Pros;dinfl Pertemuan /lm;ah Sa;ns Mater; /997 /SSN /410 -28~7

PENGARUH PERLAKUAN ANIL P ADA KONST ANT A ABSORPSI OrTISDAN KONFIGURASI IKA T AN LOKAL LAPISAN TIPIS

AMORF SILIKON KARBON I

M. Jahja2 .Lusitra Munisa2 .R. Saleh3

ABSTRAK

PENGARUH PERLAKUAN ANIL PADA KONSTANTA ABSORPSI OPTIS DAN KONFIGURASI IKATANLOKAL LAPISAN TIPIS AMORF SILIKON KARBON. Koefisien absorpsi optis telah dihitung dengan menggunakanpendekatan Hishikawa untuk lapisan tipis amorfsilikon karbon yang dideposisi dengan metode Plasma Enhanced Chemical VapourDeposition (PECVD) dan Direct Current Reactive Magnetron Sputtering (DCRMS). Pengaruh perlakuan anil pada koefisienabsorpsi optis dan struktur ikatan pada temperatur 200 sampai 10OO°C dipelajari dengan pengukuran di daerah visible dan inframcrah. Transparansi optik pada dacrah visible untuk lapisan tipis yang didcposisi dcngan menggunakan DCRMS mcningkat dcnganbcrtambahnya temperatur anil sedangkan untuk PECVD diperoleh hasil yang berlawanan. Hasil pengukuran pada daerah inframerah juga memperlihatkan adanya pcrubahan konfigurasi ikatan lokal. Pergeseran energi gap dan perubahan luas kurva SiCtcrnormalisasi pada spcktrum infra merah menunjukkan pcrubahan kt:rapatan ikatan C-C Sp2 dan Sp1.

ABSTRACT

ANNEALING EFFECTS ON OPTICAL CONSTANT AND LOCAL BONDING CONFIGURATION IN SILICONCARBON FILMS. The optical constant of amorphous silicon carbon films deposited by Plasma Enhanced Chemical VapourDeposition (PECVD) and Direct Current Reactive Magnetron Sputtering (DCRMS) techniques were annealed at temperatur rangingfrom 200 to 1000"C. The effect of annealing on the optical absorption constant and the bonding structure were studied using visibleand infrared measurements. The study demonstrates that the optical transparency in the visible region improved in DC reactivemagnetron sputtering film and decreased in PECVD film. From infrared results, we deduced that there is a change in local bondingconfiguration. The variation of the optical gap and the change in the infrared spectra indicate that there is a change in the degree ofC-C Sp2 and spJ bonding

KEY WORDSilicon carbon. Energi gap optis, Local bonding configuration, Annealing effects

PENDAHULUAN metode plot Tauc dari kurva koefisien absorpsi a.

[4].Kestabilan termal material yang akan

dipergunakan sebagai piranti optoelektronik dapatdiketahui dengan memberikan perlakuan anil.Dalam studi ini akan dipelajari pengaruh perlakuananil pada sifat ortis lapisan tipis a-SiC:H yangdideposisi dengan menggunakan metode PECVDdaD DCRMS. Perlakuan anil mengakibatkanperubahan struktur pita energi yang dapat diamatidari perubahan bentuk kurva a. Perubahankonfigurasi ikatan lokal karena pengaruhperlakuan anil dapat dilihat dari perubahan luaskurva SiC ternormalisasi.

Lapisan tipis amorf silikon karbon (a-SiC:H) merupakan material yang menarik untukditeliti, karena karakteristik material ini dapatdivariasi dengan mengubah parameter clan metodepreparasi serta perlakuan termal terhadap materialtersebut. Material ini banyak diaplikasikan padabidang optoelektronik seperti sel surya [I] clansensor cahaya [2].

Koefisien absorpsi ortis a merupakan salahsatu parameter yang renting dari lapisan tipisamorf silikon karbon, karena a memberikaninformasi tentang struktur pita energi, band taildan keadaan terlokalisasi (localized states)material tersebut [3]. Secara eksperimen, a dapatdiperoleh dengan berbagai cara antara lain metodeCPM (Constant Photocurrent Measurement),menggunakan hasil reflektansi (R) clan trans-mitf111Si (T) spektrum UV-VIS dan menggunakanellipsometer. Setiap metode ini memiliki daerahpengukuran yang sensitif dan dapat dipergunakanuntuk melihat karakteristik materi yangberhubungan dengan daerah pengukuran tersebut.Metode R clan T sensitif pada daerah 103 cm-1 ~ aS 105 cm-l, sehingga sering dipergunakan untukmenentukan energi gap ortis. Energi gap ortismaterial ini dapat ditentukan dengan menggunakan

EKSPERIMEN

Dalam studi ini digunakan lapisan tipisamorf silikon karbon yang dideposisi diatassubstrat corning dan silikon kristal dengan metodedeposisi sputtering dan PECVD. Lapisan tipishasil deposisi metode PECVD dibuat denganmenggunakan campuran gas silan dan metan yangdilakukan oleh grup JUlich di Jerman. Metode

deposisi sputtering menggunakan campuran targetberupa silikon wafer yang diletakkan diatas targetkarbon dalam atmosfir argon dan hidrogen.Koefisien absorpsi optis a untuk lapisan tipis ini

I Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 19972 Program Studi Fisika, Program Pascasarjana -VI3 Jurusan Fisika, FMIPA, VI

378

l'rosidin Pertemuan //miah ,5'ain,~ Materi /997 lSSN /4/0 -2897

ditentukan dari spektrum reflektansi R clantransmitansi T. Spektrum diukur menggunakanUV -VIS Spektrofotometer raJa panjanggelombang 250-850 nm. Cahaya diarahkan raJasisi lapisan tipis. R clan T diukur raJa posisi yangsam a untuk setiap sam pel, hal ini sangat rentinguntuk mengeliminasi kesalahan disebabkanketebalan sampel yang bervariasi. Pengukuraninframerah dilakukan raJa daerah 400 -4000cm-1untuk mode absorpsi. Perlakuan anil dalam vakumdiberikan pada kedua macam sampel yangdideposisi diatas substrat corning untuktemperatur 200 sampai 500°C. Lapisan tipis yangdideposisi diatas silikon kristal diberi perlakuananil dalam vakum untuk temperatur 200 sampai1000 DC. Perlakuan anil diberikan selama I jamilntuk masing-masing temperatur dengan kenaikantemperatur anil sebesar 100°C.

Pengaruh anil pada setiap temperaturterhadap koefisien absorpsi ortis untuk lapisantipis a-SiC:H yang dideposisi denganmenggunakan metode PECVO dan OCRMS dapatdilihat pada Gambar 5 Oari kedua gambar initerlihat pengaruh yang berbeda terhadap koefisienabsorpsi optis untuk kedua metode deposisi.

HASIL DAN DISKUSI

(a)

Hasil pengukuran R clan T pada lapisan tipisa-SiC:H yang dideposisi menggunakan metodedeposisi PECVD clan DCRMS terlihat padaGambar I. Hasil pengukuran ini menunjukkanadanya efek interferensi akibat pelipatgandaanrefleksi yang terjadi antara lapisan tipis clansubstrat. Efek interferensi ini dapat dihilangkandengan menggunakan metode Hisbikawa et.al. [5]

Metode ini menggunakan formulasi T/(I-R)untuk menghilangkan efek interferensi yang dapatmengakibatkan kesalahan dalam penentuankoefisien absorpsi optis I:x.. Koefisien absorpsi optisyang bebas interferensi dapat ditentukan dari kurvaT/(I-R) vs A seperti pada Gambar I. clan terlihatbabwa pada selurub range panjang gelombangtidak lagi ada efek interferensi pada kurva ini.Untuk memperoleb barga I:x. dengan metodeHishikawa et. al. maka kurva R dan T basilperhitungan harus berhimpit dengan kurva basil

eksperimen.Kurva R clan T basil perhitungan dan basil

eksperimen untuk kedua meto<1e deposisi a-SiC:Hdiperlihatkan oleh Gambar 2. Dari Gambar 2 initerlihat kurva basil eksperimen berhimpit dengankurva hasil perhitungan. Kurva koefisien absorpsioptis basil perhitungan untuk lapisan tipis a-SiC:Hyang dideposisi dengan menggunakan metodePECVD daD DCRMS dapat dilihat pada Gambar3. Untuk menentukan energi gap optis dari lapisana-SiC:H ini dipergunakan plot Tauc clan dilakukanekstrapolasi sampai ke titik nolo Plot Tauc untuka-SiC:H yang dideposisi menggunakan keduametode diperlihatkan pada Gambar 4. Hargaenergi gap optis a-SiC:H yang diperoleh denganmenggunakan plot Tauc untuk metode DCRMSsekitar 2.0 eV daD untuk PECVD sekitar 2.2 eV.

(b)

Kurva eksperimen reflektansi (R),transmitansi (T) dan T/(I-R) untuklapisan tipis a-SiC:H yang dideposisidengan (a) metode PECVD dan (b)DCRMS.

Gambar

Lapisan tipis a-SiC:H yang dideposisi denganmetode DCRMS menjadi !ebih transparan denganbertambahnya temperatur ani! sedangkan untukmetode deposisi PECVD didapatkan hasil yangberlawanan. Sifat transparansi yang dimaksudada!ah terjadinya pergeseran koefisien absorpsi keenergi yang !ebih tinggi. Wa!aupun pengamh ani)

379

l'r(}sidin l'ertemuan .Ilmiah Sains Materi 1997 lSSN 1410 -2897

menggeser koefisien absorpsi a-SiC:H denganmetode PECVD ke energi yang lebih rendah tetapihanya terjadi pergeseran yang kecil sehingga dapatdikatakan lapisan tipis a-SiC:H yang dihasilkandengan metode PECVD memiliki kestabilantermal yang cukup tinggi. Berbeda dengan lapisantipis a-SiC:H dengan metode DCRMS.

dan terbentuk ikatan Si-C yang menambahkonfigurasi ikatan Sp3 [6,7]. Metode deposisiPECVD menggunakan campuran gas SiH4 danCH4 sehingga lapisan tipis a-SiC:H yang terjadiakan didominasi konfigurasi ikatan Sp3. Pengaruhanil yang menyebabkan disosiasi ikatan hidrogenakan menghasilkan cluster karbon dengankonfigurasi ikatan Sp2.

hv(eV)(a)

(a)

hv (eV)(b)

Gambar 2. Kurva reflektansi (R), transmitansi (T) hasileksperimen dan perhitungan untuk lapisantipis a-SiC:H yang dideposisi dengan (a)metode P[~CVD dan (b) DCRMS

(b)

Gambar 3. Kurva koefisien absorpsi optis IX untuklapisan tipis a-SiC:H dengan (a) metodePECVD daD (b) DCRMS

Perbedaan pengaruh perlakuan anil pada keduametode ini bergantung pada kondisi deposisi.Deposisi dengan metode DCRMS menggunakantarget grafit sebagai sumber karbon sehinggakonfigurasi ikatan yang terjadi pada lapisan tipis a-SiC:H lebih dominan konfigurasi ikatan Sp2dibandingkan Sp3. Pengaruh ani! menyebabkanterjadinya disosiasi ikatan hidrogen Si-H clan C-H

Pengaruh temperatur anil terhadapperubahan jenis ikatan telah dilakukan olehDischler [8] dengan menggunakan metodeinframerah. Hasil pengukuran ini dapat dilihatpada Gambar 6. Perubahan konfigurasi ikatan inisangat erat hubungannya dengan perubahanstruktur clan mengakibatkan terjadinya pergeseran

380

Prosidin Pertemllon Jlmiah Sains Materi 1997 /SSN 14/0- 2897

llh.VOIpiion edge. Untuk melihat pergeseranllhsOIpiion edge lapisan tipis dari kedua metodedibuat energi EO4 vs temperatur anil seperti terlihatraJa Gambar 7. Energi EO4 merupakan energi padasaat koefisien absorpsi optis berharga 104 cm-l.Definisi energi ini sering dipergunakan untukmenyatakan besar energi gap material amorf.Harga Eo-l dapat diperoleh dari kurva koefisienabsorpsi optis a versus energi untuk setiaptemperatur anil.

untuk kedua macam sam pel terbagi dalam tigadaerah yaitu :I. absorpsi pada 700-850 cm-t sesuai dengan

mode v1brasi Si-C stretching, Si-C(s)2. absorpsi pada 2000-2100 cm-t sesuai dengan

mode vibrasi Si-H stretching, Si-H(s)3. absorpsi pada 2800-3000 cm-t sesuai dengan

mode vibrasi C-H stretching, C-H(s)

10'

PECVD ......'......i

-;E 10'.2-tj

0 00 01

0 0:0 0:

0 o. .as deposited0 o. 0 Ta 300"C

0 0... .Ta 400'C0 0 0 Ta 500'C

""0 .00

.....

10' .&0. , " .,

15 20 25 30

hv(eV)

(a)hv(eV)

Gambar 4. Plot Tauc untuk lapisan tipis a-SiC:H hasildeposisi (0) metode PECVD dan (8)DCRMS

hv (eV)

(b)

Gambar 7 memperlihatkan EO4 untuklapisan tipis a-SiC:H yang dideposi denganmetode DCRMS meningkat dengan bertambahnyatemperatur anil sedangkan EO4 lapisan tipis yangdihasilkan dengan metode PECVD berkurangdengan bertambahnya temperatur anil.

Robertson [9] telah melakukan perhitunganenergi gap material a-SiC:H dengan menggunakanmodel tight binding clan diperfJleh bahwa variasienergi gap terjadi karena adanya hibridisasi ikatanSp3 clan Sp2. Hibridisasi ikatan Sp3 dalam a-SiC:Hberasal dari ikatan atom Si-Si, Si-C serta C-C,sedangkan hibridisasi Sp2 berasal dari ikatanrangkap dua atom karbon (C=C).

Mode vibrasi SiC spektrum infra merahuntuk sampel sebelum mengalami perlakuan anilclan sete.1ah diberi perlakuan anil dianalisis denganmembuat plot kurva koefisien absorpsi a( 0) )/0)sebagai fungsi bilangan gelombang 0) (cm-I).Koreksi baseline dilakukan untuk memperolehzero level background setiap puncak kurvaabsorpsi. [10] Gambar 8 memperlihatkanspektrum infra merah untuk sam pel sebelummengalami perlakuan anil. Spektrum infra merah

Gambar 5. Kurva kocfisien absorpsi optis a-SiC:H padasctiap tcmperatur anil dcngan mctode

deposisi(a) PECVD dan (b) DCRMS.

Wieder et.al. [11] menyatakan absorpsi pada 780cm-1 merupakan mode wagging Si-CH3. Beberapapenulis [12-13] berpendapat puncak absorpsitersebut merupakan mode vibrasi stretching Si-C.Dalam studi ini puncak absorpsi tersebut

381

Prosidin Pertemuan I'miah Sains Materi 1997 ISSN 1410 -2897

Illerupakan mode vibrasi Si-C(s) untuk keduamacam sampel karena puncak absorpsi tersebuttetap ada meskipun hidrogen telah keluar dari

sampel.

dengan (I) merupakan koefisien absorpsi daD (I)adalah bilangan gelombang.

Garnbar 6. Fraksi hibridisasi atomC Sp2 dan spJ sebagaifungsi temperatur anil. Hasil eksperimen IR(Dischler 1987)[8]

Gambar 8. Puncak mode vibrasi Si-C, Si-H clan C-Huntuk sampel yang dideposisi denganPECVD clan DCRMS

Gambar 7. E04 terhadap temperatur ani! untuk lapisan a.SiC:H (0) PECVD dan (8) DCRMS

Jumlah ikatan Si-C clan Si-H pada berbagaitemperatur anil diperoleh dengan menghitung luaskurva ternormalisasi dengan a( (J) )merupakankoefisien absorpsi clan (J) adalah bilangan

gelombang.

Gambar 9. Luas kurva temormalisasi mode vibrasi (a)SicC(s) dan (b) Si-H(s) sebagai fungsitemperatur ani! untuk lapisan tipis a-SiC:Hhasil deposisi DCRMS

I =J~O)0)

Lllas kurva temormalisasi dari mode vibrasiSi-C dan Si-H terhadap temperatur anil untuklapisan tipis yang dideposisi dengan metode

382

Prosidin Pertemuan IlmiahSains Materi 1997 ISSN 1410 -2897

DCRMS diperlihatkan pada Gambar 9. Hasildengan kecenderungan yang sarna diperoleh untuklapisan tipis dengan metode PECVD. Luas kurvatemormalisasi untuk mode vibrasi Si-H(s) pada2000-2100 cm-J berkurang dengan kenaikantemperatur anil. Hal ini disebabkan oleh efusihidrogen dan mode vibrasi tersebut hilang untuktemperatur anil T.=700 °C. Mode absorpsi C-H(s)sangat kecil untuk kedua macam sam pel clan tidakteramati pada saat mengalami perlakuan anil. Luastemormalisasi kurva mode vibrasi Si-C(s)meningkat dengan bertambahnya temperatur anilseperti diperlihatkan oleh Gambar 9. Kenaikantemperatur anil akan mengakibatkan terputusnyaikatan Si-H clan C-H serta terbentuk ikatan Si-Si,C-C dan Si-C. Peningkatan jumlah ikatan Si-Cmengakibatkan bertambahliya luas kurvatemormalisasi mode Si-C(s) dengan meningkatnyatemperatur anil.

Studi ini terlaksana atas dukunganUniversity Research Graduate Education (URGE)clan German-Indonesia Corporation Program ofBMBF (INT -KF A JUlich). Terima kasih juga kamitujukan pada B. Recht atas tersedianya sampel a-SiC:H hasil deposisi dengan metode PECVD.

DAFTARPUSTAKA

[I). TAWADA Y., TSUGE K., KONDO M.,OKaMOTO H., and HAMAKA WAY.,J.AppI. Phys., 53, (1992) 5273

[2). DUTTA K., MOROSAWA M. andHATANAKA Y., Solid State Electron. 35,(1992) 1483

[3). PANKOVE J. I., Solar Cells 24, (1988). 299[4). TAUC J., GRIGOROVICI R. and VANCU

A., Phys. Status Solidi. 15, (1982) 627[5). HISHIKWA Y., NAKAMURA N., TSUDA

S., NAKANO S., KISHI Y. and KUW ANOY., Jap. J. Appl. Phys., 30, (1991) 1008

[6).. MUI K., BASA D.K. and SMITH F.W.,Phys Rev. B 15, (1987) 8089

[7). DEMICHELIS F., GI0RGIS F., PIRRI C.F., TRESSO E., Physica B 225, (1996) 103

[8). B. DISCHLER, IN AMORPHOUSHYDROGENATED CARBON FILMS, P.KOIDL and P. OEtHAFEN (eds) Lesedition de physique, Paris (1987) 189

[9). ROBERTSON J., Phil.Mag. B 66, (1992)615

[10). GAT E. EL KHAKANI M.A., CHAKER M.,JEAN A., BOILY S., PEPIN H. ANDKIEFFER J.C., DURAND J. and CROS B.,ROUSSEAUX F., GUJRATHI S." J. Mater.Res. 7, (1992) 2478

[II}. WIEDER H., CARDONA M. andGUARMERI C.R., Phys. Satus Solidi B 92,(1979) 99

[12). CATHERINE Y., and TURBAN G., ThinSolid Films 70, (1980) .101

[13). GUIVARC'H A., RICHARD J., LECOITELLEC M., LIGEON E. andFONTENILLE J., J.Appl. Phys. 51, (1980)2167

RANGKUMAN

Koefisien absorpsi optis a lapisan tipisamorf silikon karbon (a~SiC:H) dapat ditentukandari basil pengukuran reflektansi (R) dantransmitansi (T) spektrum UV-VIS Spektrometer.Energi gap optis untuk lapisan tipis basil deposisimetode PECVD diperoleh sebesar 2.2 eV dan 2.0eV untuk metode DCRMS. Lapisan tipis a-SiC:Hbasil deposisi DCRMS menjadi lebih transparandengan meningkatnya temperatur anil, sedangkanbasil yang berlawanan diperoleh untuk metodePECVD. Walaupun pengaruh anil menggeserkoefisien absorpsi a-SiC:H dengan metodePECVD ke energi yang lebih rendah tetapi hanyaterjadi pergeseran yang kecil. Energi EO4 lapisantipis a-SiC:H basil deposisi metode DCRMScenderung naik dengan bertambahnya temperaturanil sedangkan metode PECVD memperlihatkankecenderungan yang berbeda. Hasil pengukuraninframerah memperlihatkan perubahan konfigurasiikatan lokal pada kedua macam sampel karenaperlakuan anil. .

UCAPAN TERIMA KASIH

383