PECVD SISTEM PERMASALAHAN DAN PENYELESAINNYA Rizky Mayang Dessyntya(1), Eddy Yahya (2) Program Studi Sarjana Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia(1) Dosen Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia(2)
Abstrak PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) merupakan teknik penumbuhan film lapisan tipis menggunakan reaksi kimiawi pada saat pendeposisian dan merupakan pengembangan dari teknik sebelumnya, yakni CVD. Rangka PECVD terdiri dari komponen-komponen yang saling bertautan. Permasalahan pada PECVD yang terjadi di laboratorium sel surya adalah tidak munculnya plasma karena ruang chamber yang kotor dan nilai daya RF reflected yang besar, tekanan pada chamber 3 yang terlalu tinggi dan putaran turbo pump chamber 4 yang kecil. Penyelesaian untuk masing-masing masalah adalah pembersihan chamber, pengecekan daya yang masuk pada daya RF reflected, pengencangan baut pada chambar 3 dan pemeriksaan kabel untuk masalah yang ada pada chamber 4 serta penggantian kabel daya agar daya yang hilang dapat dikembalikan. Kata kunci : rangka PECVD, permasalahan pada PECVD, penyelesaian masalah PECVD.
2. Gas prekursor melewati lapisan batas. 3. Penyerapan gas prekursor di permukaan substrat. 4. Terjadi reaksi kimia di permukaan substrat. 5. Gas produk yang tidak dipakai tidak diserap di permukaan substrat. 6. Gas tersebut akan mengalir keluar chamber.
1. Pendahuluan Teknik deposisi merupakan salah satu cara populer untuk membuat a-Si:H yang bertujuan untuk menghasilkan bahan dengan sifat optolistrik yang baik dan celah pita optik yang lebih tinggi. Teknik deposisi yang mengalami banyak perkembangan adalah Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD). PECVD merupakan pengembangan dari teknik deposisi sebelumnya yakni Chemical Vapor Deposition (CVD). Klasifikasi PVD lebih dahulu dikenal oleh para peneliti seperti sputtering, electron beam dan evaporasi. Chemical vapor deposition (CVD) adalah proses kimia yang dapat digunakan untuk memproduksi kemurnian bahan yang tinggi. Proses ini biasa digunakan dalam industri semikonduktor untuk memproduksi film lapisan tipis. Pada proses CVD, substrat terkena bahan yang mudah menguap dan bereaksi di permukaan substrat untuk menghasilkan lapisan tipis yang diinginkan. Proses terjadinya film lapisan tipis dengan teknik CVD (Gambar 1.1) dapat dijelaskan secara sederhana sebagai berikut : 1. Gas prekursor masuk melalui chamber.
Gambar 1.1 Proses deposisi film lapisan tipis (Hugo O Pierson, 1999). Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) merupakan pengembangan dari teknik CVD. Teknik ini pertama kali dikembangkan pada tahun 1960 untuk semikonduktor terutama silikon nitrida. Teknik ini menggunakan plasma
1
Silikon amorf merupakan bentuk non kristal silikon dimana memiliki keteraturan pendek. Berbeda dengan silikon kristal yang keteraturannya panjang. Pada silikon amorf terdapat dangling bond, munculnya dangling bond akibat dari tidak semua atom silikon amorf berikatan dengan tetangga terdekatnya. Adanya dangling bond mengakibatkan atom silikon dapat berikatan dengan atom lain, yakni hidrogen, yang dinamakan silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H). Metode deposisi yang digunakan untuk menghasilkan film lapisan tipis a-Si:H adalah PECVD. Gas SiH4 dan gas H2 untuk semikonduktor intrinsik dialirkan melalui chamber untuk mendeposisi silikon. Gas-gas tersebut akan terdisosiasi membentuk plasma yang berwarna ungu dan plasma berperan sebagai sumber energi pada proses deposisi. Proses deposisi dapat dijelaskan dengan empat langkah berikut (Gambar 1.3): 1. Reaksi primer yakni gas silan dan gas hidrogen terdisosiasi menghasilkan radikal netral, ion positif dan negatif serta elektron, terjadilah plasma. 2. Reaksi sekunder yakni terjadi reaksi radikal netral yang berdifusi dalam subtrat, ion positif menuju katoda dan ion negative menuju anoda. 3. Terjadi reaksi di permukaan substrat. 4. Penyusunan subpermukaan dan terjadi relaksasi struktur jaringan silikon.
untuk proses deposisinya. Jika gas diatomik (hirogen) dipanaskan pada suhu tertentu maka semua molekul akan terurai menjadi atom-atom (H2 2H) dan terionisasi membentuk plasma. PECVD digunakan untuk fabrikasi film lapisan tipis silikon amorf dan film lapisan karbon. Saat ini PECVD banyak digunakan dalam pembentukan sel surya silikon amorf, nitrida dan isolator oksida. Gambar 1.2 menunjukkan 5 komponen utama pada PECVD (Jef Poortmans dan Vladimir Arkhipov, 1988), yaitu : a) Chamber reaksi yang memiliki tingkat kevakuman tinggi dan terbuat dari stainless steel serta adanya elektroda paralel, daya rf feedthrough, tempat untuk substrat dan pemanas yang digabungkan. b) Sistem gas, terdapat pengatur aliran gas dan katup-katup gas untuk mengatur gas yang mengalir pada proses deposisi. c) Sistem pompa, terdapat pompa turbo dan pompa rotari yang berfungsi untuk kevakuman chamber. d) Sistem pembuangan gas. e) Kontrol elektronik yang terdiri dari kontrol daya RF, kontrol tekanan dan pengaturan suhu. Plasma didefinisikan sebagai gas-gas yang terionisasi yang kuasinetral yaitu adanya peristiwa hilangnya muatan pada plasma secara cepat dari partikel yang bermuatan dan pertikel yang netral. Adanya keadaan kuasinetral menyebabkan plasma tidak bermuatan. Plasma diketahui memiliki konduktivitas listrik yang tinggi yang membuat medan listrik pada plasma kecil.
1.3 Proses deposisi dengan PECVD (Mistuharu Komuna, 1991). Eddy yahya, 2009 mengatakan bahwa pertumbuhan lapisan tipis a-Si:H dicapai oleh bergabungnya partikel-partikel radikal hasil disosiasi molekul-molekul silan pada permukaan lapisan tipis yang sedang ditumbuhkan, sebagian dari energi yang diberikan pada molekul-
Gambar 1.2 PECVD (Jef Portman, Vladimir Arkhipov, 2006).
2
molekul silan oleh tumbukan elektron dilepas sebagi energi tampak (glow glow discharge). discharge Eddy Yahya, 2009 : Ion-ion Ion SiH+4 hasil tumbukan gas silan dengan elektron dalam plasma adalah tidak stabil dan ion silan terdisosiasi. Reaksi yang terjadi adalah :
Komponen PECVD 2. Komponen-Komponen PECVD terdiri dari beberapa macam komponen yang tergabung dalam satu kerangka. Komponen-komponen komponen tersebut adalah : 1. ITZ (Isolation Isolation and Transfer Zone Zone) chamber termasuk lengan robotik dengan vakum kompatibel beserta wadah khusus untuk substrat yang berfungsi sebagai pembawa substrat menuju MPZ dan mengambil substrat dari MPZ. 2. MPZ#1, #2 merupakan pusat pemrosesan PECVD berupa chamber-chamber chamber yang terpisah satu sama lain. Disini terjadi proses deposisi film lapisan tipis. Terdiri dari 2 ruang chamber MPZ (Modular Modular Process Zone Zone) termasuk rf electrode,, substrat heater, transfer rail system (track) dan dua transfer gate valve. 3. Entry port,, merupakan pintu masuk dan keluar luar substrat. 4. Pemisah sistem pemompaan vakum yang meliputi untuk MPZ#1, #2 dan ITZ. Setiap chamber pemrosesan MPZ memiliki throtting gate valve untuk pengatur tekanan downstream downstream. 5. Manipol gas proses untuk MPZ #1, #2 termasuk total dari 7 pengendali aliran massa gas. Gaugling, controller elektronic, controller valve dan satu rf-suplai daya, RF-saklar pemiliih.
e + SiH4 SiH+4 + e + e SiH3 + H + e atau e + SiH4 SiH2 + H2 + 2 Pada hasil deposisi akan tampak lapisan berwarna coklat. Jika warna coklat merata di d seluruh permukaan (Gambar 1.44), maka lapisan tersebut banyak mengandung SiH3 yang berarti lapisan tersebut sebut lapisan yang bermutu tinggi. SiH3 membentur permukaan kemudian mengubahnya menjasi permukaan yang pasif dan menghaluskan permukaan dan menghasilkan lapisan yang halus dan memiliki mutu tinggi (Eddy Yahya, 2009).
Gambar 1.4 Hasil deposisi bermutu tinggi. t Jika hasil deposisi terdapat bintik-bintik binti atau retak (Gambar 1.5)) menandakan bahwa lapisan tersebut banyak mengandung SiH2. Lapisan tersebut merupakan lapisan yang memiliki mutu yang rendah. Hal ini disebabkan laju hidrogen yang terlalu pada saat proses deposisi yakni berkisar 60-70 70 sccm dan karena substrat yang masih kotor (debu, fingerprints) sehingga pada saat proses deposisi plasma tidak dapat melapisi substrat.
Gambar 2.1 PECVD tampak samping (Manual book MV system, 2000). Selain tergabung dalam satu rangka seperti eperti yang tampak pada Gambar 2.1, komponen-komponen komponen lain selain yang telah
Gambar 1.5 Hasil deposisi mutu rendah karena adanya bintik-bintik bintik di permukaan substrat.
3
Program komputer yang sudah diinstal membuat lengan robotik dapat dikontrol melalui komputer secara langsung tampak pada Gambar 2.3. Pada layar komputer dapat dilihat posisi lengan robotik serta posisi substrat dalam sistem
disebutkan di atas ada pompa turbo molukelar pendingin air dan pompa rotary vane yang berada pada bagian ventilasi di dalam kerangka. Manifold gas berada pada bagian belakang rangka. Kontrol elektronik diletakkan pada bagian muka dari kerangka. Sistem ini membutuhkan pasokan gas-gas yang dibuthkan untuk proses deposisi serta sistem penanganan limbah yang benar untuk membuang gas sisa hasil deposisi. ITZ chamber terdiri dari penahan dengan 8 metal sealed CF dan port OD flens yang semuanya dihubungkan ke MPZ dan port entry. ITZ merupakan pusat komponen dari PECVD. Lengan robotik terletak di pusat papan bawah ITZ. Gerakan pada lengan robotik berupa gerakan linear dan rotasional yang kesemuanya dikendalikan oleh komputer. Lengan robotik berfungsi untuk membawa substrat dari pintu masuk ke dalam MPZ dan untuk mengambil substrat dari MPZ. Pada layar monitor komputer dapat terlihat posisi lengan robotik serta substrat. Bentuk lengan robotik sama seperti lengan manusia yang terdiri atas bahu, siku dan pergelangan tangan yang membuat lengan robotik dapat berputar 360°. Pada saat substrat sudah berada dalam MPZ lengan akan kembali ke posisi semula yaitu berada di tengah ITZ. Pada ujung lengan robotik (pergelangan tangan) terdapat wadah berbentuk kotak berukuran 10cm x 10cm berbahan aluminium untuk meletakkan substrat dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.3 Tampilan kontrol lengan robotik dari layar komputer (Manual book MV system, 2000). Pada chamber MPZ terdapat tujuh ruangan chamber dan yang digunakan saat ini di laboratorium sel surya ada 2 ruang chamber (Gambar 2.4). Masing-masing chamber memiliki fungsi yang sama yakni tempat terjadinya proses deposisi film lapisan tipis dengan cara menumbuhkan plasma. MPZ #1 (PL 4) digunakan untuk proses deposisi film lapisan tipis tipe i (intrinsik) sedangkan MPZ #2 (PL 3) digunakan untuk proses deposisi film lapisan tipis tipe n dan tipe p (ekstrinsik).
(a) Gambar 2.4 MPZ#1, MPZ#2. Elektroda adalah konduktor yang digunakan untuk bersentuhan dengan media non-logam (dalam PECVD merupakan sebuah kaca) dari sebuah sirkuit, misalnya semikonduktor, elektrolit, vakum. Elektroda berada dalam MPZ yang terlihat pada Gambar 2.5, berfungsi sebagai tempat terbentuknya plasma.
(b) Gambar 2.2 (a) Lengan robotik (Manual book MV system, 2000), (b) Lengan robotik dengan substrat (Manual book MV system, 2000).
4
Pada manifold gas digunakan komponen standar pelapis VCR agar tidak terjadi kebocoran gas. Setelah pemasangan manifold gas, maka yang perlu dilakukan selanjutnya adalah tes kebocoran terhadap manifold gas tersebut. Kontrol elektronik pada PECVD dapat dilihat dari Gambar 2.7 di bawah ini. Valve gate antara ITZ dengan MPZ dioperasikan secara pneumatik dengan perbedaan tekanan maksimum untuk membuka valve gate adalah 30 mbar. Jika tekanan dalam chamber MPZ terlalu tinggi maka gas proses tidak dapat mengalir dan tombol stop emergency akan diaktifkan mengakibatkan gas proses tidak diperbolehkan mengalir ke dalam MPZ. Saklar pembatas pada lengan robotik pengangkut substrat akan mengiterupsi gerakan jika perpanjangan lengan robotik atau putaran pada lengan robotik melebihi batasan yang diijinkan.
Gambar 2.5 Bagian elektroda RF Pada setiap MPZ terdapat lintasan yang berfungsi sebagai jalur untuk substrat melewati elektroda rf. Lintasan harus dalam keadaan lurus pada saat pemasangan, karena hal ini akan membuat lengan robotik akan bergerak secara simetri pada saat peletakkan substrat saat melewati elektroda rf. Di depan ITZ terdapat pintu masuk untuk tempat substrat keluar masuk yang dapat dilihat pada Gambar 2.6. Untuk membuka pintu ini keadaan dalam ITZ harus dalam tekanan udara bebas sekitar 300 Torr dengan cara mengaktifkan gas N2 untuk membuang gas.
Gambar 2.7 Instrumentasi elektronik(Manual book MV system, 2000). 3. Analisa dan Pembahasan
Gambar 2.6 Entry port pada PECVD (Manual book MV system, 2000).
Waktu terjadinya deposisi dapat dimulai jika terbentuk plasma dalam chamber. Tanda munculnya plasma dapat dilihat dari adanya wana ungu yang timbul dalam chamber saat kita memulai deposisi seperti tampak pada Gambar 3.1. Perubahan warna tersebut dapat dilihat melalui lubang khusus yang terletak di samping tiap chamber seperti pada Gambar 3.2. Faktorfaktor yang mempengaruhi munculnya plasma adalah daya radio frekuensi (RF power), temperatur dalam chamber, tekanan gas, laju aliran gas, kevakuman chamber, dan kebersihan dalam chamber.
MPZ Chambers: Setiap pemrosesan pada chamber MPZ #1 dan #2 mempunyai saluran pompa masing-masing yang terdiri dari pompa turbo molukelar tahan korosi (dengan kapasitas 250 liter/detik) dan pompa rotari vane (Leybold D-16B). ITZ : Terdapat pompa rotari vane (Leybold D16B) dan melewati saringan molekular. Throttle vane : 3 buah MKS throttle vane yang dipasang pada exhaust MPZ yang berguna untuk menghasilkan aliran kontrol tekanan gas. The exhaust connections : Dihubungkan dari pompa rotari vane di MPZ dengan an effluent handling system. Sedangkan pompa rotari vane di ITZ tidak dihubungkan dengan an effluent handling system karena akan mengandung gas oksidasi lain yang tidak diinginkan.
5
2. Membersihkan anoda, katoda, dinding reaktor dan filamen ion gauge-nya. 3. Proses pembersihan menggunakan alkohol, aseton dan kertas amplas. 4. Alkohol yang dipakai adalah alkohol dengan kadar 90%. Kertas amplas digunakan dari mesh 200 hingga 800, digunakan untuk menggosok endapan pada chamber dan komponennya. Dapat dilihat pada Gambar 4.4. Selain alkohol, aseton dan kertas amplas dibutuhkan sarung tangan dan masker yang berfungsi untuk melindungi tubuh dari serpihan debu endapan dan menjaga kebersihan chamber dan komponennya dari sidik jadi. Penggunaan alkohol serta aseton karena cairan ini merupakan cairan pelarut organik sehingga lemak tangan (finger print) dapat terhapus. Lagipula alkohol dan aseton mudah menguap dan memercepat proses pembersihan. 5. Setelah bersih susun kembali komponen-komponen yang telah dibongkar. 6. Aliri gas nitrogen untuk membilas dan membersihkan komponen dari debu dan sidik jadi yang mungkin melekat. Setelah pembersihan dilakukan maka seharusnya muncul plasma, akan tetapi plasma masih juga tidak muncul. Penyebab lain plasma tidak terbentuk karena besarnya daya RF reflected pada tiap reaktor MPZ. Gambar 3.3 dapat dilihat bahwa daya RF terbagi menjadi beberapa bagian, yakni RF incident, reflected, output set, load dan tune yang masing-masing memiliki fungsi. RF incident berfungsi untuk membaca daya yang diberikan di chamber, sedangkanRF reflected berfungsi untuk membaca daya yang terpantul karena besarnya daya yang diberikan tidak semuanya masuk ke dalam chamber tetapi ada yang terpantul, output set untuk mengatur daya keluaran, load merupakan perintah bagi daya RF untuk mengirim daya ke chamber dan tune untuk mengatur secara manual besarnya daya yang dibangkitkan oleh RF dengan besarnya daya sesuai keinginan.
Gambar 4.1 Warna ungu tanda munculnya plasma.
Gambar 3.2 Tempat melihat munculnya plasma. Masalah awal yang terjadi pada reaktor PECVD adalah tidak adanya plasma. Dari hipotesis awal diketahui bahwa reaktor dalam chamber yang kotor sehingga plasma tidak dapat muncul. Reaktor pada chamber yang kotor dikarenakan terdapat endapan hasil dari deposisi. Jadi, pada saat kita akan membuat lapisan tipis dinding-dinding pada reaktor dalam chamber akan tertempel endapan. Film tipis yang dibuat merupakan silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H), sehingga pada saat akan pembentukan lapisan tipis substrat dipanaskan dengan cara mengatur suhu yang sesuai agar lebih panas dibanding dinding-dinding reaktor. Cara demikian juga berfungsi untuk membuat lapisan tipis dapat tumbuh di atas substrat. Panas pada substrat yang konstan membuat dindingdinding reaktor akan ikut menyesuaikan panas tersebut pada akhirnya membuat lapisan tipis yang berupa endapan ikut menempel di dindingdinding reaktor. Cara yang paling sering dilakukan adalah membongkar reaktor untuk membersihkan endapan yang terbentuk di dinding reaktor. Langkah-langkah pembongkaran reaktor dalam chamber adalah sebagai berikut : 1. Gate valve antara reaktor MPZ dengan ITZ dibuka dan dialiri gas nitrogen untuk mencapai tekanan atmosfer, agar chamber dapat dibongkar.
6
fase yang sama. Pada sistem distribusi untuk menghindari beban fase yang tidak seimbang adalah pengecekan kabel daya, jika kabel daya ada yang rusak sehingga menyebabkan daya berkurang maka penggantian kabel sebaiknya dilakukan. Selain itu mendatangkan ahli instrumentasi serta ahli power akan sangat dianjurkan untuk pengecekan lebih jauh mengenai sistem 3 fasa. Setelah proses pembersihan dan pemasangan chamber maka hal yang dilakukan selanjutnya adalah membilas ruang chamber dengan mengalirkan gas nitrogen. Saat mengalirkan gas nitrogen keadaan chamber dalam keadaan vakum. Jika kevakuman sudah didapat maka pompa turbo dimatikan dan throttle valve otomatis akan menutup. Saat pompa turbo dimatikan seharusnya penunjukkan pada display akan menunjukkan tekanan chamber konstan. Akan tetapi, yang terjadi adalah penunjukkan pada display tidak menunjukkan angka yang konstan (Gambar 3.7). Hal ini dapat terjadi jika masih ada kebocoran di reaktor chamber.
Gambar 3.3 Kontrol daya RF Nilai daya RF reflected yang terlalu besar, menyebabkan daya yang terpantul besar sehingga daya yang benar-benar ada dalam chamber menjadi kecil. Sebaiknya besarnya daya yang terpantul hanya 10% dari daya yang diberikan, maka penyelesaiannya dari besarnya daya RF reflected adalah kabel daya RF dibersihkan sampai jalur masuk daya (feedthrough pada pipa bengkok di bawah chamber). Cara terakhir adalah memberikan daya tinggi di atas 50 watt dan tekanan gas yang tinggi yakni ~2 Torr. Putaran pompa turbo pada tiap MPZ adalah 56 KPRM akan tetapi pada chamber 3 putaran pompa turbo hanya 3 KRPM seperti yang terlihat pada Gambar 3.4.
Gambar 3.7 Tekanan pada chamber 4. Gambar 3.4 Putaran pompa turbo pada chamber 3 yang hanya 3 KRPM.
Cara yang dapat dilakukan adalah pengencangan kembali baut-baut pada chamber, penggantian gasket tembaga yang ada di penutup chamber (lihat Gambar 3.8).
Besarnya daya yang dibutuhkan normalya adalah 28 watt sedangkan pada chamber 3 hanya sebesar 9 watt (Gambar 3.5).
Gambar 3.5 Menunjukkan besaran daya yang normal dan daya pada chamber 3 yang bermasalah.
Gambar 3.9 Gasket tembaga. 4. Kesimpulan
Sistem fasa listrik untuk PECVD adalah tiga fasa. Penyebab rendahnya putaran pada pompa turbo adalah kurangnya daya (10 watt) untuk menggerakkan motor. Analisanya adalah ada satu fase yang hilang sehingga daya akan berkurang Penyebab hilangnya fase ini adalah salah satu fase ada yang terbuka untuk motor, pemasangan beban pada masing-masing fase tidak seimbang dan adanya arus pendek pada
Kesimpulan yang didapat dari analisa permasalahan pada PECVD adalah : 1. Plasma tidak terbentuk akibat reaktor chamber yang kotor dan besarnya daya RF reflected. 2. Besarnya daya RF reflected menyebabkan plasma tidak dapat
7
terbentuk, pengecekan sumber daya disarankan. 3. Hilangnya daya pada chamber 3 akibat adanya satu fase yang hilang maka pengecekan kabel daya serta penggantian kabel daya dianjurkan. 4. Tingginya tekanan pada chamber 4 karena pemasangan baut yang kurang kencang dan tidak adanya penggantian gasket tembaga pada saat pembongkaran, pengencangan kembali baut di chamber 4 serta penggantian gasket tembaga setiap pembongkaran sangat diperlukan.
Daftar Pustaka Manual book MV System. 2000. MV System, inc: USA. Manual book MV System Hazardous gas supply cabinets. 2000. MV System, inc: USA. Pierson, Hugo O. 1999. Handbook of chemical vapor deposition (CVD) principles, technology, and applications second edition. USA : William Andrew publishing, LLC. Portman, Jef., Arkhipov, Vladimir. 2006. Thin Fabrication, Film Solar Cells, Characterization and Application. England : John Wiley % Sons Ltd. Yahya, Eddy. 2009. “Plasma pada PECVD untuk deposisi silikon amorf, a-Si:H”. Prosiding Seminar Fisika Dan Aplikasinya, Surabaya, 3 Nopember 2009. Fisika MIPA ITS.
8
