BAB III METODOLOGI PENELITIAN
A. Metode Penelitian Metodepenelitianmengenai“Perancangan gelombang
optik
berstruktur
planar
dan
fabrikasi
menggunakan
prototype
polimer”yang
pemandu digunakan
adalahstudiliteraturdaneksperimen, dengan skema penelitian seperti pada Gambar 3.1.
MULAI
Identifikasi dan Perumusan Masalah
Data Sekunder
Persiapan alat dan bahan Pemograman Wolfram Mathematica
Litografi
Wafer cleaning dengan RCA-1 dan RCA-2
Marcatili’sMethodedanpers amaan Maxwell
Spin Coating
Photo exposure,Wet etching,Resist strip,dan curing
Karakterisasi fisik(karakterisasi SEM dan jarum ukur) SELESAI
23 Anggraeni, 2014 PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR PLANAR MENGGUNAKAN POLIMER Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
24
Gambar 3.1. Bagan Alur Penelitian
Si Photo Exposure Wafer Cleaning Photoresist Polimer SiO2
Si
Wet Etching
oksidasi SiO2 SiO2 Spin Coating
Resist strip dan Curing Polimer SiO2 SiO2 spin coating Photoresist Polimer SiO2
Gambar 3.2. Bagan Alur Fabrikasi (HD MicroSystems)
B. Lokasi Penelitian Tempat
: LaboratoriumBahandanKomponenMikroelektronikaPusatPeneliti an Elektronika dan Telekomunikasi–Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (PPET–LIPI)
Waktu
: April 2014-Juli 2014
Alamat
: Komplek LIPI Jl. Sangkuriang Gd. 20 – Bandung 40135 telp. 022-2505660, 2504661 Fax. 022-2504659.
Anggraeni, 2014 PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR PLANAR MENGGUNAKAN POLIMER Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
25
C. Alat dan Bahan 1.
2.
Alat a.
Spin coater+vacum
b.
Hot Plate
c.
Lampu Xenon(Exposure Unit)
d.
Peralatan kimia
e.
Positive mask
f.
Gas N2
g.
Handphone (stopwatch)
h.
Gunting
i.
Tissue
Bahan a.
Polimer(polyimide)
b.
Tetrametylamoniumhidroxide(TMAH)
c.
HF(Asam Florida)
d.
DI-water
e.
NH4 OH
f.
H2 O2
g.
HCl
h.
Photoresist
i.
VM-651(promotor adhesive)
j.
Acetone
k.
N-Butylacetat
D. Alur Pembuatan Pemandu Gelombang Optik berstruk Planar menggunakan Polimer
Anggraeni, 2014 PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR PLANAR MENGGUNAKAN POLIMER Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
26
1.
Litografi
Merancang pemandu Preparasi substrat gelombang optik planar Silika
Pembuatan masker : RCA-1dengan Corel 1. Desain masker draw X5 2. Printing di POLAR
Aplikasi wolfram mathematica dengan menggunakan NH4 OH + Pencampuran persamaan 19-23 dan DI-Water H2 O persamaan 60+dan 622
o
Pemanasan pada suhu 75 C Pencetakan pola masker selama menit pada orto15film Gambar 3.3. Alur proses litografi Pencampuran
RCA-2
HCl
+
Water + H2 O2 o
Pemanasan pada suhu 75 C selama 15 menit
Perendaman wafer pada RCA-1 dan RCA-2
Pencucian dengan HF
Larutan HF:H2 O2 (5:100)
Pengeringan dengan gas N2 2.
Wafer Cleaning dengan RCA-1 dan RCA-2 Gambar 3.4. AlurWafer Cleaning Dengan RCA-1 dan RCA-2
Anggraeni, 2014 PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR PLANAR MENGGUNAKAN POLIMER Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
DI-
27
3. Spin Coating Pelapisan wafer dengan VM-651(promotor adhesive)
Pelapisan Polyimide
Spin coating dengan kecepatan 3500 rpm
Kecepatan 7600 rpm selama 60 detik
Photoresist Gambar 3.5. AlurSpin Coating 4.
Photo exposure, Wet etching, resist strip,curing Photo exposure dengan lampu xenon selama 60 detik
Wet etching
Resist strip
Perendaman pada TMAH selama 20 dan 40 detik kemudian Spin dry dengan kecepatan 5000rpm selama 15 detik Perendaman pada N-butilacetate selama 10 detik kemudian Spin dry dengan kecepatan 5000rpm selama 15 detik
curing Pemanasan pada hotplate (200℃ 30menit dan 350℃ 1jam) Anggraeni, 2014
Karakterisasi fisik PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR PLANAR MENGGUNAKAN POLIMER Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
28
Gambar 3.6.AlurPhotoExposure, Wet Etching, Resist Strip danCuring E.
Prosedur Pembuatan pemandu gelombang optik planar Pada penelitian ini pembuatan pemandu gelombang optik planar menggunakan
konsep perancangan menggunakan wolfram mathematica dan kemudian mengolahnya dalam proses fabrikasi semua material diletakkan secara menumpuk seperti sandwich (Gambar 3.2). Penelitian ini terdiri dari beberapa tahapan proses yaitu : 1. Litografi Proses litografi (sesuai Gambar 3.3) pada penelitian ini terdiri dari: a. Perancangan pemandu gelombang optik planar dengan metode Marcatiili menggunakan aplikasi wolfram mathematica. b. Pembuatan masker positif dengan ukuran lebar 10,20,30 dan 50 mikron dengan bantuan Corel Draw X5 yang kemudian dicetak pada kertas film transparan di POLAR sesuai gambar3.7.
Gambar 3.7. Pola Masker
2. Wafer Cleaning dengan RCA-1 dan RCA-2 Proses wafer cleaning (sesuai dengan Gambar 3.3) pada penelitian ini bertujuan untuk membersihkan wafer dari debu atau kotoran lainnya. Wafer atau substrat yang digunakan adalah berupa wafer silikon. Silikon dibersihkan dengan Anggraeni, 2014 PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR PLANAR MENGGUNAKAN POLIMER Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
29
larutan RCA-1 dan kemudian dengan RCA-2. Larutan RCA-1 untuk membuang sisa-sisa organik yang dihasilkan pada waktu proses pengoksidasian wafer, sedangkan RCA-2 untuk membuang ion-ion metal yang terdapat pada wafer. Adapun proses pembuatan larutan RCA-1 dan RCA-2 adalah sebagai berikut:
Pembuatan RCA-1 75 mL DI water dicampurkan dengan 15 mL NH4OH (Ammonium
Hydroxide)dan tambahkan 15 mL H2O2 (Hydrogen Peroxide), setelah itu dipanaskan di atas hotplatesampai 75oC. Kemudian, pindahkan larutan dari hotplatediamkan selama 1-2 menit. Larutan RCA 1 siapdigunakan (Bachman, 1999).
Pembuatan RCA-2 90 mL DI waterdicampurkandengan 15mLHCl (HydrogenChloride)dan
tambahkan
15mL
H2O2
(HydrogenPeroxide),
dipanaskan
di
atas
o
hotplatehingga75 C.Kemudian, pindahkan larutan dari hotplatediamkan selama 12 menit. Larutan RCA 1 siapdigunakan (Bachman, 2002)
Pembersihan wafer Waferdirendamdalamlarutan RCA-1 selama 15 menit, laludibilasdengan DI
water.
Setelahitu,
waferdirendamdalamlarutan
RCA-2
selama
15
menit,
laludibilasdengan DI water.Wafer yang telahdirendam di larutan RCA-1 dan RCA2 kemudiandicucidenganlarutan HF (HydrogenFluoride) dan dikeringkandengan gas N2.
Anggraeni, 2014 PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR PLANAR MENGGUNAKAN POLIMER Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
30
Gambar 3.8. Pembuatan RCA-1 dan RCA-2 Serta Pembersihan Wafer Setelah bersih tahap selanjutnya adalah mengoksidasi wafer dengan meletakkan silikon pada boat. Kemudian alat oksidasi tersebut dinyalakan dengan suhu 900-1100℃. Ketebalan oksidasi dipengaruhi oleh lama tidaknya proses oksidasi. 3. Spin Coating Proses spin coating dilakukan melalui beberapa tahapan. Tahap pertama wafer yang sudah dibersihkan dengan RCA-1 dan RCA-2 ditempatkan pada spin coater.Spin coater yang digunakandalamfabrikasiinimempunyaikecepatanputar 0 – 8000
rpm
denganlamanyawaktupercepatan
(acceleration)
sertaperlambatan
(deceleration) yang bisa diatur secara manual. Spin coater yang digunakan dan proses spin coating ditunjukkan pada Gambar 3.8
Piringan
Material pelapis
Substrat
Vacum
Gambar 3.9.Spin Coater
Anggraeni, 2014 PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR PLANAR MENGGUNAKAN POLIMER Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
31
a. Spin Coating Promotor Adhesive Sebelum dilapisi polymer, maka terlebih dahulu substrat dilapisi dengan promotor adhesive(VM-651 oleh HD MicroSystems). VM-651 biasanya dicampurkan dengan DI-Water hingga 0.1%, dan dapat digunakan sebelum 24 jam. Pelapisan promotor adhesive dilakukan agar meningkatkan daya lekat polymer terhadap permukaan wafer(Norio,D.Heard). Substrat/wafer diletakkan diatas spin coater dan divacumkan. Larutan VM-651 yang mengandung Gaminopropytitrieth-oxysilane diteteskan diatas wafer kemudianspin coater diputar dengan variasi kecepatan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.10. Substrat yang telah dispin coating, kemudian dipanaskan 120oC diatas hotplate selama 60 detik (HD MicroSystems). 20 detik 3500 rpm
15 detik
3500 rpm
30 detik
0 rpm
0 rpm
Gambar 3.10. Profil Kecepatan Untuk PelapisanVM-651(Mahmudin,D. dkk)
b. Spin coating Polimer Selanjutnya dilakukan proses pelapisan polyimide (PI-2545) diatas substrat. Substrat diletakkan diatas spin coater, divacumkan, dan ditetesi dengan PI-2545. Spin coater diputar dengan kecepatan putar 7500 rpm selama 60 detik, untuk memperoleh ketebalan yang diharapkan. Kemudian dipanaskan 140oCdiatas hotplate selama 6 menit (HD MicroSystems).
Anggraeni, 2014 PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR PLANAR MENGGUNAKAN POLIMER Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
32
7500 rpm 60 detik 30 detik
500 rpm 5 detik
0 rpm
Gambar 3.11. Profil Kecepatan Untuk Pelapisan PI-2545 Sebelum pelapisan photoresist substrat yang telah terlapisi harus didinginkan pada temperatur ruang maksimum selama 24 jam. Jika disimpan lebih dari 24 jam, polimer tidak dapat digunakan lagi. c. Spin Coating Photoresist Setelah substrat dilapisi dengan polymer, maka selanjutnya dilakukan pelapisan dengan fotoresist. Fotoresist yang digunakan merupakan jenis fotoresist positif. Substrat yang telah ditetesi dengan fotoresist positif yang telah dipilih (mengandung: Etilasetat dan N-Butilasetat), kemudian diputar dengan spin coater. Profil kecepatan yang digunakan dalam proses ini ditunjukkan pada Gambar 3.12 Setelah dilakukan proses pelapisan, kemudian substrat dipanaskan 90oC diatas hotplate selama 3 menit.
2500 rpm 30 detik 15 detik
500 rpm 5 detik
0 rpm
Gambar 3.12. Profil Kecepatan Untuk Pelapisan Photoresist Anggraeni, 2014 PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR PLANAR MENGGUNAKAN POLIMER Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
33
4. Photo Exposure, Wet Etching, Resist Strip dan Curing Proses photo exposure dilakukan untuk memindahkan pola-pola waveguide yang terdapat pada masker ke substrat dengan menggunakan sinar lampu ultraviolet. Masker pola-pola waveguide yang akan difabrikasi dibuat diatas orthofilm. Masker yang digunakan dengan variasi ukuran, yaitu 10,20,30, dan 50 mikron yang dapat dilihat pada Gambar 3.13.
Gambar 3.13. Masker yang Digunakan Pada fabrikasi ini digunakan alat photo exposure dari Oriel Corporation tipe 81150 dengan daya lampu Xenon sebesar 300 Watt.Jarak substrat dan masker dari titik pusat lensa sebesar 5 cm dan Photo exposure dilakukan selama 60.Alat photo exposure yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 3.14.
Gambar 3.14. Alat Photo Exposure Yang Digunakan
Anggraeni, 2014 PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR PLANAR MENGGUNAKAN POLIMER Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
34
Setelah substrat diexposure, maka selanjutnya dilakukan proses etching untuk membuang lapisan photoresist dan polymer sehingga dihasilkan pola waveguide diatas substrat sesuai dengan pola pada maskerdetik (Lee, J.B; Darling, R.B). Pada fabrikasi ini digunakan photoresist positif, sehingga proses etchingakan membuang lapisan substrat yang tidak tertutupi oleh masker (bagian selain pola waveguide yang berupa garis hitam). Etching yang dilakukan yaitu wet etching dengan menggunakan larutan (CH3)4NOH yang biasa disebut sebagai TMAH (Tetra Methyl Ammonium Hydroxide). Etching dilakukan dengan cara merendam substrat yang telah diexposure dalam TMAH dengan variasi waktu 20 detik, 20 detik dan 10 detik sampai terbentuk pola-pola waveguide seperti pada gambar 3.2. Selanjutnya dilakukan proses resist strip untuk membuang sisa lapisan photoresist yang terdapat di substrat. Resist strip dilakukan dengan cara merendam substrat yang telah dietching dalam larutan N-Butylacetate sampai sisa lapisan photoresist di substrat hilang. Setelah proses resist strip, maka selanjutnya dilakukan proses curing. Proses ini berguna untuk mengeraskan lapisan polymer diatas substrat. Curing dilakukan dengan cara memanaskan substrat di oven/hotplate sampai suhu tertentu. Grafik tahap-tahap pemanasan substrat dalam proses curing ditunjukkan oleh Gambar 3.15dan Gambar 3.16 menunjukkan urutan proses fabrikasi waveguide optik berbasis polymer secara lengkap.
30 menit 350oC
350oC
10oC / menit 15 menit 200oC
10oC / menit 200oC
10oC / menit
50oC
20oC
Anggraeni, 2014 PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR PLANAR MENGGUNAKAN POLIMER Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
35
Gambar 3.15. Grafik Pemanasan Substrat Dalam Proses Curing(Dadin dkk) Kotoran Wafer Cleaning (RCA-1 + RCA-2)
Cutting Si + SiO2 Wafer
Pelapisan Polymer (Spin Coater)
Pelapisan Photoresist (Spin Coater)
Masking
Masker
Substrat
Photo Exposure
Lampu UV
Resist Strip (N-Butylacetate)
Wet etching (TMAH)
Lensa
Masker Photoresist Polymer SiO2 Si
Gambar 3.16. Urutan Proses Fabrikasi Waveguide Optik Berbasis Polimer(Mahmudin, D. dkk.) F.
Karakterisasi Fisik Setelah proses curing selesai, proses selanjutnya adalah karakterisasi fisik dengan
menggunakan SEM(Scanning Electron Microscope), mikroskop dan profile meter. Hal ini berguna untuk memperoleh bentuk dari pemandu gelombang optik planar agar dapat terlihat hingga ukuran mikron. Sebelum dianalisis menggunakan SEM sampel terlebih dahulu dipotong menggunakan pisau diamond seperti pada gambar 3.17 Setelah itu sampel dapat diuji dengan ketiga alat tersebut. Selain itu ukur kembali masker yang digunakan, untuk dibandingkan dengan hasil sampel sebelum dan sesudah diberi masker. Anggraeni, 2014 PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR PLANAR MENGGUNAKAN POLIMER Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
36
Gambar 3.17. Pemotongan Substrat
Anggraeni, 2014 PERANCANGAN DAN FABRIKASI PROTOTYPE PEMANDU GELOMBANG OPTIK BERSTRUKTUR PLANAR MENGGUNAKAN POLIMER Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu