Fabrikasi Filamen Pemanas Dari Lapisan Tipis Emas

PROSIDING SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 19 September 2006

FABRIKASI FILAMEN PEMANAS DARI LAPISAN TIPIS EMAS PADA SUBSTRAT ALUMINA (AL2O3) UNTUK PEMANAS SENSOR GAS LAPISAN TIPIS ZnO J. Karmadi PTAPB – BATAN ABSTRAK FABRIKASI FILAMEN PEMANAS DARI LAPISAN TIPIS EMAS PADA SUBSTRAT ALUMINA (Al2O3) UNTUK PEMANAS SENSOR GAS LAPISAN TIPIS ZnO. Telah dilakukan fabrikasi filamen pemanas dari lapisan tipis emas pada substrat alumina (Al2O3) ukuran panjang 5 cm, lebar 1 cm tebal 1 mm. Untuk maksud tersebut, terlebih dahulu dibuat mal dari bahan SS ukuran 8,5 cm, dari bahan SS tersebut dibuat mal pemanas dengan ukuran 1 mm. Untuk membuat lapisan tipis emas pada substrat alumina digunakan DC Sputtering. Proses sputtering dilakukan pada kondisi : tegangan elektroda = 2 kV, P = 2,5 x 10-2 torr. Jarak elektroda 2,5 cm dan daya 100 watt. Dari hasil pengujian diperoleh hasil bahwa untuk tegangan pemanas 1,5 volt dicapai temperatur 59°C, untuk tegangan pemanas 3 volt dicapai temperatur 168°C, untuk tegangan pemanas 4,5 volt dicapai temperatur 295°C, untuk tegangan 6 volt dicapai temperatur 391°C, untuk tegangan 7,5 volt dicapai temperatur 520°C, sedangkan untuk tegangan pemanas 9 volt lapisan tipis pemanas mengelupas (rusak). Oleh karena sensor ZnO beroperasi antara 280°C hingga 300°C, maka cukup diperlukan tegangan pemanas dari batery 4,5 volt. Kata kunci: Sputtering , Alumina, Filamen pemanas ABSTRACT FABRICATION OF GOLD (Au) THIN FILM HEATER ON ALUMINA (Al2O3) SUBSTRATE FOR HEATING OF ZnO THIN FILM GAS SENSOR. It has been fabricated gold (Au) thin film heater an Alumina (Al2O3) substrate for heating of ZnO thin film gas sensor. The dimension of substrate is 5 cm length, 1 cm width and 1 mm thickness. For the purpose, the first step is to fabricate the mall made of SS with dimension 8,5 cm, diameter and 2 mm thickness, from this material is then fabricated mall with dimension 1 mm width. The Au thin film on Alumina (Al2O3) substrate can be carried out using DC sputtering technique. The conditions of sputtering process are electroda voltage = 2 kV, P = 2,5 x 10-2 torr, electrode distance = 2,5 cm and power 100 watt. From the tested done, it can be concluded that for 1,5 volt, 3 volt, 4,5 volt, 6 volt, 7,5 volt. Volt heater voltage, the temperature that can be achieved is 59°C, 168°C, 295°C, 391°C, 7,5 volt 520°C respectively, while for heater voltage 9 volt the gold thin film spallation. Since the working temperature of ZnO thin film is in order of 280°C up 300°C, the 4,5 volt batery is enough to supply of the sensor. Key word: Sputtering, Alumina, Heater filament

PENDAHULUAN

S

ejak tahun 2002 Bidang Akselerator PTAPBBATAN telah memulai riset dalam febrikasi sensor gas dari lapisan tipis berbasis MOS (Metal Oxide Semiconductor). Kelemahan utama sensor lapisan tipis dari bahan metal oksida semikonduktor 24

(MOS, metal oxide semiconductor) seperti CeO2, SnO, SnO2, TiO2, ZnO maupun ZnO2 yang dihadapi selama ini adalah bahwa suhu operasinya yang cukup tinggi yaitu dalam kisaran 250°C hingga 400°C serta ketidak stabilan resistansinya. Selama ini untuk menumbuhkan lapisan tipis dari bahan MOS, substrat yang digunakan

ISSN 1410 - 8178

J. Karmadi

PROSIDING SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 19 September 2006

adalah kaca preparat dan sumber pamanasnya terpisah. Kelemahan substrat kaca adalah bila dioperasikan pada suhu tinggi maka kaca tersebut akan mudah retak sehingga akan merusak lapisan tipis yang terbentuk, dengan demikian unjuk kerja dari sensor akan berubah dan menjadi jelek. Sedang dengan pemanas terpisah maka akan diperlukan daya yang tinggi pula dan kurang praktis. Berbagai upaya telah dilakukan untuk mengatasi masalah tersebut. Untuk sensor yang ukuran portabel maka diperlukan sumber daya pemanas yang rendah pula. Yang menjadi masalah adalah bagaimana mendisain pemanas dengan konsumsi daya rendah. Untuk maksud tersebut telah didesain dan dikontruksi suatu pemanas dari lapisan tipis emas (Au) dengan ukuran tebal dalam orde µm dan lebar 1 mm di atas substrat alumina (Al2O3) berukuran panjang 5 cm, lebar 1 cm dan ketebalan 1 mm. adapun skema dari lapisan tipis pemanas yang didesain dan telah dibuat disajikan pada gambar 1.

Gambar 1. Skema Sistem Pemanas di atas Subtrat Alumina (Al2O3) TEORI SPUTTERING Metode deposisisi lapisan tipis secara garis besar dapat dibagi menjadi dua, yaitu proses PVD (Physical Vapor Deposition) dan proses CVD (Chemical Vapor Deposition). Proses PVD dibagi menjadi dua kategori yaitu evaporasi termal dan sputtering , proses CVD juga terdiri dari dua kategori yaitu plasma CVD dan laser CVD. Sistem sputtering pada umumnya berupa tabung lucutan pijar yang didalamnya terpasang elektrode (anode dan katode), di mana target dipasang pada katode dan substrat diletakkan pada anode, dilengkapi dengan sistem vakum, sistem masukan gas, sistem pendingin target serta sistem pemanas substrat dan catu daya (DC atau RF). Dalam sistem spputering, apabila suatu permukaan padatan (target) ditumbuk oleh partikel–partikel dengan energi tertentu maka atom–atom permukaan J. Karmadi

target terhambur balik atau terhambur keluar seperti ditunjukkan dalam gambar 2. Fenomena ini disebut back-spputering atau disederhanakan spputering. Apabila suatu keping tipis ditumbuk dengan partikel–partikel berernergi, maka beberapa atom yang terhambur bertransmisi melalui keping, dan fenomena ini disebut dengan transmission sputtering.

Gambar 2. Proses sputtering secara fisis Beberapa sistem sputtering telah diajukan untuk proses deposisi lapisan tipis dan diantara sistem tersebut, model sederhana adalah sistem sputtering diode DC. Sistem sputtering DC tersebut terdiri dari sepasang elektrode planar. Satu dari elektrode adalah katode dingin dan lainnya adalah anode. Material target yang akan didepositkan terpasang pada katode, dan substrat diletakkan pada anode. Tabung sputtering diisi dengan gas sputtering, pada umumnya adalah gas argon ( Ar ) dengan tekanan operasi 0,1 Torr. Lucutan pijar dipertahankan dengan memberi tegangan DC antara elektrode. Ion-ion argon yang dihasilkan di dalam lucutan pijar dipercepat pada cathode fall (sheath) dan atom– atom target yang tersputter didepositkan pada permukaan substrat. Dalam sistem sputtering DC ini target terdiri dari metal atau metal paduan, karena lucutan pijar (yaitu aliran arus) harus dipertahankan antara elektrode metalik. TATA KERJA Tahapan dalam pembuatan filamen pemanas dari lapisan tipis adalah sebagai berikut : 1. Pemotongan substrat dari alumina 2. Alumina ukuran 25 cm x 25 cm x 0,1 cm dipotong menjadi ukuran 5 cm x 1 cm x 0,1 cm menggunakan gergaji intan kecepatan rendah. 3. Kemudian potongan-potongan alumina tersebut dicuci dengan alkohol menggunakan penggetar ultrasonic cleaner. 4. Potongan alumina tadi kemudian diletakkan di atas mal (pola) dan selanjutnya diletakkan pada

ISSN 1410 – 8178

25

PROSIDING SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 19 September 2006

5. 6. 7.

8.

9.

tempat yang telah tersedia pada tabung sputtering (elektroda bagian atas) anoda. Target sputtering emas (Au) ukuran diameter 60 cm dan tebal 3 mm diletakkan pada katoda (elektroda bagian bawah). Kemudian tabung sputtering dihampakan dengan pompa vakum rotari. Setelah tabung sputtering cukup hampa, kemudian dilakukan eksperimen awal dengan cara mengatur parameter proses sputtering seperti tekanan gas sputter (Argon), jarak elektrode, tegangan elektrode, dan pemanas substrat yang di lengkapi dengan kontroll suhu. Tujuan dari eksperimen awal ini dimaksudkan untuk mengetahui kondisi optimum dari parameter proses. Indikator dari kondisi optimum paramater proses tersebut ditandai dengan nyala plasma yang terang dan homogen. Setelah kondisi tersebut dipenuhi, maka proses sputtering baru dilakukan dengan memberi

tegangan negativ pada katode dan untuk mengatur ketebalan lapisan tipis dapat dilakukan dengan mengatur lamanya proses deposisi lapisan tipis. 10. Dalam eksperimen ini kondisi sputtering yang bagus adalah tegangan elektrode 2 kV, tekanan operasi 2,5 x 10-2 mBar, jarak elektroda 2,5 cm dan suhu pemanas 250°C. Untuk mengetahui keberhasilam pembuatan filamen pemanas dari lapisan tipis emas (Au) pada substrat alumina, maka dilakukan pengujian dari lapisan tipis emas (Au) dengan berbgai tegangan catu daya. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengujian dari lapisan tipis emas untuk pemanas dengan variasi tegangan catu daya disajikan pada tabel 1.

Tabel 1. Uji tegangan filamen pemanas dengan variasi tegangan catu daya

Tegangan catu daya (Volt)

Temperatur pada pengukuran menit pertama (°C)

Temperatur pada pengukuran menit kedua (°C)

53 156 276 376 504

53 165 274 376 505

1,5 3 4,5 6 7,5 9

Temperatur pada pengukuran menit ketiga (°C) 57 164 276 380 509 Filamen mengelupas

Dari tabel 1 terlihat bahwa untuk masingmasing catu daya yang berbeda memberikan kemampuan pemanasan yang berbeda pula, semakin meningkat catu daya yang diberikan semakin meningkat pula temperatur yang dicapai. Untuk catu daya 9 volt ternyata lapisan tipis justru mengelupas, hal ini karena terlalu panas. Dan oleh karena sensor dengan bahan MOS (Metal Oxide Semiconductor) biasanya beroperasi antara 280°C hingga 350°C, maka untuk memanasi filamen cukup digunakan batery 4,5 volt atau untuk amannya digunakan batery 6 volt. Dan konsumsi daya sebesar itu cukup rendah dan banyak dijual di pasaran.

Temperatur pada pengukuran menit keempat (°C)

Temperatur pada pengukuran menit kelima (°C)

56 165 278 381 509

59 168 295 391 520

1. Sistem pemanas lapisan tipis dari bahan emas (Au) dapat melekat lebih kuat pada permukaan substrat alumina 2. Suhu maksimum yang dicapai oleh filamen pemanas sebesar 520°C, kondisi ini dicapai pada tegangan catu daya sebesar 7,5 Volt. 3. Untuk memanasi sensor gas dari bahan ZnO diperlikan suhu operasi antara 280 °C hingga 350 °C kondisi ini dicapai pada tegangan 4,5 Volt. Keberhasilan ini merupakan langkah maju dalam mengatasi masalah sistem pemanas sensor gas. UCAPAN TERIMA KASIH

KESIMPULAN Dari hasil pembuatan filamen pemanas dari lapisan tipis emas pada substrat alumina (Al2O3)untuk pemanasa sensor gas lapisan tipis ZnO dapat disimpulkan sebagai berikut:

26

Dengan telah selesainya penelitian ini kami mengucapkan banyak terima kasih kepada Bapak Drs. Darsono, MSc., APU, Drs. BA. Tjipto Sujitno, MT., APU dan Bapak Sayono, ST atas segala bantuan yang telah diberikan.

ISSN 1410 - 8178

J. Karmadi

PROSIDING SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 19 September 2006

DAFTAR PUSTAKA 1.

2. 3. 4. 5.

WASA K. AND HAYAKAWA S., Handbook of Sputter Deposition Technology, Principle, Technology and Applications, Noyes Publications (1992). KONUMA, M., Film Deposition by Plasma Techniques, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg (1992). OHRING, M., The materials Science of Thin Films, Academic Press, Inc., San Diego (1992). R. LALAUZE et al, High – Sensitivity Materials for Gas Detection, Sensors and Actuators B, Supplement 137 -143 (1997). A.M. GAS,KOV, Materials for Solid State Gas Sensors, Inorganic Materials, Vol. 36, Number 3, 293 (2000).

J. Karmadi

TANYA JAWAB Irianto ¾ Mengapa lapisan ZnO perlu dipanasi ? ¾ Apakah sistem pemanas yang dilapiskan pada substrat Alumina (Al2O3) juga tidak akan mengelupas pada suhu 300 oC ? J. Karmadi — Lapisan tipis ZnO termasuk bahan metal oksida semikonduktor yang mana bila dikenahi suhu 300 oC maka akan terjadi perubahan nilai resistansinya dan tanggap terhadap gasgas tertentu. — Substrat alumina (Al2O3) adalah tahan terhadap suhu tinggi dan untuk menjaga supaya lapisan Au tidak mengelupas maka selain diberi perekat tahan panas juga diberi isolator.

ISSN 1410 – 8178

27