Pendeposisian Besi pada Subtrat Alumunium dengan Metode Sputtering Terhadap Variasi Suhu

## H. Saputro
Program Studi Pendidikan Fisika Universitas Sarjanawiya Tamansiswa Yogyakarta, Jl. Batikan UH III/1043
* E-mail : hansputra13@yahoo.com

## Abstract
The sample was a sputtered iron by aluminium substrate at variations of 60 o C to 180 o C with 3 hours of deposition time. The research result showed that some colour changing those partially golden yellow mix with red, blue and some of the grey. Micro-hardness was tested using MXT70 model and showed that the maximum hardness level at the temperature of 100 o C is 113%. However, at temperature 180 o C the hardness level decreased. The resistivity and conductivity were determined by four points probe method. It was known that the resistivity decreases up to (66 ± 3) x 10 -5 Ω/m and the conductivity increases (147 ± 65) (Ω/m) -1 at temperature 180 o C and they tended to be linear and it has been the best measurement result.
Keywords : sputtering, aluminum, hardness, resistivity, conductivity.

## Abstrak
Sampel  berupa  besi  yang  disputter  dengan  subtrat  aluminium  pada  variasi    60 o C  sampai 180 o C  dengan  deposisi  waktu  3  jam.  Hasil  penelitian  menunjukkan  adanya  perubahan warna yaitu sebagian kuning keemasan bercampur merah, biru, dan sebagian lagi berwarna keabu-abuan. Uji kekerasan mikro dengan model MXT70, menunjukan tingkat  kekerasan maksimum  pada  suhu  100 o C  adalah  113%.  Namun  untuk  suhu  180 o C  mengalami penurunan  tingkat  kekerasan.  Penentuan  resistivitas  atau  konduktivitas  dengan  metode probe empat titik. Diketahui bahwa terjadi penurunan resitivitas ρ sebesar (66 ± 3) x 10 -5 Ω/m  atau  kenaikan  konduktivitas σ sebesar  (147  ±  65)  (Ω/m) -1 pada  suhu  180 o C  yang cenderung linier dan ini merupakan pengukuran terbaik.
Kata Kunci: sputtering, aluminium, kekerasan, resistivitas, konduktivitas.

## 1. Pendahuluan
Karakteristik  suatu  bahan  dapat  ditinjau  dari  sifat  fisisnya  diantaranya  kekerasan,  resistivitas, konduktifitas, porositas bahan tersebut. Untuk substrat bahan jenis logam mempunyai sifat ketahanan terhadap  deformasi  yaitu  deformasi  plastic  atau  deformasi  permanen.  Sifat  tersebut  selanjutnya disebut sebagai kekerasan suatu bahan, antara lain kekerasan goresan ( scratch hardness ), kekerasan lekukan ( identation hardness ) dan kekerasan pantulan ( rebound ).
Bahan yang mempunyai sifat unggul diantaranya lapisan tipis. Aplikasi lapisan tipis di bidang mekanika bertujuan untuk meningkatkan kekerasan ( hardness ), ketahanan terhadap keausan dan anti korosi.  Dalam  pembuatan  lapisan  tipis  terdapat  sejumlah  metode  yang  telah  dikembangkan  hingga saat ini yaitu implantasi ion, penyulutan ion ( surface coating ) serta sputtering [3]. Penggunaan  metode sputtering untuk  pendeposisian  akan  mudah  menghasilkan  lapisan  tipis dari bahan yang mempunyai titik leleh tinggi 1345 0 C dan lapisan yang terbentuk akan mempunyai komposisi  yang  serupa  dengan  bahan  pelapis  [1].  Dan  agak  sulit  jika  dibentuk  dengan  metode implantasi  ion,  penyulutan  ion  ( surface  coating ).  Disamping  itu  pada  metode sputtering dapat divariasi waktu, tekanan, dan suhu.
http://journal2.um.ac.id/index.php/jpse EISSN: 2541-2485
Received
4 November 2016
Revised 27 December 2016
Accepted for Publication 31 December 2016
Published
31 December 2016

## JPSE
(Journal of Physical Science and Engineering)
Untuk  bahan  logam  hanya  kekerasan  goresan  lekukan  yang  banyak  dipakai  karena  tidak merusak  bahan.  Angka  kekerasan knoop (KHN)  menunjukkan  nilai  beban  dibagi  luas  proyeksi lekukan yang tidak akan kembali ke bentuk semula persamaan 1.
2 KHN P L C  , (1)
dengan P adalah  bahan  yang  diterapkan ,  L  adalah panjang  diagonal  dan C adalah  konstanta penumbuk.
Pada Penentuan konduktivitas listrik bahan, pengukuran yang digunakan bersifat tidak merusak bahan, cepat dan efisien. Pengukuran resistivitas bahan tersebut menggunakan Metode Probe empat titik Gambar 1. Secara umum dirumuskan seperti dalam konsep konfigurasi Wenner [4]
V K I    , (2)
dengan K adalah faktor    geometri, I  adalah arus  mengalir  antara  probe  bagian  luar  dan V  adalah tegangan terukur antara probe bagian dalam.
Resistansi ( R s ) probe bentuk garis untuk arus yang mengalir paralel dengan permukaan dapat dinyatakan dengan persamaan 3 [2], yaitu
s V R ln 2 I         (3)
Jika  ketebalan  batuan  ( x )  terhadap  jarak  probe  ( s )  mempunyai  perbandingan  ( x/s )  kurang  dari  0,4 maka resistivitasnya dinyatakan dengan
4,5324 s V R x x I
      (4)
Jadi, jika pengukuran resistivitas suatu bahan dengan menggunakan probe elektrik empat titik, maka harus  dikoreksi  dengan  faktor  koreksi  sebesar  4,5324  [5].  Pada  penelitian  sebelumnya  diketahui terjadi penurunan yang lebih tajam untuk lapisan S i N yang dihasilkan melalui proses sputtering pada tekanan 9,5.10 -2 torr, yaitu menjadi sebesar 0,59 mpy [6].
Pada penelitian terdahulu juga dikatakan bahwa parameter suhu terkait dengan bahan substrat mempengaruhi struktur lapisan [7].  Prinsip dasar pada teknologi lapisan tipis, matalurgi plasa yaitu pembuatan  sumber  ion  berkecepatan  tinggi  yang  akan  berinteraksi  dengan  materi  yang  akan mengalami suatu perlakukan dan jika gas atau serbuk dimasukan diantara dua elektroda dalam ruang vakum maka ion positif akan terdorong ke depan dengan kecepatan tinggi sehingga terbentuk plasma.

## 2. Metode Penelitian
Dalam penelitian ini akan digunakan metode sputtering untuk mendeposisian lapisan tipis besi pada subtrat alumunium terhadap variasi suhu pada interval 60 o C sampai 180 o C  dan waktu deposisi 3 jam. Pendeposisian dengan metode tersebut ditunjukkan pada Gambar 1.
Pada  alat  Gambar  2  terlebih  dahulu  dilakukan  setting  alat  yaitu  menggunakan  tekanan  6.10 -2 torr,  arus  ( I )  13,8  mA,  tegangan  ( V )  1200  V  dan  waktu  deposisi  3  jam.  Selanjutnya  dilakukan  Uji Kekerasan Mikro persamaan 1 dan uji resistivitas atau konduktivitas keeping persamaan 3 dan 4.
Gambar 1. Metode probe elektrik empat titik [8]

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pendeposisian  lapisan tipis  besi  pada  permukaan  subtrat  alumunium  melalui  proses sputtering akan mempengaruhi  perubahan  nilai  kekerasan,  resistivitas,  dan  konduktivitas  bahan.  Terlihat,  bahwa subtrat  alumunium  yang  telah  dideposisi  mengalami  perubahan  warna  sebagian  kuning  keemasan, bercampur merah, hijau, biru, dan sebagian lagi berwarna keabu-abuan. Sedangkan subtrat aluminium masih  bersih  berwarna  metalik.  Penentuan  nilai  kekerasan  dan  resistivitas  jenis  untuk  variasi  suhu dengan  tekanan  6.10 -2 Torr,  arus  (I)  13.8  mA,  tegangan  (V)  155.10 8 V  dan  waktu  deposisi  3  jam seperti ditunjukan pada tabel 1.

## 3.1 Uji Kekerasan
Pada  Gambar  3  terlihat  terjadi  peningkatan  nilai  kekerasan  yang  bervariasi  yaitu  tingkat  kekerasan maksimum  terjadi  pada  subtrat  yang  dideposisi  pada  suhu  100 o C,  dengan  nilai  227  grf/μm 2 , peningkatanya 112 %. Pengukuran ini merupakan pengukuran yang terbaik. Terlihat juga pada suhu 180 o C,  terjadi  penurunan  nilai  kekerasan  menjadi  99  grf/μm 2 dengan  tingkat  kekerasan  -7  %  yang relatif kecil dibandingkan dengan nilai kekerasan 107 grf/μm 2 .

## 3.2 Uji Resistivitas atau Konduktivitas
Pada  Gambar  3  dan  4,  terlihat  peningkatan  nilai  konduktivitas  maksimum  yang  terjadi  pada  suhu 180 o C dengan nilai 1471 (Ω/m) -1 dan pada kondisi inilah pengukuran resistivitas jenis/ konduktivitas optimal. Gambar 4 juga menunjukkan grafik konduktivitas terhadap suhu  cenderung linier.
Gambar 2. Skema pendeposisian lapisan tipis dengan metode sputtering
Tabel 1. Data hasil uji kekerasan dan resistivitas untuk variasi suhu
No Cuplikan T ( 0 C) KHN ± S KHN (grf/µm 2 ) %KHN ρ ± S ρ x 10 -5 (Ω/m)
Ω ± S Ω (Ω) 1 A* 27 107 ± 2 - 397 ± 4 252±10 2 B 60 180 ± 5 68 277 ± 6 361±08 3 D 80 204 ± 5 91 181 ± 4 552±12 4 E 100 227 ± 2 112 164 ± 4 609±11 5 F 120 170 ± 4 59 143 ± 4 699±20 6 G 140 156 ± 6 46 134 ± 3 763±18 7 H 160 132 ± 5 23 104 ± 5 962±46 8 I 180 99 ± 6 7 68 ± 3 1471±65
Gambar 3. Grafik resistivitas subtrat alumunium terhadap variasi suhu
Gambar 4. Grafik konduktivias subtrat alumunium pada variasi suhu

## 4. Kesimpulan dan Saran
Pendeposisian  besi  pada  subtrat  aluminium  dengan  metode sputtering terhadap  variasi  suhu mengalami penurunan kekerasan pada suhu 180 o C  sedangkan nilai resistivitas mengalami penurunan atau konduktivitas mengalami peningkatan dengan grafik cenderung linier.

## Ucapan Terima Kasih
Penelitian ini dilakukan di BATAN, oleh karena itu penulis mengucapkan banyak terimakasih kepada pihak tersebut atas kepercayaannya.

## Daftar Rujukan
[1] M. Konuma (1992). Film Deposition, by Plasma Techniques , Springer-Veriag . Berlin.
[2] Na Peng Bo (1995). Penelitian dan Penerapan Teknologi  Lapisan Tipis Yang Di Buat Dengan PVD Untuk Pembangunan. Jurusan Fisika FMIPA Universtas Indonesia. Jakarta.
[3] M. Ohring (1992). The Materinal Science  Thin Films. Academic Press. New York.
[4] M.  Toifur  (2014).  Memahami  Resistivitas  Berbagai  Jenis  Probe  Arus-Tegangan. Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI . Jateng-DIY.
[5] Sudjadmoko, Darsono, Djasmin (1992). Fluks Neutron 14 MeV dari Generator Neutron sebagai Fungsi Arus Deutron. Prosiding Peresentasi dan Pertemuan Ilmiah .
[6] T.  Mardji,  A.  Elin,  N.  S.  Sahat  (2002).  Deposisi  Lapisan  Tipis  SiN  Menggunakan  Teknik Sputtering untuk Pelindung Korosi pada Logam Besi. Prosiding Pertemuan Ilmiah ..
[7] T. Wibowo, et al (2002). Pengaruh Parameter Sputtering terhadapn Perubahan Struktur Lapisan Tipis ZnO . Proceding P3TM, hal 166-171
[8] M. H. Looke (1999). Electrical Imaging Survey for Environemental and Engineering Studies, A Practical Guide to 2-D and 3-D Surveys . Malaysia: Penang