ISSN 0216-3128
166
Tri Mardji Almono,dkk.
--
DEPOSISI LAPISAN TIPIS SiN MENGGUNAKAN TEKNIK SPUTTERING UNTUK PELINDUNG KOROSI PADA LOGAM BESI Tri Mardji Atmono, Elin Nuraini, SabatSimbolon P3TM-BATAN
ABSTRAK DEPOS/S/LAP/SAN T/P/SSiN MENGGUNAKANTEKN/KSPUTTERINGUNTUK PELlNDUNG KOROS/ PADA LOGAM BES/. Telahdilakukandeposisilapisantipis SiN diatas substratFe dengantekniksputtering pada frekuensi radio /3.56 MHz untuk tujuan perlindungan terhadapkorosi. Dengan metoda ini bahan Silikon yang ditempatkanpada katoda sebagaitarget ditembaki dengan ion-ion positiv Argon. sehingga partikel dari target akan tersputterkesegalaarah dan sebelumsampai ke substrat Fe bersenyawadengan ion N membentuklapisan tipis SiN melalui proses reactive-sputtering.Substrat Fe ditempatkansebagai anoda pada posisi ground tanpa teganganbias. Metoda Analisa PengaktipanNeutron Cepat digunakan untuk karakterisasi lapisan tipis yang telah terdeposisidiatas lapisan Fe. APNC menunjukkanpuncakpuncak pada tenaga sekitar 830 keV (Fe). 533 keV(N) dan /785 (Si).Laju korosi diamati dengan potensiostatdenganmedia air yang mengandungKaram.Pada variasi daya RF. diperoleh daya optimal yang menghasilkanlaju korosi terkecil.yaitu pa 175 Watt.Untuktekanangas Nitrogendan waktudeposisi. diperoleh nilai optimal masing-masing9.5./0-2 torr dan 25 menit. yang menghasilkankorosi minimal. Dengandemikiandari hasil experimenini diperolehpenurunanlaju korosi dari 2.38 mpy menjadi0.59 mpy.
ABSTRACT THE DEPOSITION OF SiN-THIN FILM BY SPU1TERING-TECHNIQUE FOR THE PROTECTION OF IRON AGAINST CORROSION. The deposition of SiN-thin film onto Fe-substrat by using sputtering technique at the radio frequenz of 13,56 MHz for the purpose of protection against corrosion has been done. By this method, the Si target put at the.kathoda as target are bombarded by the positiv Argon-ions, so that the target particles are sputtered at all of direction and reaction with ion N was occurred before the particles reached the substrat to form the SiN thin film by the process of reactive sputtering. The Fesubstrat was put as anoda at the ground-position without bias-voltage. The APNC-method was used for the characterization of the thin film deposited on the Fe layer. This mesurement showed the peaks of energy 830 .533 .and 1785 keV. which are Fe. Nand Si. respectively. The speed of corrosion was measured with the potentiostat at the salt contained water medium. At the variation of the RF-power. it was found the optimal value of I 75W resulted the minimum corrosion. The Nitrogen pressure and the depositionstime of 9,5. 10-2 torr and 25 minutes, respectively, were also found for the minimal value of corrosion. The experiment results was therefore the decreasing of the speed of corrosion, i.e, from 2.38 to 0.59 mpy.
PENDAHULUAN U
ntuk
mempertahankan
seperti
anjungan
sesuatu
pengeboran
konstruksi
minyak,
pipa
minyak dan pipa pendingin reaktor nuklir yang berada di bawah laut, pada umumnya dilakukan modifikasi bahan/material. yang digunakan. Perlindungan dengan cara modifikasi ini bertujuan supaya peralatan tersebut tidak terkorosi oleh air laut yang agresif. Selama ini biasanya dipakai metoda anoda tumbal atau arus terpasang. fada teknik anoda tumbal digunakan prinsip kbrosi dwilogam, sedangkan teknik arus terpasang menggunakan prinsip arus korosi yang dikendalikan secara elektrik:') Pada teknik anoda tumbal, bahan yang mudah terkorosi misalnya Zn dilapiskan pada bahan
Fe, karena bahan Zn lebih anodik dari pada Fe pada deret galvanik. Meskipun bahan Cd dan Mg mudah terkorosi, tetapi Zn tidak, karena akan membentuk lapisan tipis yang melindungi dari korosi hila membentuk senyawa oks ida, hidroksida dan karbonat basa. Sifat korosi bahan Zn setelah terbentuk senyawa akan lebih tahan terhadap korosi dari pada bahan Fe. Teknik arus terpasang pada umumnya menggunakan potensiostat yang pada prinsipnya terdiri dari piranti kompensasi otomatis dan unit pengontrol. Untuk pengontrol disetel pada arus terpasang yang besarnya tertentu pada harga tetap, sehingga permukaan Fe yang dilindungi akan terhindar dari korosi. Tetapi metode irii memerlukan peralatan yang rum it.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
Teknik
lain
dikembangkan pacta
senyawa
kristal
yang
Kekuatan
Fe
bahan
berkurang, butimya
permukaan halus.(2.3)
halus
sehingga
yang
tinggi.
renting
ion
besar,
dan
unsur
N,
lagi.
Dengan
maka
antara
permukaan
Fe
stabil
dapat
ini
itu
karena
yang yang
merekat
kuat,
dipilih hat
ini
Tujuan pengaruh deposisi Selanjutnya
ini
impedansi akan
teknik
RF
substrat
untuk
akan
disajikan
isolator
hasil
tipis
Si
SiN
dengan
dibahas
penelitian
dengan
itu
juga
ketahanan
daya
ini
unsur,
daya
laju
75
rom.
pengaruh
RF
serta
I
sebesar2 mV/dt.
hasil
waktu
HASIL DAN PEMBAHASAN
korosi.
penelitian
diharapkan
yang
lapisan
unsur
dibahas
N,
teknik Fe
diameter
komposisi
dengan
terhadap
dapat
maupun
membuat
daTi
Untuk mengukur laju korosi digunakan potensiostat merk Tacussel tipe PGS 201 S. Media pengkorosi adalah air yang dicampur dengan garam 0,01 ppm sebanyak 200 m1 untuk tiap pengukuran. Substrat dimasukkan dalam tempat dengan diameter 14 mm clan bagian yang terkorosi oleh cairan garam ditampung diatas tempat seluas 78 mm2. Setiap pengukuran dimulai pada tegangan E.w.' -250 mV (lawan EkotOSi ) serta berakhir pada E.khi' 1.600 mV (lawan E,er.). Kecepatan pelarikan ditentukan
mendeposisikan
untuk
paduan
gamma.
terjadi
sputtering
Sedangkan
terhadap
menunjukkan nomer massa unsur substrat. Sinar gamma ini dianalisa menggunakan spektrometer
lntemasional
bahan
Si
gamma. Tenaga sinar gamma yang dipancarkan
sputtering Penggunaan
dipilih
target
unsur
deposisi
metoda
substrat
Selain
campuran
teknik
tinggi.(S)
lapisan
ini
sputering.
dengan
sputtering.
MHz.
pacta
makalah
terkorosi. SiN
juga
teknik
dapat
yang
sebagai
Dalam
dan
semikonduktor
pembuatan
mudah
logam
lain:
Pacta
deposisi
sputtering,
juga
sehingga
efektif.
Dalam tentang
korosi
frekuensi
dideposisikan
laju
tipis
daTi
perjanjian
pacta
konduktor,
dengan
dengan
Lapisan
dibuat
13,56
rendah,
dengan
bahan
dapat
agresif
antara
digunakan
mengikuti
paling
deposisi
besar
akan
dapat
dan
radio
ini
selain
tipis
SiN
CVD
penelitian
elektroda
sendiri
lebih
tipis
~ogam
Komposisi daTi target pada umumnya tidak sarna dengan 1apisantipis yang dihasilkan karena proses sputtering yang kompleks dan melibatkan banyak parameter. Unsur yang terdeposisi pada substrat dianalisa dengan metode Analisa Pengatipan Netron Cepat. Dalam pengamatan ini atom yang terdeposisi pada substrat diradiasi dengan neutron cepat 14 MeV dari generator neutron dengan waktu tertentu Se1ama mengalami radiasi neutron, substrat menga1ami aktivitas peningkatan nomor massa inti atom, sehingga substrat bersifat radioaktif. Sete1ah berakhimya proses aktivasi substrat yang te1ah bersifat radioaktif akan mengalami peluruhan dengan memancarkan sinar
dan
dengan
menjadi
terkorosi.
metode
gelombang
frekuensi
bahan
tipis
teknik
Dalam pacta
intrinsik
permukaan
macam
evaporasi,
N
tinggi.(4)
Lapisan berbagai
yang
gas
yang
mudah
melindungi
suhu
tahanan
tersebut
lapisan
memperkeras pacta
bertambah
Si
elektrolit
yang
target Si dipasang pada katoda. Untuk menghasilkan 1apisantipis SiN, maka dia1irkan gas Nitrogen yang juga diionkan dengan teganganRF.
butir
disenyawakan akan
demikian
memisahkan
selain
daTi
rom. Substratdipasang pada anodal ground dan
karena
Si,
tekanan
karena
akan
Da1am pene1itian ini untuk mendapatkan 1apisan tipis SiN dengan metode sputtering di1akukan variasi komposisi unsur Si dan N, daya RF antara 155-175 Watt dan variasi waktu deposisi 10-30 menit. Sebagai sputter gas ada1ah argon dengan kemumian 99,9%. Tekanan gas dan jarak e1ektroda dibuat tetap yaitu 8,5 x lO-2 torr dan 25
sempit
atom
mempunyai
RF,
tahanannya
SiN lebih
ditentukan
oleh
waktu
tipis
bentuk
Tahanan
sudah
sistem
yang
tipisnya
daya
ketebalannya.
antar
misalnya
antar
N,
Parameter
adalah
dapat
jarak
lapisan
jarak
meningkat,
lapisan atom
TATA KERJA DAN PERCOBAAN
Si.
struktur
menggunakan
antar
insterstisi
hila
tertentu
maka
dengan
struktur
misalnya
parameter
dibandingkan
SiN. akan
kristal
meningkat
tenaga
jarak
tipis
struktur
berubah
daya,
mempunyai
proses
akan
tipis
maka
mempunyai
preparasi
dan
N
bertambah
pacta
deposisi
yang
bahan
Dengan sputtering
dan
dikembangkan lagi untuk mendapatkan bahan lapisan tipis SiN sebagai pelindung Fe terhadap korosi air yang mengandung garam.
ini
lapisan
lapisan Si
dengan
tersebut
bentuk
SiN
dengan
SiN
atom
memberi
unsur
berbeda
suatu
akhir-akhir
dengan
mencampur
terjadi
pacta
yang
adalah
permukaan
Dengan
167
ISSN0216-3128
Tri Mardji Almono, dkk.
adalah
korosi hasil
menyelidiki
RF
dan
waktu
lapisan
penelitian
tipis. ini
dapat
korosi deposisi
Gambar sebagai divariasi
1 adalah hasil pengukuran fungsi dari waktu deposisi. dari
men it.
Terlihat
bahwa
relatif
masih
singkat
10 menit untuk
sampai
waktu
dibawah
laju Waktu
dengan
deposisi 10
men it,
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImlah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
30 yang laju
168
ISSN0216-3128
korosinya menunjukkankecenderunganmenurun. Hal
ini mungkin disebabkan karena terjadinya
perbedaan yang tajam dari aliran elektron antara substrat dengan dan tanpa pelindung SiN-thin film. Tanpa "wearing" diperoleh angka sekitar 2,5 mpy, kemudian menurun secara tajam karena substrat Fe yang telah dilapisi SiN mempunyai tahanan yang cukup besar yang akan menghambat aliran elektron dari cairan ke permukaan lapisan. Setelah waktu deposjsi di alas 10 menit terlihat penurunanya hanya sedikit , terlihat kurva
Tri Mardji Atmono, dkk.
yang datar, dan kemudian menurun agak tajam setelah waktu deposisi melewati 20 men it, dan akhimya diperoleh laju korosi minimal pada t=30 menit, yaitu mencapai 0,76 mpy. Nampaknya pada ketebalan ini terjadi senyawa SiN yang optimal, menghasilkan proses reactive-sputtering, sehingga terbentuk kristal SiN yang mempunyai ikatan atom Si dan N sangat kuat dan mempunyai tahanan yang besar. Dengan demikian arus elektron dari cairan menuju permukaan substrat sangat kecil dan secara maksimal melindungi permukaan substrat Fe dari korosi.
~ .§. .§ k
~
:J ...,.,
Gambar 1. Grafik hubunganantara waktudeposisidengan/aju korosi.
0
155
160
0 a ya -.~
165
170
175 I
RF [watt] -"-
Gambar 2. Hubunganan/ora daya RF denganlaju koro.\"i. Prosiding Pertemuan dan Presentasillmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
Tri Mardji A/mono,dkk.
ISSN0216-3128
Pacta Gambar 2 disajikan grafik laju korosi sebagai fungsi daya RF. Output daya dari match-box yang langsung dihubungkan ke elektroda adalah daya RF dari 155 watt sampai dengan 175 watt. Pacta awalnya laju korosi menurun tajam dengan naiknya daya. Oleh karena cairan yang digunakan adalah bersifat agresif, maka substrat tanpa lapisan tip is SiN akan mengalirkan arus elektron yang besar, laju korosi mencapai sekitar 2,4 mpy. Setelah substrat Fe dideposisi dengan lapisan tipis SiN tampak penurunan yang tajam sampai dengan 1,35 mpy pacta daya 155 watt. Pacta daya antara 155 sampai dengan 165 watt, laju korosinya stabil disekitar 1,3 mpy. Bila daya Rf dinaikkan terns, maka diperoleh kemudian laju korosi minimum 1,17 yaitu pacta 175 watt. Pactadaya 170 watt laju korosi menunjukkan kecenderungan naik sedikit, J<emungkinandisebabkan energi yang diterima oleh target Si (oleh ion-ion Argon positit) adalah sangat besar, sehingga pacta saat partikel -partikel Si bergerak menuju substrat tidak menghasilkan proses reactive-sputtering ':fang optimal, atau bahkan sebagian dari partikel dipantulkan kembali (rescattered) ke arab dinding sputter-chamber, temetralisir. Pactadaya 175 watt, nampaknya ion Si dan ion N berikatan secara kovalen dan secara ionik, sehingga akan mempunyai ikatan yang kuat yang melindungi permukaan substrat Fe terhadap cairan garam.(J) Gambar 3 menyajikan grafik hubungan antara tekanan gas N dengan laju korosi. Untuk mendapatkan senyawa SiN yang paling baik, telah
169
dilakukan variasi campuran partikel Si yang telah tersputter dengan ion N dengan cara mengatur perbandingan tekanan sputter gas Ar dan gas Nitrogen. Dari pengamatan, secara umum diperoleh basil bahwa untuk prosentase unsur N yang semakin tinggi, maka akan menghasilkan senyawa SiN yang semakin baik dengan diperolehnya laju korosi yang menurun. Pacta Gambar 3 terlihat bahwa dengan naiknya prosentase unsur N maka laju korosinya cenderung turun dan mencapai minimum 0,59 mpy pacta tekanan gas N 9,5.10-2 torr. Kemungkinan disini unsur Si dan N mempunyai ikatan ionik atau ikatan kovalen. Jadi sifatnya sudah berubah, berbeda dengan semikonduktor Si, sehingga senyawa SiN dalam bentuk lapisan tipis akan mempunyai tahanan yang besar yang dapat memisahkan dengan baik antara cairan garam dengan perrnukaan substrat Fe. Tetapi dengan naiknya jumlah ion N maka komposisi antara Si dan N tidak sesuai lagi untuk membentuk thin film, teramati untuk tekanan diatas 0,1 torr. Selain itu dengan semakin meningkatnya jumlah ion N pada tabung reaktor akan menghambat ion Ar untuk menembaki katoda/perrnukaan target Si. Dengan demikian ion Si yang terpecik akan semakin berkurang dengan menurunnya sputterrate, sehingga perbandingan unsur N akan terlalu banyak, tidak memenuhi "stochiometri". Pacta akhimya tidak dapat lagi terjadi ikatan ionik maupun kovalen antara unsur Si dan N, sehingga menyebabkan laju korosinya akan naik lagi, diatas 1,5 mpy.
Prosiding -~ Pertemuan dan presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
170 ~
Tri Mardji Atnl0nO,dkk.
ISSN 0216 -3128
Padaprosessputtering,gas Argon terionisasi oleh gelombang RF menghasilkanion-ion Argon yang digunakan untuk menembaki target Si, sedangkangas N diionkan untuk "mencampur"ion Si yang terpercik menuju subGtratBesamyasputteryield, diberikanoleh(6.7)
telah dilapisi dengan thin .film SiN. Pengamatan dilakukan sebelum dan sesudah substrat Fe dideposisi dengan lapisan tip is SiN. Pada Gambar 4. disajikan spektrum substrat Fe standar pada tenaga 856,82 keY dan unsur lainnya (karena material substrat bukan Fe mumi). Unsur Si dan N tidak tampak pada spektrum ini. Pada Gambar 5 disajikan substrat Fe yang dideposisi dengan lapisan tipis SiN. Pada spektrum ini terlihat unsur N pada tenaga 532,79 keY dengan 960 cacah, unsur Fe pada
S=(W/A.l.t) Dengan W weight loss dari target selamapetiode waktu t, I adalaharus ion dan A adalahnomoratom dari materialtarget.
tenaga830,39 keY dengancacah 1.637 cacah dan unsur Si pada tenaga 1.784,75 keY dengan cacah 347 cacah. Dengan demikian peningkatan ketahanan korosi pennukaan Fe disebabkan karena telah terbentuknya lapisan tipis SiN. Hasil perhitungan yang didapat untuk lapisan tipis SiN yang terdeposisi di atas substrat Fe adalah sebesar2% dan 6,3% masing-masing untuk Si dan N dari prosentaseberat.
Untuk menganalisapercikan atom Si yang telah bersenyawadengan ion N yang kemudian terdeposisipada permukaanFe, telah digunakan Analisa PengaktipanNeutron Cepat. PadaGambar 4 dan Gambar 5 disajikan masing-masingGambar spektrumsubstratFe standarddan substratFe yang
lZ-~,,-tll
urr cr:;
1!1:tI1:1!l ~r=
3. IlAJlKERS/RO I ChaRS
RD= 2848
LK=399
JlII=
(;(;
'1'111/ 11'I1I.t.lf
.
Fe85682 keV
2848
LD=l
b'l/RI..In
""-"""--
587
CURSOR
i
Chan
«8
Cnts
.G8
tOTALS totl
261!.
Het
2188
Back
A36
PCM.. 4~B PCnts 68 Counts per Sec total Het ROIs Defined
Gambar 4. Spektrumdari tenagaunsurFe pada substratFe tanpa lapisantipis.
12-Se -91 Z2:24:~7
81=
3. MRms/lOl CN... LI=1
Off
CFS
WALln
Z36/ 517.3'JS
F~830,39 keY
2848 U= 2&4Q
1.11=141 1Ii=
RZIV1
---
33?
aJRSOR CMII
z:w.
(,1\\. TOTAL';
totl Net
B.ck PCMII
Z1~ g(,8
114b I:~
.Z6
:;:~..
.
\
~~~s per Sac: z ~?~~~}~~ ~t;1
ROls Defl-
.: 511.784,75 keY ~~~
.'.:::'Tt~f~:.~"".. .".".
".
: ,.~ :~~t:~~~:~~;;;;::~~;."~,
_.
Gambar 5. Spektrumdari tenagapada unsurSiN pada substratFe. Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Juni 2002
Tri Mardji Atmono,dkk.
171
ISSN 0216-3128
6
KESIMPULAN Dengan proses reactive sputtering menggunakan target material Si yang ditempatkan sebagai katoda, serta gas N, telah terbentuk lapisan tip is SiN diatas substrat Fe yang ditempatkan sebagai anoda,tanpa tegangan bias. Lapisan tersebut dalam aplikasinya dimaksudkan untuk melindungi logam besi dari korosi, memungkinkan perlindungan yang optimal pada parameter sputtering tertentu. Pada daya 175 W, diperoleh penurunan laju korosi dari sekitar 2,45 mpy (tanpa wearing) menjadi 1,17 mpy. Penurunan ini menjaai lebih tajam untuk lapisan SiN yang dihasilkan melalui proses sputtering pada tekanan 9,5.10-2 torr, yaitu menjadi sebesar 0,59 mpy. Pada daya dan tekanan optimal tersebut dihasilkan kandungan Si sebesar2% djln N sebesar6,3% dari beratnya, untuk waktu deposisi 30 menit.
UCAP AN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Sdr. Giri Slamet untuk pembuatan lapisan tips dengan metode Sputtering clan Sdri Ratmi Herlani A.Md yang telah mengamati laju korosi dengan Potensiostat.
DAFTARPUSTAKA J. CHAMBERLAIN, K.R. TRETHEWEY, Karasi, PT GramediaPustakaUtama, Jakarta,
K. WASA, S. HAY AKA WA, Handbook of Sputter Deposition Technology, Principles, Technology and Applications, Noyes Publications,USA2000.
7. GA. GOGOTSI,YG GOGOTSI,VP ZAVADA, VV TRANSKOVSKY, The Effect of Air and Sodium Salt on Strength of Silicon Nitride Based Ceramic, Mater High Temperature 9, 209-216(1991).
TANYAJAWAB Djoko Sujono -Teknik ini diterapkan pada Fe. Apakah hal ini dapat diterapkan untuk logam yang lain; apakah teknik ini sudah yang terbaik atau masih ada teknik lain yang lebih baik? Tri Mardji Atmono -Teknik wearing atau modifika.\'i dalam hal ini dapat diterapkan untuk logam lain dengan tujuan menghambat/memperkecil korosi bahan lersebut. Bahan yang akan dilapisi harus dipasang sebagai anoda pada sistem sputtering. Tentu saja terdapat/ada teknik-teknik lain yang tentunya masing-masing punya kekurangan dan kelebihan (baca pada bab pendahuluan dalam makalah ini).
1991. TATA.SURDIA, SHINAKUSAITO, Pengetahuan Bahan Teknik, PT Pradnya Paramita, Jakarta, 1992.
Isnaeni
J MORT, F JONSON, Plasma Deposited Thin Film, CRC Press Inc. Florida, New Edition,
-Mengapa terjadi pembelokan kurva pacta kurva (laju korosi vs Nz) dan (laju korosi vs daya).
1999. 4
DAE GYU PARK, ZHI CHEN, HADIS MORKOC, Characteristics of Si3N4/GaAs Metal-Insulator-Semiconductor Interfaces with Coherent Si/AIO,3 GaD,? As Interlayer, Journal of Electronics Materials, Vol. 26, No.9, 1997.
5
KONUMA, Film Deposition by Techniques,Springer Verlag, 1992.
Plasma
-
Tri Mardji Atmono -Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memperoleh "wearing" dengan laju korosi minimal pada berbagai tekanan N2 dan berbagai daya. Sehingga dicari pembelokan kurva yang memberikan efek minimal terhadap corrosionrate.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
