Optimasi Arus Ion Zn Pasca Penggantian Filamen Baru Untuk Sumber Ion Pada Mesin Implantasi Ion

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

OPTIMASI ARUS ION ZN PASCA PENGGANTIAN FILAMEN BARU UNTUK SUMBER ION PADA MESIN IMPLANTASI ION Sukidi, Sunarto Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Badan Tenaga Nuklir Nasional ABSTRAK OPTIMASI ARUS ION Zn PASCA PENGGANTIAN FILAMEN BARU UNTUK SUMBER ION PADA MESIN IMPLANTASI ION.. Sumber ion yang telah beroperasi dalam jangka waktu lama kadang-kadang sudah tidak efisien lagi dan bahkan filamennya bisa putus. Untuk itu diperlukan penggantian filamen baru agar diperoleh arus ion yang optimal. Telah dilakukan penggantian filamen serta pengujiannya pada sumber ion untuk mesin implantasi ion PTAPB-BATAN. Pengujian dilakukan untuk mendapatkan karakterisasi dan optimasi arus ion dengan parameter tegangan anoda, tegangan ektraktor dan tegangan tinggi pemercepat. Dengan memvariasi tegangan anoda, tegangan ektraktor, dan tegangan tinggi pemercepat diperoleh arus ion Zn optimum yaitu 35 µA pada kondisi tegangan anoda 5 kV, tegangan ektraktor 2 kV, tegangan tinggi pemercepat 100 kV serta pada kondisi tingkat kevakuman 10-5 torr. ABSTRACT ION CURRENT OPTIMATION AFTER NEW FILAMENT REPLACEMENT FOR ION SOURCE OF ION IMPLANTATION MACHINE. The ion source have been operated in long time sometime it is not efficient anymore, and even it is broken. In order that, it is needed to replace with the new one in order to be obtained the optimal ion current. Filament replacement and its testing to ion source of implantation machine at PTAPBBATAN have been done. The testing was done to get the characteristic and optimation of ion Zn.current with parameters such as anode voltage, extractor voltage and accelerator high voltage. With the setting anode voltage, extractor voltage, and accelerator high voltage it is obtained that the optimum ion Zn current is 35 µA on anode voltage 5 kV, extractor voltage 2 kV accelerator high voltage 100 kV and vacuum level 10-5 torr

PENDAHULUAN

A

kselerator implantasi ion merupakan jenis akselerator ion yang khusus didesain untuk mengimplantasikan ion-ion dari suatu atom atau molekul ke dalam suatu bahan. Alat ini terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu sumber ion, sumber tegangan tinggi, tabung akselerator, lensa kuadrupol, sistem pemisah berkas ion, sistem hampa dan tempat target/cuplikan. Sumber ion merupakan komponen yang berfungsi menghasilkan ion dalam ruang ionisasi dan memerlukan dopan yang berupa gas/uap ataupun padatan. Bila dopan yang digunakan berupa padatan, maka dopan tersebut harus diubah ke fasa uap terlebih dahulu melalui pemanasan. Sukidi, dkk

Pemanasan dapat dilakukan dengan cara memasukkan dopan tersebut dalam suatu tabung alumina yang dililiti dengan kawat nikelin. Proses ionisasi terjadi karena uap dopan ditembak dengan elektron yang dihasilkan oleh elektrode yang terpasang dalam ruang ionisasi sehingga timbul elektron sekunder yang akan mengionkan uap dopan lebih lanjut[1] Ion-ion positif yang dihasilkan selama proses ionisasi akan ditarik keluar oleh tegangan ekstraktor negatif menuju tabung akselerator melalui celah sempit. Ion yang dihasilkan oleh sumber ion akan dipercepat di dalam tabung akselerator sebelum diimplantasikan pada sasaran. Medan listrik yang terbentuk di antara elektroda-elektroda tabung pemercepat akan membentuk medan ekuipotensial

ISSN 1410 – 8178

59

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

yang dapat memfokuskan dan mempercepat berkas partikel bermuatan. Potensial pada elektrode diberikan melalui sistem pembagi tegangan yang terdiri dari beberapa tahanan. Antara elektroda timbul beda potensial yang besarnya hampir sama sehingga berkas ion mendapat tambahan energi yang hampir sama ketika melalui setiap elektroda. Lensa kuadrupol terdiri dari 4 lempeng penyearah yang membentuk suatu hiperbola tegak lurus, masing-masing pasangan dihubungkan dengan tegangan positif dan negatif yang besarnya dapat diubah dari 0 hingga 15 kV. Dengan mengubah besar tegangan pada lensa, berkas ion dapat difokuskan atau didefokuskan. Agar ion-ion dapat mencapai sasaran tanpa mengalami tumbukan dengan sisa molekul gas dalam sistem akselerator implantasi ion, maka sepanjang lintasan yang dilalui berkas ion dopan dari sistem sumber ion sampai ke sasaran harus dalam keadaan hampa. Tingkat kehampaan yang diperlukan dalam sistim akselerator implantasi ion adalah dalam orde 10-5 10-6 torr. Untuk dapat mencapai tingkat kehampaan pada level tersebut diperlukan 2 jenis pompa yaitu pompa rotari dan pompa difusi. Pompa rotari yang merupakan pemompaan tahap pertama mempunyai kemampuan penghampaan hingga 10-3 torr sedangkan untuk penghampaan hingga 10-6 torr digunakan pompa difusi. Berkas ion dopan yang dihasilkan oleh sumber ion ditarik keluar oleh tegangan negatif ekstraktor dan selanjutnya dipercepat dalam tabung akselerator dan ditembakkan pada bahan target yang akan diimplantasi[2]. Bahan tersebut diletakkan pada tempat target yang terdiri dari mangkok Faraday dan pegangan bahan target. Untuk mengukur arus berkas ion dopan, mangkok Faraday dihubungkan dengan alat mikroampermeter. Diharapkan dengan optimasi arus ion dapat diperoleh karakteristik dari sumber ion dengan filamen yang baru setelah pasca penggantian. TATA KERJA Pada Gambar 1 diperlihatkan suatu mesin akselerator implantasi ion yang ada di Bidang Teknologi Akselerator dan Fisika Nuklir, Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta. Pada dasarnya mesin implantasi ion terdiri dari beberapa bagian antara lain sumber ion (SI), tabung akselerator, lensa kuadrupul, sumber tegangan tinggi, magnet analiser, dan kotak sasaran (mangkok Farady) serta sistem vakum (pompa vakum dan sistemnya). Khusus untuk sumber ion pada mesin implantasi ion ini tergantung dari bahan yang akan diimplankan pada material sasaran, sehingga pada mesin implantasai ion ini mempunyai beberapa tipe sumber ion tergantung dari kebutuhan implan. yaitu sumber ion untuk bahan padat, bahan 60

gas, dan bahan cair. Pada pengujian kali ini dilakukan untuk jenis sumber ion dengan bahan implan padat dengan bahan dopan Zn. Filamen yang sudah tidak efisien lagi diganti dengan filamen yang baru dan bersamaan penggantian tersebut diletakkan pula material Zn, selanjutnya sumber ion tersebut di digabungkan dengan sistem vakum mesin implantasi yang selanjutnya semua sistem divakumkan sampai pada tingkat kevakuman optimum (10-6 torr) .selanjutnya baru filamen siap untuk dialiri arus untuk memanaskan material, yang selanjut gas hasil penguapan di ionisasikan dalam ruang ionisasi. Hasil ion dari ionisasi ditarik keluar dari ruang sumber ion ke sasaran (target)

Gambar-1. Diagram akselerator implantasi ion 150 keV/2 mA HASIL DAN PEMBAHASAN Arus ion Zn sangat dipengaruhi oleh hasil penguapan bahan Zn yang dipanaskan oleh filamen. Bahan Zn mempunyai titik didih 420 0C sedangkan bahan filamen yang digunakan adalah molibdenum yang mempunyai titik didih ± 13000C sehingga memungkinkan untuk memdidihkan bahan Zn agar berubah dari fase padat menjadi fase gas agar dapat di ionisasi di dalam ruang sumber ion. Untuk memanaskan bahan Zn berubah menjadi fase gas dibutuhkan arus filamen yang cukup. Arus filamen dapat diatur mulai dari 0 – 40 Amper. Hasil pengujian dengan memvariasi arus filamen terhadap arus ion Zn ditunjukkan pada Tabel 1 atau Gambar 2.yaitu arus filamen 0 (nol) arus ion Zn juga masih 0 (nol) hal ini karena belum terjadi penguapan gas Zn, dengan menaikkan arus filamen pelan-pelan ke 2,5 A arus ion muncul 18 µA, selanjutnya dinaikkan bertahap 5 A, 7,5 A, 10 A, 12,5 A, 15 A dan 17,5 A serta terakhir 20 A diperoleh arus ion Zn berturutturut 23 µA, 25 µA, 26 µA, 29 µA, 35 µA, dan 34 µA, serta 32 µA, ini menunjukkan bahwa arus ion optimum terjadi pada arus filamen 15 A dan dengan menaikkan arus filamen sampai pada 20 A arus ion yang terukur justru menurun menjadi 32 µA.

ISSN 1410 - 8178

Sukidi, dkk

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

Tabel. 1. Variasi arus filamen Arus filamen

Arus ion (µA,)

(Amper) 0 2,5 5 7,5 10 12.5 15 .17.5 20

0 18 23 25 26 29 35 34 32

Tabel. 2. Variasi tegangan anoda Tegangan Arus ion anoda(kVolt) (µA,) 0 0 15 1.5 18.5 2 22.5 2.5 23.5 3 35 5 32 5.5 23.5 6.5 9 9

Arus ion (UA)

40 Zn

30 20 10 0 0

2

4

6

8

10

Tegangan Anode (kV)

Gambar 2. Hubungan arus ion vs arus filamen Dari data-data hasil pengujian parameter– parameter yang mempengaruhi terhadap arus ion selain arus filamen adalah tegangan anoda, tegangan ekstraktor, tegangan pemercepat. Pada Tabel 2 atau Gambar 3 ditunjukkan hubungan antara tegangan anoda dengan arus ion. Pada kondisi tegangan anoda nol arus ion juga nol walaupun tegangan pemercepat dan tegangan ektraktor pada kondisi optimun arus ion tetap nol (tidak keluar arus ion) hal ini terjadi karena ion-ion yang akan dikeluarkan adalah ion positif hasil dari ionisasi sedangkan di dalam ruang sumber ion belum terjadi proses ionisasi karena tegangan anoda nol, walaupun demikian tegangan anoda perlahan-lahan diberikan dari 0 ke 1,5 kV arus ion yang terukur perlahan naik sampai pada 15 µA dan berturut-turut tegangan anoda dinaikan menjadi 2 kV; 2,5 kV, 3 kV dan 5 kV arus ion ikut naik menjadi 18,5 µA, 22,5 µA, 23,5 µA dan 35 µA . Ini menunjukkan bahwa tegangan anoda berpengaruh terhadap arus ion yang dihasilkan oleh sumber ion namun begitu dinaikkan terus 5,5 kV, 6,5 kV dan sampai 9 kV arus ionnya justru menurun yaitu 32 µA, 23,5µA, 9 µA ini berarti arus ion Zn optimum dengan variasi tegangan anode terjadi pada tegangan anoda 5 kV.

Sukidi, dkk

Gambar 3. Hubungan arus ion vs tegangan anoda Pada Gambar 4 ditunjukkan hubungan antara tegangan ekstraktor denga arus ion. Pada kondisi tegangan ekstraktor nol arus ion sudah menunjukkan 22 µA. Hal ini karena arus yang keluar tersebut adalah hasil ionisasi dalam ruang sumber ion dengan tegangan anoda, pada kondisi yang demikian tegangan pemercepat adalah masih nol (0). Dengan tegangan anoda optimum dimungkinkan ion-ion dikeluarkan dari hasil ionisasi yang dikeluarkan akibat ion-ion negatif (elektron) ditarik oleh tegangan anoda, sedangkan di dalam ruang sumber ion terjadi proses ionisasi terus, begitu tegangan ektraktor diberikan dan dinaikkan secara pelan-pelan sampai pada 2 kV arus ion juga naik pelan-pelan hingga mencapai optimum pada arus ion 33,5 µA. dan tegangan ektraktor dinaikkan terus sampai pada 6 kV namun justru arus ion terukur turun yaitu 19 µA hal ini membuktikan bahwa arus ion optimum terjadi pada tegangan ektraktor 2 kV. Hal ini menunjukkan bahwa tegangan ekstraktor juga sangat berpengaruh terhadap arus ion yang dihasilkan. Dengan demikian arus optimum 33,5 µA terjadi pada tegangan ektraktor 2 kV.

ISSN 1410 – 8178

61

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

Tabel. 3. Variasi tegangan ektraktor Tegangan anoda(kVolt) 0 1 2 3 4 5 6

Arus ion (µA,) 22 23 33.5 31 29 22.5 9

Tabel. 4. Variasi tegangan pemercepat Tegangan Arus ion pemercepat (kVolt) (µA,) 7.5 0 20 10 24 20 30 30 31 40 32 50 33 60 34 70 35 80 35.2 90 35.3 100

Arus ion (UA)

40

Gambar 4. Hubungan arus ion vs Tegangan ektraktor Arus ion yang terukur dari pengujian sumber ion terhadap perubahan tegangan pemercepat seperti ditunjukkan pada tabel 4 atau Gambar 5. Hubungan antara arus ion dengan tegangan tinggi pemercepat dengan mempertahankan parameter yang lain pada kondisi optimum yaitu tegangan anoda dan tegangan ekstraktor pada kondisi 5 kV dan 2 kV. Arus ion yang terukur terhadap perubahan tegangan tinggi pemercepat yaitu tegangan pemercepat nol (0) arus ion sudah terukur 7,5 µA namun dengan menaikkan tegangan pemercepat dari nol sampai pada tegangan 10 kV arus ion naik dan terukur 20 µA kenaikan ini merupakan kenaikan yang signifikan, namun setelah tegangan tinggi pemercepat perlahan-lahan dinaikkan lagi kenaikan arus ion tidak begitu cepat dan linier walaupun tetap ada kenaikan, seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Kenaikan arus ion dari tegangan pemercepat berturut-turut dari 20 kV ke 40 kV, 60 kV, 80 kV, dan 100 kV arus yang terukur 24 µA, 31 µA, 33 µA, 35 µA 35,3 µA justru pada tegangan tinggi pemercepat 100 kV kenaikkan arus ion sudah kecil sekali. Ini menunjukkan bahwa arus optimum terjadi pada tegangan 80 kV sampai pada 100 kV.

62

30 Zn

20 10 0 0

20

40

60

80

100

120

Tegangan pemercepat (kV)

Gambar 5. Hubungan arus ion vs tegangan pemercepat KESIMPULAN Dari hasil pengujian optimasi sumber ion untuk mesin implantasi ion pasca penggantian filamen baru dapat disimpulkan sebagai berikut : Besar arus ion Zn yang dihasilkan oleh sumber ion sangat dipengaruhi oleh parameterparameter : a. Arus filamen b. Tegangan anoda c. Tegangan ekstraktor d. Tegangan tinggi pemercepat e. Tingkat kevakuman 1. Pengoperasian sumber ion pada akselerator implantasi ion sangat memerlukan ketrampilan dari operator untuk mengoperasikan mesin implantasi sehingga betul-betul dapat menguasai karakteristik dari sumber ion tersebut. 2. Dengan diperoleh data-data hasil pengujian tersebut diatas maka dapat diketahui karakterisasi dari sumber ion tersebut setelah pasca penggantian filamen baru. 3. Arus ion optimum terukur 35 µA. terjadi pada kondisi arus filamen 15 Amper, tegangan anode 5 kV, tegangan ektraktor 2 kV dan tegangan pemercepat 100 kV serta pada tingkat kevakuman 10-5 torr.

ISSN 1410 - 8178

Sukidi, dkk

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

UCAPAN TERIMA KASIH Dalam kesempatan kali ini penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada Bapak Djasiman, ST yang telah membantu dan mendorong untuk segera dapat diselesaikan penggantian filamen baru beserta pengujiannya dan kami ucapkan terima kasih pula kepada Bapak Drs BA Tjipto Sujitno, MT yang telah membimbing dan mengarahkan sehingga terselesaikan tulisan ini, dan tidak lupa kami ucapkan terima kasih juga kepada temanteman dikelompok teknologi dan rancang bangun akselerator dalam sumbangsih pemikirannya. DAFTAR PUSTAKA 1.

VALLY, L, 1977, Atom and Ion Source, John wiley & Sons London. 2. SUDJATMOKO, 1998 , Aplikasi Teknik Implantasi Ion dalam Doping Bahan Semikonduktor dan Non Semikonduktor Untuk Menghasilkan Bahan dengan Sifat Unggul, Laporan Riset Unggulan Terpadu III, Bidang Ilmu Bahan

Sukidi, dkk

TANYA JAWAB Imam Dahroni ¾ Jelaskan variable apa saja yang dapat mempengaruhi kondidi optimum arus ion hasil filament ? ¾ Dari hasil kesimpulan berapa kondisi kongkrit peralatan implantasi ion bapak. ? Sukidi — Variabel yang mempengaruhi adalah arus fillamen, tegangan ekstraktor, tegangan anoda, tegangan pemercepat dan tingkat kevakuman — Kondisi optimum diperoleh arus filament 15 A, tegangan ekstraktor 2 kV, tegangan anoda 5 kV, tegangan pemercepat 100 kV dan tingkat kevakuman 1x10-5 Torr dengan arus ion 35 µA

ISSN 1410 – 8178

63