Penumbuhan Film Tipis YBaCuO dengan Metode MOCVD Vertikal dan Karakterisasinya (Eko H. Sujiono)

PENUMBUHAN FILM TIPIS YBaCuO DENGAN METODE MOCVDVERTIKAL DAN KARAKTERISASINY A

Eko H.Sujionot, T. SaragP, P. Arifin2,W. Loeksmanto2, M. BarmawPLaboratorium fismatel, Jurusan Fisika ITB, JI. Ganesha 10 Bandung, 40132 e-mail: fismatel@melsa.netid

IJurusan Fisika, Universitas Negeri Makassar, Ujungpandang2Fakultas Teknik, Universitas Sam Ratulangi, Manado

ABSTRAK

PENUMBUlIAN FILM TIPIS YBCO DENGAN METODE MOCVD VERTIKAL DAN KARAKTERISASINY A.Telah berhasilditumbuhkan filmtipis YBaCuO(YBCO)denganmenggunakanmetodeMetalOrganic Chemicalvapor deposition(MOCVD) vertikal. Untuk meningkatkan reprodusibilitas daD laju penguapan bahan metal organic yang digunakanTris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptadionato) yttrium (III), Bis (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptadionato) Barium hydrate, daDBis (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptadionato) Copper (II) dilarutkan dalam THF (tetrahydrofuran) dengan konsentrasi0,5 mol/liter. Hasilnya menunjukkan selama deposisi laju penguapan yang teramati relatif stabil daDlaju deposisi film YBCOyang ditumbuhkan 0,135 I.lm/jam.Analisis struktur kristal berdasarkan hasil karakterisasi XRD daDSEM yang telah dilakukanmenunjukkan bahwa film yang ditumbuhkan pada temperatur 650.C terorientasi kuat pada sumbu-c daDrelatif lemah padasumbu-a tegak lurus pada permukaan subtrat MgO(100). Hubungan antara morfologi permukaan, komposisi kimia, daDsifatlistrik 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 depositionprocess vapor pressure is relative by stable and the deposition rate ofYBCO film is 0.135 11m/h.Considering of the characterizeX-rays diffraction and scanning electron microscope result the crystallites structure analysis showed that the films grown atdeposition temperature of 650 .C were strong c-axis and weak a-axis orientation perpendicular to the MgO(100) substratesurface. 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 deposisiyang dapat digunakan untuk pembuatan film tipissuperkonduktor oksida selain metode Sputtering, clanablasi laser. Kualitas film yang dihasilkan sangat baikuntuk aplikasi devais, karena memiliki rapat arus kritis(Je) yang relatif tinggi [1], dapat digunakan untukmembuat lapisan dalam diameter permukaan yang luas,dengan ketebalan film dalam orde nanometer clanjugakemungkinan menumbuhkan lapisan pada temperaturyang relatifrendah [2].

Tujuan awal peraneangan peralatan MOCVDvertikal dalam studi ini adalah untuk menghasilkan filmtipis dengan ketebalan dalam orde nanometer clanmemiliki orientasi penumbuhan kristal pada gumbo-a,sehingga membuka peluang untuk membuat devaispersambungan Josephson dalam arab vertikal. Denganpertimbangan bahwa panjang koherensi bahan YBCOdalam bidang a-b (~ab)lebih besar daripada panjangkoherensi normal (~J Hal ini dilakukan karena

kebergantungan parameter tersebut sangat menentukanbentuk aplikasinya [3-5].

Dalam penelitian yang telah dilakukan [1],terdapatdunmasalah dalamproses CVD superkonduktoroksida yang telah berhasil diatasi. Pertama, bahwadeposisisuperkonduktoroksidadenganmetode MOCVDyang menggunakan somber material padatanmenghasilkan komposisi film yang kurang mantap (nonreproducible). Hal ini diakibatkan oleh perubahan yangterjadi pada daerah permukaan dari somber materialpadatan selama proses deposisi [6-8]. Di samping itu,degradasi panas juga terjadi selama proses penguapanuntuk menghasilkan gas yang akan dialirkan ke dalamreaktor. Permasalahan tersebut dapat diatasi denganmenggunakan somber material cair yang memiliki suhuleleh lebih rendah daTipada somber material padatan.Dalam penelitian ini digunakan bahan THF(tetrahydrofuran) sebagai bahan pelarut [9].

Kedua, terjadinya pengendapan bahan di dalampipa sebelum sampai ke dalam bilik vakum, hal inidisebabkan jalur pipa yang panjang pada bagian luaran

HICi

Prosiding Pertemuan limiah limu Pengetahuan don Teknologi Bahan '99Serpong, 19 -10 Oktober 1999 ISSN /411-2213

bubbler. Untuk mengatasi masalah ini, masing-masingbubbler disediakan jalur pipa tersendiri langsung kedalam bilikvakum. Dengandemikiandapat menghindaripeneampurangas seeara prematur,dan akan lebihmudahmengontrollaju penguapan masing-masing bahan metalorganik,

H. Zamaet.al. [I] melaporkanbahwa filmYBCOyang ditumbuhkan dengan menggunakan pengoksidaNp pada temperatur 650 °C memiliki temperaturkritis 83 K dan pada temperatur penumbuhan 610°Cdengan temperatur kritis 15K.

Pada tulisan ini akan dibahas basil peraneanganperalatan MOCVD untuk penumbuhan filmtipis YBCOpada temperatur rendah dengan menggunakan bahanpengoksida O2, Telah ditumbuhkan film tipis padaberbagai variasi kondisi suplai laju bahan prekursor dantemperatur substrat. Hubungan antara kondisi deposisidan struktur film, kondisi annealing dan morfologipermukaanjuga dipelajaridalam penelitian ini.

EKSPERIMEN

Gambar I menunjukkan bagan peralataneksperimenMOCVDvertikaluntukpenumbuhanfilmtipisYBCO dengan menggunakan gas pengoksida O2danbahan metal organik Y [TMHD]3'Ba [TMHD]2'dan Cu[TMHD]2'Bilikvakum (reactorchamber)menggunakanbahan SS 306 vertikal, dengan diameter 5 inch danpanjang40 em yangdilengkapidengansistem pendingin,di mana bagian temperatur substrat lebih tinggi daripadatemperatur dinding reaktor. Temperatur bahan metalorganik, tabung pentransfer gas (bubbler), jalur pipapensuplai gas, dan substrat holder dikontrol seearaterpisah dengan menggunakan sensor pengontroltemperatur.Padastudi ini,digunakansubstratMgO(100),

Untuk mengamati strukturkristalpada bahan filmtipis basil deposisi dilakukan pengukuran XRD (X-raydiffraction)di laboratoriumfisikazat padatJurusanFisika

Lbt~ o'

h~lIIing

TIIp~

-------

N~~dkVIII".

CtqHJdtMcon ~....

~Pr«UrJtI.sVllptlrlsns

Gambar 1. Skema diagram sistem peralatan MOCVDvertikal hasil rancang bangun di Laboratorium FismatelJurusan Fisika ITB

ITB. Komposisibahanyang terdeposisidianalisa denganmenggunakan pengukuran EDS (energy dispersiveX-ray spectrometer). Morfologi permukaan bahandiamati dengan menggunakan basil pengukuran SEM(scanning electron microscope) di laboratoriumMetalorgiJurusanTeknikMesin ITB. Untuk mengetahuilaju deposisi film tipis yang ditumbuhkan digunakanperalatan Dektak profilometer, sedangkan untukmengrtahui sifat listrik film basil deposisi dilakukanpengukuran dengan menggunakan metode empatprobe-de di laboratoriumFismatel Jurusan Fisika ITB.

HASIL DAN DISKUSI

Kondisi deposisi dan struktur krista' film

Parameter deposisi yang digunakan pada prosespenumbuhan film tipis YBCO dengan menggunakanmetode MOCVD adalah temperatur penguapan bahan

Tabe/I. Kondisi deposisi film tipis YBCO yang ditumbuhkan dengan metodeMOCVD vertikal

Sampel: (a) (b) (c)Temperatur penguapan bahan: (tetrahydrofuran) + :

Y(DPM)3 140C 140C 140CBa(DPM)2 240C 240C 240 C

Cu(DPM)2 l30C l30C l30CLaju aliran gas (Argon) :

Y(DPM)3 100sccm 100sccm 150sccmBa(DPM)2 250sccm 250sccm 250sccmCu(DPM)2 150sccm I50scern 1O0sccm

Laju aliran O2 : 175sccm 175sccm 190sccmTemperatur substrat.: 630C 630C 650CLama deposisi: 1,5 h 1,5 h 1,5 hTekanan reaktor: 1,6 Torr 1,7 Torr 2,0 TorrTebal film: 274 nm 278 nm 362 nmTa: 550C 500C 550CLama annealing: 30min 60 min 2jam

Penumbuhan Film Tipis YBaCuO dengan Metode MOCVD Vertikal don Karakterisasinya (Eko H. Sujiono)

metal organik, laju alirangas pembawa (seem = standartcentimeter cubic per minute), laju aliran daDtekananbahan pengoksida, tekanan total reaktor (bilik vakum)daDtemperatur substrat (1',),serta temperatur annealing.Pactapenelitian ini parameter deposisi yang divariasikanmasing-masing adalah laju aliran gas pembawa bahanmetal organik, temperatur substrat daD temperaturannealing.

Pada studi iniuntuk menghasilkanstrukturYBCOfase-123 dipelajari terlebih dahulu perilaku temperaturpenguapan bahandengan menentukantitik lelehmasing-masing bahan metal organik yang digunakan yaitu Y(TMHD)3' Ba (TMHD)2' clan Cu (TMHD)2 denganmempertimbangkanbasil dataDTA (differentialthermalanalysis). Dari data tersebut telah dilakukan deposisidengan menggunakan temperatur penguapan masing-rnasing untuk bahan metal organik Y (TMHD)3' Ba(TMHD)2' clan Cu (TMHD)2 dipertahankan pactatemperatur 170°C,260 °Cclan160°C.Namun filmtipisYBCO yang dihasilkankurang baik dengan laju deposisiyang masih sangat rendah sekitar 5,28A/menit.Selanjutnya berdasarkan basil studi sifat spektroskopirase gas bahan prekursor ditentukan temperaturpenguapan untuk bahan metal organik yang digunakanseperti pada Tabel I, di mana laju aliran gas pensuplai(argon) dibuat konstan [10].

Gambar2memperlihatkanvolaspektrumXRDfilmtipisYBCOyangditumbuhkandi atassubstratMgO(l00)dengan variasi temperatur annealing 550 °Cclan500 °Cpacta Tsub= 630 °C. Nampak fase-I23 telah teramatimeskipun masih didominasi oleh adanya rase impuritasY2Cu20 5serta rase yang tak teridentifikasi. Demikian pulabahwa perbedaan temperatur annealing sekitar 50 °Ctidak menyebabkan terjadinya perubahan yang berarti,baik pactaintensitas difraksi maupun FWHM (full widthof half maximum).

Hal di atas sangat berbeda dengan basil volaspektrumXRDyangditunjukkanpactaGambar3,di manakenaikan temperatur deposisidari 630 °Cmenjadi 650 °Cmenyebabkan peningkatan intensitas difraksi YBCOfase-123baik yangberorientasipacta(DOl)maupun (hOD)clan terjadi penurunan FWHM. Hal tersebut bersesuaiandengan hasil data SEM pacta permukaan sampel sepertiditunjukkan pactaGambar 5 (a)-(c), nampak bahwa ukuranbutir Gambar 5 (a) clan 5 (b) relatifsama, tetapi sangatberbeda dengan morfologi permukaan Gambar 5 (c).

SiCat listrik

Hasil karakterisasi sifat listrik pactasampel yangditumbuhkan pacta temperatur substrat 650 °C, clandipertahankan pacta temperatur annealing 550 °C pactalingkungan gas O2 menunjukkan adanya transisisuperkonduktif.Temperaturkritissuperkonduktifteramatipacta sampel dengan morfologi permukaan sepertiditunjukkan pacta Gambar 5 (c), Tc.onset= 89,6 K,Tc.zero= 78,6 K, namun gejala superkonduktivitas tidakteramatipada sampelsepertiGambar5 (a)dan5 (b).Tetapi

v 111IV>(100)

:;1Jj

I

.

2 Thfta [deg]

Gombar 2. Pols XRD film YBCO yang ditumbuhkan diatas substrat MgO (100) pads tempenitur T,ub= 630 "C,untuk variasi temperatur annealing (a) 550 "C, dan(b) 500 "C. Temperatur penguapan untuk bahanY (TMHD)" Ba (TMHD)2' dan Cu (TMHD)2 masing-masing pads 130 "C, 240 "C dan 140 "C ; laju aliran gaspembawa 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

11

11

2 Theta (deg]

Gombar 3. Pols XRD film YBCO yang ditumbuhkan diatas substrat MgO (100) pads variasi temperatur T'Uba) 650 "C dan b) 630 "C, untuk temperatur annealing550 "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 IIK, menunjukkan adanya komposisi clemen bahan yangtidak homogensepertidiperlihatkanpactadatabasil EDS,sedangkan data SEM memperlihatkan sampel yangdianalisismemilikimorfologipermukaanyangkurangratanamun dengan ukuran butir yang relatifhomogen.

Selain itu, dari data basil spektrum XRDmenunjukkan adanya puncak-puncak YBCO fase-I23dengan orientasi penumbuhan pacta sumbu-a. Hal iniberbeda dengan data spektrum XRD yang ditunjukkanpadaGambar 2 (a)clan2 (b) yang manamasih didominasidengan rase impuritasclanraseyang tidak teridentifikasi.

Prosiding Pertemuan /lmiah /lmu Pengetahuan dun Teknologi Bahan '99Serpong, /9 -20 Oktober /999 /SSN /41/-22/3

---0.004

0.0035

E 0.003

! 0.0025

19 0.002~ 0.00151;;ii 0.001& 0.00)5

0.0.00)5

00

-.----

- ----.--

n_. -----

00 100 120

Temperalw (I<)

140

Gambar 4. Kurva resistivitas terhadap temperatur untuk

sam pel film tip is YBCO pacta Gambar 5.(c) yangditumbuhkan di alas substrat MgO (100). Kondisi deposisi

diperlihatkan seperti pacta Tabel I

Gambar 5. Morfologi permukaan sampel film tipisYBCO (a) - (c) hasH karakterisasi SEM pacta ondisiparameter deposisi seperti pacta label 1.

HIS!

100

Morfologi permukaan daD komposisi bahan

Gambar 5 (a) - 5 (c) menunjukkan morfologipermukaan sampel yang dianalisis. Dan basil karakterisasiSEM pacta permukaan bahan memperlihatkan bahwaterdapat keseragaman struktur bahan, meskipun denganmorfol')gi permukaan yang kurang rata namun memilikiukuran butir yang relatifhomogen.

Sampel padaGambar 5 (a), 5 (b) daD5 (c) film tipisYBCO masing-masing memiliki ketebalan 274 om, 278 nmdaD 362 om. Jugaditunjukkan padaGambar6 (a) -6 (c),pol a spektrum basil karakterisasi EDS. Dari pola ininampak bahwa terdapat bagian sampel bahan YBCO yangdihasilkan, yaitu pacta daerah (d), (e) daD (t) seperti pactaGambar 5 (a) daD 5 (b), dengan komposisi elemen bahanyang masih kekurangan unsur Y daD Ba, tetapi berlebih

oM ..., T.""."",~.. ,..IT u.. .,..

-- a...,.. TC:'"'-.. 0."""a

.. . .....'1'

..L

coo >.GO..- , ..- - .....

IN"". Tl1".. ~.."'"'"',......."'" I.Rc<to"

~.---...

_:!\'Pel"'" ~""G.,.

~I,"

II0;

i

I .

c...r

.....~

,~..oo ,... ..OO7." ...0 ....

;'...,,8.0 111"..0 ""-,...~.. L..."..

"""-"'TD ~z,..........

n"..."....

c

.::, .ii, 'i .

I

.: ...l.

~r. ",.,;'I~ 2.""'"

'"

crt<I.'1

Il i1:"" to - !

..oo ..oo ;

SoL."'-

Gambar 6. Spektrum hasH EDS pacta pennukaan sampelfilm tipis YBCO Gambar 5(a) dan 5 (b) hasH rekamandata pacta daerah persegi (d) - (t) dengan komposisi atomikbahan seperti pacta Tabel II di alas. a) hasH spektrum EDSpacta 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 perbandinganY: Ba:Cu = 1 :2 :3, sepertipada Tabel2. Sedangkandaribasil spektrumXRD nampakbahwaselain menghasilkankomposisi YBCO fase-123juga terdapat rase impuritas(Y2Cu20 s)daDbersifatnon superkonduktif.Hal tersebutditunjukkan dengan tidak adanya transisi orde kedua(dari keadaan normal ke keadaan superkonduktor) padasampel dengan morfologi permukaan seperti nampakpada Gambar 5 (a) daD5 (b).

Tabe/ 2. Komposisi atomik daTi hasH analisis EDS, masing-masing pada daerah sampel seperti Gambar 5 (a) dan 5 (b)

KESIMPULAN

Telah berhasil dirancang bang un peralatanMOCVDvertikaldaDdigunakanuntukpenumbuhanfilmtipis YBCOdengan pengoksidaO2pada berbagaikondisiparameter deposisi.

Berdasarkan basil karakterisasi XRD yang telahdilakukan menunjukkan bahwa film yang ditumbuhkanpada temperatur 650 °C terorientasi kuat pada sumbu-cdaD relatif lemah pada sumbu-a tegak lurus padapermukaan subtrat MgO (100). Dari analisis SEMmenunjukkanbahwamorfologipermukaanfilmtipisyangdihasilkan memiliki ukuran butir yang relatifhomogenmeskipun basil rekaman data EDS terdapat bagian yangberlebih unsur-Cu. Transisi superkol).duktifdihasilkanpada film dengan annealing pada temperatur 550 °Cdalam lingkungan gas oksigen, dengan lebar transisiyangrelatifbesarsekitar 11K. Halinimenunjukkanmasihberagamnya rase yang terbentuk pada sampel film tipisyang dikarakterisasi.

UCAPANTERIMA KASIH

Penelitian ini terealisasi alas dukungan dana dariproyek Center Grant URGE Laboratorium fismateldengan no. kontrak: 008/CG/Ill/URGE/1997 daDrisetunggulan 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

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