FABRIKASI SENSOR GAS FIELD IONIZATION
Nana Subamal, Soegijardjo Soegijoko2, Samaun Samadikun3, Adang Suwandi3, Goib Wiranto4
1)
Teknik Elektro ITENAS, JI. Penghulu KH. Hasan Mustafa No. 23 Bandung 40124 2) Lab. Biomedika, Dept. Teknik Elektro ITB 3) PPAU ME ITB, Dept. Teknik Elektro ITB 4) PPET LIPI Bandung E-mail:
[email protected]
Seminar Nasional Pengembangan Program R&D Mikroelektronika dan Aplikasinya Bandung, 9 Oktober 2003 -1-
Abstrak Penggunaan teknologi micromachining merupakan salah satu altematif dalam pembuatan komponen mikrostruktur, salah satunya adalah sensor gas. Pada makalah ini akan diterangkan perkembangan sensor gas yang sedang dikembangkan dengan teknologi micromachining yaitu sensor gas field ionization. Sensor ini dapat digunakan untuk mendeteksi gas pads tekanan atmosfer dan tegangan ionisasi rendah. Kelebihan dari sensor gas ini adalah sensitivitas tinggi dan dapat dibuat dengan teknologi IC standar. Sensor gas bekerja berdasarkan ionisasi gas oleh medan listrik tinggi yang terdapat pada elektroda ionisasi. Elektroda ionisasi terdiri dari elektroda positif berupa microtip dan elektroda negatif yang mengelilinginya. Keruncingan microtip menentukan besarnya tegangan yang diperlukan untuk mengionisasi gas, semakin runcing semakin kecil tegangannya. Arus ionisasi yang terjadi mempunyai karakteristik tertentu untuk setiap gas. Arus ini digunakan untuk mendeteksi jenis dan konsentrasi gas yang terdapat diantara kedua elektroda. Microtip dibuat menggunakan keping silikon dengan metode self-aligned. Pembuatan dilakukan dengan membuat cavity berupa piramida terbalik yang berfungsi sebagai silicon molding untuk cetakan microtip. Silicon molding dibuat dengan lapisan SiO2 yang juga berfungsi sebagai isolator antara elektroda positif dan elektroda negatif. Metalisasi elektroda dilakukan dengan difusi phosphor dan sputtering Au untuk elektroda negatif dan pelapisan electroplating Au pada microtip, sebagai elektroda positif Pembuatan cavity dilakukan dengan etsa anisotropik basah. Penelitian yang sudah dilakukan adalah etsa aniostropik basah dengan pengetsa CsOH dan KOH, pengaruh alignment dan ketelitian masker terhadap keruncingan microtip, penentuan etch stop, dan penelitian yang berhubungan dengan proses etsa dan etch stop. Penelitian ini sangat mendukung keberhasilan proses yang akan dilakukan berikutnya. Dengan memanfaatkan teknologi micromachining pada pembuatan sensor gas, diharapkan dapat dibuat microtip dengan radius < 100 nm sehingga tegangan ionisasi yang diperlukan hanya beberapa volt (<12v). Dengan metode deteksi arus ionisasi dan pengolahan sinyal digital, diharapkan dapat dibuat prototipe sensor gas field ionization. Penelitian dilakukan di PPET - LIPI Bandung. Kata kunci: micromachining, field ionization, microtip, etch stop, silicon molding Abstract Micromachining technology is an alternative technology in fabrication of a microstructure device, one of its is a gas sensor. In this paper the author described a development of field ionization gas sensor using this technology. This sensor can used to detect a gas at atmosphere pressure and use low ionization voltage. The advantages of the sensor are have a high sensitivity and can be produced with standard IC technology. A gas sensor works based on gas ionization by high electric field around ionization electrode. Ionization electrode is a microtip as a positive electrode surrounded by a negative electrode. The sharpness of a microtip determine a voltage of a gas ionization, the sharper the microtip the lower the ionization voltage. An ionization current produced by ionization process has a specific characteristic for any gas. This current is used to detect a species and concentration of a gas at the electrodes. A microtip made in silicon chip with self-aligned method formed by a cavity, i.e. inverted pyramidal shape. The cavity functioned as a silicon molding to forming a microtip. Silicon molding is SiO2 layer that act as an insulator between positive and negative electrodes. Metallization formed with phosphor diffusion and sputtering of Au as a negative electrode and electroplating process of Au for layering a microtip surface. The cavity formed by anisotrophic wet etching. The researches we have conducted were anisotrophic wet etching with CsOH and KOH solution, the influence of mask er alignment and masker accuracy on microtip sharpness. etch stop determination. and some research in anisotrophic etching and etch stop. This researches are very importance in support the success of the next processing. The application of micromachining technology in a sensor gas fabrication, hopefully we can fabricate a microtip with a radius < 1OO nm so we just require ionization voltage bellow 12 volt. With ionization current detection and digital signal processing, hopefully we could made a prototype of a field ionization gas sensor. The research conducted in PPET LIPl Bandung.
-2-
1. Field Ionization Field ionization adalah berubahnya jumlah elektron pada atom atau molekul gas oleh adanya medan listrik yang besar yang menyebabkan gas terionisasi. Jenis ionisasi yang terjadi dapat bennacam-macam tergantung dari besarnya tegangan yang digunakan dan arus ionisasi yang terjadi. Pada sensor gas field ionization, ionisasi yang diinginkan adalah terbentuknya corona pada ujung microtip. Ionisasi corona yang terjadi ada pada daerah dark discharge. Pada elektroda ionisasi, tegangan ionisasi yang diperlukan untuk menghasilkan corona lebih kecil dari tegangan breakdown elektroda tersebut, tetapi mempunyai medan listrik lebih besar dari pada medan listrik breakdown. Kondisi ini tidak akan terjadi jika elektroda ionisasi yang digunakan berupa 2 pelat paralel karena sebelum terjadi corona, gas sudah mengalami breakdown duluan sehingga corona tidak akan terjadi. Untuk itu diperlukan elektroda ionisasi dengan geometri tertentu. Beberapa geometri elektroda ionisasi yang biasa digunakan adalah point and plane clan wire and cylinder, lihat gbr. 1. Pada point and plane elektroda ionisasi berupa ujung runcing sedangkan pada wire and cylinder berupa kawat halus. Kedua macam elektroda ionisasi berfungsi untuk menimbulkan medan listrik yang besar di sekitar pemukaan elektroda. Untuk sensor gas yang dikembangkan, geometri elektroda yang digunakan adalah point and plane. Medan listrik yang terjadi di ujung point tergantung pada radius point, form factor dan tegangan ionisasinya. Besarnya medan listrik dipermukaan point, Es dihitung dengan : Es = Vo/rF (Volt/m) .......................................................(1) F = 1 - (r/d) ...................................................................(2) dimana Vo = tegangan ionisasi, r = jari-jari ujung point, F = form factor dan d = jarak antar elektroda. Tegangan ionisasi yang diperlukan dihitung berdasarkan asumsi medan listrik breakdown untuk udara kering pada tekanan dan temperatur standar sekitar 3 MVolt/m. Jika digunakan elektroda point dengan radius r > 100 μm dan k = 1, maka tegangan ionisasi yang diperlukan, Vo > 3.10+6.1.100.10-6 = 300 Volt. Tegangan ini sudah cukup kecil, tetapi agar sensor gas dapat bekerja pada tegangan rendah dan mudah di-integrasikan dengan penguat sensor, maka tegangan ionisasi ini belum cukup kecil. Dari persamaan (1) dapat dilihat bahwa dengan memperkecil radius r maka tegangan ionisasi dapat diturunkan. Jika diinginkan tegangan ionisasi d” 12Volt, maka diperlukan radius r d” Vo/EsF atau r d” 12/(3.10+6.1) = 4.10-6 m = 4 μm.
Gbr. 1 Geometri elektroda ionisasi point & plane clan wire & cylinder. Radius 4 μm terlalu kecil jika dibuat dengan teknologi mekanik konvensional. Salah satu teknik yang dapat digunakan untuk membuat point dengan radius 4 μm adalah dengan cara mikrofabrikasi dengan teknologi micromachining yang digunakan untuk membuat IC. -3-
Gbr. 2 Sistem instrumentasi sensor gas. Besarya arus ionisasi yang mengalir selama proses ionisasi gas tergantung dari jenis dan konsentrasi molekul gas yang ada disekitar microtip. Jenis gas akan menentukan tegangan ionisasi, sedangkan konsentrasi gas akan menentukan berapa jumlah ion gas yang akan terbentuk dan menghasilkan arus ionisasi. Parameter ini digunakan untuk mengidentifikasi molekul gas. Sistem instrumentasi yang dikembangkan untuk sensor gas ini dapat dilihat pada gbr. 2. 2. Perancangan dan Fabrikasi Microtip Dari pembahasan sebelumnya diketahui bahwa untuk membuat sensor gas dengan tegangan ionisasi d” 12 Volt diperlukan microtip dengan radius d” 4 μm dan form factor = 1. Untuk perancangan awal ukuran sensor dan proses pembuatan berdasarkan [1] dengan sedikit penyesuaian. Pembuatan elektroda microtip merupakan bagian utama dari proses pembuatan sensor gas. Implementasi dilakukan dengan Si-n (100), double side polished dengan metode self-aligned [2]. Microtip mempunyai bentuk piramida. Pembuatan piramida dilakukan dengan membuat cavity dengan proses etsa anisotropik basah, kemudian melapisi bagian dalam cavity dengan SiO2 dan Au. SiO2 berfungsi sebagai isolator dan Au berfungsi sebagai elektroda. Proses pertama yang dilakukan adalah oksidasi silikon untuk menumbuhkan lapisan SiO 2 sebagai masking layer. Berikutnya adalah proses etsa anisotropic lapisan bawah untuk membuat cavity. Larutan peng-etsa akan terns mengetsa Si (100) dan berhenti setelah larutan ketemu dengan bidang (111), lihat gbr. 3 (a). Lapisan SiO2 pada kedua sisi dihilangkan kemudian di-oksidasi lagi untuk menumbuhkan lapisan SiO2 yang berfungsi sebagai isolator, lihat gbr. 3 (b). Membuat jendela pada lapisan atas SiO2 untuk etsa anisotropik lapisan atas. Proses etsa dihentikan pada kedalaman 120 μm sehingga menghasilkan gbr. 3 (c). Untuk mendapatkan kedalaman 120 μm dilakukan dengan memperkirakan waktu etsa larutan dan pengukuran lebar bidang yang terjadi. Perhitungan kedalaman bidang berdasarkan lebar bidang dan sudut antara bidang (111) dengan bidang (100). Langkah berikutnya adalah proses electroplating bagian dalam microtip dengan Au. Proses electroplating ada 2 tahap, yaitu penumbuhan seed layer pada lapisan SiO2 dengan sputtering logam Al dan proses plating dengan Au dengan cara elektrolisa. Berikutnya ialah menghilangkan lapisan SiO2 yang tersisa, lihat gbr. 3 (d). Proses terakhir adalah proses metalisasi untuk pembuatan pad kontak pada microtip sebagai elektroda positip. Kemudian memberi kemasan untuk menutup sensor dari udara luar dengan dilengkapi saluran input dan output untuk tempat masuk dan keluar gas yang akan diukur. -4-
Gbr. 3. Tahapan mikrofabrikasi microtip [2]. 3. Hasil Yang Diperoleh Ada beberapa hal penting yang didapat selama melakukan penelitian [3], [4] yaitu Orientasi wafer. Pada pembuatan thruhole untuk aligner marker, masker SiO2 yang berupa bujur sangkar setelah di-etsa anisotropik berubah menjadi bujur sangkar yang diputar 45°, belah ketupat sama sisi dengan ukuran sisi yang lebih lebar. Begitu juga lubang yang terjadi pada sisi bawahnya. Seharusnya hasil etsa anisotropik ini hasilnya tetap berupa lubang berbentuk bujur sangkar, lihat gbr. 4. Setelah dicoba dengan wafer yang baru dan diteliti hasilnya, diketahui bahwa penyebab kesalahan ini adalah orientasi wafer yang salah. Waktu sinkronisasi masker dengan wafer pada primary flat-nya sudah mengalami rotasi. Jadi penelitian menggunakan wafer silikon-n (100) dengan bidang primary flat (110) yang sudah digeser 45°. Agar wafer dapat digunakan untuk proses anisotropik, maka masker yang dibuat harus diputar 45°.
Gbr. 4 Hasil akhir proses anisotropik pada wafer ke-2. Kesalahan ini dibuktikan berdasarkan hasil pengukuran dan hasil perhitungan lebar sisi bujur sangkar yang dinginkan dengan lebar sisi belah ketupat yang yang terjadi. Berdasarkan perhitungan sederhana, jika simpangan masker dan wafer sebesar áO, maka lebar sisi yang terjadi adalah x’ = x (sin áO + cos áO) ............................................(3) Äx = x (sin áO + cos áO - 1)...................................... (4) dimana x = lebar sisi rang diinginkan , X’ = lebar sisi rang terjadi. Harga X’ akan maksimum pada sudut áO = 45°, dalam kasus ini pemutaran bidang primary flat (110) karena kesalahan wafer. Dari data diketahui x = 711 μm clan áO = 45°, maka x’ = 1005.5 μm dan Äx = 294.5 μm. Nilai-nilai ini sesuai dengan pengukuran yang dilakukan di Lab. PPET LIPI. Salah satu altenatif untuk mengurangi ketidak akuratan basil proses anisotropik karena pengaruh orientasi dimana proses photolithograpik-nya dilakukan secara manual adalah dengan mengubah bentuk segi empat dengan lingkaran dimana lebar sisi segi empat sama dengan diameter lingkaran, x = Ø. Hasil akhir dari proses ini adalah segi empat dengan lebar sisi = diameter lingkaran. -5-
Alignment. Untuk proses photolithograpik yang dilakukan secara manual, alignment dilakukan dengan mensinkronkan garis bantu pada masker dengan bidang primary flat pada wafer. Cara ini sangat rentan terhadap kesalahan. Kesalahan yang terjadi waktu alignment dapat dihitung dengan pendekatan bahwa perpotongan antara bidang primary flat dengan garis bantu akan membentuk segitiga siku-siku dengan sudut á, lihat gbr. 5. Garis w adalah bidang primary flat (110) pada wafer, m garis bantu alignment yang terdapat pada masker dan t lebar yang terjadi karena perpotongan bidang dan garis tersebut. Dari pers. (4),jika simpangan yang terjadi, Äx = e %, maka didapat á =[sin-1 {(e/100 + 1)2 - 1}]/2 ..........................................(5) Jika kita buat dua garis paralel dengan jarak antar garis t pada masker film sebagai pengganti garis bantu, kita dapat melakukan alignment antara wafer dengan masker dengan kesalahan yang dapat diperkirakan.
Gbr. 5 Kesalahan yang terjadi waktu alignment antara wafer dengan masker. Prinsip kerjanya adalah pada waktu meletakkan masker di atas wafer, sisi bidang (110) harns berada di antara celah tersebut. Jadi kalaupun terjadi penyimpangan pada waktu penempatan, kesalahan yang terjadi ditentukan oleh lebar dari celah tersebut. Untuk simpangan sebesar á diperlukan lebar celah selebar t, t = w tg á ............................................................ (6) Jika diinginkan simpangan yang terjadi, Äx = 5 %, maka á = [sin-1 {(5/100 + 1)2 - 1}]/2 H” 2.94°. Untuk lebar w wafer = 25 mm, lebar celah t = 25 tg 2.94 H” 1.28 mm. Dengan t = 1.30 mm, maka diharapkan simpangan yang terjadi pada sisi segi empat tidak akan lebih dari 5 %. Penentuan etch stop. Untuk mendapatkan bentuk cavity yang terpotong ujungnya, lihat gbr.6, penentuan etch stop dilakukan berdasarkan etch rate larntan dan penggunaan mikroskop sebagai alat bantu observasi dan pengukuran. Penentuan dilakukan dengan cara memperkirakan waktu yang diperlukan untuk mengetsa silikon dengan kedalaman d untuk etch rate dan suhu larutan tertentu kemudian setelah waktu etsa tercapai dilakukan pengukuran lebar L2. Jika lebar L2 sudah tercapai etsa dihentikan, jika belum dietsa ulang lagi dengan waktu etsa baru yang telah dikoreksi.
Gbr. 6 Cavity yang terpotong. -6-
Waktu etsa te= D/e ................................................(7) Dimana D = kedalaman yang diinginkan., dan e = etch rate larutan etsa pada suhu tertentu. Waktu te digunakan untuk perkiraan apakah kedalaman D sudah tercapai. Untuk menentukan kapan etsa dihentikan digunakan lebar alas cavity, L2 sebagai patokan etch stop. Pengukuran L2 dilakukan dengan menggunakan alat bantu mikroskop yang dilengkapi CCTV dan monitor display. Hubungan lebar L2 dan kedalaman etsa D ditentukan dengan persamaan sebagai berikut D=((L1 - L2) : 2) tg Ø ............................................ (8) dimana L1= lebar jendela masker SiO2, L2= lebar alas cavity yang diinginkan, Ø = 54.74°. 4. Kesimpulan Teknologi micromachining merupakan salah satu teknologi altematif dalam fabrikasi sensor gas. Keuntungan dari teknologi micromachining berbasis silikon adalah sensitifitas yang tinggi. Salah satu aplikasinya adalah fabrikasi microtip dengan teknologi micromachining untuk sensor gas field ionisazation. Pemanfaatkan teknologi micromachining pada pembuatan sensor gas, diharapkan dapat dibuat microtip dengan radius <100 nm sehingga tegangan ionisasi yang diperlukan < 12 Volt. Dengan metode deteksi yang dikembangkan dan penggunaan pengolahan sinyal digital diharapkan dapat dibuat prototipe sensor gas field ionization. Penelitian dilakukan di PPET LIPI Bandung.
Daftar Pustaka 1) Bahran Ghodsian, M. Parameswaran and Marek Syrzycki. Gas Detector with Low-Cost Micromachined Field Ionization Tips. IEEE Electron Device Letters, Vol. 19, No. 7, pp. 241243. July 1998. . 2) Bahran Ghodsian, M. Parameswaran and Marek Syrzycki. Micromachined gas detector based on self-aligned ionization tips. SPIE Vol. 3514, pp. 493-410. September 1998. 3) Nana Subama at all. “Pembuatan Microtip sebagai Elektroda Ionisasi Gas”. Jurnal TELKOMA LIPI, Juli 2002. 4) Nana Subama et al. Pemrograman W670 Laser Trim System Berbasis Bahasa C Untuk Pemotongan Wafer Silikon. Jurnal TELKOMA LIPI. September 2003. . 5) Madau and S.R. Morrison. High Field Operation of submicrometer devices at atmospheric pressure. Transducer ’91, pp.l45-149.
-7-
