisi.
Untuk analisis komposisi kimia menggunakan EDX hasilnya dapat langsung
dilihat pada layar monitor atau dicetak dengan printer. Tampilan pada monitor
berupa puncak-puncak spektrum sinar-x dari masing-masing unsur yang
terkandung dalam sampel.
4.1.2.1. Pengaruh Waktu Deposisi Lapisan Tipis SnO2 Terhadap Resistansi
Lapisan tipis yang baik adalah lapisan tipis yang cukup homogen bila
dilihat dengan mata biasa, tidak mudah mengelupas dan mempunyai nilai
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
41
resistansi yang kecil. Pengukuran nilai resistansi dapat dilakukan dengan
multimeter. Dalam penelitian ini digunakan profesional multimeter digital seri :
UT 70A.
Untuk mengetahui sifat listrik dari lapisan tipis yang dihasilkan, dilakukan
pengukuran resistansi. Pengukuran resistansi sebagai fungsi waktu didapat dengan
cara memvariasi waktu sputtering, yaitu 30 menit, 60 menit, 90 menit, 120 menit,
dan 150 menit pada tekanan gas Argon 2103 −× Torr, Suhu substrat C0200 , dan
tegangan kerja 2 kV dengan arus sebesar 40 mA.
Hasil pengukuran nilai resistansi lapisan tipis dengan kontak perak
terhadap variasi waktu deposisi dengan parameter lain dibuat tetap dapat dilihat
pada tabel 4.1.
Tabel 4.1. Pengukuran nilai resistansi lapisan tipis 2OSn hasil dari sputtering DC terhadap variasi waktu deposisi pada tekanan 2103 −× Torr, dan suhu
C0200
No. Waktu (menit) Resistansi (MΩ)
1. 30 489
2. 60 311
3. 90 337
4. 120 180
5. 150 376
Berdasarkan tabel 4.1. dapat dibuat grafik hubungan antara resistansi
terhadap waktu deposisi yang disajikan pada gambar 4.1.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
42
0100200300400500
0 30 60 90 120 150 180
Waktu deposisi (menit)
Res
ista
nsi (
meg
aOhm
)
Resistansi (MΩ)
Gambar 4.1. Grafik hubungan antara resistansi lapisan tipis 2OSn dengan waktu deposisi.
Pada Garfik 4.1. menunjukkan bahwa perubahan nilai resistansi cenderung
menurun dengan bertambahnya waktu deposisi. Hal ini diakibatkan karena waktu
deposisi yang semakin lama maka jumlah atom-atom yang terdeposisi pada
permukaan substrat akan semakin banyak sehingga atom-atom permukaanpun
semakin rapat dan homogen, tetapi nilai resistansi belum begitu stabil karena pada
keadaan tertentu kembali naik. Hal ini disebabkan sampel setelah dideposisi tidak
tersimpan di dalam tabung desikator, yaitu tabung vakum yang tertutup rapat,
sehingga sampel masih bisa terkontaminasi oleh senyawa disekitarnya. Hal ini
berpengaruh pada nilai resistansinya..
Pada pengukuran nilai resistansi lapisan tipis diperoleh nilai optimum
resistansi sebesar 180 MΩ dengan waktu deposisi 120 menit, pada tekanan
2103 −× Torr, dan suhu C0200 . Semakin rendah nilai resistansi suatu lapisan
tipis, maka semakin baik bahan sampel tersebut sebagai sensor gas.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
43
Hasil pengukuran nilai resistansi dan perhitungan resistivitas lapisan tipis
terhadap variasi waktu deposisi dengan parameter lain dibuat tetap dapat dilihat
pada tabel 4.2.
Tabel 4.2. Pengukuran nilai resistansi dan resistivitas lapisan tipis 2OSn hasil dari sputtering DC terhadap variasi waktu deposisi pada tekanan 2103 −× Torr, dan suhu C0200
Waktu deposisi
(menit)
Resistansi (Ω) Resistivitas (Ωm)
lAR=ρ
30 489 407.5
60 311 259.2
90 337 280.8
120 180 150
150 376 313.3
Dengan mendapat nilai resistansi dari hasil pengukuran dengan
menggunakan multimeter digital, dapat diperoleh nilai resistivitasnya dengan
menggunakan pers. (16)
AlR ρ= (Van Vlack, 1991).
4.1.2.2. Pengaruh Waktu Deposisi lapisan tipis SnO2 Terhadap Struktur
Mikro Permukaan.
Struktur morfologi permukaan lapisan tipis 2OSn yang terbentuk diamati
menggunakan SEM. Struktur mikro permukaan dipengaruhi oleh lamanya waktu
deposisi. Banyaknya jumlah atom-atom yang terdeposisi pada permukaan lapisan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
44
akan mempengaruhi pertumbuhan dan kerapatan butir-butir senyawa 2OSn .
Makin lama waktu deposisi jumlah atom-atom yang terdeposisi juga semakin
banyak sehingga atom-atom permukaan semakin rapat dan homogen.
Tabel 4.3. Pengukuran butir-butir lapisan tipis 2OSn hasil dari sputtering DC terhadap variasi waktu deposisi pada tekanan 2103 −× Torr, dan suhu
C0200
Waktu (menit) Pertumbuhan butir-butir (μm)
30 0,102
60 0,183
90 0,231
120 0,240
150 0,312
Dengan menghitung banyaknya jumlah butir atom-atom yang terdeposisi
dapat dicari nilai rata-rata dari pertunbuhan butir-butir atom yang terbentuk
Berdasarkan tabel 4.3. dapat dibuat grafik hubungan antara pertumbuhan
butir-butir lapisan tipis 2OSn terhadap waktu deposisi yang disajikan pada
gambar 4.2.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
45
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0 30 60 90 120 150 180
Waktu deposisi (menit)
Pertu
mbu
han
but
ir-bu
tir
(mik
rom
eter
)
Gambar 4.2. Grafik hubungan antara pertumbuhan butir-butir lapisan tipis 2OSn
terhadap waktu deposisi.
Hasil dari foto SEM menunjukkan bahwa ukuran dan bentuk butir-butir
dari lapisan tipis 2OSn yang terdeposisi pada substrat cukup homogen, hal ini
dapat dilihat dari bentuk kristal yang cukup seragam. Struktur morfologi
penampang muka yang terbentuk dari sputtering 2OSn dengan waktu deposisi 30
menit, 60 menit, 90 menit, 120 menit dan 150 menit pada tekanan 2103 −× Torr,
dan suhu C0200 dapat dilihat dari hasil Scanning Electron Microscope pada
gambar 4.3.
Gambar 4.3. Struktur morfologis penampang muka lapisan tipis 2OSn dengan waktu deposisi 120 menit.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
46
Selain diamati permukaan dari substrat, dilakukan juga pengamatan
tampang lintang dari substrat yang ada lapisan tipis 2OSn . Dari gambar tampak
garis tipis yang berwarna putih dengan ketebalan 1 μm, garis ini merupakan
ukuran pembanding dari pertumbuhan substrat.
4.1.2.3. Pengaruh Waktu Deposisi lapisan tipis SnO2 Terhadap Ketebalan
Lapisan.
Ketebalan lapisan tipis 2OSn hasil sputtering DC dipengaruhi oleh waktu
deposisi, karena semakin lama waktu sputtering maka semakin banyak atom-atom
yang terdeposisi pada permukaan substrat sehingga pertumbuhan substrat juga
semakin bertambah. Pertumbuhan atom-atom 2OSn dapat dilihat dari Gambar 4.5.
penampang lintang lapisan tipis 2OSn .
Tabel 4.4. Pengukuran ketebalan lapisan tipis 2OSn hasil dari sputtering DC terhadap variasi waktu deposisi pada tekanan 2103 −× Torr, dan suhu
C0200 Waktu (menit) Ketebalan Lapisan (μm)
30 0,6
60 1,2
90 1,4
120 2,1
150 2,2
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
47
Berdasarkan tabel 4.4 dapat dibuat grafik hubungan antara waktu deposisi
terhadap ketebalan lapisan yang disajikan pada Gambar 4.4.
00.30.60.91.21.51.82.12.4
0 30 60 90 120 150 180
Waktu deposisi (menit)
Teba
l lap
isan
(m
ikro
met
er)
ketebalan lapisan (μm)
Gambar 4.4. Grafik hubungan antara ketebalan lapisan tipis 2OSn terhadap waktu
deposisi.
Nilai ketebalan lapisan tipis sebanding dengan lamanya waktu deposisi.
Diperoleh nilai ketebalan lapisan 2.1 μm pada nilai resistansi terkecil yaitu 180
ΜΩ dengan waktu deposisi 120 menit.
Gambar 4.5. Struktur morfologis penampang lintang lapisan tipis 2OSn dengan waktu deposisi 120 menit
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
48
Pengamatan dan pengukuran penampang lintang lapisan tipis merupakan
hasil dari membandingkan garis putih yang tercetak pada gambar 4.5. dengan
pertumbuhan lapisan tipisnya.
4.1.2.4. Pengaruh Waktu Deposisi lapisan tipis SnO2 Terhadap Komposisi
Kimia.
Komposisi lapisan tipis 2OSn hasil deposisi dengan metode sputtering DC
dapat dianalisis dengan metode EDX. Hasil uji EDX berupa spektrum yang
menunjukkan hubungan antara intensitas dengan energi. Spektrum ini dihasilkan
dari penembakan berkas elektron pada sampel hasil deposisi. Penembakan
elektron tersebut akan menyebabkan eksitasi dan ionisasi, sehingga atom-atom
yang terdapat dalam sampel menjadi tidak stabil. Untuk kembali stabil (ground
state), maka atom-atom dalam sampel melepaskan sejumlah energi. Energi yang
dilepaskan antara lain berupa sinar-x. Tiap atom memiliki tingkat energi tertentu
untuk masing-masing orbit elektronnya. Dengan demikan energi sinar-x yang
dilepaskan juga mempunyai nilai tertentu. Gambar 4.6. akan menunjukan
spektrum EDX untuk sampel lapisan tipis 2OSn
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
49
Gambar 4.6. Spektrum hasil karakteristik EDX lapisan tipis 2OSn yang dideposis
dengan metode sputtering DC pada tekanan 2103 −× Torr, suhu C0200 dan waktu deposisi 120 menit.
Tabel 4.5. memperlihatkan komposisi unsur dan senyawa yang terdapat
pada lapisan tipis yang terbentuk.
Tabel 4.5. Data karakteristik EDX hasil dari dideposis lapisan tipis 2OSn dengan metode sputtering DC pada tekanan 2103 −× Torr, suhu C0200 dan waktu deposisi 120 menit.
Unsur Senyawa
O Fe Sn Si 2OSi FeO 2OSn
Jumlah
atom (%)
56,53 2,04 39,74 1,70 1,62 2,34 96,03
Massa (%) 21,78 1,82 75,64 0,76 0,48 0,58 11,24
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
50
Perbandingan mol Sn : O adalah 1 : 1,42. Sedangkan munculnya unsur Fe
kemungkinan berasal dari wadah target yang terbuat dari stainles steel, sedangkan
unsur Si kemungkinan berasal dari substrat yang terbuat dari kaca preparat. Unsur-
unsur ini kemungkinan ikut terpercik dan bersenyawa dengan oksigen dan
terdeposisi pada substrat.
4.2. Pembahasan
Sensor gas merupakan alat deteksi gas-gas berbahaya hasil polusi yang
terbuat dari bahan semikonduktor. Tolok ukur kemampuan suatu sensor gas
adalah sensitivitas dan selektivitas. Untuk menjadi suatu sistem yang terintegrasi
dan siap digunakan di lapangan, dilakukan deposisi lapisan tipis menggunakan
teknik sputtering. Dalam penelitian ini dibatasi pada teknik pembuatan lapisan
tipis
Sputtering (percikan) merupakan proses yang menerangkan dibebaskannya
beberapa atom suatu bahan logam sebagai akibat penembakan oleh ion positif
berat dalam suatu lingkungan tertutup (Isaacs A., 1994). Dalam penelitian ini
telah berhasil dideposisi lapisan tipis SnO2 pada substrat kaca.
Pada sistem sputtering terdiri dari sepasang elektroda planar, yaitu bagian
katoda yang dipasang bahan target dan anoda yang dipasang bahan substrat.
Parameter-parameter sputtering yang divariasi adalah waktu deposisi dengan
parameter lain dibuat konstan. Sebelum proses deposisi berlangsung, tabung
lucutan divakumkan terlebih dahulu sampai mencapai 10-2 Torr. Hal ini
dimaksudkan agar tabung lucutan terbebas dari gas-gas sisa yang akan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
51
mempengaruhi kemurnian lapisan. Kemudian gas Argon dialirkan ke dalam
tabung dan generator DC dinyalakan, maka akan terjadi lucutan pijar diantara
elektroda yang berarti proses sputtering sedang berlangsung.
Gas Argon dalam tabung lucutan dipercepat oleh tegangan tinggi DC
sehingga terjadi perbedaan tegangan yang tinggi antara katoda dan anoda,
akibatnya gas Argon akan terionisasi. Ion-ion Argon dalam tabung lucutan pijar
dipercepat dan menumbuk target sehingga atom-atom yang terlepas akan
menghasilkan lapisan tipis pada permukaan substrat. Besarnya aliran gas Argon
bisa diatur sehingga diperoleh tekanan operasi yang dikehendaki, tekanan operasi
harus dijaga kestabilannya selama proses sputtering agar diperoleh lapisan yang
homogen.
Dalam penelitian ini pendeposisian lapisan tipis 2OSn dengan variasi
waktu 30 menit, 60 menit, 90 menit, 120 menit, 150 menit pada tekanan gas
Argon 2103 −× Torr. Hal ini didasarkan pada kenyataan saat melakukan
penelitian, bahwa plasma sputtering efektif terbentuk pada tekanan berkisar antara
2103 −× Torr sampai 2104 −× Torr, untuk tekanan 2105 −× Torr akan terjadi
overload pada sumber daya sehingga menyulitkan proses deposisi. Suhu substrat
C0200 , dan tegangan kerja 2 kV dengan arus sebesar 40 mA. Hal ini didasarkan
pada penelitian terdahulu bahwa suhu berkisar C0200 , dan tegangan kerja 2 kV
dengan arus sebesar 40 mA mampu mendeposisikan bahan 2OSn dan berfungsi
sebagai sensor gas dengan baik.
Karakterisasi lapisan tipis SnO2 hasil deposisi dengan metode sputtering
DC merupakan salah satu cara untuk mengetahui sifat-sifat dan kondisi dari
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
52
lapisan tipis yang akan diintergasikan sebagai sensor gas. Karakterisasi meliputi
pengamatan morfologi permukaan dan ketebalan lapisan tipis menggunakan SEM,
analisis komposisi kimia menggunakan EDX, dan sifat kelistrikan/resistansi dari
lapisan tipis menggunakan multimeter digital. Untuk pengukuran nilai resistansi,
lapisan tipis dikontak perak terlebih dahulu. Hal ini dimaksudkan agar
mempermudah pengukuran nilai resistansi, semakin kecil nilai resistansi yang
terukur maka semakin sensitive suatu sensor gas tersebut. Dari grafik 4.1 dapat
dilihat hubungan antara resistansi lapisan tipis dengan waktu deposisi, nilai
resistansi cenderung berubah-ubah karena senyawa SnO2 pada substrat masih
dapat mengikat O2. Tetapi perubahan ini tidak signifikan, jadi data yang disajikan
pada tabel 4.2 sudah mewakili nilai resistansi dari lapisan tipis.
Karakteristik menggunakan alat SEM dibagi menjadi dua bagian yaitu
pengambilan foto/gambar permukaan lapisan dan analisis komposisi kimia lapisan
tipis menggunakan teknik EDX, teknik ini merupakan bagian dari alat SEM. Dari
pengambilan dan pengamatan morfologi permukaan lapisan tipis dapat diperoleh
penampang muka yang menunjukan struktur permukaan dari sampel dan
penampang lintang yang menunjukan pertumbuhan dari atom-atom SnO2.
Pengamatan struktur morfologi permukaan ditampilkan pada gambar 4.3. dan
gambar 4.5. Atom-atom yang terdeposisi pada substrat bertambah banyak
jumlahnya sebanding dengan lamanya waktu deposisi. Hal ini dapat dilihat
dengan makin besarnya ukuran butir-butir yang terdeposisi.. Pengukuran tampang
lintang/ketebalan lapisan tipis dilakukan dengan membandingkan tingginya
pertumbuhan lapisan tipis dengan garis tipis berwarna putih yang berukuran 1 μm.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
53
Grafik 4.5 menunjukkan bahwa hubungan antara ketebalan lapisan dengan waktu
deposisi mendekati linear. Hal ini berarti dengan bertambahnya waktu deposisi
maka ketebalan lapisan juga meningkat, tetapi pertumbuhan ini cenderung
melambat setelah waktu deposisi 120 menit, dimana pertumbuhan lapisan tipis
hanya bertambah sedikit pada waktu deposisi 150 menit. Hal ini disebabkan
semakin padat dan homogennya atom-atom yang terdepoisisi. Kondisi ini dapat
disebut sebagai pertumbuhan lapisan tipis yang optimal karena pada waktu
deposisi 120, lapisan tipis mempunyai nilai resistansi terkecil.
Analisis komposisi kimia menggunakan teknik EDX merupakan analisisi
unsur untuk mengetahui jumlah komposisi kimia dan jenis-jenis unsur yang
terkandung didalam sampel. Teknik ini dianalisis berdasarkan spektrum dari
energi dan intensitas yang terpancar dari sampel, saat sampel di tembaki dengan
berkas elektron.
Penembakan elektron tersebut akan menyebabkan eksitasi dan ionisasi,
sehingga atom-atom yang terdapat dalam sampel menjadi tidak stabil. Untuk
kembali stabil (ground state), maka atom-atom dalam sampel melepaskan
sejumlah energi. Energi yang dilepaskan antara lain berupa sinar-x. Tiap atom
memiliki tingkat energi tertentu untuk masing-masing orbit elektronnya. Hasil
dari karakteristik EDX disajikan pada tabel 4.5. dengan perbandingan mol Sn : O
adalah 1 : 1,42. Munculnya unsur lain kemungkinan berasal dari wadah target dan
kaca preparat yang merupakan bahan substrat, dimana saat proses deposisi ikut
terpercik.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
54
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat diperoleh kesimpulan
sebagai berikut
1. Pada waktu deposisi 120 menit diperoleh lapisan tipis SnO2 dengan
nilai resistansi terkecil, yaitu 180 MΩ. Semakin kecil nilai resistansi
berarti lapisan tipis tersebut semakin bersifat konduktif.
2. Dari hasil pengamatan struktur permukaan menggunakan SEM
diperoleh nilai ketebalan lapisan tipis SnO2 yang optimum sebesar 2,1
μm, dengan parameter waktu deposisi 120 menit pada tekanan 3 x 10-2
Torr, suhu 2000 C dan tegangan 2,5 KeV. Untuk pertumbuhan butir-
butir permukaan sebanding dengan lamanya waktu deposisi, yaitu
semakin lama waktu deposisi semakin bertambah besar pertumbuhan
butir-butirnya.
3. Nilai kandungan komposisi kimia menggunakan teknik EDX
merupakan banyaknya senyawa SnO2 dan beberapa senyawa lain yang
terdeposisi pada lapisan tipis.
5.2. Saran
Saran yang dapat diberikan untuk penyempurnaan dan pengembangan
tulisan ini adalah
1. Diharapkan dapat memvariasikan lebih dari satu parameter yang
dipakai, agar diperoleh hasil yang lebih beragam.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
55
2. Untuk mengetahui struktur kristalnya, diperlukan karakteristik dengan
XRD (X-Rays Difraction)
3. Untuk analisis kuantitatif menggunakan teknik EDX, perlu dilakukan
kalibrasi terlebih dahulu agar dapat dihitung prosentase kandungan
komposisi kimia dalam lapisan tipis.
4. Perlu dilakukan uji terhadap tanggapan gas agar diketahui daya
responnya terhadap gas-gas apa saja.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
56
DAFTAR PUSTAKA
Isaacs A., 1994, Kamus Lengkap Fisika, Jakarta : Erlangga.
Dieter George, E., 1987, Metalurgi Mekanik, 3rd.Ed., Jakarta : Erlangga.
Konuma, M., 1992, Film Deposition by Plasma Technique, New York : Springer
Verlag.
Lieznerski, B., 2004, Thin-Film Gas Microsensors Based on Tin Dioxide,
Polandia : Wroclow University of Technology.
Alonso M. And Finn E. J., 1994, Dasar-daras Fisika Universitas, 2nd. Ed.,
Jakarta : Erlangga.
Ohring, M., 1992, The Materials Science of Thin Film, New York : Academic
Press Inc.
Blocher Richard, 2003, Dasar Elektronika, Yogyakarta : Andi Offset.
Smallman, R. E. and Bishop, R. J., 1999, Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa
Material (Sriati Djaprie. Terjemahan), Jakarta : Erlangga.
Suyoso, 2003, Listrik Magnet, Yogyakarta : FMIPA UNY.
Sujitno Tjipto, B. A., 2003, Aplikasi Plasma dan Teknologi Sputtering untuk