Pros;dinflPertemuan/lm;ah Sa;nsMater; /997
/SSN/410 -28~7
PENGARUH PERLAKUAN ANIL PADA KONST ANT A ABSORPSI OrTIS DAN KONFIGURASI IKA T AN LOKAL LAPISAN TIPIS AMORF SILIKON KARBON I M. Jahja2 .Lusitra
Munisa2 .R. Saleh3
ABSTRAK PENGARUH PERLAKUAN ANIL PADA KONSTANTA ABSORPSI OPTIS DAN KONFIGURASI IKATAN LOKAL LAPISAN TIPIS AMORF SILIKON KARBON. Koefisien absorpsi optis telah dihitung dengan menggunakan pendekatan Hishikawa untuk lapisan tipis amorfsilikon karbon yang dideposisi dengan metode Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) dan Direct Current Reactive Magnetron Sputtering (DCRMS). Pengaruh perlakuan anil pada koefisien absorpsi optis dan struktur ikatan pada temperatur 200 sampai 10OO°Cdipelajari dengan pengukuran di daerah visible dan infra mcrah. Transparansi optik pada dacrah visible untuk lapisan tipis yang didcposisi dcngan menggunakan DCRMS mcningkat dcngan bcrtambahnya temperatur anil sedangkan untuk PECVD diperoleh hasil yang berlawanan. Hasil pengukuran pada daerah infra merah juga memperlihatkan adanya pcrubahan konfigurasi ikatan lokal. Pergeseran energi gap dan perubahan luas kurva SiC tcrnormalisasi pada spcktrum infra merah menunjukkan pcrubahan kt:rapatan ikatan C-C Sp2dan Sp1.
ABSTRACT ANNEALING EFFECTS ON OPTICAL CONSTANT AND LOCAL BONDING CONFIGURATION IN SILICON CARBON FILMS. The optical constant of amorphous silicon carbon films deposited by Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) and Direct Current Reactive Magnetron Sputtering (DCRMS) techniques were annealed at temperatur ranging from 200 to 1000"C. The effect of annealing on the optical absorption constant and the bonding structure were studied using visible and infrared measurements. The study demonstrates that the optical transparency in the visible region improved in DC reactive magnetron sputtering film and decreased in PECVD film. From infrared results, we deduced that there is a change in local bonding configuration. The variation of the optical gap and the change in the infrared spectra indicate that there is a change in the degree of C-C Sp2and spJ bonding KEY WORD
Silicon carbon. Energi gap optis,Local bondingconfiguration,Annealingeffects
PENDAHULUAN Lapisan tipis amorf silikon karbon (aSiC:H) merupakan material yang menarik untuk diteliti, karena karakteristik material ini dapat divariasi dengan mengubah parameter clanmetode preparasi serta perlakuan termal terhadap material tersebut. Material ini banyak diaplikasikan pada bidang optoelektronik seperti sel surya [I] clan sensorcahaya [2]. Koefisien absorpsi ortis a merupakan salah satu parameter yang renting dari lapisan tipis amorf silikon karbon, karena a memberikan informasi tentang struktur pita energi, band tail dan keadaan terlokalisasi (localized states) material tersebut [3]. Secara eksperimen, a dapat diperoleh dengan berbagai cara antara lain metode CPM (Constant Photocurrent Measurement), menggunakan hasil reflektansi (R) clan transmitf111Si (T) spektrum UV-VIS dan menggunakan ellipsometer. Setiap metode ini memiliki daerah pengukuran yang sensitif dan dapat dipergunakan untuk melihat karakteristik materi yang berhubungan dengan daerah pengukuran tersebut. Metode R clan T sensitif pada daerah 103cm-1~ a S 105cm-l, sehingga sering dipergunakan untuk menentukan energi gap ortis. Energi gap ortis material ini dapat ditentukan dengan menggunakan
metode plot Tauc dari kurva koefisien absorpsi a. [4]. Kestabilan termal material yang akan dipergunakan sebagai piranti optoelektronik dapat diketahui dengan memberikan perlakuan anil. Dalam studi ini akan dipelajari pengaruh perlakuan anil pada sifat ortis lapisan tipis a-SiC:H yang dideposisi dengan menggunakan metode PECVD daD DCRMS. Perlakuan anil mengakibatkan perubahan struktur pita energi yang dapat diamati
dari perubahan bentuk kurva a.
Perubahan
konfigurasi ikatan lokal karena pengaruh perlakuan anil dapat dilihat dari perubahan luas kurva SiC ternormalisasi.
EKSPERIMEN Dalam studi ini digunakan lapisan tipis amorf silikon karbon yang dideposisi diatas substrat corning dan silikon kristal dengan metode deposisi sputtering dan PECVD. Lapisan tipis hasil deposisi metode PECVD dibuat dengan menggunakan campuran gas silan dan metan yang dilakukan oleh grup JUlich di Jerman. Metode deposisi sputtering menggunakan campuran target berupa silikon wafer yang diletakkan diatas target karbon dalam atmosfir argon dan hidrogen. Koefisien absorpsi optis a untuk lapisan tipis ini
I Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 2Program Studi Fisika, Program Pascasarjana-VI 3Jurusan Fisika, FMIPA, VI
378
l'rosidin
Pertemuan //miah ,5'ain,~ Materi /997
lSSN /4/0 -2897
ditentukan dari spektrum reflektansi R clan transmitansi T. Spektrum diukur menggunakan UV -VIS Spektrofotometer raJa panjang gelombang 250-850 nm. Cahaya diarahkan raJa sisi lapisan tipis. R clan T diukur raJa posisi yang sama untuk setiap sampel, hal ini sangat renting untuk mengeliminasi kesalahan disebabkan ketebalan sampel yang bervariasi. Pengukuran inframerah dilakukan raJa daerah 400 -4000cm-1 untuk mode absorpsi. Perlakuan anil dalam vakum diberikan pada kedua macam sampel yang dideposisi diatas substrat corning untuk temperatur 200 sampai 500°C. Lapisan tipis yang dideposisi diatas silikon kristal diberi perlakuan anil dalam vakum untuk temperatur 200 sampai 1000 DC. Perlakuan anil diberikan selama I jam ilntuk masing-masing temperatur dengan kenaikan temperatur anil sebesar100°C.
Pengaruh anil pada setiap temperatur terhadap koefisien absorpsi ortis untuk lapisan tipis a-SiC:H yang dideposisi dengan menggunakan metode PECVO dan OCRMS dapat dilihat pada Gambar 5 Oari kedua gambar ini terlihat pengaruh yang berbeda terhadap koefisien absorpsi optis untuk kedua metode deposisi.
HASIL DAN DISKUSI Hasil pengukuran R clan T pada lapisan tipis a-SiC:H yang dideposisi menggunakan metode deposisi PECVD clan DCRMS terlihat pada Gambar I. Hasil pengukuran ini menunjukkan adanya efek interferensi akibat pelipatgandaan refleksi yang terjadi antara lapisan tipis clan substrat. Efek interferensi ini dapat dihilangkan dengan menggunakan metode Hisbikawa et.al. [5] Metode ini menggunakan formulasi T/(I-R) untuk menghilangkan efek interferensi yang dapat mengakibatkan kesalahan dalam penentuan koefisien absorpsi optis I:x..Koefisien absorpsi optis yang bebas interferensi dapat ditentukan dari kurva T/(I-R) vs A seperti pada Gambar I. clan terlihat babwa pada selurub range panjang gelombang tidak lagi ada efek interferensi pada kurva ini. Untuk memperoleb barga I:x. dengan metode Hishikawa et. al. maka kurva R dan T basil perhitungan harus berhimpit dengan kurva basil eksperimen. Kurva R clan T basil perhitungan dan basil eksperimen untuk kedua meto<1edeposisi a-SiC:H diperlihatkan oleh Gambar 2. Dari Gambar 2 ini terlihat kurva basil eksperimen berhimpit dengan kurva hasil perhitungan. Kurva koefisien absorpsi optis basil perhitungan untuk lapisan tipis a-SiC:H yang dideposisi dengan menggunakan metode PECVD daD DCRMS dapat dilihat pada Gambar 3. Untuk menentukan energi gap optis dari lapisan a-SiC:H ini dipergunakan plot Tauc clan dilakukan ekstrapolasi sampai ke titik nolo Plot Tauc untuk a-SiC:H yang dideposisi menggunakan kedua metode diperlihatkan pada Gambar 4. Harga energi gap optis a-SiC:H yang diperoleh dengan menggunakan plot Tauc untuk metode DCRMS sekitar 2.0 eV daD untuk PECVD sekitar 2.2 eV.
(a)
(b) Gambar
Kurva eksperimen reflektansi (R), transmitansi (T) dan T/(I-R) untuk lapisan tipis a-SiC:H yang dideposisi dengan (a) metode PECVD dan (b)
DCRMS. Lapisan tipis a-SiC:H yang dideposisi dengan metode DCRMS menjadi !ebih transparan dengan bertambahnya temperatur ani! sedangkan untuk metode deposisi PECVD didapatkan hasil yang berlawanan. Sifat transparansi yang dimaksud ada!ah terjadinya pergeseran koefisien absorpsi ke energi yang !ebih tinggi. Wa!aupun pengamh ani)
379
l'r(}sidin
l'ertemuan .Ilmiah Sains Materi 1997
lSSN 1410 -2897
menggeser koefisien absorpsi a-SiC:H dengan metode PECVD ke energi yang lebih rendah tetapi hanya terjadi pergeseranyang kecil sehingga dapat dikatakan lapisan tipis a-SiC:H yang dihasilkan dengan metode PECVD memiliki kestabilan termal yang cukup tinggi. Berbeda dengan lapisan tipis a-SiC:H dengan metode DCRMS.
dan terbentuk ikatan Si-C yang menambah konfigurasi ikatan Sp3 [6,7]. Metode deposisi PECVD menggunakan campuran gas SiH4 dan CH4 sehingga lapisan tipis a-SiC:H yang terjadi akan didominasi konfigurasi ikatan Sp3. Pengaruh anil yang menyebabkan disosiasi ikatan hidrogen akan menghasilkan cluster karbon dengan konfigurasi ikatan Sp2.
hv(eV)
(a)
(a)
hv (eV)
(b) Gambar 2. Kurva reflektansi (R), transmitansi (T) hasil eksperimen dan perhitungan untuk lapisan tipis a-SiC:H yang dideposisi dengan (a) metode P[~CVD dan (b) DCRMS
Perbedaan pengaruh perlakuan anil pada kedua metode ini bergantung pada kondisi deposisi. Deposisi dengan metode DCRMS menggunakan target grafit sebagai sumber karbon sehingga konfigurasi ikatan yang terjadi pada lapisan tipis aSiC:H lebih dominan konfigurasi ikatan Sp2 dibandingkan Sp3. Pengaruh ani! menyebabkan terjadinya disosiasi ikatan hidrogen Si-H clan C-H
(b) Gambar 3. Kurva koefisien absorpsi optis IX untuk lapisan tipis a-SiC:H dengan (a) metode PECVD daD (b) DCRMS
Pengaruh temperatur anil terhadap perubahan jenis ikatan telah dilakukan oleh Dischler [8] dengan menggunakan metode inframerah. Hasil pengukuran ini dapat dilihat pada Gambar 6. Perubahan konfigurasi ikatan ini
sangat erat hubungannya dengan perubahan struktur clan mengakibatkan terjadinya pergeseran
380
Prosidin Pertemllon Jlmiah Sains Materi 1997
/SSN 14/0- 2897
llh.VOIpiion edge. Untuk melihat pergeseran untuk kedua macam sampel terbagi dalam tiga llhsOIpiion edge lapisan tipis dari kedua metode daerah yaitu : dibuat energi EO4vs temperatur anil seperti terlihat I. absorpsi pada 700-850 cm-t sesuai dengan raJa Gambar 7. Energi EO4merupakan energi pada mode v1brasiSi-C stretching, Si-C(s) saat koefisien absorpsi optis berharga 104 cm-l. 2. absorpsi pada 2000-2100 cm-t sesuai dengan Definisi energi ini sering dipergunakan untuk mode vibrasi Si-H stretching, Si-H(s) menyatakan besar energi gap material amorf. 3. absorpsi pada 2800-3000 cm-t sesuai dengan Harga Eo-l dapat diperoleh dari kurva koefisien mode vibrasi C-H stretching, C-H(s) absorpsi optis a versus energi untuk setiap temperatur anil.
. .....
10'
... ..'
PECVD
.i
0 0
-;
E
.2-
10'
0 01 0 0: 0 0:
tj
0 o.
.as
0 o. 0 0... 0 0 ""0 . 00 ...
10' .&0. 15
..
deposited
0 Ta 300"C .Ta 400'C 0 Ta 500'C
,
" 20
., 25
30
hv(eV)
(a) hv(eV)
Gambar 4. Plot Tauc untuk lapisan tipis a-SiC:H hasil deposisi (0) metode PECVD dan (8)
DCRMS Gambar 7 memperlihatkan EO4 untuk lapisan tipis a-SiC:H yang dideposi dengan metode DCRMS meningkat dengan bertambahnya temperatur anil sedangkan EO4lapisan tipis yang dihasilkan dengan metode PECVD berkurang dengan bertambahnya temperatur anil. Robertson [9] telah melakukan perhitungan energi gap material a-SiC:H dengan menggunakan model tight binding clan diperfJleh bahwa variasi energi gap terjadi karena adanya hibridisasi ikatan Sp3 clan Sp2.Hibridisasi ikatan Sp3dalam a-SiC:H berasal dari ikatan atom Si-Si, Si-C serta C-C, sedangkan hibridisasi Sp2 berasal dari ikatan rangkap dua atom karbon (C=C). Mode vibrasi SiC spektrum infra merah untuk sampel sebelum mengalami perlakuan anil clansete.1ahdiberi perlakuan anil dianalisis dengan membuat plot kurva koefisien absorpsi a( 0))/0) sebagai fungsi bilangan gelombang 0) (cm-I). Koreksi baseline dilakukan untuk memperoleh zero level background setiap puncak kurva absorpsi. [10] Gambar 8 memperlihatkan spektrum infra merah untuk sampel sebelum mengalami perlakuan anil. Spektrum infra merah
hv (eV)
(b) Gambar 5. Kurva kocfisien absorpsi optis a-SiC:H pada sctiap tcmperatur anil dcngan mctode deposisi (a) PECVD dan (b) DCRMS.
Wieder et.al. [11] menyatakan absorpsi pada 780 cm-1 merupakan mode wagging Si-CH3. Beberapa penulis [12-13] berpendapat puncak absorpsi tersebut merupakan mode vibrasi stretching Si-C. Dalam studi ini puncak absorpsi tersebut
381
Prosidin Pertemuan I'miah Sains Materi 1997
ISSN 1410 -2897
Illerupakan mode vibrasi Si-C(s) untuk kedua macam sampel karena puncak absorpsi tersebut tetap ada meskipun hidrogen telah keluar dari sampel.
dengan (I) merupakan
koefisien
absorpsi daD (I)
adalah bilangan gelombang.
Garnbar 6. Fraksi hibridisasi atomC Sp2dan spJ sebagai fungsi temperatur anil. Hasil eksperimen IR (Dischler 1987)[8]
Gambar 8. Puncak mode vibrasi Si-C, Si-H clan C-H untuk sampel yang dideposisi dengan PECVD clan DCRMS
Gambar 7. E04terhadap temperatur ani! untuk lapisan a. SiC:H (0) PECVD dan (8) DCRMS
Jumlah ikatan Si-C clan Si-H pada berbagai temperatur anil diperoleh dengan menghitung luas kurva ternormalisasi dengan a( (J))merupakan koefisien absorpsi clan (J) adalah bilangan gelombang.
I =J~O) 0)
Gambar 9. Luas kurva temormalisasi mode vibrasi (a) SicC(s) dan (b) Si-H(s) sebagai fungsi temperatur ani! untuk lapisan tipis a-SiC:H hasil deposisi DCRMS
Lllas kurva temormalisasi dari mode vibrasi Si-C dan Si-H terhadap temperatur anil untuk lapisan tipis yang dideposisi dengan metode 382
Prosidin Pertemuan IlmiahSains Materi 1997
ISSN 1410 -2897
DCRMS diperlihatkan pada Gambar 9. Hasil dengan kecenderunganyang sarna diperoleh untuk lapisan tipis dengan metode PECVD. Luas kurva temormalisasi untuk mode vibrasi Si-H(s) pada 2000-2100 cm-J berkurang dengan kenaikan temperatur anil. Hal ini disebabkan oleh efusi hidrogen dan mode vibrasi tersebut hilang untuk temperatur anil T.=700 °C. Mode absorpsi C-H(s) sangat kecil untuk kedua macam sampel clantidak teramati pada saat mengalami perlakuan anil. Luas temormalisasi kurva mode vibrasi Si-C(s) meningkat dengan bertambahnya temperatur anil seperti diperlihatkan oleh Gambar 9. Kenaikan temperatur anil akan mengakibatkan terputusnya ikatan Si-H clan C-H serta terbentuk ikatan Si-Si, C-C dan Si-C. Peningkatan jumlah ikatan Si-C mengakibatkan bertambahliya luas kurva temormalisasi mode Si-C(s) dengan meningkatnya temperatur anil.
Studi ini terlaksana atas dukungan University ResearchGraduate Education (URGE) clan German-Indonesia Corporation Program of BMBF (INT -KF A JUlich). Terima kasih juga kami tujukan pada B. Recht atas tersedianya sampel aSiC:H hasil deposisi dengan metode PECVD.
DAFTARPUSTAKA [I).
[2). [3). [4). [5).
RANGKUMAN [6).. Koefisien absorpsi optis a lapisan tipis amorf silikon karbon (a~SiC:H) dapat ditentukan dari basil pengukuran reflektansi (R) dan transmitansi (T) spektrum UV-VIS Spektrometer. Energi gap optis untuk lapisan tipis basil deposisi metode PECVD diperoleh sebesar2.2 eV dan 2.0 eV untuk metode DCRMS. Lapisan tipis a-SiC:H basil deposisi DCRMS menjadi lebih transparan dengan meningkatnya temperatur anil, sedangkan basil yang berlawanan diperoleh untuk metode PECVD. Walaupun pengaruh anil menggeser koefisien absorpsi a-SiC:H dengan metode PECVD ke energi yang lebih rendah tetapi hanya terjadi pergeseran yang kecil. Energi EO4lapisan tipis a-SiC:H basil deposisi metode DCRMS cenderung naik dengan bertambahnya temperatur anil sedangkan metode PECVD memperlihatkan kecenderungan yang berbeda. Hasil pengukuran inframerah memperlihatkan perubahan konfigurasi
ikatan lokal pada kedua macam sampel karena perlakuan anil.
.
[7). [8).
[9).
TAWADA Y., TSUGE K., KONDO M., OKaMOTO H., and HAMAKA WAY., J.AppI. Phys.,53, (1992)5273 DUTTA K., MOROSAWA M. and HATANAKA Y., Solid State Electron. 35, (1992) 1483 PANKOVEJ. I., SolarCells 24,(1988). 299 TAUC J., GRIGOROVICI R. and VANCU A., Phys.StatusSolidi. 15,(1982)627 HISHIKWA Y., NAKAMURA N., TSUDA S., NAKANO S., KISHI Y. and KUW ANO Y., Jap.J. Appl. Phys.,30, (1991) 1008 MUI K., BASA D.K. and SMITH F.W., PhysRev.B 15,(1987) 8089 DEMICHELIS F., GI0RGIS F., PIRRI C. F., TRESSOE., PhysicaB 225, (1996) 103 B. DISCHLER, IN AMORPHOUS HYDROGENATED CARBON FILMS, P. KOIDL and P. OEtHAFEN (eds) Les edition de physique,Paris(1987) 189 ROBERTSONJ.,Phil.Mag. B 66, (1992) 615
[10). GAT E. EL KHAKANI M.A., CHAKER M., JEAN A., BOILY S., PEPIN H. AND KIEFFER J.C., DURAND J. and CROS B., ROUSSEAUXF., GUJRATHI S." J. Mater. Res.7, (1992)2478 [II}. WIEDER H., CARDONA M. and GUARMERI C.R., Phys. Satus Solidi B 92, (1979)99 [12). CATHERINE Y., and TURBAN G., Thin Solid Films 70, (1980) .101 [13). GUIVARC'H A., RICHARD J., LE COITELLEC M., LIGEON E. and FONTENILLE J., J.Appl. Phys. 51, (1980) 2167
UCAPAN TERIMA KASIH
383
