STUDI PENDAHULUAN PENGGUNAAN POLYIMIDE UNTUK APLIKASI OPTICAL WAVE GUIDE Iip Syarif Hidayat, Dedi, Dadin Mahmudin, Dini Z Fathiana, Dicky Apriadi Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi-LIPI Bandung, Jl. Cisitu No. 21/154D Bandung (
[email protected])
ABSTRAK Hasil pengkajian terhadap berbagai komponen optik, diketahui bahwa material strategis yang memiliki kecenderungan meningkat pemakaian dan aplikasinya di berbagai perangkat elektronika dan telekomunikasi di masa datang, yaitu bahan polimer yang menjadi bahan dasar komponen optik berbasis waveguide untuk integrated optical device, karena memiliki keunggulan; murah, fabrikasinya mudah, memungkinkan interkoneksi optik dan elektronik dalam satu substrat, high speed (100 GHz) dan low voltage driven. Pada penelitian ini, telah dilakukan pelapisan polimer polyimide diatas substrat silikon wafer single polish dengan menggunakan metoda spin coating dengan kecepatan 5000 rpm, dari hasil pengukuran dengan elipsometer indeks refraksi rata-rata sebesar 1.73 dihasilkan dari pengukuran 49 titik dan ketebalan rata-rata yang dihasilkan 0,1793 µm. Nilai indeks refraksi hasil percobaan berbeda 0,05 dari nilai indeks refraksi polyimide referensi dupont yaitu 1,78, sehingga memenuhi syarat untuk diaplikasikan dalam pembuatan optical waveguide.
Kata Kunci : material, polimer , polyimide, optical waveguide PRELIMINARY STUDY OF POLYIMIDE FOR THE APPLICATION OF OPTICAL WAVE GUIDE Abstract Result of our study in various optical component, it is known that polymer materials becaming elementary material for optical component to be used for waveguide for integrated optical device due to it excelent properties such as chip easy to be fabricated enabling interconection for optical and electronic in the same substrate, high speed (100 GHZ) and low voltage driven, so far we have been deposited this polyimide polymer on wafer silicon substrate by spin coating at 5000 rpm. Meauserement using ellipsometer it has been found refractive index about 1.73 at stickness of 0.18 µm. The value of the refractive index varies 0.05 compare to references. It is believe that this value can be applied for making optical waveguide.
Key Word : material, polymer, polyimide, optical waveguide
belakangan ini karena aplikasinya yang luas. Kemampuannya dalam peralatan optik seperti planar waveguides, flat panel displays, optical sensors, high-brithness LEDs, OLEDs, integrated optical devices (photonic crystals), difraction grattings, dan optical data storage sudah secara luas dikembangkan. Penerapan lapisan transparan berindeks refraksi tinggi diantara sirkuit aktif dan udara atau lapisan berindeks refraksi rendah pada peralatan tersebut dapat memperbaiki atau
I. PENDAHULUAN dengan indek refraksi atau indek Polimer bias yang tinggi memiliki aplikasi yang luas di dalam optik dan fotonik disebabkan kemampuannya untuk mengurangi reflection losses pada batas permukaan dua bahan dielektrik dan akibatnya meningkatkan output cahaya. Sudah ditinjau permintaan untuk bahan-bahan dengan kemampuan indeks refraksi tinggi
1
memaksimalkan kemampuannya. Transisi yang bertahap dari bahan berindeks refraksi tinggi dari sirkuit aktif sampai udara atau lapisan berindeks refraksi rendah menggandeng cahaya kedalam atau keluar alat (devices) lebih efektif, meningkatkan efisiensi dan atau kualitas gambar. Dengan efisinsi yang lebih tinggi, peralatan dapat dibuat lebih unggul sedangkan pemakaian energi berkurang. Karena diinginkan indeks refraksi lapisan coating transparan tidak kurang 1,8 lebih dari visible region dan disukai lebih besar dari 1,9. Idealnya, polimer akan menjadi pilihan terbaik untuk lapisan coating jika indeks refraksinya cukup tinggi dengan fabrikasi yang mudah dan biaya murah. Secara kebetulan polimer dengan indeks refraksi yang tinggi sudah dikembangkan oleh Dupont, yaitu polyimide jenis PI2545. Berdasarkan studi literatur polimer polyimide dapat diaplikasikan untuk peralatan tersebut diatas dengan metoda spin coating, merupakan metoda fabrikasi yang murah dan mudah. Waveguide optical devices untuk Integrated Optical Circuits dengan bahan baku utama Polimer (Polyimides) memiliki keunggulan teknis, dapat dilihat pada tabel 1. Kegiatan ini pada dasarnya bertujuan untuk menghasilkan produk planar waveguide berbasis polimer (polyimide). Adapun sasaran yang akan dicapai adalah tersedianya komponen optik yang berkualitas dan dapat digunakan oleh industri dalam negeri.
akan dipantulkan oleh batas lapisan dan cahaya akan terjebak dalam bahan yang memiliki indeks bias lebih tinggi. Tiga tipe umum dari waveguide, adalah a) Planar b) rectangular dan c) circular, seperti tampak pada gambar 2. Pada penelitian ini polimer dengan jenis polyimide memiliki indeks bias ±1.78 dilapiskan diatas substrat silikon single polish sehingga dapat berfungsi sebagai waveguide. Tabel 1. Kekurangan Dan Kelebihan Material Untuk Optical Waveguide No.
Jika berkas cahaya jatuh pada batas antara dua bahan dielektrik dimana өi(incident angel) > өc (critical angel), semua cahaya akan direfleksikan / dipantulkan dan tidak ada cahaya yang ditransmisikan. Prinsip ini dipakai untuk membuat waveguide optik, seperti terlihat pada gambar 1. Sebuah lapisan dielektrik dengan indek bias n2 yang disisipkan diantara bahan dielektrik dengan indeks bias, n1 (atau n1 atau n3, dimana n2 > n1, dan n2 > n3). Dengan sudut jatuh cahaya yang sesuai, seluruh cahaya
2
Jenis Material
Kekurangan
Kelebihan
1.
Berbasis Silicon (termasuk Silica on Silicon)
• Low speed • Terbatas untuk passive device
• Murah • Fabrikasinya mudah • Memungkinkan Inter-koneksi optik dan elektronik dalam satu substrate
2.
LiNBO3
• Fabrikasi • High speed (40 relatif GHz) komplek • Sensitif terhadap perubahan suhu • Mahal
3.
Berbasis Polimer
Masih relatif • Murah sensitif • Fabrikasinya terhadap mudah perubahan • Memungkinkan suhu Interkoneksi optik dan elektronik dalam satu substrate • High speed (100 GHz) • Low voltage driven
mengumpulkan banyak ketertarikan akhirakhir ini untuk banyak sekali aplikasi dan berpotensi mengantikan white light source. Galium Nitride Blue LEDs ditumbuhkan diatas substrat saphire atau silikon karbida dan sebagai hasilnya membutuhkan bahan dengan indeks bias tinggi antara chip dan lensa untuk meningkatkan efisiensi ekstraksi cahaya. Bahan polimer dengan dengan indeks refraksi antara 1.7-1.8 dapat pasti meningkatkan output cahaya dari setiap sumber LED. Kemudian, untuk kebanyakan integrated optics atau planar photonic circuits, pemilihan material pada semikonduktor seperti silikon, indium phosphide, dan galium arsenide adalah polimer dengan indeks refraksi tinggi dengan high index contrast karena lossesnya dapat diminimalkan dan kemampuan tuningnya dioptimalkan. Karakteristik mekanik dari polimer membawa mereka untuk diproses dengan teknik yang tidak konvesional seperti molding, casting, stamping, sembossing, dll., melibatkan proses yang cepat dengan biaya rendah untuk aplikasi waveguide. Polimer dengan indeks bias yang tinggi dapat juga digunakan untuk aplikasi beam splitting dalam kisi difraksi. Indeks refraksi tinggi akan menurunkan ketebalan kisi optik, kemudian difasilitasi struktur kisi yang lebih tipis. Karena bahan-bahan tersebut dapat dispin dalam ketebalan lapisan antara beberapa ratus nanometer sampai 10 mikron, polimer dengan indeks bias yang tinggi tersebut dapat digunakan sebagai lapisan filter cahaya untuk kacamata dan aplikasi ophthalmic.
n1
ө
ө > өc
ө
n2
ө n1
Gambar 1. Berkas Cahaya Terjebak Dengan Seluruhnya Refleksi Internal (n2> n1)
n1
n1
n2
n2
n1 a
b
n1 n2
c
Gambar 2. Bentuk Umum Waveguide Optik: (a) Planar, (b) Rectangular, (c) Circular (n2> n1) II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Polimer wave guide Polimer dengan indeks refraksi yang tinggi memiliki aplikasi yang luas di dalam optik dan fotonik, disebabkan kemampuannya untuk mengurangi kehilangan sinar input akibat refleksi (reflection losses) pada batas permukaan sehingga dapat meningkatkan output cahaya. Penggunaan bahan semikonduktor dalam sumber fotonik, detektor, dan peralatan meningkatkan kebutuhan polimer dengan indeks bias tinggi dalam aplikasi dalam rentang light-emitting diodes (LEDs) sampai Planar Light Wave Circuits. Kebanyakan bahan semikonduktor memiliki indeks refraksi dalam rentang 2.5-3.5. Secara optik, polimer transparan atau epoksi dapat secara signifikan mengurangi reflection losses pada batas semikonduktor dan udara karena indeks refraksi pada kebanyakan polimer optik atau epoksi ada di dalam rentang 1,5 sampai 1,55. High-brightness LEDs
Polimer adalah pilihan ideal untuk menghasilkan suatu platform integrasi. Material dengan biaya murah ini, mudah dimanipulasi dengan metode seperti embossing, stamping, sawing, wet etching, and dry etching, ditambah dengan proses fabrikasi yang murah pada temperatur ruang. Ada beberapa keraguan dalam komunitas ahli fotonik berkaitan dengan polimer, kebanyakan hal itu diperkirakan karena komponen polimer yang
3
kualitasnya naik turun dalam aplikasi optik dan elektro optic. Tentunya ada kemungkinan yang tak terhingga dari komposisi polimer dan formulasinya, yang dapat dikembangkan dan menunjukkan sedikit karakteristik optik yang menarik. Akan tetapi, sintesis material yang memiliki sifat dan tampilan yang sesuai dengan kebutuhan aplikasi networking optik adalah tepat dan membutuhkan disiplin.
untuk diproses secara cepat, cost produksi rendah, dan keuletan tinggi, kita bandingkan sifat polimer optik dengan sistem material lain dalam integrated optik seperti dalam tabel 2 . Tabel 2. Perbandingan Polymer Dengan Material Lain Dalam Integrated Optics FEATURES
Polimer kadang kala dikategorikan sebagai material dengan loss tinggi, tetapi ini kasus yang jarang. Perambatan loss waveguide pada polimer menjadi sedikit lebih rendah daripada silica. Aktuasi termal adalah kekuatan yang efisien, dimana koefisien termo-optik dn/dT 10-40 kali lebih besar daripada silica. Polimer yang tidak terdegradasi akibat kenaikan temperatur, bahkan dengan perbedaan indeks refraktif yang besar dapat dipakai sebagai material penerjemah pada komponen integrated optic. Polimer optik memiliki transparansi tinggi, dengan nilai loss absorpsi dibawah 0,1 dB/cm pada panjang gelombang kunci untuk komunikasi (840 nm, 1310 nm, and 1550 nm). Loss hamburan dapat diminimalisir dalam polimer waveguide menggunakan pola fotoresis secara langsung.
POLYMER -BASED
GLASSBASED
GaAs
LiNbO3
Planar Waveguide
Yes
Yes
Yes
Yes
Channel Waveguide
Yes
Yes
Yes
Yes
Electro-optic Modulator
Yes
No
Yes
Yes
Propagation Loss at 1.55 mm (dB/cm)
0.1
0.1
0.2-0.5
<0.1
Unlimited
Limited
Limited
Limited
Formation of Multiplexed Grating
Yes
Yes
No
No
Implementati on on Other Substrates
Easy
Difficul t
Difficult
Dificult
Thermo Optical Coefficient (∆∏/∆To/oC)
>10-4
-10-5
<10-5
-10-5
Waveguide Lens
Yes
Yes
Yes
Yes
Dielectric Constant Dispersion
Low
High
High
High
Potential Modulation Speed
>100 GHz
N/A
~ 30 GHz
~ 30 GHz
Fabrication Cost
Low
Medium
High
High
Moldability
Yes
No
No
No
Waveguide Amplifier
Yes
Yes
Yes
Yes
OEIC Size
Polimer-polimer optik telah direkayasa di banyak laboratorium di berbagai negara dan beberapa telah diperoleh secara komersil. Golongan polimer yang digunakan pada integrated optics termasuk acrylates, polyimides, polycarbonates, dan olefins (mis. Cyclobutene). Bebrapa polimer, seperti kebanyakan polyimide dan polycarbonat, bukan fotosensitif, dan khas diproses mengunakan pola fotoresis dan etsa reaktif ion (REI). Polimer-polimer lain dapat dibuat menjadi fotosensitif dan dapat mengalami pola fotoresis dan etsa basah menggunakan pelarut, kecepatan waktu siklus fabrikasi dari sekitar 10 menit per multilayer sirkuit optik pada wafer. Polimer-polimer tersebut menarik di dalam integrated optics karena kemampuannya
4
TECHNOLOGIES
Polyimide adalah gugus yang sangat menarik dari bahan polimer yang memiliki kekuatan luar biasa dan ketahanan terhadap panas dan bahan kimia yang sangat baik. Kekuatan dan ketahanannya terhadap panas dan bahan kimia begitu bagus, dimana material ini sering di lapiskan pada gelas dan logam seperti halnya baja, dan diaplikasikan dalam kebutuhan industri. Polyimide bahkan digunakan dalam kehidupan sehari-hari, karena memiliki kestabilan termal, ketahanan terhadap minyak, pelumas, dan lemak, serta sifat transparansinya terhadap radiasi gelombang mikro. Jenis polimer ini juga dapat digunakan dalam circuit board, isolator, fiber untuk pelindung pakaian, komposit dan adhesif.
Polyimide heterosiklik aromatik, adalah jenis polyimide komersial terbanyak, seperti yang diproduksi G.E. and DuPont's Kapton. Polimer ini memiliki sifat termal dan mekanik yang luar biasa, dimana biasanya polimer ini dipakai pada logam dan gelas dalam aplikasi elektronika, otomotif, dan industri aerospace. Sifat ini timbul karena adanya gaya intermolecular yang kuat antara rantai polimer. Polyimide adalah polimer yang mengandung kompleks transfer muatan, terdiri dari dua jenis monomer, yaitu donor dan akseptor.
Polyimide adalah polimer yang mengandung gugus imida seperti terlihat pada gambar 3.
Gambar 5. Unit Akseptor Dan Donor Polyimide Kompleks transfer muatan bekerja tidak hanya antara unit-unit pada rantai polimer, tetapi juga antar rantai. Rantai-rantai ini akan tersusun bersama seperti lapisan kertas, dengan pasangan donor dan akseptor.
Gambar 3. Struktur Gugus Imida Polyimide memiliki dua bentuk. Bentuk pertama adalah struktur linear dimanaa atom-atom dari gugus imida berada dalam rantai linier. Bentuk kedua adalah struktur heterosiklik dimana gugus imida merupakan bagian dari unit siklik dalam rantai polimer.
Gambar 4. Dua Tipe Struktur Monomer Polyimide
Gambar 6. Susunan Polyimide Yang Bertumpuk
5
Kompleks transfer muatan ini menghubungkan rantai polimer secara sangat rapat, sehingga tidak memungkinkan molekul-molekul tersebut bergerak bebas, baik pada tingkat molekular maupun dalam material keseluruhan. Hal ini yang menjelaskan mengapa polyimide begitu kuat.
Dimana sifat-sifat larutan polyimide di pasaran adalah sebagai berikut : Kandungan padatan (%) 14.0 +/-1.0 Viskositas 11.0 +/- 2 Pelarut (NMP/Hidrokarbon aromatik) 80% / 20% Air maksimum 0.5% Kadar Cl maksimum 5.0 ppm Kadar Na content maksimum 1.0 ppm Kadar Cu maksimum 0.5 ppm Kadar Fe maksimum 0.5 ppm Kadar K maksimum 0.5 ppm Logam total maksimum 10.0 ppm
Ketika dibandingkan dengan sebagian besar material polimer organik lainnya, polyimide menunjukkan kombinasi luar biasa, dari stabilitas termal(>500°C), kekuatan mekanik, dan ketahanan kimianya. Sebagai tambahan polyimide ini memiliki sifat dielektrik yang sangat baik. Karena duktilitasnya yang tinggi dan rendahnya CTE, polyimide ini dapat diimplementasikan dalam berbagai macam aplikasi mikroelektronik. Aplikasi film tipis dan tebal multilayer pada substrat silikon atau keramik dapat diperoleh dengan baik.
Sifat-sifat Cured Film Polyimide ( Suhu pembakaran akhir 400°C) : Kekuatan tarik (MPa) 260 Elongasi (%) 100 Modulus (GPa) 2.3 Regangan untuk 10µm ketebalan film (MPa) 18 Moisture mencapai 1.2% pada kelembapan 35% Moisture mencapai 3.1% pada kelembapan 85% Konstanta dielektrik di bidang X,Y (pada1 kHz, 50% RH) 3.5 Konstanta dielektrik di bidang Z (pada1kHz, 50% RH) 3.3 Faktor disipasi 0.002 Dielectric breakdown field (volts/cm) > 2 x 106 Koefisien ekspansi termal, film 1µm (ppm) 13 Temperatur transisi gelas > 400°C Temperatur dekomposisi 580°C Weight loss (% pada 500°C, 60 menit) 1.86 Indeks refraktif 1.78
Secara umum keunggulan polyimide adalah sebagai berikut : Temperatur gelas, Tg tinggi, stabil sampai temperature 500°C, Pola dengan positif fotoresis and developer yang umum, Lapisan yang sudah mengeras ulet dan memiliki CTE rendah. Menggunakan wet etching / etsa basah Viskositas stabil pada temperature kamar
Lapisan polyimide dapat di etsa dengan larutan-larutan sebagai berikut; HF , NaOH panas, KOH, Hidrazin, asam nitrat pekat, dan asam sulfat. Polyimide dideposisikan diatas substrat, kemudian dilakukan proses photolithography untuk membentuk optical waveguide sebagai komponen untuk sistem sensor optik.
Gambar 7. Struktur Molekul Polyimide
6
Gambar 8. Planar Waveguide Gambar 9. Proses Deposisi Cairan Pada Proses Spin Coating
2.2 Spin Coating Spin coating telah digunakan beberapa dekade untuk aplikasi film tipis. Proses jenis ini melibatkan deposisi sedikit tetesan cairan resin ke tengah substrat dan kemudian substart di spin pada kecepatan tinggi (sekitar 3000 rpm). Percepatan sentripetal akan menyebabkan sebagian besar resin menyebar, dan bahkan mencapai hingga tepi substrat, sehingga terbentuklah film tipis resin pada permukaan. Ketebalan film yang terbentuk dan sifat-sifat lainnya akan bergantung pada sifat dari resinnya (viskositas, pengeringan, persentase padatan, tegangan permukaan, dll) dan pilihan parameter untuk proses spin itu sendiri. Faktor-faktor seperti kecepatan rotasi akhir, akselerasi, dan pembuangan uap berperan dalam menentukan sifat-sifat dari lapisan film yang terbentuk. Salah satu faktor yang paling penting dalam spin coating adalah kebolehulangan. Berbagai variasi yang rumit dari parameter-parameter yang ditentukan dalam proses spin dapat menghasilkan lapisan film yang beragam pula.
Teknik spin coating terdiri dari empat tahap dasar: 1. Polimer diteteskan ke atas wafer atau substrat. 2. Polimer disebarkan merata pada wafer (dengan kecepatan putar sekitar 500 rpm). 3. Wafer atau substrat kemudian diputar pada kecepatan yang lebih tinggi (2000-4000 rpm) 4. Bagian tepi dan belakang wafer dibersihkan menggunakan siklus pencucian balik yang menyebabkan pelarut tertentu melapisi bagian belakang wafer dan membersihkan sisa-sisa polimer, hal ini disebabkan adanya tegangan permukaan pada tepi wafer. Beberapa parameter proses yang terlibat dalam spin coating adalah: Viskositas larutan Kandungan padatan Kecepatan angular Waktu spin Proses pembentukan film didasarkan pada dua parameter penting yaitu viskositas dan kecepatan spin. Ketebalan film yang mudah dicapai melalui spin coating adalah 1-200µm. Untuk film-film yang tebal, dibutuhkan viskositas material yang tinggi, kecepatan spin rendah, dan waktu spin yang pendek. Bagaimanapun, parameterparameter ini dapat mempengaruhi keseragaman lapisan yang terbentuk. Pelapisan berulang dilakukan untuk ketebalan film yang lebih besar dari 15µm.
Spin coating melibatkan percepatan cairan sampel pada substrat yang diputar. Material yang akan dilapiskan, dideposisikan di tengah substrat secara manual maupun dengan mesin otomatis. Tinjauan fisika dibalik spin coating melibatkan kesetimbangan antara gaya sentrifugal yang dikontrol oleh kecepatan spin dan gaya rekat yang ditentukan oleh viskositas pelarut.
7
Ketebalan film secara tidak langsung sebanding dengan kecepatan spin: H~Ω-N
dimana H adalah ketebalan film dan N bergantung pada penguapan larutan. Kasus 1: tidak ada penguapan – ketebalan film berubah-ubah terhadap kecepatan dan waktu spin. H~ Ω -1t -1/2 Kasus 2: laju penguapan konstan. Gambar 10. Kurva Ketebalan Film Terhadap Berbagai Parameter
H~ Ω -2/3 Kasus 3: dalam kebanyakan aplikasi, laju penguapan sebanding dengan akar kuadrat dari kecepatan spin.
Kecepatan spin Kecepatan spin adalah salah satu faktor terpenting dalam proses spin coating. Kecepatan substrat (rpm) mempengaruhi derajat dari gaya radial (sentrifugal) dari cairan resin sebagaimana halnya kecepatan dan karakteristik turbulansi udara di atasnya. Secara umum, tingginya kecepatan spin secara bertahap menentukan ketebalan film akhir. Variasi kecepatan dengan perbedaan ±50 rpm pada keadaan ini dapat mengakibatkan perubahan hasil ketebalan sebesar 10%. Ketebalan film membesar sebanding dengan gaya yang dipakai untuk membagi cairan resin hingga ke tepi substrat dan laju pengeringan yang mempengaruhi viskositas resin. Dalam pengeringan resin, viskositas akan meningkat sampai gaya radial dari proses spin tidak cukup besar untuk memindahkan resin ke seluruh permukaan. Pada saat itu, ketebalan film tidak akan menurun secara signifikan dengan meningkatnya waktu spin.
H~ Ω -1/2 Persamaan ketebalan film dapat dipengaruhi oleh pembentukan lapisan kulit selama proses pelapisan. Pembentukan lapisan kulit disebabkan oleh adanya perbedaan sifat dari material yang dispin terhadap permukaan udara dan sifat cairannya. Apabila lapisan kulit terbentuk cepat dalam proses spin coating, terjadi sedikit proses penguapan, sehingga nilai N mendekati 1. Apabila lapisan kulit lambat terbentuk, penguapan akan banyak terjadi, sehingga nilai N mendekati 5. Kurva di bawah ini menggambarkan kecenderungan umum untuk berbagi parameter proses. Sebagian besar material resin akan memperoleh ketebalan akhir berbanding terbalik terhadap kecepatan dan waktu spin. Ketebalan akhir ini pun berhubungan dengan volume pembuangan uap, meskipun keseragaman akan berkurang jika laju pembuangan terlalu tinggi, yang akan mengakibatkan ketidakseragaman pengeringan film selama proses spin berlangsung.
Akselerasi (Percepatan) Akselerasi pada substrat menghasilkan kecepatan spin akhir yang dapat juga mempengaruhi sifat lapisan film yang dihasilkan. Sejak resin mulai mengering
8
selama bagian awal dari siklus spin, control akselerasi secara akurat menjadi hal yang sangat penting. Dalam beberapa proses, sekitar 50% pelarut dalam resin akan hilang dalam penguapan. Akselerasi juga berperan dalam menentukan sifat lapisan pada subsrat yang telah dipola. Dibawah ini dijelaskan berbagai permasalahan yang mungkin timbul dalam proses spin coating:
3.1 Metodologi Polyimide PI-2545 adalah prekursor asam poliamik dengan berat molekul yang besar. Prekursor ini reaktif terhadap basa lemah seperti halnya developer positif fotoresis Dalam proses etsa basah, substrat ini diaktivasi terlebih dahulu dengan promotor adhesive VM-651, diikuti dengan pemakaian polyimide. Setelah polyimide dilapiskan pada substrat, perlu dilakukan pembakaran untuk menghilangkan pelarut pembawa dan ebagian imida ada dalam lapisan film.
Film terlalu tipis Kecepatan spin terlalu tinggi Waktu spin terlalu lama Pilihan material resin tidak sesuai
Tahap pembakaran adalah salah satu parameter proses yang sangat penting dari keseluruhan proses. Pengolahan PI-2545 harus dilakukan pada kondisi clean room standar. Untuk memperoleh yang hasil terbaik dibutuhkan kondisi clean room dan kondisi kelembaban relatif (± 2.0°C,± 2% RH).
Film terlalu tebal Kecepatan spin terlalu rendah Waktu spin terlalu sebentar Volume pembuangan terlalu tinggi Pilihan material resin tidak sesuai
3.2. Prosedur Kerja 3.2.1. Penyiapan Substrat Bahan-bahan yang digunakan: Substrat gelas dan wafer Silikon single polish (orientasi 111), aseton, DI water, larutan HCl 37%, larutan NH4OH 25%, larutan H2O2 30%, larutan HF 5%, gas N2. Alat-alat yang digunakan: Alat-alat gelas umum, pinset, termometer, hot plate, laser trimmer. Tahapan kerja: 1. Substrat wafer Si dipotong menggunakan laser trimmer, menjadi beberapa bagian yang sama besar. Sedangkan, substrat gelas dipotong menggunakan pemotong kaca (diamond).
Gambar 11. Berbagai Kemungkinan Permasalahan Dalam Spin Coating III. PROSEDUR DAN METODOLOGI
9
2. Kemudian kedua macam substrat dibersihkan dengan aseton panas dan dikeringkan. 3. Setelah kering, substrat tersebut dicuci dengan larutan RCA 1;
3.2.2. Pelapisan Polyimide Di Silicon Wafer Single Polish
Atas
Polyimide dilapiskan diatas silicon single polish yang sudah dicuci oleh larutan RCA seperti dalam prosedur pencucian. Pelapisan polyimide kami lakukan sesuai referensi dari Dupont, sebagai berikut : Substrat silikon yang sudah bersih dilapis dulu dengan bahan promotror VM-651, untuk meningkatkan daya lekat polyimide terhadap permukaan silikon, dengan cara substrat silikon diletakkan diatas spin coater kemudian vacumkan, teteskan promotor VM-651, putar spin coater dengan kecepatan putaran 3500 rpm tahan selama 20 detik, dilanjutkan spin dry dengan kecepatan 500 rpm selam 30 detik, setelah itu dipanaskan 120oC diatas hotplate selama 60 detik. Letakkan kembali substrat tersebut diatas spin coater kemudian vacumkan, kemudian teteskan polyimide diatasnya dan putar dengan kecepatan 5000 rpm selama 60 detik, lanjutkan dengan spin dry dengan kecepatan 500 rpm selama 15 detik. Panaskan substrat hasil pelapisan dalam oven pada temperatur 140oC selama 60 menit. Kemudian ukur indeks refraksi lapisan dengan elipsometer.
Penyiapan larutan RCA 1: 50 mL DI water dicampurkan dengan 10 mL NH4OH, kemudian dipanaskan di atas hot plate hingga 75oC. Setelah itu, pindahkan dari hot plate dan tambahkan 10 mL H2O2, diamkan selama 1-2 menit. Larutan RCA 1 siap digunakan. Substrat direndam dalam larutan RCA 1 selama 15 menit, lalu dibilas dengan DI water. 4. Setelah dibilas dengan DI water, wafer Si dicuci dengan larutan RCA 2; Penyiapan larutan RCA 2: 60 mL DI water dicampurkan dengan 10 mL HCl, kemudian dipanaskan di atas hot plate hingga 75oC. Setelah itu, pindahkan dari hot plate dan tambahkan 10 mL H2O2, diamkan selama 1-2 menit. Larutan RCA 2 siap digunakan. Substrat direndam dalam larutan RCA 2 selama 15 menit, lalu dibilas dengan DI water. 5. Wafer Si yang telah dibilas dengan DI water, dicuci dengan larutan HF, selama 15 menit. Sedangkan, pada substrat gelas tidak dilakukan pencucian dengan larutan HF. Angkat dan keringkan kedua macam substrat tersebut dengan gas N2. Kemudian simpan ditempat kering dan tertutup. Alat-alat yang digunakan: Spin Coater, oven, mikroskop.
Gambar 13. Kurva Ketebalan Terhadap Kecepatan Spin (RPM)
Gambar 12. Spin Coater
10
variasi polarisasi cahaya dari sudut polarisasi, yang dipolarisasikan dengan bermacam-macam penjuru atau sudut polarisator. Berkas cahaya dipantulkan pada lapisan yang dianalisis. Operator mengubah sudut polarisator dan menganalisis sampai isyarat deteksi minimal. Isyarat minimum ini dideteksi jika cahaya yang direfleksikan oleh sample secara linier dipolarisasikan, sementara analisator diatur sedemikian sehingga hanya menerangi dengan suatu polarisasi yang tegak lurus terhadap polarisasi yang datang berikutnya. Sudut analisator kemudian dihubungkan dengan arah polarisasi cahaya yang direfleksikan. Untuk memperoleh cahaya yang terpolarisasi linear, cahaya dipolarisasikan setelah refleksi.
Gambar 14. Elipsometer Suatu elipsometer memungkinkan untuk mengukur indeks-refraksi dan ketebalan dari film tipis semi-transparent. Instrument ini berdasar pada fakta bahwa pemantulan pada suatu antarmuka dielektrik tergantung pada polarisasi cahaya dimana transmisi cahaya yang melalui suatu lapisan transparan mengalami perubahan fasa gelombang datang yang bergantung pada indeks-refraksi material tersebut. Suatu elipsometer dapat digunakan untuk mengukur lapisan tipis 1 nm lebih hingga lapisan yang tebalnya beberapa mikron. Aplikasi ini meliputi pengukuran ketebalan akurat dari film tipis, identifikasi material dan lapisan tipis serta karakterisasi permukaan.
IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Warna polyimide dalam botol kekuningan dan transparan sedangkan warna lapisan setelah kering kehijauan. Dari hasil pengukuran dengan elipsometer diperoleh nilai indeks refraksi rata-rata dari pengukuran 49 titik adalah sebesar 1.73 sedangkan indeks refraksi referensi dari dupont 1.78, perbedaanya sekitar 0.05. Sedangkan ketebalan rata-rata menunjukkan 0.1793 m. Nilai indeks refraksi sedikit berbeda mungkin disebabkan lapisan masih banyak mengandung gelembung udara, seperti terlihat pada gambar 10, tampak titik-titik putih. Hal ini disebabkan oleh terjebaknya udara dalam polyimide cair pada saat meneteskan tetesan polyimide diatas substrat atau karena tetesan polyimide tidak merata sebelum spin coater diputar. Cacat akibat adanya gelembung ini sebetulnya bisa dikurangi dengan cara menaikan temperatur pemanggangan dari 140oC menjadi 200oC dalam oven atau mempercepat pemindahan sampel dari spin coater ke oven untuk mencegah
Prinsip operasi elipsometer diilustrasikan pada skema gambar dibawah ini:
Gambar 15. Skema Elipsometer Elipsometer terdiri dari suatu laser (biasanya helium/neon laser dengan λ = 632.8 nm), suatu polarisator dan seperempat lempengan yang menyediakan
11
pembekuan permukaan lapisan lebih cepat dari bagian bawahnya.
TANYA JAWAB 1. Adakah teknik lain yang digunakan untuk fabrikasi polimer waveguide ini, selain dengan spin coating? Beberapa teknik yang biasa dilakukan untuk fabrikasi waveguide polimer, diantaranya adalah proses etsa basah dan etsa kering. Proses etsa basah salah satunya adalah dengan teknik spin coating seperti yang dilakukan pada penelitian ini, sedangkan proses etsa kering terdiri dari teknik etsa fisik (physical etch), etsa ion reaktif (Reactive Ion etch), dan etsa kimia atau plasma (plasma etch). Berbagai metode ini memiliki keuntungan dan kelemahan masing-masing. Proses etsa kering pada umumnya membutuhkan biaya yang lebih mahal, karena peralatannya lebih kompleks dibandingkan proses etsa basah. Akan tetapi proses fabrikasi dengan etsa kering lebih mudah dan teliti.
Gambar 16. Hasil Spin Coating Polyimide Di Atas Silicon Wafer Single Polish V. KESIMPULAN Dari hasil penelitian pendahuluan ini dapat disimpulkan bahwa indeks refraksi polyimide dari hasil spin coating pada kecepatan 5000 rpm adalah 1.73 sedangkan referensi dupont adalah 1.78, perbedaannya sebesar 0.05. VI. UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini tim peneliti mengucapkan terima kasih kepada Kepala Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi (PPET) - LIPI yang telah mendukung penelitian ini. VII. DAFTAR PUSTAKA 1. Andonovic, I. , “Principles of Modern Optical Systems”, 1989, Arthech House, 685 Canton Street Noorwood, MA 02062. 2. Kashima, N., “Passive Optical Components for Optical Fiber Transmission”, 1995, Arthech House, 685 Canton Street Noorwood, MA 02062. 3. Wolf, A., “ Silicon Processing for The VLSI Era”, Volume 1: Process Technology, 1986, Lattice Press, Sunset Beach, California. 4. Berbagai Jurnal dari Internet
12
13
