Pengembangan Teknik Deposisi Dan Intensifikasi Plasma Argon Dalam Produksi Lapisan Karbon Menggunakan Metode Plasma Sputtering Frekuensi Rendah

Abstract

Deposisi merupakan suatu proses meletakkan bahan di atas permukaan atau substrat. Teknik deposisi dapat dilakukan melalui berbagai cara, sesuai dengan hasil yang dikehendaki. Teknik deposisi ada beberapa macam, di antaranya evaporasi, elektrokimia, chemichal vapour deposition, maupun sputtering. Metode sputtering merupakan salah satu metode deposisi yang digunakan untuk membuat lapisan tipis (thin film). Metode sputtering menggunakan plasma dalam menumbuhkan bahan target ke atas substrat. Proses sputtering dilakukan di dalam ruang vakum, bersama substrat dan bahan target yang akan dideposisikan. Metode sputtering terdiri dari tiga tahap, yaitu 1. Pembentukan Plasma, pada tahap ini dibutuhkan gas yang bersifat inert, pada penelitian ini digunakan gas argon. Gas diberi energi dalam bentuk tegangan, sehingga gas berfungsi sebagai media transmisi energi dan membentuk plasma dengan proses termal dan ionisasi. 2. Sputtering, yang terjadi pada tahap ini adalah ion-ion yang terbentuk pada saat proses pembentukan plasma menumbuk bahan target dengan energi tertentu, sehingga partikel atau atom dari bahan target akan terlepas. 3. Deposisi di atas substrat, partikel yang terlepas dari bahan target akan menempel pada substrat, sehingga terbentuk lapisan yang diinginkan. Deposisi menggunakan metode plasma sputtering dipengaruhi beberapa variabel yang dapat menghasilkan hasil deposisi yang beragam. Variabel dapat dibedakan menjadi dua bagian, yang pertama adalah bagian yang dapat mempengaruhi proses dan kecepatan ionisasi, sedangkan yang kedua adalah bagian yang dapat mempengaruhi sifat plasma dan hasil deposisi. Proses ionisasi dipengaruhi oleh tegangan yang digunakan, semakin besar tegangan akan mempengaruhi energi ion yang terbentuk pada plasma, yang berimbas pada kecepatan ion dalam menumbuk bahan target sehingga mempengaruhi kecepatan deposisi. Kecepatan ionisasi juga dapat dipicu melalui tekanan gas dalam ruang deposisi, di mana tekanan akan berpengaruh pada kecepatan ionisasi gas, semakin kecil tekanan gas, semakin kecil kemungkinan gas akan bertabrakan dengan ion lain sehingga proses ionisasi gas pada chamber semakin cepat, yang berakibat energi yang dimiliki ion juga semakin besar. Variabel yang mempengaruhi morfologi dan sifat fisik lapisan tipis hasil deposisi, diantaranya adalah temperatur substrat, jarak bahan target ke substrat dan waktu deposisi. Deposisi dengan metode plasma sputtering juga sangat dipengaruhi oleh bahan target yang digunakan. Beberapa kriteria yang perlu dipertimbangkan saat memilih bahan target yang tepat untuk deposisi menggunakan plasma sputtering adalah bahan target yang digunakan harus memiliki konduktivitas listrik yang cukup tinggi untuk memungkinkan aliran arus listrik dan pembentukan plasma. Selain itu bahan target harus mampu menahan suhu tinggi selama proses deposisi. Kestabilan termal yang tinggi diperlukan untuk mencegah deformasi atau pelelehan pada bahan target selama proses deposisi. Hasil deposisi yang baik juga dipengaruhi kemurnian bahan target. Bahan target harus memiliki kemurnian yang tinggi untuk menghasilkan lapisan tipis dengan kualitas yang baik. Kontaminasi dalam bahan target dapat menyebabkan ketidakstabilan, struktur yang tidak diinginkan, dan sifat fisik yang buruk pada lapisan tipis yang dihasilkan. Dalam memilih bahan target untuk proses deposisi plasma sputtering, kriteria-kriteria di atas harus dipertimbangkan dengan baik untuk memastikan bahwa lapisan tipis yang dihasilkan memenuhi persyaratan aplikasi yang diinginkan. Salah satu material yang bisa digunakan sebagai bahan target adalah karbon. Plasma merupakan gas yang terionisasi, oleh karena itu plasma memiliki elektron maupun ion positif sebagai spesiesnya. Pembangkitan plasma membutuhkan sejumlah energi untuk merubah fase gas menjadi plasma. Energi pada proses pembangkitan plasma juga harus kontinyu. Apabila energi yang diberikan belum cukup dan tidak kontinyu maka plasma akan kembali berubah menjadi gas. Diagnostik dan karakterisasi pada plasma bersifat penting dan perlu untuk dilakukan. Melalui proses diagnostik dan karakterisasi dapat diketahui informasi tentang berbagai properti dari plasma seperti densitas plasma, potensial plasma, temperatur elektron, distribusi energi dan ion, distribusi massa, maupun spesies plasma. Beberapa teknik yang digunakan untuk diagnostik dan karakterisasi antara lain menggunakan probe Langmuir, interferometri, spektroskopi massa, metode dispersi Thomson, dan spektroskopi emisi optik (OES). Spektroskopi emisi optik adalah teknik yang paling sederhana. Spektroskopi emisi optik menggunakan emisi spektral dari plasma dalam proses diagnostiknya. Hasil dari spektroskopi emisi optik adalah intensitas emisi dari spesies di dalam plasma terhadap panjang gelombang. Plasma memiliki paramater yang disebut sebagai parameter plasma. Parameter plasma di antaranya adalah temperatur dan densitas elektron. Temperatur elektron memiliki hubungan yang proporsional terhadap energi kinetik acak rerata. Beberapa metode yang umum digunakan dalam penentuan temperatur adalah metode rasio, plot Boltzmann, Persamaan Saha-Boltzmann, dan broadening Doppler. Plasma sputtering yang biasa digunakan untuk proses deposisi mempunyai frekuensi 13,56 MHz. Sedangkan frekuensi plasma sputtering yang digunakan pada penelitian adalah 2 MHz. Agar plasma sputtering dapat berfungsi dengan baik untuk proses deposisi, maka perlu dilakukan beberapa pengembangan baik desain maupun kelengkapan sistem plasma. Deposisi dengan plasma sputtering dapat dilakukan dengan memperhitungkan kriteria dari proses deposisi dan sistem plasma yang digunakan, sehingga perlu dilakukan eksplorasi terkait sistem plasma yang ada dan untuk memenuhi kriteria tersebut perlu dilakukan desain dari sistem plasma. Berbagai upaya telah dilakukan, dengan melengkapi sistem plasma sehingga siap digunakan untuk proses deposisi. Efektivitas dari proses deposisi diidentifikasi dari intensitas spesies plasma yang terbentuk. Sehingga diperoleh bahwa penggunaan hollow cathode merupakan salah satu solusi yang dapat digunakan dalam meningkatkan intensitas spesies gas argon yang menuju ke bahan target. Pengembangan teknik deposisi pada penelitian ini dilakukan dalam tiga tahap. Tahap pertaman melakukan desain sistem chamber dengan menambah beberapa bagian, yaitu holder substrat, holder bahan target, sistem pemanas substrat, sistem deteksi spesies argon menggunakan Optical Emission Spectroscopy (OES), sehingga plasma dari gas argon terbentuk. Terbentuknya plasma dapat dideteksi menggunakan OES, dengan menganalisis panjang gelombang yang dihasilkan dengan cara membandingkan data tersebut dengan data dari NIST. Tahap kedua yaitu uji coba identifikasi plasma sebelum dan setelah digunakan holder dan bahan target dengan variasi tegangan dan tekanan, yang diperoleh bahwa kondisi intensitas spesies argon akan semakin naik dengan kenaikan tegangan dan akan semakin turun saat digunakan tekanan yang semakin besar. Tahap ketiga adalah melakukan “focusing” spesies argon, tanpa dan dengan menggunakan hollow cathode, di mana intensitas spesies argon tertinggi dicapai saat digunakan hollow cathode. Kondisi dengan intensitas tertinggi digunakan untuk proses intensifikasi spesies gas argon dalam proses deposisi lapisan karbon. Penggunaan hollow cathode dapat menaikkan intensitas spesies plasma. Intensifikasi spesies gas argon dilakukan dengan menganalisis data dari OES, kemudian menggunakan metode plot Boltzman ditentukan temperatur (Te) dan densitas elektron (Ne). Karakteristik OES diamati pada variasi tegangan dan tekanan serta penggunaan hollow cathode. Diperoleh bahwa spesies gas argon mempunyai nilai tertinggi pada tegangan 160 volt (tekanan 10 Pa) nilai Te = 0,472 eV dan Ne = 4,79.1012 cm-3, sedangkan pada tekanan 20 Pa (tegangan 160 Volt). diperoleh Te = 0,486 eV dan Ne = 15,91.1012 cm-3. Pengembangan teknik deposisi belum mencapai temperatur dan densitas yang dipersyaratkan meskipun menggunakan hollow cathode, sehingga perlu dilakukan pengembangan teknik deposisi dengan memfokuskan spesies gas argon menggunakan magnet agar menuju bahan target dan terjadi proses tumbukan yang dapat melepas partikel bahan target atau dengan menaikkan tegangan DC bias agar energi yang dihasilkan lebih tinggi, sehingga kemampuan ion dalam menumbuk bahan target lebih besar