## PERSIAPAN FASILITAS DOPING SILIKON RSG-GAS
Suwarto
PRSG-BATAN

## ABSTRAK
“PERSIAPAN  FASILITAS  DOPING  SILOKON  RSG-GAS” Fasilitas  doping  silikon  di  reaktor RSG-GAS  belum  dapat  digunakan  untuk  iradiasi  target  silikon  sesuai  standar.  Oleh  sebab  itu  RSG- GAS  sedang  melakukan  persiapan  fasilitas  tersebut  dengan  harapan  dapat  melayani  iradiasi  target silikon  sebagai  bahan  semi  konduktor  yang  sesuai  standar.  Sebagai  rujukan  yaitu  fasilitas  doping silikon  di  reaktor  FRM  II,  Munich,  Jerman  yang  telah  mampu  menghasilkan  bahan  semi  konduktor sebanyak  10  ton  semenjak  tahun  2008.  Persiapan  yang  dilakukan  antara  lain  untuk  mendapatkan informasi  tentang  persyaratan  sebuah  fasilitas  doping  silikon  agar  dapat  menghasilkan  bahan  semi konduktor yang berkualitas. Informasi diperoleh dengan mempelajari langsung kegiatan iradiasi target silikon  di  FRM  II.  Hasil  pengamatan  menyimpulkan  bahwa  fasilitas  doping  silikon  RSG-GAS memungkinkan  untuk  melayani  iradiasi  silikon  dengan  syarat  posisi  iradiasi  fasilitas  memiliki penyimpangan  distribusi  fluks  netron  arah  aksial  <  5  %  dan  arah  radial  <  3  %,    sistem  pengendali putaran  target,  peta  posisi  profil  distribusi  fluks  netron  sebagai  fungsi  posisi  batang  kendali  reaktor dan memiliki alat ukur resistivitas.
Kata kunci : Penyiapan fasilitas doping S i

## ABSTRACT
" PREPARATION OF RSG-GAS SILOCON DOPING FACILITY " Silicon doping facility at RSG-GAS has  not  been  able  to  irradiate  silicon  target  according  to  standard  yet.  Therefore  RSG-GAS  is preparing  the  facility  in  the  hope  that  it  can  serve  S i target  irradiation  for  semiconductor  materials according to standard. As a reference is silicon doping facility at reactor FRM II, Munich , Germany which  has  produced  semiconductor  materials  of  10  tons  since  2008.  The  preparations  were  done among  other  things  to  get  information  about  requirements  of  a  silicon  doping  facility  in  order  to produce  semiconductor  materials  which  has  a  certain  quality.  The  information  were  obtained  by observation  of  S i irradiation  activity  at  FRM  II.  The  observation  results  concluded  that  RSG-GAS silicon doping facility enable to serve the S i irradiation with requirements that irradiation position of the  facility  has  deviation  of  neutron  flux  distribution  in  the  axial  <  5  %  and  radial  <  3  %,  control system  of  target  rotation,  profile  positions  of  neutron  flux  distribution  as  a  function  of  control  rods positions and availability of resistivity measuring device.
Keywords : Preparation of Si doping facility

## PENDAHULUAN
Hingga  saat  ini  fasilitas  doping  silikon yang  terpasang  pada  Reaktor  Serba  Guna  G.A. Siwabessy  (RSG-GAS)  di  Pusat  Reaktor  Serba Guna  (PRSG)  belum  berhasil  memproduksi bahan  semi  konduktor  sesuai  standar.  Bahan semi konduktor tersebut diperoleh melalui proses iradiasi  target  Silikon  (S i )  pada  fasilitas  doping silikon.  Oleh  sebab  itu  PRSG  berkehendak memperbaiki fasilitas tersebut agar bisa memenuhi  layanan  iradiasi  target  S i sesuai standar.  Sebelum  melakukan  perbaikan  fasilitas tersebut diperlukan informasi tentang persyaratan fasilitas untuk memproduksi bahan semi konduktor  yang  berkualitas.  Informasi  terkait persyaratan  tersebut  diperoleh  dari  fasilitas doping  silikon  di  reaktor  FRM  II,  Munich, Jerman yang telah terbukti mampu menghasilkan bahan  semi  konduktor  tipe  n  sebanyak  10  ton semenjak  tahun  2008,  dan  sebuah  perusahaan dari  Jepang  sebagai  pengguna  jasa  (customer). Persyaratan  yang  dimaksud  adalah  untuk menyiapkan informasi tentang persyaratan sebuah fasilitas doping silikon PRSG dimaksudkan untuk menyiapkan informasi tentang  persyaratan  sebuah  fasilitas  doping silikon  agar  dapat  menghasilkan  bahan  semi konduktor  yang  dapat  diterima  oleh  pasar  atau berkualitas.
FRM merupakan singkatan dari Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-
Leibnitz.  FRM  II  merupakan  kelanjutan  dari reaktor  FRM  I  yang  sudah  tidak  dioperasikan lagi.  Lokasi  FRM  II  berada  di  lingkungan Universitas  Teknik  Muenchen  (Technische Universitaet Muenchen).
FRM  II  adalah  reaktor  riset  dengan  daya termal  20  MW  menggunakan  moderator  air berat, memiliki teras yang hanya terdiri dari satu elemen bakar, berbentuk  silinder berdiameter 24 cm dan tinggi 70 cm, mengandung 8 kg uranium pengayaan  tinggi  dalam  bentuk  U 3 Si 2 ,  yang mencukupi untuk perioda operasi selama 60 hari. Elemen  bakar  tersebut  diletakkan  di  dalam
sebuah  tangki  air  berat  (D 2 O)  yang  memiliki diameter  dalam  2,5  m.  Tangki  D 2 O  berada  di dalam  kolam  air  ringan  (H 2 O)  sehingga  ujung bagian  atas  tangki  D 2 O  berada  pada  kedalaman kolam  6,8  m.  Fasilitas  doping  silikon  berupa tabung/kanal  berada  di  dalam  tangki  D 2 O  tetapi bagian  dalam  kanal  berisi  H 2 O.  Ukuran  silicon (ingot) meliputi diameter 127 mm dan tinggi 200 mm dan untuk sekali iradiasi dipasang 2 ingot.
Informasi  tentang  persyaratan  fasilitas doping  S i diperoleh  melalui  diskusi  dan pengamatan kegiatan iradiasi target S i di FRM II yang  meliputi  penanganan  persiapan  iradiasi, proses  selama  iradiasi  dan  penanganan  pasca iradiasi.    Kegiatan  tersebut  berlangsung  selama 20 hari dari tanggal 18 Nopember sampai dengan 16 Desember 2013

## DESKRIPSI
Proses  iradiasi  Silikon  (S i )  di  dalam reaktor  didasarkan  pada  reaksi  nuklir  sebagai berikut;
𝑆 𝑖 30 (𝑛, 𝛾)𝑆 𝑖 31 → 𝑃 31 + 𝛽 − … … … … . … … . (1)
Penangkapan neutron oleh atom Si 30 akan merubah  atom  tersebut  menjadi  atom  Si 31 yang radioaktif dan mempunyai waktu paroh 2,62 jam. S i 31 meluruh  dengan  memancarkan  partikel bermuatan  negatif  (β - )  sehingga  S i 31 berubah menjadi  P 31 yang  stabil.  Keuntungan  utama  dari pendopingan  S i menggunakan  netron  atau disebut Neutron  Transmutation  Doping (NTD) dibandingkan  dengan  teknik  doping  Si  lainnya adalah  akurasi  dan  homogenitasnya  yang  tinggi. Untuk  tujuan  komersial,  kedua  persyaratan tersebut telah dipenuhi oleh kanal iradiasi silicon FRM II.
Kanal  iradiasi  silikon  tersebut  berupa tabung  AlMg3  vertikal  yang  terpasang  di  dalam tangki  D 2 O.  Melalui  eksperimen  yang  telah berlangsung  (kurang/lebih)  satu  tahun,  titik tengah kanal iradiasi fasilitas doping Si dipasang
pada  jarak  1  meter  dari  titik  tengah  elemen bakar. Sedangkan kanal iradiasi sendiri berisi air ringan  (H 2 O).  Pada  posisi  iradiasi  pada  kanal iradiasi  silicon  dilapisi  nikel  di  sekelilingnya. Sebagai  ilustrasi  kanal  iradiasi  silicon  dapat dilihat  pada  Gambar  1  dan  kegiatan  loading target S i ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 1. Skema posisi kanal iradiasi silikon
Besarnya fluks netron pada posisi iradiasi adalah  1,7x10 13 netron/cm 2 detik  dengan perbandingan antara fluks netron termal  dengan fluks  netron  cepat  mencapai  1700.  Suhu  dalam kanal  iradiasi  terpanas  adalah  80 0 C  sedangkan suhu pada ingot mencapai 140 0 C selama iradiasi berlangsung.
Parameter utama reaktor FRM II adalah :
Daya termal : 20 MW
Fluks netron : 8.10 14 n/cm 2 det Moderaor : D 2 O Pendingin
: Air ringan (H 2 O)
Elemen bakar  : Tinggi tabung 133 cm, diameter luar  tabung  24  cm,  tinggi  aktif 70  cm,  jumlah  berat      bahan bakar  8  kg  HEU  U 3 Si 2 alloy berada di dalam 113 plat bahan bakar.
Gambar 2. Loading target silicon (ingot)

## Pelaksanaan iradiasi.
Pelaksanaan  iradiasi  target  Si  dilakukan  melalui tahapan sebagai berikut :
1. Ingot Si yang baru langsung dimasukkan ke dalam gudang untuk pencatatan/identifikasi dan penyimpanan;
2. Menjelang  pelaksanaan  iradiasi,  ingot dipindahkan  dari  gudang  ke  dalam  gedung reaktor
3. Di  dalam  gedung  reaktor,  ingot  Si dibersihkan/dicuci menggunakan alkohol.
4. Ingot Si dimasukkan ke dalam rak ( loading basket ) di dalam storage pool menggunakan peralatan vakum;
5. Dari loading basket ingot Si dipindahkan ke dalam irradiation  basket menggunakan peralatan vakum;
6. Irradiation  basket yang  berisi  ingot  Si diangkut  menggunakan  batang  pemutar yang  terpasang  pada  jembatan  geser  ke kolam  reaktor  kemudian  diarahkan  dan  di masukkan ke dalam kanal iradiasi;
7. Setelah irradiation  basket mencapai  posisi irradiasi, motor batang pemutar dioperasikan  untuk  memutar irradiation basket dengan frekuensi 5 s. 7 putaran/menit;
8. Selama  iradiasi  berlangsung irradiation basket dikendalikan secara otomatis mengikuti  gerakan  profil  distribusi  fluks aksial  sebagai  dampak  dari  penarikan batang kendali, Iradiasi berlangsung selama 2 s.d 3 jam dengan daya reaktor 20 MW;
9. Alur  pergerakan  ingot  Si  menuju  posisi iradiasi ditunjukkan pada Gambar 3,
Gambar 3. Alur pergerakan Si dari gudang ke posisi iradiasi

## Pelaksanaan pembongkaran
Pelaksanaan  pembongkaran  target  Si  dilakukan melalui tahapan sebagai berikut;
1. Setelah  lama  iradiasi  yang  telah ditentukan  dicapai,  maka irradiation basket (Si)  bergerak  secara  otomatis  ke atas  setinggi  4  m  dari  posisi  iradiasi yang  disebut  sebagai  posisi  peluruhan (di  dalam  kanal  iradiasi).  Posisi  ini dipertahankan  selama  1  jam  untuk
meluruhkan  aktivitas  bahan irradiation basket (AlMg3);
2. Target  Si  dalam irradiation  basket dikeluarkan dari kanal iradiasi
kemudian  ditempatkan  di  dalam  rak  di dalam storage  pool .  Disini  target  Si didiamkan  selama  48  jam  untuk peluruhan aktivitasnya;
3. Target  Si  dikeluarkan  dari storage  pool
kemudian dilakukan pencucian menggunakan  mesin  ultrasonik  selama
20 s.d 30 menit;
4. Target  Si  dikeluarkan  dari  mesin  cuci ultrasonik  kemudian  dicuci  (direndam) dalam air selama 24 jam;
5. Dilakukan pengukuran kontaminan pada target Si;
6. Jika pengukuran pada no. 5 menghasilkan  aktivitas  permukaan  < 0,090  Bq/g  dan  kontaminan  <  0,900 Bq/cm 2 , maka dilanjutkan dengan pengepakan untuk dikirim ke customer;
Alur  pergerakan  ingot  Si  menuju  posisi pengiriman ditunjukkan pada Gambar 4,
Gambar 4. Alur pergerakan Si dari posisi iradiasi sampai ke pengiriman
Kualitas  hasil  doping  Si  oleh  FRM  II  dapat diterima  oleh    pihak  customer.  Informasi  resmi dari  yang  berwenang  di  FRM  II  menyatakan, bahwa  FRM  II  tidak  melakukan  pengukuran resistivitas  target  S i ,  baik  sebelum  maupun sesudah iradiasi.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Hasil
Dilihat  dari  sisi  keberhasilan  FRM  II  yang  telah sukses  melakukan  doping  silikon  maka  hal penting  yang  mendukung  keberhasilan  tersebut adalah :
1. Fasilitas  doping  silikon  FRM  II  berada  di dalam  moderator  netron  D 2 O  sehingga mampu menghasilkan cadmium ratio sampai 1700 yang berarti sangat didominasi oleh  fluks  netron  termal  (netron  termal diperlukan  untuk reaksi aktivasi atom-atom silikon)
2. Fasilitas doping silikon FRM II pada posisi iradiasinya  memiliki distribusi fluks netron yang hampir rata baik secara aksial maupun radial. Hal ini terbukti bahwa ketidakrataan resistivitas  target  aksial    <  5  %  dan  untuk arah radial < 3 %.
3. Fasilitas  doping  silkon  FRM  II  dilengkapi sistem  instrumentasi  dan  kendali  yang memungkinkan  target  selalu  berada  pada daerah/posisi  iradiasi  yang  selalu  berubah seiring  dengan burn-up bahan  bakar (penarikan batang kendali).
4. Sistem  instrumentasi  dan  kendali  tersebut selain mengatur posisi target juga mengendalikan  putaran  target  (jika  putaran terhenti  maka  target  diangkat  ke  posisi peluruhan/setinggi 4 m)
5. Pihak FRM II tidak melakukan pengukuran resistivitas  target  sebelum  maupun  setelah iradiasi
Kelima  faktor  di  atas  perlu  dipertimbangkan untuk  memfungsikan  fasilitas  doping  silikon  di RSG-GAS.  Penulis  berusaha  mengupas  kelima faktor  tesebut  dalam  kaitannya  dengan  fasilitas doping silkon di  RSG-GAS.

## Pembahasan
Nilai cadmium ratio sebesar 1700 hanya dimiliki oleh reaktor bermoderator D 2 O dan untuk reaktor
RSG-GAS (bermoderator air ringan) tentu sangat jauh  dari  nilai  tersebut  yaitu  ≈  20.  Berdasarkan persamaan  berikut,  hal  ini  tidak  menjadi persoalan  karena  hanya  akan  berpengaruh  pada lama iradiasi (t).
𝑡 = 𝐴 𝛷 ( 1 𝜌 𝐸 − 1 𝜌 𝐴 ) … … … … … … … … (2)
Keterangan : 𝑡 = Lama iradiasi (jam) A = Konstanta iradiasi (Ω.cm -1 .n) 𝛷
= Fluks netron (n.cm -2 .det -1 )
𝜌 𝐸 = Resistivitas setelah iradiasi (Ω.cm) 𝜌 𝐴 = Resistivitas sebelum iradiasi (Ω.cm) Namun demikian disarankan agar diusahakan sedapat mungkin untuk memperkecil jumlah  netron  cepat  pada  posisi  iradiasi  karena netron  cepat  akan  merusak  susunan  kristal  Si [3] . Untuk  mengurangi  jumlah  netron  cepat  di fasilitas  doping  S i reaktor  RSG-GAS  bisa dilakukan  dengan  cara  menjauhkan  posisi iradiasi  dari  teras  reaktor.  Kalau  hal  ini  tidak memungkinkan  maka  setelah  target  diiradiasi kemudian  dipanaskan  untuk    memperbaiki susunan kristal yang rusak.
Untuk mengetahui rata tidaknya distribusi fluks  netron  pada  posisi  iradiasi  perlu  dilakukan pemetaan  fluks  netron  secara  aksial  dan  radial. Hal  ini  merupakan  salah  satu  faktor  yang menentukan  keberhasilan  proses doping dan secara operasional mudah untuk dilakukan.
Perihal  sistem  instrumentasi  dan  kendali fasilitas doping silikon, PRSG dapat melakukannya  dengan  data  awal  yang  harus duketahui,  yaitu  posisi  tengah  (sentral)  profil distribusi  fluks    pada  awal  siklus  operasi  secara bertahap  sampai  akhir  siklus  operasi.  Sebagai parameter  masukan  sistem  kendali  diperlukan adanya detektor netron yang terpasang permanen pada  sentral  profil  distribusi  fluks  netron. Dengan  adanya  masukan  dari  detektor  ini, memungkinkan  sistem  kendali  menggerakkan
target  (ke  atas  atau  ke  bawah)  mengikuti  sentral profil  distribusi  fluks  aksial.    Selain  detektor netron,  diperlukan  juga  parameter  putaran  target sebagai  masukan  sistem  kendali  untuk  bertindak mengangkat  target  sehingga  cukup  jauh  dari posisi iradiasi apabila putaran target terhenti.
Pengukuran  resistivitas  target  S i sebelum dan  sesudah  iradiasi  untuk  reaktor  RSG-GAS diperlukan  karena  hal  ini  penting  untuk mengetahui    kesiapan  fasilitas  doping  Si  dalam menurunkan resistivitas. Berbeda dengan FRM II yang  memang  sudah  operasional  namun  masih memerlukan  informasi  dari  pemesan  tentang nilai  resistivitas  awal  dan  akhir.  Sebagai  contoh (diperoleh  dari  informasi  lapangan)  resistivitas awal = 1000 Ω cm dan resistivitas akhir = 50 Ω cm.

## KESIMPULAN
Untuk  menyiapkan  fasilitas  doping  silikon  di PRSG  diperlukan  langkah-langkah  sebagai berikut :
1) Melakukan  pengaturan  posisi/jarak  fasilitas Si  doping  terhadap  teras  reaktor  diikuti pengukuran  distribusi  fluks  netron  aksial dan  radial  pada  posisi  iradiasi  merupakan hal  yang  sangat  menentukan  kualitas, sehingga  penyimpangan  homogenitasnya  < 5%  untuk  arah  aksial  dan  <3%  untuk  arah radial;
2) Menyediakan  sistem  kendali  putaran  target sehingga apabila putaran target terhenti ada tindakan  otomatis  yang  menjauhkan  target dari posisi iradiasinya;
3) Melakukan pemetaan posisi profil distribusi fluks  netron  sebagai  fungsi  posisi  batang kendali  reaktor  selama  siklus  operasi reaktor;
4) Menyediakan  alat  ukur  resistivitas  untuk mengetahui sejauh mana penurunan resistivitas target setelah diiradiasi.

## DAFTAR PUSTAKA
1) H. GEERSTENBERG, X. LI, I. NEUHAUS,  “Silicon  Doping  At  FRM  II”, TU  Muenchen,  Forschungsneutronenquelle HHeinz Maier-Leibnitz (FRM II), Lichtenbergstrasse  1,  D-85747,  Garching  – Germany, 2013. 2) ANONIM,  “Experimental  Facilities  Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ)”, Sponsored by: Federal Ministry of Education and Research, Germany, February 21, 2013. 3) IAEA-TECDOC-456, “Silicon
Transmutation  Doping  Techniques  And
Practices”,  A  Technical  Document  Issued
By  The  International  Atomic  Energy Agency, Vienna, 1988.