Penumbuhan
Film Tipis YBaCuO dengan Metode MOCVD Vertikal dan Karakterisasinya
(Eko H. Sujiono)
PENUMBUHAN FILM TIPIS YBaCuO DENGAN METODE MOCVD VERTIKAL DAN KARAKTERISASINY A Eko H.Sujionot, T. SaragP, P. Arifin2,W. Loeksmanto2, M. BarmawP Laboratorium fismatel, Jurusan Fisika ITB, JI. Ganesha 10 Bandung, 40132 e-mail:
[email protected] IJurusan Fisika, Universitas Negeri Makassar, Ujungpandang 2Fakultas Teknik, Universitas Sam Ratulangi, Manado
ABSTRAK PENUMBUlIAN FILM TIPIS YBCO DENGAN METODE MOCVD VERTIKAL DAN KARAKTERISASINY A. Telah berhasilditumbuhkan filmtipis YBaCuO (YBCO)denganmenggunakanmetodeMetal Organic Chemical vapor deposition (MOCVD) vertikal. Untuk meningkatkan reprodusibilitas daD laju penguapan bahan metal organic yang digunakan Tris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptadionato) yttrium (III), Bis (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptadionato) Barium hydrate, daD Bis (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptadionato) Copper (II) dilarutkan dalam THF (tetrahydrofuran) dengan konsentrasi 0,5 mol/liter. Hasilnya menunjukkan selama deposisi laju penguapan yang teramati relatif stabil daDlaju deposisi film YBCO yang ditumbuhkan 0,135 I.lm/jam.Analisis struktur kristal berdasarkan hasil karakterisasi XRD daDSEM yang telah dilakukan menunjukkan bahwa film yang ditumbuhkan pada temperatur 650.C terorientasi kuat pada sumbu-c daDrelatif lemah pada sumbu-a tegak lurus pada permukaan subtrat MgO(100). Hubungan antara morfologi permukaan, komposisi kimia, daDsifat listrik bahanjugadibahas.
ABSTRACT THE GROWTH OF YBCO THIN FILM BY VERTICAL MOCVD METHODS AND ITS CHARACTERIZATION. YBaCuO (YBCO) thin films was succesfully grown using vertical Metal Organic Chemical vapor deposition (MOCVD) method. To increase the vapor pressure and the reproducibility ofthe M.O sources Tris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptadionato) yttrium (III), Bis (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptadionato) Barium hydrate, and Bis (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptadionato) Copper (II) is dissolved in THF as a source solution with the concentration of 0.5 mol/liter. TI1eresults indicate that during the deposition process vapor pressure is relative by stable and the deposition rate ofYBCO film is 0.135 11m/h.Considering of the characterize
X-rays diffraction and scanning electron microscope result the crystallites structure analysis showed that the films grown at deposition temperature of 650 .C were strong c-axis and weak a-axis orientation perpendicular to the MgO(100) substrate surface. The relationship between surface morphology, chemical composition and electricity are also discussed. Kata kunG;: MOCVD Vertikal, YBCO, Struktur kristal.
PENDAHULUAN MOCVD merupakan salah satu metode deposisi yang dapat digunakan untuk pembuatan film tipis superkonduktor oksida selain metode Sputtering, clan ablasi laser. Kualitas film yang dihasilkan sangat baik untuk aplikasi devais, karena memiliki rapat arus kritis (Je) yang relatif tinggi [1], dapat digunakan untuk membuat lapisan dalam diameter permukaan yang luas, dengan ketebalan film dalam orde nanometer clanjuga kemungkinan menumbuhkan lapisan pada temperatur yang relatifrendah [2]. Tujuan awal peraneangan peralatan MOCVD vertikal dalam studi ini adalah untuk menghasilkan film tipis dengan ketebalan dalam orde nanometer clan memiliki orientasi penumbuhan kristal pada gumbo-a, sehingga membuka peluang untuk membuat devais persambungan Josephson dalam arab vertikal. Dengan pertimbangan bahwa panjang koherensi bahan YBCO dalam bidang a-b (~ab)lebih besar daripada panjang koherensi normal (~J Hal ini dilakukan karena
kebergantungan parameter tersebut sangat menentukan bentuk aplikasinya [3-5]. Dalam penelitian yang telah dilakukan [1], terdapatdunmasalah dalam proses CVD superkonduktor oksida yang telah berhasil diatasi. Pertama, bahwa deposisisuperkonduktoroksidadenganmetode MOCVD yang menggunakan somber material padatan menghasilkan komposisi film yang kurang mantap (non reproducible). Hal ini diakibatkan oleh perubahan yang terjadi pada daerah permukaan dari somber material padatan selama proses deposisi [6-8]. Di samping itu, degradasi panas juga terjadi selama proses penguapan untuk menghasilkan gas yang akan dialirkan ke dalam reaktor. Permasalahan tersebut dapat diatasi dengan menggunakan somber material cair yang memiliki suhu leleh lebih rendah daTipada somber material padatan. Dalam penelitian ini digunakan bahan THF (tetrahydrofuran) sebagai bahan pelarut [9]. Kedua, terjadinya pengendapan bahan di dalam pipa sebelum sampai ke dalam bilik vakum, hal ini disebabkan jalur pipa yang panjang pada bagian luaran HICi
Prosiding Pertemuan limiah limu Pengetahuan don Teknologi Bahan '99 Serpong, 19 -10 Oktober 1999
bubbler. Untuk mengatasi masalah ini, masing-masing bubbler disediakan jalur pipa tersendiri langsung ke dalam bilikvakum. Dengan demikian dapat menghindari peneampurangas seeara prematur,dan akan lebih mudah mengontrollaju penguapan masing-masing bahan metal organik, H. Zamaet.al. [I] melaporkanbahwa film YBCO yang ditumbuhkan dengan menggunakan pengoksida Np pada temperatur 650 °C memiliki temperatur kritis 83 K dan pada temperatur penumbuhan 610°C dengan temperatur kritis 15 K. Pada tulisan ini akan dibahas basil peraneangan peralatan MOCVD untuk penumbuhan film tipis YBCO pada temperatur rendah dengan menggunakan bahan pengoksida O2, Telah ditumbuhkan film tipis pada berbagai variasi kondisi suplai laju bahan prekursor dan temperatur substrat. Hubungan antara kondisi deposisi dan struktur film, kondisi annealing dan morfologi permukaanjuga dipelajari dalam penelitian ini.
EKSPERIMEN Gambar I menunjukkan bagan peralatan eksperimenMOCVDvertikaluntukpenumbuhanfilmtipis YBCO dengan menggunakan gas pengoksida O2 dan bahan metal organik Y [TMHD]3'Ba [TMHD]2'dan Cu [TMHD]2'Bilik vakum (reactorchamber)menggunakan bahan SS 306 vertikal, dengan diameter 5 inch dan panjang40 em yang dilengkapidengansistem pendingin, di mana bagian temperatur substrat lebih tinggi daripada temperatur dinding reaktor. Temperatur bahan metal organik, tabung pentransfer gas (bubbler), jalur pipa pensuplai gas, dan substrat holder dikontrol seeara terpisah dengan menggunakan sensor pengontrol temperatur.Padastudi ini,digunakansubstratMgO(100), Untuk mengamati strukturkristalpada bahan film tipis basil deposisi dilakukan pengukuran XRD (X-ray diffraction)di laboratoriumfisikazat padatJurusanFisika
ISSN /411-2213
Lbt~
-------
TIIp~
N~~dk VIII". CtqHJdtMco n
~....
~Pr«UrJtI.s Vllptlrlsns
Gambar 1. Skema diagram sistem peralatan MOCVD vertikal hasil rancang bangun di Laboratorium Fismatel Jurusan Fisika ITB
ITB. Komposisibahan yang terdeposisidianalisa dengan menggunakan pengukuran EDS (energy dispersive X-ray spectrometer). Morfologi permukaan bahan diamati dengan menggunakan basil pengukuran SEM (scanning electron microscope) di laboratorium MetalorgiJurusanTeknikMesin ITB. Untuk mengetahui laju deposisi film tipis yang ditumbuhkan digunakan peralatan Dektak profilometer, sedangkan untuk mengrtahui sifat listrik film basil deposisi dilakukan pengukuran dengan menggunakan metode empat probe-de di laboratoriumFismatel Jurusan Fisika ITB.
HASIL DAN DISKUSI Kondisi deposisi dan struktur krista' film Parameter deposisi yang digunakan pada proses penumbuhan film tipis YBCO dengan menggunakan metode MOCVD adalah temperatur penguapan bahan
Tabe/I. Kondisi deposisi film tipis YBCO yang ditumbuhkan MOCVD vertikal
Sampel: (a) Temperatur penguapan bahan: (tetrahydrofuran) + : 140C Y(DPM)3 240C Ba(DPM)2 Cu(DPM)2 Laju aliran gas (Argon) : Y(DPM)3 Ba(DPM)2 Cu(DPM)2 Laju aliran O2 : Temperatur substrat.: Lama deposisi: Tekanan reaktor: Tebal film: Ta: Lama annealing:
o'
h~lIIing
dengan metode
(b)
(c)
140C 240C
140C 240 C
l30C
l30C
l30C
100sccm 250sccm 150sccm 175sccm 630C 1,5 h 1,6 Torr 274 nm 550C 30min
100sccm 250sccm I50scern 175sccm 630C 1,5 h 1,7 Torr 278 nm 500C 60 min
150sccm 250sccm 1O0sccm 190sccm 650C 1,5 h 2,0 Torr 362 nm 550C 2jam
Penumbuhan Film Tipis YBaCuO dengan Metode MOCVD Vertikal don Karakterisasinya (Eko H. Sujiono) metal organik, laju aliran gas pembawa (seem = standart centimeter cubic per minute), laju aliran daD tekanan bahan pengoksida, tekanan total reaktor (bilik vakum) daDtemperatur substrat (1',),serta temperatur annealing. Pactapenelitian ini parameter deposisi yang divariasikan masing-masing adalah laju aliran gas pembawa bahan metal organik, temperatur substrat daD temperatur annealing. Pada studi iniuntuk menghasilkanstrukturYBCO fase-123 dipelajari terlebih dahulu perilaku temperatur penguapan bahan dengan menentukan titik lelehmasingmasing bahan metal organik yang digunakan yaitu Y (TMHD)3' Ba (TMHD)2' clan Cu (TMHD)2 dengan mempertimbangkanbasil data DTA (differentialthermal analysis). Dari data tersebut telah dilakukan deposisi dengan menggunakan temperatur penguapan masingrnasing untuk bahan metal organik Y (TMHD)3' Ba (TMHD)2' clan Cu (TMHD)2 dipertahankan pacta temperatur 170°C,260 °Cclan160°C.Namun film tipis YBCO yang dihasilkan kurang baik dengan laju deposisi yang masih sangat rendah sekitar 5,28A/menit. Selanjutnya berdasarkan basil studi sifat spektroskopi rase gas bahan prekursor ditentukan temperatur penguapan untuk bahan metal organik yang digunakan seperti pada Tabel I, di mana laju aliran gas pensuplai (argon) dibuat konstan [10]. Gambar2 memperlihatkanvolaspektrumXRDfilm tipis YBCOyang ditumbuhkandi atassubstratMgO(l00) dengan variasi temperatur annealing 550 °Cclan500 °C pacta Tsub= 630 °C. Nampak fase-I23 telah teramati meskipun masih didominasi oleh adanya rase impuritas Y 2Cu20 5serta rase yang tak teridentifikasi.
Demikian pula
bahwa perbedaan temperatur annealing sekitar 50 °C tidak menyebabkan terjadinya perubahan yang berarti, baik pactaintensitas difraksi maupun FWHM (full width of half maximum). Hal di atas sangat berbeda dengan basil vola spektrumXRDyang ditunjukkanpactaGambar3, di mana kenaikan temperatur deposisidari 630 °Cmenjadi 650 °C menyebabkan peningkatan intensitas difraksi YBCO fase-123baik yang berorientasipacta(DOl)maupun (hOD) clan terjadi penurunan FWHM. Hal tersebut bersesuaian dengan hasil data SEM pacta permukaan sampel seperti ditunjukkan pactaGambar 5 (a)-(c), nampak bahwa ukuran butir Gambar 5 (a) clan 5 (b) relatifsama, tetapi sangat berbeda dengan morfologi permukaan Gambar 5 (c).
v 111IV>(100)
.
:;
1
Jj
I 2 Thfta [deg] Gombar 2. Pols XRD film YBCO yang ditumbuhkan di atas substrat MgO (100) pads tempenitur T,ub= 630 "C, untuk variasi temperatur annealing (a) 550 "C, dan (b) 500 "C. Temperatur penguapan untuk bahan Y (TMHD)" Ba (TMHD)2' dan Cu (TMHD)2 masingmasing pads 130 "C, 240 "C dan 140 "C ; laju aliran gas pembawa untuk bahan Y, Ba, dan Cu adalah 100 seem, 150 seem, dan 250 seem. 0: YBCO orientasi sumbu-e, 0: YBCO orientasi sumbu-a, 0: rase impuritas,V: substrat
v
(100)
0
1 1 11
2 Theta (deg] Gombar 3. Pols XRD film YBCO yang ditumbuhkan di atas substrat MgO (100) pads variasi temperatur T'Ub a) 650 "C dan b) 630 "C, untuk temperatur annealing 550 "C dan laju aliran gas pengoksida O2 190 seem. 0: YBCO orientasi sumbu-e, .: YBCO orientasi sumbu-a, 0: rase impuritas,V: substrat MgO (100)
nampak bahwa lebar transisi yang relatifbesar sekitar II K, menunjukkan adanya komposisi clemen bahan yang SiCat listrik tidak homogen sepertidiperlihatkanpactadata basil EDS, Hasil karakterisasi sifat listrik pactasampel yang sedangkan data SEM memperlihatkan sampel yang ditumbuhkan pacta temperatur substrat 650 °C, clan dianalisismemilikimorfologipermukaanyangkurang rata dipertahankan pacta temperatur annealing 550 °C pacta namun dengan ukuran butir yang relatifhomogen. Selain itu, dari data basil spektrum XRD lingkungan gas O2 menunjukkan adanya transisi superkonduktif.Temperaturkritissuperkonduktifteramati menunjukkan adanya puncak-puncak YBCO fase-I23 dengan orientasi penumbuhan pacta sumbu-a. Hal ini pacta sampel dengan morfologi permukaan seperti ditunjukkan pacta Gambar 5 (c), Tc.onset = 89,6 K, berbeda dengan data spektrum XRD yang ditunjukkan Tc.zero = 78,6 K, namun gejala superkonduktivitas tidak padaGambar 2 (a)clan2 (b) yang manamasih didominasi teramatipada sampelsepertiGambar5 (a)dan5 (b).Tetapi dengan rase impuritasclanrase yang tidak teridentifikasi.
Prosiding Pertemuan /lmiah /lmu Pengetahuan dun Teknologi Bahan '99 Serpong, /9 20 Oktober /999
-
0.004 0.0035
E
!
Morfologi permukaan daD komposisi bahan
-.----
0.003 0.0025 -
19
~
---
----.--
0.002
0.0015
1;; ii 0.001
n_.
-----
& 0.00)5
0 .0.00)5 00
00
100 Temperalw
120
140
(I<)
Gambar 4. Kurva resistivitas terhadap temperatur untuk sam pel film tip is YBCO pacta Gambar 5.(c) yang ditumbuhkan di alas substrat MgO (100). Kondisi deposisi diperlihatkan seperti pacta Tabel I
/SSN /41/-22/3
100
Gambar 5 (a) - 5 (c) menunjukkan morfologi permukaan sampel yang dianalisis. Dan basil karakterisasi SEM pacta permukaan bahan memperlihatkan bahwa terdapat keseragaman struktur bahan, meskipun dengan morfol')gi permukaan yang kurang rata namun memiliki ukuran butir yang relatifhomogen. Sampel padaGambar 5 (a), 5 (b) daD5 (c) film tipis YBCO masing-masing memiliki ketebalan 274 om, 278 nm daD 362 om. Jugaditunjukkan padaGambar6 (a) -6 (c), pol a spektrum basil karakterisasi EDS. Dari pola ini nampak bahwa terdapat bagian sampel bahan YBCO yang dihasilkan, yaitu pacta daerah (d), (e) daD (t) seperti pacta Gambar 5 (a) daD 5 (b), dengan komposisi elemen bahan yang masih kekurangan unsur Y daD Ba, tetapi berlebih oM
.. ,..IT
...,
T.""."",~
u.. .,..
--
a...,..
TC:'"
'-..
0.""" a
.. .
..... '1'
..L
coo IN"". Tl1".. ~.."'"'"',.... ..."'" I.Rc
>.GO..-, ..- - ..... _:!\'Pel"'"
~ .---...
~ ""G.,.
~ i
I, "
.
I
II 0;
c...
r
~ .....
,~
..oo ,... ..OO7." ...0 ;'...,,8.0 111"..0 ""-,...
~..
L..."..
....
"""-"'TD
n". .."....
~ z,..........
c
'"
.::, ii, .:
~
.
'i
...l.
r. " ,.,;' I~ 2.""'"
I
Gambar 5. Morfologi permukaan sampel film tipis YBCO (a) - (c) hasH karakterisasi SEM pacta ondisi parameter deposisi seperti pacta label 1.
HIS!
crt< I. '1
. SoL. "'-
..oo
Il 1:""
to ..oo
-
i
!
;
Gambar 6. Spektrum hasH EDS pacta pennukaan sampel film tipis YBCO Gambar 5(a) dan 5 (b) hasH rekaman data pacta daerah persegi (d) - (t) dengan komposisi atomik bahan seperti pacta Tabel II di alas. a) hasH spektrum EDS pacta daerah (d), b) hasH spektrum EDS pacta daerah (e), c) hasil spektrum EDS pacta daerah (f)
Penumbullan Film Tipis YBaCuO dengan Metode MOCVD Vertikal dan Karakterisasinya (Eko H. Sujiono) unsur Cu untuk menghasilkan rasio perbandingan Y: Ba:Cu = 1 :2 : 3, sepertipada Tabel2. Sedangkandari basil spektrumXRD nampakbahwaselain menghasilkan komposisi YBCO fase-123 juga terdapat rase impuritas (Y2Cu20 s)daD bersifat non superkonduktif.Hal tersebut ditunjukkan dengan tidak adanya transisi orde kedua (dari keadaan normal ke keadaan superkonduktor) pada sampel dengan morfologi permukaan seperti nampak pada Gambar 5 (a) daD5 (b). Tabe/ 2. Komposisi atomik daTi hasH analisis EDS, masingmasing pada daerah sampel seperti Gambar 5 (a) dan 5 (b) Daerah Scan EDS
VI"!.!
Ba(%)
Cul%!
(d)
5,73 :1:5,68
2,48 :1:8,85
91,76:1:1,56
(e)
7,94 :1:3,79
2,96 :1:7,31
89,10 :1:1,47
(0
8,35 :1:3,54
5,81 :1:7,35
88,79 :1:,42
KESIMPULAN Telah berhasil dirancang bang un peralatan MOCVD vertikaldaDdigunakanuntukpenumbuhanfilm tipis YBCO dengan pengoksida O2pada berbagaikondisi parameter deposisi. Berdasarkan basil karakterisasi XRD yang telah dilakukan menunjukkan bahwa film yang ditumbuhkan pada temperatur 650 °C terorientasi kuat pada sumbu-c daD relatif lemah pada sumbu-a tegak lurus pada permukaan subtrat MgO (100). Dari analisis SEM menunjukkanbahwamorfologipermukaanfilmtipisyang dihasilkan memiliki ukuran butir yang relatifhomogen meskipun basil rekaman data EDS terdapat bagian yang berlebih unsur-Cu. Transisi superkol).duktifdihasilkan pada film dengan annealing pada temperatur 550 °C dalam lingkungan gas oksigen, dengan lebar transisi yang relatifbesar sekitar 11K. Halinimenunjukkanmasih beragamnya rase yang terbentuk pada sampel film tipis yang dikarakterisasi.
UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini terealisasi alas dukungan dana dari proyek Center Grant URGE Laboratorium fismatel dengan no. kontrak: 008/CG/Ill/URGE/1997 daD riset unggulan terpadu (RUT) V dengan no. kontrak: 207/SP/ RUT/BPPT/IV/1997.
DAFTARACUAN [1]. H.ZAMA, T.MIYAKE,T.HATTORl,AND S. ODA,Jpn.J.Appl.Phys.,31(1992)3839 [2].
R. SINGH, 1. T. C. NG, R. K. SINGH, F. QIAN, N. 1.
HSU,AND D.1. KRUEGER.IEEE Trans.OnAppl. Supercond.,3 (1993) 1 [3]. lJ. BETOURAS, R. JOYNT, Z. W. DONG, T. VENKATESAN, AND P. HADLEY, Appl. Phys. Le/t.,69 (1996)2432 [4]. W. Ito, A. Oishi, S. Mahajan, Y. Yoshida, and T. Morishita,J. Mater.Res., 10 (1995) 803 [5]. Y. Yoshida, Y. Ito, H. Nagai, Y. Takai, and I. . Hirabayashi,Jpn. J. Appl. Phys., 36 (1997) 852 [6]. H.Takahashi, N. Homma, S. Okayama, and T. Morishita,Jpn. J. Appl. Phys., 36 (1997) 553 [7]. Z. W. Dong, V. C. Matijasevic, P. Hadley, S. M. Shao, and J. E. Mooij, IEEE Trans. On Appl. Supercond. 5 (1995) 2879 [8]. M. 1. M. E. de Nivelle, G. 1. Gerritsma, and H. Rogalla,Physica C, 233 (1994) 185 [9]. S. Matsuno, F. Uchikawa, S. Utsunomiya, and S. Nakabayashi, Appl. Phys. Lett., 60 (1992) 2427 [10]. B.1. Rappoli and W. 1. DeSisto, Appl. Phys. Lett., 68(1996)2726
Ke Daftar Isi
