Indonesian Journal of Physics Kontribusi Fisika Indonesia
Vol. 14 No.2, April 2003
Pengaruh Perlakuan Implantasi Hidrogen terhadap Sifat Struktur Lapisan Tipis Amorf Silikon Karbon (a-SiC:H) Hasil Deposisi Metode DC Sputtering Rosari Saleh1) dan Lusitra Munisa2) Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Universitas Indonesia, Depok 16424 2) Program Studi Ilmu Fisika, Program Pascasarjana Universitas Indonesia, Jakarta 10430 e-mail :
[email protected] 1)
Abstract Infrared absorption measurement of hydrogenated amorphous silicon carbon films (a-SiC:H) deposited by dc sputtering method have been performed for prior- and after hydrogen implantation. The films were deposited by silicon target in argon and methane gas mixtures. The results suggest that both 720 and 780 cm-1 absorption are due to Si-C stretching mode and the transition of the absorption from 2000 to 2100 cm-1 as the methane flow rate increase is not due to a change in carbon concentration, but rather to the formation of voids as supported by hydrogen effusion experiment results. Keywords : hydrogen, sputtering, amorphous silicon carbon, implantation. Abstrak Pengukuran absorpsi inframerah telah dilakukan untuk lapisan tipis amorf silikon karbon (a-SiC:H) hasil deposisi metode dc sputtering sebelum dan setelah diberi perlakuan implantasi hidrogen. Lapisan tipis dideposisi dengan target silikon dalam campuran gas argon dan metan. Hasil implantasi hidrogen menunjukkan bahwa kedua absorpsi di sekitar 720 dan 780 cm-1 merupakan mode vibrasi stretching Si-C dan transisi absorpsi dari 2000 ke 2100 cm-1 dengan peningkatan laju aliran gas metan bukan disebabkan oleh peningkatan konsentrasi karbon, melainkan karena kehadiran void, yang didukung oleh hasil eksperimen efusi hidrogen. Kata kunci : hidrogen, sputtering, amorf silikon karbon, implantasi digunakan untuk melakukan hal tersebut. Penelitian ini akan menggunakan teknik tersebut untuk mempelajari pengaruh modifikasi jumlah hidrogen dari lapisan tipis a-SiC:H hasil deposisi metode dc sputtering. Ion hidrogen yang ditembakkan divariasi energinya agar diperoleh distribusi konsentrasi yang homogen di permukaan dan kedalaman lapisan tipis. Teknik karakterisasi struktur ikatan dengan spektroskopi inframerah dan effusi hidrogen digunakan untuk lapisan tipis sebelum dan setelah diberi perlakuan implantasi.
1. Pendahuluan Lapisan tipis a-SiC:H banyak diaplikasikan sebagai window layer pada sel surya berbasis a-Si:H 1,2). Hidrogen pada lapisan tipis amorf silikon karbon terhidrogenasi (a-SiC:H) dapat meningkatkan kualitas lapisan tipis tersebut dengan menurunkan densitas keadaan terlokalisasi (localized state) di daerah pseudogap2-4). Oleh karena itu pengaruh hidrogen terhadap struktur lapisan tipis a-SiC:H perlu dipelajari lebih lanjut, salah satunya dengan menggunakan spektroskopi inframerah. Studi dengan spektroskopi ini merupakan salah satu teknik karakterisasi yang tidak merusak dan dapat memberikan informasi tentang hidrogen dan konfigurasi ikatan. Hidrogen pada lapisan tipis aSiC:H diperoleh secara sengaja maupun tidak sengaja sejak proses deposisi dilakukan. Mayoritas proses deposisi lapisan tipis a-SiC:H menggunakan gas yang mengandung hidrogen seperti silan (SiH4) dan hidrokarbon (CxHy) sebagai sumber silikon, karbon dan hidrogen. Oleh karena itu keberadaan hidrogen pada lapisan tipis a-SiC:H hasil metode deposisi yang melibatkan gas-gas yang mengandung hidrogen tidak dapat dihindari maupun dikendalikan secara independen. Pengaruh hidrogen secara independen dapat dipelajari melalui variasi jumlah hidrogen pada lapisan tipis a-SiC:H secara independen tanpa menambah silikon maupun karbon. Teknik implantasi hidrogen merupakan salah satu alternatif yang dapat
2. Eksperimen Target silikon berkemurnian 5N digunakan sebagai sumber silikon dalam proses deposisi lapisan tipis a-SiC:H dengan teknik dc sputtering. Variasi konsentrasi karbon diperoleh dengan memasukkan gas metan (CH4) ke dalam ruang deposisi dengan laju aliran yang bervariasi dari 4 sampai 12 sccm (standard cubic centimeter per minute). Pengatur aliran massa gas digunakan untuk mengatur laju aliran gas yang terlibat dalam proses deposisi, yakni gas argon dan metan. Deposisi dilakukan pada temperatur 200 °C dan daya 200 W di atas substrat silikon kristal. Absorpsi inframerah diukur dengan spektrometer Fourier Transform Infrared/FTIR untuk daerah bilangan gelombang 400-4000 cm-1 dengan menggunakan referensi silikon kristal yang digunakan sebagai substrat. Pengukuran absorpsi inframerah dilakukan untuk lapisan tipis sebelum dan setelah 33
KFI Vol. 14 No. 2, 2003
dimodifikasi jumlah hidrogennya dengan perlakuan implantasi hidrogen. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan referensi substrat silikon kristal dan lapisan tipis sebelum diberi perlakuan implantasi hidrogen. Implantasi hidrogen dilakukan pada temperatur ruang dengan menggunakan mass separator untuk beberapa seri energi dari 40 sampai 120 keV sehingga diperoleh konsentrasi hidrogen yang homogen dengan kedalaman sekitar 1 µm. Effusi hidrogen dari lapisan tipis a-SiC:H sebelum dan setelah diberi perlakuan implantasi hidrogen diukur dengan menggunakan tabung gelas kuarsa dalam ruang vakum. Pemanasan dilakukan dengan laju konstan 20 °C/menit sampai tercapai temperatur 1000 °C kemudian tekanan parsial gas hidrogen diketahui dari spektrometer massa. 3. Hasil dan Pembahasan Spektrum inframerah lapisan tipis a-SiC:H hasil deposisi metode dc sputtering dengan 5 variasi laju aliran gas metan diperlihatkan pada Gambar 1. Penentuan struktur ikatan-struktur ikatan yang berkontribusi pada kurva absorpsi-kurva absorpsi yang terdapat pada spektrum inframerah tersebut telah diketahui melalui proses pengolahan kurva, perbandingan dengan hasil eksperimen para peneliti dan beberapa hasil eksperimen tambahan seperti telah dilaporkan sebelum ini 6). Secara umum, spektrum inframerah pada gambar tersebut memiliki dua kurva absorpsi dominan dan satu kurva absorpsi kecil di sekitar 2800-3000 cm-1. Kurva absorpsi dominan di daerah bilangan gelombang rendah terdapat di sekitar 600-900 cm-1 sedangkan kurva absorpsi dominan di daerah bilangan gelombang menengah terdapat di sekitar 1900-2200 cm-1. Mode-mode vibrasi yang terlibat pada ketiga kurva absorpsi tersebut telah diidentifikasi sebagai kontribusi dari vibrasi : wagging Si-H di sekitar 640 cm-1, stretching Si-C di sekitar 720 dan 780 cm-1, doublet bending Si-H2 di sekitar 850 dan 890 cm-1, doublet stretching Si-H di sekitar 2000 dan 2100 cm-1 serta stretching C-H di sekitar 28003000 cm-1 6). Proses deposisi lapisan tipis a-SiC:H dengan metode dc sputtering pada penelitian ini menggunakan gas metan sebagai sumber karbon sekaligus sumber hidrogen. Seperti telah dikemukakan di atas, variasi komposisi lapisan tipis a-SiC:H diperoleh melalui variasi laju aliran gas metan sehingga peningkatan laju aliran gas metan pada proses deposisi akan meningkatkan jumlah karbon dan hidrogen yang terdapat pada lapisan tipis secara simultan. Pengaruh hidrogen terhadap absorpsi struktur ikatan-struktur ikatan yang terdapat pada lapisan tipis a-SiC:H dapat diketahui dengan memodifikasi jumlah hidrogen pada lapisan tipis tanpa mengubah jumlah karbon dalam lapisan tipis, yang dapat dilakukan setelah proses deposisi melalui perlakuan implantasi hidrogen. Hasil pengukuran absorpsi inframerah dari lapisan tipis aSiC:H setelah diberi perlakuan implantasi hidrogen untuk kelima variasi laju aliran gas metan
34
diperlihatkan pada Gambar 2. Jika dibandingkan dengan spektrum absorpsi inframerah lapisan tipis aSiC:H sebelum diberi perlakuan implantasi pada Gambar 1, terlihat adanya perubahan, tetapi perubahan tersebut sulit untuk diamati dan dianalisis. Perubahan pada kurva-kurva absorpsi spektrum inframerah dari lapisan tipis a-SiC:H dapat terlihat lebih baik dengan melakukan pengukuran absorpsi inframerah lapisan tipis yang telah diberi perlakuan implantasi terhadap lapisan tipis sebelum diberi perlakuan implantasi sebagai referensi. Gambar 3 memperlihatkan spektrum absorpsi inframerah lapisan tipis a-SiC:H dengan laju aliran gas metan 8 sccm (a) sebelum, (b) setelah diberi perlakuan implantasi hidrogen yang diukur terhadap substrat silikon kristal, dan (c) setelah diberi perlakuan implantasi hidrogen yang diukur terhadap lapisan tipis a-SiC:H sebelum diberi implantasi hidrogen. Gambar 3a dan 3b tidak memperlihatkan perbedaan yang dapat dianalisis antara spektrum absorpsi sebelum dan setelah diberi perlakuan implantasi hidrogen. Berbeda dengan spektrum absorpsi inframerah pada Gambar 3b, spektrum absorpsi inframerah pada Gambar 3c dihasilkan dengan menggunakan referensi lapisan tipis a-SiC:H sebelum diberi perlakuan implantasi hidrogen, gambar tersebut memperlihatkan kehadiran puncak positif dan negatif. Kehadiran puncak positif dan negatif tersebut menunjukkan terjadinya peningkatan dan penurunan absorpsi mode-mode vibrasi struktur ikatan tertentu pada lapisan tipis a-SiC:H akibat dari penambahan jumlah hidrogen dari perlakuan implantasi, dengan demikian penambahan hidrogen mengurangi vibrasi struktur ikatan tertentu dan meningkatkan vibrasi struktur ikatan yang lain. Kurva absorpsi negatif terdapat pada kedua absorpsi dominan di daerah bilangan gelombang rendah dan menengah, sedangkan kurva absorpsi positif terdapat di ketiga kurva absorpsi pada daerah bilangan gelombang rendah, menengah dan tinggi. Kurva absorpsi negatif di daerah bilangan gelombang rendah jika didekonvolusi akan diperoleh dua kurva yang berpusat di sekitar 720 dan 780 cm-1, yang merupakan daerah absorpsi dari vibrasi ikatan Si-C. Terjadinya kurva negatif tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut bahwa pemberian perlakuan implantasi hidrogen menyebabkan terputusnya ikatan Si-C, sehingga jumlah ikatan Si-C yang bervibrasi menjadi berkurang. Kurva absorpsi negatif di daerah bilangan gelombang menengah terdapat di sekitar 2000 cm-1, sedangkan kurva absorpsi positif yang diperoleh di daerah bilangan gelombang rendah, menengah dan tinggi terdapat di sekitar 640 cm-1, 2100 cm-1 dan sangat kecil di sekitar 2900 cm-1. Terjadinya hal-hal tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut bahwa hidrogen yang diimplantasi berkontribusi pada vibrasi stretching Si-H di sekitar 2100 cm-1 dan mengurangi vibrasi di sekitar 2000 cm-1, selain itu hidrogen yang diimplantasi juga berkontribusi pada vibrasi wagging Si-H di sekitar 640 cm-1 dan stretching C-H di sekitar 2900 cm-1.
35
KFI Vol. 14 No. 2, 2003
CH4 12 sccm
CH4
10 sccm
Absorbansi (a.u.)
Absorbance (a.u.)
12 sccm
10 sccm
8 sccm
8 sccm
6 sccm 6 sccm 4 sccm
4 sccm
1000
2000
3000
4000
Wave number (cm )
Gambar 1. Spektrum inframerah lapisan tipis a-SiC:H untuk lima variasi laju aliran CH4 sebelum diberi perlakuan implantasi hidrogen.
CH4 = 8 sccm
Absorbansi (a.u.)
(c)
(b)
(a)
1000
2000
3000
1000
2000
3000
4000
Bilangan gelombang ( cm-1 )
-1
4000
Bilangan gelombang ( cm-1 )
Gambar 3. Spektrum inframerah lapisan tipis a-SiC:H untuk laju aliran CH4 8 sccm (a) sebelum dan (b) setelah diberi perlakuan implantasi hidrogen dengan referensi substrat kristal silikon, dan (c) setelah diberi perlakuan implantasi dengan referensi lapisan tipis a-SiC:H sebelum diberi perlakuan implantasi hidrogen
Gambar 2. Spektrum inframerah lapisan tipis a-SiC:H untuk lima variasi laju aliran CH4 setelah diberi perlakuan implantasi hidrogen dengan referensi substrat kristal silikon. Pemberian perlakuan implantasi hidrogen terhadap lapisan tipis a-SiC:H yang dapat meningkatkan jumlah hidrogen pada lapisan tipis tanpa menambah jumlah karbon sangat membantu dalam menjelaskan penyebab terjadinya pergeseran posisi vibrasi stretching Si-H dari 2000 ke 2100 cm-1 dengan peningkatan laju aliran gas metan, seperti diperlihatkan pada Gambar 4. Gambar tersebut memperlihatkan perbandingan integral kurva absorpsi di sekitar 2100 cm-1, I2100 dan di sekitar 2000 cm-1, I2000 untuk setiap laju aliran gas metan dari lapisan tipis a-SiC:H sebelum dan setelah diberi perlakuan implantasi hidrogen. Integral absorpsi I suatu kurva absorpsi mewakili luas dari suatu kurva absorpsi yang menyatakan kuantitas struktur ikatan yang bervibrasi pada kurva absorpsi tersebut. Lapisan tipis a-SiC:H sebelum diberi perlakuan implantasi hidrogen memperlihatkan peningkatan I2100/I2000 terhadap peningkatan laju aliran gas metan. Berbeda dengan lapisan tipis a-SiC:H setelah diberi perlakuan implantasi hidrogen walaupun memperlihatkan peningkatan I2100/I2000 terhadap peningkatan laju aliran gas metan tetapi peningkatannya terjadi secara drastis untuk laju aliran gas metan lebih besar dari 8 sccm. Perbedaan peningkatan I2100/I2000 terhadap peningkatan laju aliran gas metan pada lapisan tipis a-SiC:H sebelum dan setelah diberi perlakuan implantasi hidrogen, memperlihatkan pergeseran posisi vibrasi stretching Si-H dari 2000 ke 2100 cm-1 dengan bertambahnya
KFI Vol. 14 No. 2, 2003
36
I2100/I2000
30
setelah diimplantasi
15
sebelum diimplantasi
Laju evolusi
CH4=8 sccm
sebelum diimplantasi
setelah diimplantasi
0 4
6
8
10
12
400
laju aliran gas metan, bukan disebabkan oleh peningkatan jumlah karbon dalam lapisan tipis seperti yang dikemukakan oleh Wieder et al.9) dan Lucovsky10). Peningkatan I2100/I2000 yang drastis hanya terjadi untuk lapisan tipis a-SiC:H setelah diberi perlakuan implantasi hidrogen dan tidak terjadi pada lapisan tipis a-SiC:H sebelum diberi perlakuan implantasi hidrogen. Jika karbon yang berpengaruh pada pergeseran tersebut maka peningkatan I2100/I2000 yang drastis juga terjadi pada lapisan tipis a-SiC:H sebelum diberi perlakuan implantasi hidrogen. Pemberian perlakuan implantasi hidrogen juga memperlihatkan perbedaan spektrum efusi hidrogen dari lapisan tipis a-SiC:H sebelum dan setelah diberi perlakuan implantasi hidrogen untuk laju aliran gas metan 8 sccm seperti diperlihatkan pada Gambar 5. Gambar tersebut memperlihatkan kehadiran puncak di daerah temperatur rendah untuk lapisan tipis a-SiC:H setelah diberi perlakuan implantasi hidrogen. Puncak di temperatur rendah dari spektrum efusi hidrogen hanya dimiliki oleh lapisan tipis a-SiC:H sebelum diberi perlakuan implantasi hidrogen dengan laju aliran gas metan tinggi (>8 sccm)7,8), seperti terlihat pada Gambar 4 dengan I2100/I2000 yang besar. Beyer11) menghubungkan puncak ini dengan desorpsi hidrogen yang terdapat pada permukaan bagian dalam dari void. Kehadiran puncak di temperatur rendah juga diperoleh untuk lapisan tipis a-Si:H12). Oleh karena itu perlakuan implantasi hidrogen memperlihatkan peningkatan I2100/I2000 yang berhubungan dengan bertambahnya absorpsi di sekitar 2100 cm-1 dan berkurangnya absorpsi di sekitar 2000 cm-1. Hal ini terlihat pada spektrum inframerah pada Gambar 1 sebagai pergeseran posisi mode vibrasi stretching Si-H dari 2000 ke 2100 cm-1 dengan peningkatan laju aliran gas metan, yang bukan disebabkan oleh peningkatan konsentrasi karbon tetapi karena pembentukan void dengan peningkatan jumlah hidrogen.
800 o
Temperatur ( C )
CH4 (sccm)
Gambar 4. Integral absorpsi I2100/I2000 lapisan tipis a-SiC:H untuk lima laju aliran gas CH4, sebelum (•) dan setelah (o) diberi perlakuan implantasi hidrogen.
600
Gambar 5. Spektrum efusi hidrogen lapisan tipis a-SiC:H dengan laju aliran gas CH4=8 sccm sebelum (garis tebal) dan setelah (garis putus-putus) diberi perlakuan implantasi hidrogen. Kehadiran kurva absorpsi positif di sekitar bilangan gelombang 2900 cm-1 menunjukkan bahwa ikatan C-H bertambah dengan pemberian perlakuan implantasi hidrogen. Seperti telah dikemukakan di atas bahwa implantasi hidrogen menyebabkan terputusnya ikatan Si-C sehingga menurunkan vibrasi struktur ikatan tersebut. Hidrogen dapat berikatan dengan silikon atau karbon membentuk ikatan Si-H atau C-H, sehingga vibrasi kedua struktur ikatan hidrogen tersebut akan meningkat seperti ditunjukkan dengan kehadiran kurva positif pada spektrum inframerah lapisan tipis setelah diberi perlakuan implantasi. Hal ini bersesuaian dengan hasil analisis plasma bahwa pembentukan ikatan C-H pada lapisan tipis a-SiC:H hasil penelitian ini berasal dari hidrogen dalam bentuk atom H atau molekul H2 yang berikatan dengan karbon dan bukan berasal dari radikal CHx yang menumbuk permukaan substrat 13). 5. Kesimpulan Pemberian perlakuan implantasi hidrogen dapat menunjukkan mode-mode vibrasi yang berhubungan dengan hidrogen dan yang tidak berhubungan dengan hidrogen pada spektrum inframerah lapisan tipis a-SiC:H hasil deposisi metode dc sputtering. Perlakuan implantasi hidrogen memperlihatkan bahwa kedua absorpsi di sekitar 720 dan 780 cm-1 berhubungan dengan vibrasi ikatan stretching Si-C. Selain itu perlakuan implantasi hidrogen membantu menjelaskan penyebab terjadinya transisi mode vibrasi stretching Si-H dari 2000 ke 2100 cm-1 yang bukan terjadi karena peningkatan jumlah karbon dalam lapisan tipis tetapi karena pembentukan void dengan peningkatan jumlah hidrogen. Ucapan Terima Kasih Terima kasih kami tujukan untuk M. Gebauer, A.Dahmen dan W. Michelsen untuk perlakuan implantasi hidrogen. Penelitian ini terlaksana atas bantuan W.Beyer dan dukungan hibah tim penelitian
37
KFI Vol. 14 No. 2, 2003
proyek URGE Batch III dengan nomor kontrak 005/HTPP-III/URGE/1997 serta kerja sama International Bureau of BMBF (Germany) dengan Universitas Indonesia (Indonesia). Daftar Pustaka 1.
2. 3.
4. 5.
Y. Tawada, K. Tsuge, M. Kondo, H. Okamoto and Y. Hamakawa, J. Appl. Phys. 53, 5273 (1982). R.A. Street, Phys. Rev. B 44, 10610 (1991). Y. Hishikawa, S. Tsuge, N. Nakamura, S. Tsuda, S. Nakano dan Y. Kuwano, J. Appl. Phys. 69, 508 (1991). M. Morimoto, T. Kataoka, M. Kumeda dan T. Shimizu, Phil. Mag. B 50, 517 (1984). R. Rizzoli, R. Galloni, C. Summonte, F. Demichelis, C.F. Pirri, E. Tresso, G. Crovini, P. Rava dan F. Zignani, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 336, 571 (1994).
6. 7. 8. 9. 10. 11.
12.
13.
Rosari Saleh dan Lusitra Munisa, Makara No.7 Seri B 5, (2000). R. Saleh, L. Munisa, W. Beyer, F. Finger and R. Carius, Physic Journal-IPS 2, 41 (1999). Rosari Saleh, Lusitra Munisa dan Wolfhard Beyer, Physic Journal-IPS 4, 28 (2001) H. Wieder, M. Cardona, dan C.R. Guarnieri, Phys. Status Solidi B 92, 99 (1979). G. Lucovsky, Solid State Commun. 29, 571 (1979). W.Beyer, in : Semiconductors and Semimetal 61, N.H. Nickel (ed.), Academic Press, New York, 1999. W. Beyer, in: Tetrahedrally-bonded Amorphous Semiconductors, D. Adler dan H. Fritzche (eds.), Plenum Press, New York, 1985. Rosari Saleh dan Lusitra Munisa (akan dipublikasikan)
