PUSAT ANTAR UNIVERSITAS BIDANG MIKROELEKTRONIKA
LAPORAN PENELITIAN : PROSES IC UNTUK PEMAKAIAN DALAM BIDANG MEDIS (IC PROCESSING FOR MEDICAL APPLICATION)
PENANGGUNG JAWAB : DR. SAMAUN SAMADIKUN IR. S. REKA RIO
d/a. Laboratorium Elektronika & Komponen Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesha 10 Bandung 40132 -1-
1. Judul Penelitian : Proses IC untuk pemakaian dalam bidang medis. (IC Processing for Medical Application). 2. Tujuan Penelitian : Mengeluarkan karakteristik dari peralatan yang dibuat sendiri maupun yang diperoleh dari pembelian, agar dapat dipakai untuk proses pembuatan IC yang akan dipakai dalam bidang medis. Dalam penelitian ini akan dilaporkan mengenai karakterisasi dua alat, yaitu alat tungku difusiloksidasi yang dikembangkan sendiri dan alat evaporasi metal yang diperoleh dari pembelian. Penelitian ini merupakan bagian dari penelitian yang akan menjangkau jangka waktu selama lima tahun untuk pengembangan kemampuan pemrosesan IC yang menyeluruh. Kegiatan penelitian yang mencakup langkah-Iangkah proses lainnya dilakukan di laboratorium LEN-LIPI maupun di WAMC (Wisconsin Applied Microelektronics Center, Madison, Wisconsin, USA). Di dua tempat terakhir ini tidak akan dilaporkan hasil penelitiannya karena masih dalam tahap mula. 3. Latar Belakang : Perkembangan dalam bidang teknologi IC menyebabkan bahwa makin banyak fungsi dicoba untuk dimasukkan kedalam chip. Dengan demikian maka telah timbul kegiatan untuk merancang IC yang khusus untuk pemakaian tertentu (ASIC = Application Specific IC) disamping adanya IC yang dikeluarkan oleh pabrik-pabrik IC yang bersifat umum. IC golongan terakhir ini disebut standard IC atau catalog IC, karena secara periodik diumumkan oleh pabrik-pabrik IC dalam katalognya. Dengan adanya perkembangan ini, maka saat ini mulai tumbuh kegiatan jasa yang menawarkan pemrosesan dari hasiI perancangan yang dilakukan oleh kelompok-kelompok yang ingin mengembangkan ASIC-nya sendiri. Pusat Antar Universitas (PAU) bidang Mikroelektronika juga merencanakan adanya kemampuan processing tersebut tetapi yang lebih khusus lagi, yaitu yang akan dipakai untuk pemrosesan chip dalam bidang instrumentasi medis. Kekhususan fasilitas proses untuk bidang IC bagi instrumentasi medis adalah dalam dua hal, yaitu : a. Fleksibilitas, harus dapat melakukan proses fabrikasi IC bipolar dan MOS. b. Fabrikasi mikrostruktur, karena diperlukan juga untuk pembuatan probe dan sensor dalam ukuran kecil. Kemampuan yang akan dikembangkan mencakup : - Photolitografi - Oksidasi - Difusi - Ion implantasi - CVD - Metalisasi - Pengukuran hasil proses. Seperti disebutkan dalam bagian sebelumnya yang menyangkut tujuan penelitian, maka meskipun semua kemampuan-kemampuan tersebut dikembangkan, akan tetapi karena belum datangnya peralatan yang dipesan maka laporan ini hanya mencakup oksidasi dan metalisasi, sedangkan yang lainnya akan dilaporkan pekerjaan yang telah dilakukan sebagai progress report. Beberapa perancangan yang telah diselesaikan oleh PAU Mikroelektronika telah dikirim ke luar negeri untuk diproses disana, dan hasil dari proses tersebut akan dipakai sebagai target akhir yang akan dituju penelitian ini setelah empat tahun mendatang. -2-
4. Pelaksanaan Penelitian : Pelaksanaan penelitian ini dibagi atas beberapa bagian yang dilakukan secara parallel di beberapa tempat oleh beberapa staf PAU dan tenaga ahli yang membantu PAU, sebagai berikut : 4.1. Judul : Teknik dan hasil pelaksanaan oksidasi silikon. 4.1.1. Pelaksana :
a. Dr. Ir. Adang Suwandi (Kepala) b. Drs. Kholid Achmad c. Ir. Ichsan Hariadi d. Empat Teknisi
4.1.2. Tempat pelaksanaan : a. Oksidasi di Laboratorium Elektronika dan Komponen ITB b. Pengukuran ketebalan oksida di ITB dan LEN 4.2. Judul : Sistim evaporasi metal alumunium. 4.2.1. Pelaksana:
a. Ir. Ichsan Hariadi b. Suparno c. Endang d. Supardi e. Sutaryo f. Dedi
(Kepala) (Teknisi ahli) (Teknisi) (Teknisi) (Teknisi) (Teknisi)
4.2.2. Tempat Pelaksanaan : Laboratorium Elektronika dan Komponen ITB 4.3. Judul : "Pembuatan topeng penutup dengan bantuan Komputer" 4.3.1. Pelaksana :
Ir. S. Reka Rio
4.3.2. Tempat pelaksanaan : Wisconsin Center for Applied Micro-electronic (WCAM), Madison, Wisconsin, USA 4.4. Beberapa kegiatan dilakukan diluar ITB, yaitu di LEN-LIPI dan WCAM, dan dalam kegiatan tersebut telah dibantu oleh Tenaga Ahli (TA) : a. Dr. Ir. Totok Sugandi (LEN-LIPI) b. Prof. Dr. Guckel (WCAM) 5. Laporan Pelaksanaan : 5.1. Teknik dan Hasil Pelaksanaan Oksidasi Silikon. 5.1.1. Teknik Pelaksanaan Dan Hasil Pengukuran Urutan kerja yang dilakukan dalam penelitian ini adalah : - profiling temperatur Tungku difusi - pemurnian air (water purification) - pencucian wafer silikon - proses oksidasi silikon -3-
- pengukuran 5.1.1.1. Profiling Temperatur Tungku Difusi Langkah ini diperlukan untuk mengetahui daerah temperatur yang rata (flat zone) dari tungku difusi yang akan digunakan untuk proses oksidasi. Sebelum profiling dilakukan, tungku dipanaskan terlebih dahulu sekitar 60 menit, agar diperoleh temperatur yang stabil. Peralatan digital yang tersedia untuk merekam beda tegangan dari thermocouple tidak berfungsi. Sehingga digunakan mikrovoltmeter manual yang dihubungkan dengan themocouple untuk mengukur beda tegangan dari setiap titik di dalam tungku difusi (jarak dua titik 1 cm) dengan waktu diam sekitar 60 detik. Harga-harga tegangan yang diperoleh dicocokkan dengan tabel untuk mendapatkan harga temperaturnya. Selanjutnya harga temperatur ini diplotkan terhadap jarak pada kertas grafik agar diketahui temperatur yang rata (flat zone) yang akan digunakan untuk proses oksidasi, lihat grafik 5.1.1 dan 5.1.2 5.1.1.2. Pembersihan Wafer Silikon Proses pembersihan Wafer Silikon sebelum dioksidasi mengikuti urutan sebagai berikut : Proses Pencucian : - celupkan dalam Aceton mendidih kurang lebih 2 menit, dinginkan. - celupkan ke dalam larutan HF 10 % kurang lebih 15 detik. - Bilas dengan D1 H20 kurang lebih 5 menit Proses Pra Oksidasi : - Panaskan dalam larutan D1 H20 : NH40H : H202 = 5 : 1 : 1 selama kurang lebih 15 menit. - Bilas dengan D1 H20 selama kurang lebih 5 menit - Panaskan selama 15 menit dalam larutan D1H20 : HCl : H202 = 6 : 1 : 1 - Bilas dengan D1 H202 selama 5 menit. - Simpan dalam Methanol - Bila akan dipergunakan, tiup dengan gas N2. 5.1.1.3. Proses Oksidasi Silikon Prosedur oksidasi yang digunakan akan bervariasi, bergantung jenis aplikasinya. Bila lapisan Si02 akan digunakan sebagai masker maka cukup dilakukan dengan oksidasi basah sedangkan bila Si02 akan digunakan sebagai Komponen (misalnya dalam MOS) maka dianjurkan dengan oksidasi kering. Akan tetapi ada pula yang mengikuti urutan dry-wet-dry agar dihasilkan ketebalan oksida yang stabil dan uniform. Ada dua pilihan, cara memasukkan wafer silikon yang akan dioksidasi ke dalam tungku pembakaran (tungku difusi) : Cara ke-1 : Wafer-wafer yang ditata pada quartz boat dimasukkan ke dalam tungku pada temperatur rendah. Selanjutnya dilewatkan temperatur yang dinaikkan sedikit demi sedikit ke temperatur proses yang diinginkan. Keseluruhan proses ini berada dalam lingkungan 02 kering, boleh juga dicampur dengan gas N2. Cara ke-2 : Wafer-wafer dimasukkan dengan perlahan ke tungku pada temperatur oksidasi yang diinginkan dalam lingkungan 02 kering.
-4-
Grafik 5.1.1. Profil Temperatur Tungku Difusi Penyetelan pada : 900
Grafik 5.1.2. Profil Temperatur Tungku Difusi Penyetelan pada : 850
-5-
Tabel 5.1.1. Hasil Eksperimen Oksidasi Silikon dan Ketebalannya
Oksidasi Kering Temperatur 1051 °C
Temperatur 959 °C
____________________________________________________________________________________________________________ No. Sample
Tipe Orient. x-tal
Waktu Oks. (jam) Si02 (Å)
Keteb.
A B C D
n (111) n (111) n (111) n (111)
1,5 4,0 7,5 12,0
635 992 1375 1927
E G F J
n (111) n (111) n (111) n (111)
2,0 5,0 8,0 11,5
549 861 1074 1471
1 17 6 9
n (100) n (100) n (100) n (100)
1,5 4,0 7,5 12,0
493 755 1141 1450
11 25 15 20
n (100) n (100) n (100) n (100)
2,0 5,0 8,0 11,5
260 518 703 1008
10 30 18 19
p (111) p (111) p (111) p (111)
1,5 4,0 7,5 12,0
545 911 1111 1472
21 14 8 7
p (111) p (111) p (111) p (111)
2,0 5,0 8,0 11,5
417 576 821 1047
Sample
No. Tipe Orient. x-tal
Waktu Oks. (jam) Si02 (Å)
Keteb.
Oksidasi Basah H I K L
n (111) n (111) n (111) n (111)
1,0 3,0 5,5 6,7
3396 6735 10332 11283
M O Q R
n (111) n (111) n (111) n (111)
1,0 3,0 5,5 6,7
2688 4922 7645 8820
3 4 33 34
n (100) n (100) n (100) n (100)
1,0 3,0 5,5 6,7
2861 5154 9490 10455
N P S
n (111) n (111) n (111)
1,0 3,0 6,7
3045 5185 9278
5 22 2 12
p (111) p (111) p (111) p (111)
1,0 3,0 5,5 6,7
3017 5849 9640 10708
13 24 27 28
p (111) p (111) p (111) p (111)
1,0 3,0 5,5 6,7
2160 4136 6471 7941
-6-
Grafik 5.1.3. Pertumbuhan oksida pada oksigen kering
-7-
Grafik 5.1.4. Pertumbuhan oksida pada uap H20
-8-
Grafik. 5.1.5. Perbandingan pertumbuhan oksida pada oksidasi basah dan oksidasi kering
-9-
Grafik 5.1.6 Perbandingan pertumbuhan oksida pada oksidasi basah dan oksidasi kering Untuk proses cara ke-2 dapat dilanjutkan dengan siklus wet atau steam. Proses oksidasi basah (wet atau steam) yang cepat ini diakhiri dengan siklus kering (dry) dari 02 dalam N2 secara perlahan. Steam dapat dihasilkan dari bubbling 02 yang dilewatkan ke 95 derajad C DiH20 dalam labu quartz atau pireks yang akan membawa uap air ke dalam tungku. Pada saat ini untuk memperoleh uap air murni dihasilkan melalui insitu burning H2 dan 02 atau pyrogenic steam. 5.1.2. Analisis dan Model. Penelitian proses penumbuhan lapisan Si02 pada tungku oksidasi buatan laboratorium Elektronika Zat Padat-ITB, telah dapat menghasilkan gambaran yang jelas mengenai karakteristik tungku beserta metode operasinya. Secara keseluruhan hasil penelitian ini dapat dipergunakan sebagai pegangan dalam menumbuhkan lapisan Si02. Keterbatasan dan kurangnya persediaan wafer silikon, gas oksigen, dan ketelitian alat ukur sangat dirasakan pengaruhnya pada hasil akhir penelitian ini. - 10 -
Berikut ini disajikan beberapa analisis, baik mengenai langkah-langkah proses, peralatan yang digunakan maupun hasil kerja. Hasil-hasil penumbuhan lapisan Si02 yang diperlihatkan dalam grafik 5.1.3, 5.1.4, 5.1.6 merupakan model-model proses yang akan dibahas pula pada bagian ini. 5.1.2.1. Proses pencucian wafer silikon. Metode yang digunakan untuk proses pencucian wafer silikon adalah metode baku (Iihat sub. 5.1.1.2). Perlu juga dicoba metode lainnya, karena proses ini juga berpengaruh terhadap pertumbuhan oksida silikon selama proses oksidasi. 5.1.2.2. Profiling temperatur tungku difusi. Profiling temperatur tungku difusi dilakukan tanpa adanya gas yang mengalir di dalam tungku. Keadaannya tentu akan berbeda bila saat profiling ada gas (02 atau H20) yang mengalir. Diharapkan penurunan gradien temperaturnya bersifat linier dan tidak terlalu besar. 5.1.2.3. Proses oksidasi silikon. Sebenarnya cukup banyak variabel yang dapat mempengaruhi hasil oksidasi silikon ini. Variabel-variabel tersebut diantaranya : temperatur oksidasi, tekanan dan laju gas oksidan, kedudukan wafer silikon pada quartz boat, dll. Dari hasil eksperimen Deal dan Grove diperlihatkan bahwa temperatur oksidasi sangat besar pengaruhnya terhadap pertumbuhan oksida. Oleh sebab itu profiling temperatur yang teliti besar sumbangannya dalam memberikan informasi yang benar dari hasil penelitian. Dalam penelitian ini pengaruh tekanan tidak diamati. Sebenarnya dapat pula di buat model pengaruh tekanan gas terhadap ketebalan oksida untuk waktu oksidasi yang sama. Dari hasil penelitian yang dilakukan di Lab. Telkoma LEN Bandung, laju gas yang membesar, untuk waktu yang sama akan diperoleh lapisan oksida yang semakin tebal, dan pada suatu saat ada laju gas optimum, dimana laju gas di atas laju optimum tidak lagi berpengaruh terhadap pertumbuhan lapisan oksida. Dari data-data di LEN, dan juga mengingat terbatasnya gas 02 yang tersedia, penulis mengambil optimasi dari hasil yang dilakukan di LEN tersebut, yakni dengan membandingkan penampang tungku difusinya. Dari optimasi ini maka laju gas oksidan yang digunakan adalah liter/menit yang ekuivalen dengan skala 45 pada alat ukur gas yang terpasang. Ternyata kedudukan wafer juga akan berpengaruh terhadap laju pertumbuhan oksida, hal ini terlihat dengan jelas pada tabel 5.1.2 untuk tipe n (111) pada keadaan oksidasi basah temperatur 959 derajad C. Sampel-sampel M,O,Q,R terletak di bagian depan sampel N, P, S terhadap arah datangnya gas oksidan. 5.1.2.4. Model Proses Oksidasi. Dengan semakin banyak informasi yang diperoleh dari hasil proses oksidasi silikon ini, akan semakin mudah kita mempelajari dan memahaminya, yang pada akhirnya akan memudahkan jalan ke arah pengembangan aplikasinya. Bahkan dari hasil oksidasi ini selanjutnya dapat dibuat model pertumbuhan oksida, yakni dengan membuat grafik ketebalan oksida terhadap waktu oksidasi, baik secara matematis maupun mensimulasikannya. Dalam rangka menuju ke arah jalan tersebut, marilah kita tinjau kembali tabel 5.1.1 untuk menghitung laju pertumbuhan oksida (yakni dengan membagi ketebalan oksida terhadap waktu oksidasi), yang akan memberikan harga-harga sebagai berikut (hanya untuk tipe n (111) dan tipe p (111)) tabel 5.1.2. Bila kita perhatikan dengan teliti harga-harga laju pertumbuhan oksida dari tabel 5.1.2 maka akan terlihat dengan jelas bahwa pola pertumbuhannya mengalami proses yang serupa, yakni pertumbuhan oksida pada awal-awal oksidasi berjalan dengan cepat, hal ini tentunya - 11 -
berkaitan dengan laju pertumbuhan yang cepat pula, akan tetapi pertumbuhan oksida akan menurun cukup tajam pada waktu oksidasi yang semakin lama. Keadaan ini mudah kita terima dengan logika, karena salah satu syarat (lihat Appendix A) untuk penumbuhan oksida, maka gas oksidan harus mampu menembus oksida yang telah terbentuk untuk mencapai permukaan silikon yang baru. Akan tetapi dengan makin tebalnya oksida yang terbentuk. Kemampuan gas oksidan untuk menembus (melewati) oksida semakin melemah. Hal ini terbukti dari harga-harga laju pertumbuhan oksida yang semakin kecil. Keadaan ini pun cukup kuat untuk membuktikan secara kualitatif bahwa hasil proses mengikuti model matematis teori (Appendix A) yakni saat awal (waktu t sebentar) laju pertumbuhan berjalan cepat (linier) dan saat-saat akhir (waktu t lama), laju pertumbuhan menurun perlahan mengikuti pola parabolik. Pernyataan ini akan mudah diterima, apabila titik-titik pengamatan diperbanyak (tidak hanya 4 titik, seperti pada penelitian ini), sehingga terlihat pola grafik yang sebenarnya. Secara kuantitatif menarik pernyataan (seperti diatas) dari hasil perhitungan sebenarnya agak kasar, sebab secara kualitatif hal tersebut tidak terlihat dengan jelas dari grafik-grafik 5.1.3, 5.1.4, 5.1.5, 5.1.6. Selanjutnya dari grafik-grafik tersebut akan dapat diperoleh konstanta-konstanta laju pertumbuhan (linier B/A, parabolik B) dan C. Pada akhirnya dengan mudah kita dapat membuat model matematisnya untuk disimulasikan. Diharapkan dari model ini dapat dilakukan proses penumbuhan Si02 dengan perolehan ketebalan dan karakteristik elektrik yang berulang. 5.1.3. Kesimpulan Dari hasil penelitian yang telah dilakukan maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut : - Tungku difusi buatan Lab. Elektronika Zat Padat - ITB dapat digunakari untuk penumbuhan oksida silikon. - Dari grafik 5.1.3, 5.1.4, 5.1.5, 5.1.6 terlihat, bahwa pertumbuhan oksida orientasi kristal (111) lebih cepat dibandingkan dengan orientasi kristal (100). - Pertumbuhan oksida hasil oksidasi basah jauh lebih cepat dibandingkan hasil oksidasi kering. - Dari hasil penelitian (di LEN-Bandung) ternyata oksida silikon hasil oksidasi basah baik untuk masker dan kurang baik dijadikan komponen mikrodivais (misalnya dalam MOS). - Kedudukan sampel pada quartz boat (untuk tipe silikon yang sama) berpengaruh terhadap laju pertumbuhan oksida. - Ternyata pertumbuhan oksida silikon hasil eksperimen mempunyai trend yang sarna dengan model teori matematis.
- 12 -
Appendix A A.1. Oksidasi Thermal Permukaan Silikon (baik jenis p maupun n) mempunyai affinitas tinggi terhadap oksigen, sehingga lapisan oksida cepat terbentuk saat silikon berada dalam lingkungan oksidasi. Reaksi kimia yang menggambarkan oksidasi thermal silikon dalam oksigen atau uap H20 adalah : Gas oksidan 02 (kering) H20 atau H2 + 02
Reaksi Si + 02 Æ Si02 Si + 2H20 Æ Si02 + 2H2
Laju tumbuhnya Si02 Lambat (1) Cepat (2)
Agar lapisan silikon oksida terbentuk maka harus dipenuhi syarat : gas mampu mencapai permukaan silikon oksida gas mampu menembus lapisan oksida yang sudah terbentuk. gas dapat bereaksi dengan permukaan silikon Proses reaksi yang terjadi melibatkan pemakaian bersama elektron valensi antara silikon dan oksigen oleh karenanya struktur ikatan silikon-oksigen adalah kovalen. Reaksi oksidasi jenis ke (1) disebut oksidasi kering (dry oxidation) sedangkan jenis yang ke (2) disebut oksidasi basah (wet or steam oxidation). Selama proses oksidasi berjalan, permukaan silikon “dimakan” oksigen sehingga antar muka Si : Si02 bergerak masuk ke dalam silikon. Volume silikon yang teroksidasi akan menghasilkan volume Si02 yang lebih besar. Bila ketebalan Si02 adalah do (mudah diukur) dan ketebalan silikon yang teroksidasi ds1 (lihat gambar A.1) maka : -
dS1 = 0,44 do
Gambar A.1. Silikon oksida yang diperoleh A.2. Model Oksidasi Silikon. Gambaran model kinetika oksidasi silikon telah dibuat oleh Deal dan grove, yang diamati pada temperatur 700 - 1300 derajad C tekanan parsial 0,2 -1,0 atm. (barangkali dapat lebih tinggi lagi) yang akan memberikan ketebalan oksida antara 300 - 2000 Angstrom dalam lingkungan 02 atau uap DiH20 Pada gambar A.2 ditunjukan substrat silikon yang dilapisi oleh lapisan oksida dalam keadaan kontak dengan phasa gas (gas oksidan). F1 menyatakan fluks gas yang sampai kepermukaan oksida, dan F2 fluks gas yang melintasi oksida menuju permukaan silikon, dan F3 merupakan fluks gas yang bereaksi pada antar-muka Si-Si02.
- 13 -
Gambar A.2. Model dasar oksidasi silikon Pada steady state, F1 = F2 = F3. Fluks phasa gas F1 dapat didekati secara linier dengan anggapan fluks oksidan yang datang ke permukaan oksida sebanding dengan perbedaan antara konsentrasi oksidan dari bahan gas Cg dan konsentrasi oksidan yang sampai ke permukaan oksida Cs, maka : F1 = hg (Cg - Cs) (A-2) dengan hg koefisien masa fasa gas. Dari hukum Henry, diperoleh hubungan antara konsentrasi gas oksidan saat setimbang dalam oksida terhadap fasa gas, yakni : Co = H Ps (A-3) C* = H Pg (A-4) dengan Co konsentrasigas saat setimbang dalam oksida pada permukaan terluar, dan C* konsentrasi gas saat setimbang dalam oksida. Ps tekanan parsial gas pada permukaan oksida, pg tekanan parsial gas dalam bahan dan H konstanta Henry. Bila hukum Henry dikaitkan dengan hukum gas ideal, akan diperoleh : Cg = Pg / k T (A-5) Cs = Ps / k T (A-6) Kombinasi persamaan (A-2) sampai (A-6), memberikan : F1 = h (C* - Co) (A-7) dengan h = hg / HkT. Hukum Henry akan sesuai (cocok) hanya jika tidak ada efek disosiasi pada antar-muka gas-oksida. Hal ini menunjukkan gas oksidan yang masuk melalui oksida adalah molekuler. Fluks gas oksidan yang melewati oksida dinyatakan oleh hukum Fick : dC F2 = - D ----(A-8.a) dd yang berlaku pada setiap titik d dalam lapisan oksida. D adalah koefisien difusi dan dC/dd menyatakan gradien konsentrasi gas oksidan dalam oksida. Pada steady state, F2 harus sama d setiap titik dalam oksida (sehingga dF2/dd = 0) yang menghasilkan : F2 = D (Co -Ci) / do (A-8.b) dengan Ci konsentrasi gas oksidan dalam oksida perbatasan, yakni oksida pada antar-muka oksidasilikon dan do ketebalan oksida. Dengan anggapan bahwa fluks yang bereaksi pada antar-muka Si-Si02 sebanding dengan Ci, maka : F3 = Ks Ci (A-9) - 14 -
Ks adalah konstanta laju reaksi permukaan kimia untuk oksida silikon. Setelah diatur F1 = F2 = F3, seperti pada kondisi steady state maka akan diperoleh gambaran untuk Ci dan Co (yakni dengan pemecahan persamaan simultan) : C* Cl = ----------------------------- (A-l0) 1 + Ks/h + Ksdo/D (1 + Ksdo/D) C* Co = ------------------------------ (A-11) 1 + Ks/h + Ksdo/D Perumusan (A-10) dan (A-11) dapat disederhanakan dengan mengingat besaran difusivitas D. Pada saat difusivitas D sangat kecil, Ci Æ 0 dan Co Æ C* yang dikenal dengan keadaan difusi terkontrol. Keadaan ini terjadi karena fluks oksidan yang melewati oksida terlalu kecil (menyebabkan D kecil). Sehingga laju oksidasi pada antar-muka Si-Si02 bergantung pada suplai oksidan ke antar-muka. Pendekatan ke dua, saat D besar, C1 = Co = C* / (1 + Ks/h) yang dikenal dengan keadaan reaksi terkontrol. Keadaan ini terjadi karena suplai yang berlebihan dari gas oksidan pada antar-muka Si-Si02. Laju oksidasi dikontrol oleh konstanta laju reaksi Ks dan Ci (yang sama dengan Co). Untuk menghitung laju pertumbuhan oksida, didefinisikan N1 sebagai jumlah molekul oksida per satuan volum lapisan oksida. Bila oksida mempunyai 2,2 X 10E22 molekul Si02/cmE3, maka satu molekul 02 tergabung ke dalam setiap molekul Si02, dan dua molekul H20 tergabung ke dalam setiap molekul Si02. N1 = 2,2 X 10E22 cmE-3 untuk oksidasi kering (02), sehingga jumlahnya akan dua kalinya untuk oksidasi uap H20. Dengan menggabungkan persamaan (A-9) dan (A-10) maka fluks oksidan yang sampai ke antar-muka oksida-silikon diberikan oleh : ddo Ks C* Nl = ----- = F3 = ------------------------(A-12) dt 1 + Ks/h + Ksdo/D Kita selesaikan persamaan diferensial ini dengan menganggap adanya oksida yang mungkin muncul dari langkah (step) sebelumnya atau oksida yang mungkin tumbuh sebelum asumsi dalam model berlaku, yakni do =d1 pada t = 0. Solusi persamaan (A-12) adalah : doE2 + A do = B (t + tau) (A-13) dengan A = 2D (1/Ks + 1/h) B = 2 D C* /N1 Tau = (d1E2 + A d1)/B Kuantitas tau menunjukkan faktor koreksi yang dihitung untuk ketebalan oksida mula-mula t(ox) = 20 nm yang teramati pada awal laju pertumbuhan dipercepat dalam oksigen kering. Sedangkan Tau = 0 untuk oksidasi uap atau pyogenic H20. Persamaan (A-13) dikenal sebagai hubungan gabungan linier-parabolik. Pemecahan persamaan ini untuk do sebagai fungsi waktu diberikan oleh : do t + tau ----- = [ 1+ -----------] 1/2 -1 (A-14) A/2 AE2/4B Pendekatan dilakukan saat waktu oksidasi yang lama, yakni untuk persiapan lapisan Si02 yang tebal t >> AE2/4B sehingga dari persamaan (A-14) diperoleh : - 15 -
doE2 = B t
(A-15)
Persamaan (A-15) adalah hukum parabolik, dengan B konstanta laju parabolik. Pendekatan lainnya dilakukan untuk waktu oksidasi yang pendek, yakni untuk persiapan oksida yang tipis (t + tau) << AE2/4B, sehingga dari persamaan (A-14) diperoleh : B do = ------- (t + tau) (A-16) A Persamaan (A-16) adalah persamaan linier dengan B/A konstanta laju linier yang diberikan oleh : B Ks h C* --- = (------------) (------------) (A-17) A Ks + h N1 5.2. Sistim evaporasi metal Aluminium. 5.2.1. Pendahuluan Pembuatan lapisan tipis di dalam vakum dengan cara penguapan (vacuum deposition) memerlukan keadaan tekanan vakum yang sangat rendah, agar diperoleh hasil lapisan yang berkualitas tinggi. Pada umumnya kevakuman yang diperbolehkan ialah lebih dari 1 x 10-5 mbar. Untuk memperoleh tekanan yang cukup rendah tersebut digunakan peralatan-peralatan antara lain : 1. Pompa mekanik (rotary pump) 2. Pompa Diffusi (diff pump) 3. Sistem penghalang (Baffle) 4. Sistem valve besar (high vacuum valve) 5. Keserasian design dari sistimyang digunakan : - bahan yang digunakan - sistem dudukan elektroda - sistem sungkup (chamber) 6. Alat ukur tekanan vakum - pirani gauge - penning gauge 5.2.2. Pompa Mekanik Pada prinsipnya pompa mekanik ialah suatu peralatan yang dapat memindahkan sejumlah volume udara dari satu tempat ke tempat lain yang tekanannya relatip lebih tinggi. Pompa mekanik dilengkapi dengan suatu peralatan aktip yang dapat memindahkan udara dan menahannya, agar tidak dapat kembali ke tempat semula. setiap jenis pompa mempunyai sifat-sifat tersendiri, sifat-sifat itu hakekatnya berasal dari mekanisme pembuangan gas oleh pompa itu. Ruangan yang akan divakumkan disambungkan pada celah masukan, celah keluaran diperlengkapi dengan katup untuk mencegah masuknya oli ke dalam pompa. Rotor dihubungkan pada suatu motor, rotor ini merupakan silinder baja yang diperlengkapi dengan sepasang baling-baling persegi panjang, antara kedua baling-baling dipasang pegas agar luarnya kontak rapat dengan dinding stator.
- 16 -
Kontak antara rotor dan stator pada bagian atas, yang dinamakan kontak atas, berada tepat diantara celah-celah masukan dan keluaran. Keseluruhan sistem direndam dalam oli. 5.2.2.1. Prinsip Kerja Jalannya pemvakuman dengan pompa mekanik ini adalah sebagai berikut ruangan dihubungkan dengan celah masukan, gerakan baling-baling memperbesar volume gas hingga tekanannya cukup tinggi untuk membuka katup, lalu gas dibuang, proses ini disebut satu siklus pemompaan. Setiap satu siklus pemompaan terdiri dari tahap : 1. tahap pengisapan gas 2. tahap pengisolasian gas 3. tahap pemampatan qas 4 . tahap pembuangan gas Ada beberapa zat-zat kimia ataupun debu yang ikut masuk ke pompa, dapat merusak kesempurnaan dinding, membuat cacat pada dinding pompa sebelah dalam. Sehingga harus dijaga supaya jangan ikut masuk ke pompa. Pompa mekanik yang dipakai dilengkapi GAS BALLAST. GAS BALLAS adalah suatu teknik pembuangan uap air dari dalam ruang vakum dan pompa mekanik secara terkontrol, sejumlah udara luar dimasukkan ke dalam pompa dengan memutar valve gas ballast. Dengan masuknya udara, menyebabkan tekanan pada saat pemampatan maxsimal tidak menimbulkan tekanan uap, namun masih cukup kuat untuk membuka katup untuk pembuangan, oleh karena itu uap air akan terbuang bersama gas sekaligus. 5.2.3. Pompa Difusi. Pompa difusi beker-ja jika tekanan vakum di dalam sistem telah mencapai 5 x 10-2 mbar. Dengan menggunakan pompa difusi, pemompaan berlangsung dengan memberikan momentum ke arah jalan keluar dari molekul-molekul gas yang ada di dalam sistem, momentum ini diperoleh dari aliran cepat molekul-molekul uap, karena pemanasan dari sistem heater, cairan oli menguap dengan kecepatan dalam daerah supersonik, sehingga lebih cepat mendorong molekul-molekul gas keluar sistem. Urutan sistem payung (Jet) di dalam pompa difusi ialah payung (Jet) yang letaknya paling bawah, letaknya lebih dekat kedinding. Dengan susunan yang bertingkat ini, kerapatan uap disekitar dinding tetap cukup tinggi. Payung paling atas, yang paling kecil, gunanya adalah untuk menimbulkan laju pemompaan yang tinggi. Payung yang paling bawah, gunanya adalah untuk membuat kerapatan uap yang tinggi sekitar dinding dekat jalan keluar, sedangkan laju pemompaannya rendah karena luas penampang disekitarnya yang agak kecil. Disamping itu semua, dengan adanya konstruksi bertingkat ini, perbedaan tekanan antara bagian bawah dan bagian atas pada setiap pancaran uap tidak terlalu besar, sehingga difusi kembali dapat diperkecil. 5.2.4. Sistim pendingin Karena pompa menggunakan oli, dikhawatirkan sebagian uap mengalir ke pompa mekanik atau ke ruangan yang divakumkan. Untuk sistem vakum di Laboratorium Elektronika dan Komponen ITB digunakan aliran air yang mengalir terus menerus melalui pompa air ke sebuah bak penampungan. Pendinginan ini sangat penting kegunaannya, dengan adanya sistim pendinginan yang baikcairanpompa akan cepat terkondensasi, sehingga mempercepat proses bekerjanya pompa difusi. Sistim pendingin yang dibuat menggunakan aliran air sebagai penyerap dan pembawa panas. Sistim sirkulasi air yang dibuat untuk keperluan itu adalah sebagai berikut : - 17 -
Air berasal dari sebuah reservoar, yang berfungsi menampung air dingin. Dengan menggunakan sebuah pompa, air disirkulasikan ke bagian pompa difusi. Perpindahan panas (heat transfer) terjadi pada tahap ini, melalui pipapipa kecil di dalam tubuh pompa. Panas yang telah dipindahkan dibawa oleh air, kembali ke reservoar. Sebelum kembali ke reservoar, air diusahakan untuk dapat mentransfer panas yang dibawanya ke udara terbuka. Oleh karena itu, sebelum masuk kembali ke reservoar, air dilewatkan sirip-sirippendingin. Sesudah keluar dari bagian pompa difusi (outlet), air pendingin akan mempunyai temperatur yang lebih tinggi dari sebelum memasukinya (inlet water). Di dalam reservoar, Outlet-water akan bercampur dengan inlet water. Tanpa proses pembuangan panas yang efektif; temperatur air di dalam reservoar secara keseluruhan akan naik. Hal ini akan mengurangi efektifitas sistim pendingin. Oleh karena itu, pada sistim di atas ditambahkan sirip-sirip pendingin, untuk mempertinggi efektifitas pembuangan panas ke udara terbuka. Hasil pengukuran temperatur yang dilakukan adalah sebagai berikut :
Kondisi
tanpa sirip pendingin dengan sirip pendingin I : Inlet-water 0 : Outlet-water
Temperatur air (C) _____________________________________________ I 0 D 33 29
41 38
8 8
D : selisih
Pengukuran dilakukan dalam keadaan steady-state, yaitu setelah harga temperatur stabil, tidak berubah lagi. Nampak bahwa pemasangan sirip pendingin dapat menurunkan temperatur air secara keseluruhan. Selisih temperatur outlet-inlet tidak mengalami perubahan. Temperatur outlet di atas merupakan pendekatan, karena pengukuran dilakukan pada ujung pipa outlet, bukan tepat pada titik outlet pipa pendingin pompa difusi. Sebelum pemasangan siirip pendingin, sistim evaporasi mengalami penghentian (shut-down) : yaitu bila temperatur outlet di atas mencapai harga di atas 41 C. Penghentian ini merupakan bagian daripengamanan sistim, yang bekerja secara otomatis bila sistim pendingin telah tidak efektif lagi. Hal inidapat dicegah dengan pemasangan sirip pendingin tersebut. 5.2.5. Penyempurnaan ruang vakum. Sebelum dilakukan penyempurnaan, ultimatepressure yang dicapai adalah 1E-O5 mbar. Tekanan ini belum cukup memadai untuk mendukung proses evaporasi. Rendahnya tingkat kevakuman tersebut terutama disebabkan oleh : - adanya kebocoran pada bagian-bagian tertentu - faktor kebersihan ruang vakum beserta semua peralatan di dalamnya. Bagian yang diduga paling rawan dalam menimbulkan kebocoran adalah bagian feed-through, karena pada bagian ini diperlukan hubungan tembus dari ruang vakum ke lingkungan luar, untuk memungkinkan akses beberapa peralatan : seperti manipulator, dan suplai arus untuk filamen pemanas. Setelah usaha penyempurnaan dilakukan, diperoleh peningkatan kevakuman. Usaha-usaha ini meliputi : - mengganti manipulator mekanik dengan motor listrik sehingga tidak ada bagian yang - bergerak pada lubang feed-though. - perlakuan (treatment) berupa pembersihan semua permukaan didalam ruang vakum. - pengoperasian pompa dengan frekuensi yang lebih sering - 18 -
Dengan usaha-usaha di atas, pada saat ini telah dicapai harga ultimate-pressure 2E-06 mbar. Unjuk kerja yang dicapai tersebut belum cukup optimal, karena untuk mencapai ultimate-pressure tersebut dibutuhkan pump-down time yang cukup lama (lebih dari 6 jam). 5.2.6. Pembuatan Substrat Holder dan Shutter. Substrat holder yang dibuat berfungsi untuk memegang substrat serta memberikan pemanasan yang diperlukan. Bentuk holder dirancang untuk wafer dengan diameter 4 inci. Untuk menghasilkan pemanasan, digunakan elemen pemanas yang dialiri arus AC 220 V, dikontrol oleh sebuah modul pengontrol temperatur. Temperatur yang diinginkan dapat diatur berdasarkan setting pengontrol temperatur. Dari percobaan yang dilakukan, pengontrolan bekerja efektif sampai temperatur 200 C. Temperatur ini cukup untuk pemanasan substrat di dalam evaporasi. Shutter digunakan untuk mengatur waktu pengendapan lapisan tipis, dengan membuka dan menutupkannya pada substrat. Pada posisi tertutup, shutter mengalami arus uap bahan source, sehingga secara efektif menghentikan proses pengendapan. Shutter ini digerakkan oleh sebuah motor DC 12 volt yang dipasang di dalam ruang vakum. Pemasangan motor penggerak di dalam ruang vakum ini dapat menggantikan manipulator mekanis. Hubungan tembus mekanik melalui feed-through digantikan oleh hubungan tembus elektrik dengan kabel listrik. Suplai DC serta sakelar pengoperasian motor diletakkan pada modul yang sama dengan modul pengontrol temperatur pemanas substrat di atas. 5.2.7. Percobaan Evaporasi dan hasil yang diperoleh. Dengan kondisi sistim di atas, telah dilakukan beberapa kali percobaan proses evaporasi, dengan data sebagai berikut : - bahan source : Aluminium - target/substrat : - kaca sediaan/preparat - wafer - ultimate pressure : 2.5E-06 mbar - arus filamen : 97 - 125 A - temperatur substrat : 100 C Prosedur evaporasi yang dilakukan adalah sebagai berikut : - Persiapan, meliputi pemasangan bahan source, serta pembersihan permukaan-permukaan pada ruang vakum. - roughing : pengeluaran gas (evakuasi) dengan pompa mekanik untuk menurunkan tekanan ruang vakum , hingga mencapai tekanan 1E-02 mbar. - penyalaan pompa difusi, hingga cairan pompa difusi mendidih/menghasilkan arus uap. - pemindahan posisi katup (valve), sehingga pompa mekanik berubah fungsi menjadi backing-pump. Pemompaan untuk kevakuman tinggi dimulai. - setelah kevakuman yang dicapai cukup tinggi (2E-06 hingga 3E-06), pemanas substrat dinyalakan. Shutter masih dalam keadaan menutupi substrat. - 5-10 menit kemudian, setelah substrat cukup panas, proses penguapan source dimulai dengan mengalirkan arus dari sumber arus DC melalui filamen. Arus dinaikkan sedikit demi sedikit. Selama itu, keadaan filamen maupun besar arus diamati. Setelah filamen nampak kemerah-merahan, penambahan arus dilakukan lebih perlahan, sampai bahan source melebur dan menguap. - Shutter dibuka selama beberapa saat. Bila diinginkan, shutter dapat ditutup sebelum bahan source habis. Setelah itu, arus diturunkan kembali, hingga nol. - Sistim vakum dimatikan dengan prosedur kebalikan dari urutan langkah penyalaannya.
- 19 -
5.2.8. Penelitian selanjutnya. Dengan prosedur di atas telah dihasilkan lapisan metal/aluminium pada kedua jenis substrat di atas. Melalui pemeriksaan dengan mikroskop optik, terlihat bahwa butiran yang diperoleh pada lapisan tersebut cukup rata dan halus. Hanya saja evaluasi ketebalan, uniformitas, maupun kekuatan adhesi tidak dilakukan. Pada percobaan-percobaan yang dilakukan, pemanasan substrat pada umumnya mengurangi tingkat kevakuman yang dicapai. Begitu pemanas substrat diaktifkan, kevakuman yang diperoleh langsung menurun. Untuk memulihkan tingkat kevakuman ke kondisi semula diperlukan waktu pemompaan lagi. Penelitian tahap berikut yang perlu dilakukan ialah : a. Meningkatkan vakum dengan menggunakan cold trap (nitrogen cair) . b. Mengembangkan alat untuk mengukur ketebalan c. Menyelidiki pengaruh temperatur substrat kepada : - penempelan lapisan Al ke substrat - kehalusan lapisan - sifat-sifat listrik lapisan 5.3. Pembuatan topeng penutup dengan bantuan komputer 5.3.1.Pendahuluan. Yang akan dicapai dalam penelitian ini ialah untuk mengetahui resolusi maksimum yang dapat diperoleh dengan metoda ini. Resolusi ini akan ditentukan oleh photoplotter yang dipakai, sifat-sifat photoresist, alat fotolitografi yang dipakai dan metoda etsa. Tahap penelitian saat ini ialah masih dalam pembuatan pola rangkaian IC yang dipakai untuk percobaan, dengan menggunakan komputer. SeIuruh kegiatan masih dilakukan komputer. SeIuruh kegiatan masih dilakukan di WCAM, Wisconsin, USA. Karena masih belum tersedianya peralatan tersebut di PAU-ME sebagian dari perancangan rangkaian dilakukan di Bandung. 5.3.2. Pelaksanaan pembuatan topeng. Gambar 5.3.1 menunjukkan hasil plot dari topeng yang dibuat yang mengandung struktur-struktur yang dibuat yang mengandung struktur-struktur sebagai berikut : a. Nand gate dengan input 2, 3 dan 4 b. Nor gate dengan input 2 c. Resistivity test pattern d. Ring oscillator dengan 41 transistor. e. Data shifter cell f. 4 bit parallel data shifter (ITB DC 01) g. CMOS operational amplifier h. set and Reset J-K flip-flop i. inverter normal dan "worst case" inverter Dalam percobaan ini semua dilakukan dengan resolusi 10 micron. 5.3.3.Penelitian selanjutnya. Topeng yang telah diplot diatas perlu dilaksanakan dalam silikon dan diukur pada tahap penelifian berikutnya. Data yang akan diukur pada tahap penelitian berikutnya iaIah : a. parameter MOS yang diperoIeh b. Wak tu delay c. Worst case dimensions. - 20 -
