Fabrikasi LapisanTipis CulnS] Menggunakan Metoda Reactive Sputtering (Mohammad Mustafa Sarinanto)

FABRIKASI LAPISAN TIPIS CuInS2 MENGGUNAKANMETODA REACTIVE SPUTTERING

Mohammad Mustafa SarinantoDirektorat Teknologi Informasi dan Elektronika BPPT

Gd II BPP1; Lt.21. JI.M.H.Thamrin no. 8 JakartaPusat 10340

ABSTRAK

FABRIKASI LAPISAN TIPIS CuInSz MENGGUNAKAN METODA REACTIVE SPUTTERING.Lapisan tipis CuInS2 telah dipreparasi di atas Pyrex slide glass dengan menggunakan metoda reactive sputtering,dengan temperatur substrat 200-350°C dimana sebagai gas pereaksi digunakan CS2, Kecepatan pertumbuhannyaadalah 0,5 -I J,lm/jam, Film krista! yang diperoleh mempunyai orientasi (1 12) sejajar dengan substrat,

Kata kunci : CuInS2, reactive sputtering, difraksi sinar-x

ABSTRACTF ABRICA TION OF CuInS} THIN FILMS BY THE REACTIVE SPUTTERING METHOD. CulnS} thin

films have been prepared on Pyrex slide glass by the reactive sputtering method using CSz as a reactive gas at asubstrate temperature of 200-350°C by controlling the CSz partial pressure. Sputtering for 2 hours yields thethickness of 1-2 J.lm. The films are preferentially oriented with the (I 12) plane parallel to the substrate.

Key words: CuInSz' reactive sputtering, x-ray diffraction

PENDAHULUANDalarn melakukan pertumbuhan film tipis dari mate-

rial ini banyak cara yang telah dicoba, seperti evaporasi [4],chemical vapour deposition (CVD) [5], sputtering [6], spraypyolysis [7] clan su/furization [8]. Dalarn penelitian ini, dipilihmetoda reactive sputtering dengan pertimbangan bahwasulfur mudah beraksi dengan materiallainnya, clan masihsedikit publikasi yang menggunakan metoda ini dalammemperoleh film CuInS2" Dalam paper ini, dijelaskanmengenai metoda pembuatan, clan dipaparkan mengenaihasil karakterisasi sifat-sifat dari film yang diperoleh.

CulnS2 merupakan senyawa semikonduktor yangmempunyai struktur pita (band structure) bertipe transisilangsung dan mempunyai celah terlarang (forbidden gap)sebesar 1,53 eV [I]. Dari sifat ini, material ini mempunyaikelebihan dalam sifat optik terutama dimanfaatkan dalamaplikasi sel surya (solar cel/). Terlebih lagi, resistivity daTifilm dengan tipe p dapat divariasikan dalam jangkauan yangluas [2]. Sehingga aplikasi pacta solar cell dengan strukturheterojunction diharapkan dapat diwujudkan. Kemudianlagi, dengan material ini film tidak mengandung zat beracun

Se, yang merupakan keunggulan terhadap CulnSe2 yangtelah diteliti secara ekstensif. Belakangan ini, telahdilaporkan keberhasilan fabrikasi solar cell yang terbuatdari film tipis yang mencapai efisiensi sebesar 10,2% denganstruktur ZnO/CdS/CulnS2/Mo [3]. Namun demikian, basilini masih tetap dibawah basil material CulnSe2 sebagaipesaing. Diperlukan lebih dalam lagi penelitian mengenaimaterial ini untuk mengejar ketinggalan dibanding CulnSe2yang memang sempat diteliti secara besar-besaran, terutamauntuk mengontrol komposisi, kekristalan, cacat, sifat optik

maupun yang lainnya. Juga diharapkan penjajaganterhadap metoda pertumbuhan yang lebih baik.

TATAKERJA

Percobaan dilakukan di Electrical and ElectronicalEngineering Department, Engineering Faculty Niigata Uni-versity, Jepang. Film dideposisi pacta substrat Pyrex slideglass dalam DC triode sputtering system dalam atmosferAr dengan tekanan gas sebesar 0,2 Pa. Gas CSz yangdigunakan sebagai gas pereaksi dimasukkan sepertiditunjukkan di Gambar 1. Gas CSz ini diperoleh dari uapcairan CSz yang dijaga pacta suhu -72°C denganmenggunakan dry ice (COz beku}. Kemudian tekanan parsial

23

Vol. 1 No.2, Pebruari 2000, hal: 23 -25IS,S'N: 1411-1098

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

gas CS2 ini diatur dengan mengontrol valve. Pada percobaankali ini tidak digunakan alat pengukur tekanan parsial gasdalam chamber, dan hanya digunakan valve sederhana.

juga unsur-unsur yang terdapat dalam substrat yangdipergunakan, selain elemen diinginkan. Masuknya karbonini berasal dari gas pereaksi CSz' dan pada tahap kini masihsulit dihindari.

Gambar 3 menunjukkan perbandingan komposisimol [Cu], [In] dan [S] berdasarkan perubahan temperaturpertumbuhan. Di sini dipakai mol [In] sebagai skalapembanding dengan menetapkannya sebagai satu. Padatemperatur rendah,diketahui bahwa film mengandungbanyak Cu dan S, terutama terlihat bahwa unsur Cu sangatbanyak dikandung. Hal ini mengindikasikan bahwa padatemperatur rendah In belum cukup bereaksi dengan unsurlainnya. Dari basil ini, meskipun pada temperatur 300°Cterlihat ada pengecualian, diketahui bahwa dengan

meningkatnya temperatur pertumbuhan, terdapatkecenderungan bahwa film yang didapat menjadi lebihstoikiometri atau sesuai dengan komposisi film yang

diinginkan.3

2.5Gambar 1. Metoda reactive sputtering yang dipergunakan.

2

Kemudian temperatur substrat dijaga agar tetap ~ 1.5konstan pada masing-masing temperatur substrat antara )(

200-350°C. Sputtering dilakukan selama 2 jam pada tegangan 1

target sebesar -400V. Target dibuat dari plat bundar terdiri 0.5dari logam Cu dan In yang disusun berseling dengan bentukseperti Gambar 2. Perbandingan luas Cu terhadap In adalah 0

1,4: I. Di sini, tebal film yang diperoleh berdasarkanpengamatan dengan scanning electron microscope adalahsekitar I -2 ~m.

150

200 250 300

Substrate tem perature rC}

350 400

In

Gambar 3. Perbandingan mol Cu, In dan S(Cu:In:S = x : I : y) terhadap temperatur pertumbuhan.

Dari Gambar 4 didapat bahwa dengan perbandinganmol penyusun ion positif(Cu dan In) dan ion negatif(S),dimana nilai stoikiometri diasumsikan dengan nilai 2, secaraCu

3.5

3

2.5"'Ii'" ~ 2

+"~ 1.5Gambar 2. Target Cu dan In

1

HASIL DAN PEMBAHASAN 0.5

Perbandingan mol dari masing-masing elemenpenyusun maupun unsur-unsur lainnya yang terkandungdi dalam film yang dihasilkan dianalisis denganmenggunakan electron probe X-ray microanalysis(EPMA). Oi sini ditemukan bahwa film yang didapatmengandung unsur karbon dalam jumlah yang besar dan

0

150 200 250 300

Substrate temperature rC)

350 400

Gambar 4. Perbandingan kandungan Cu dan In ([M])terhadap unsur S ([S]), dimana Cu:In:S = x: I:y.

24

Fabrikasi Lapisan Tipis CulnS2 Menggunakan Metoda Reactive Sputtering (Mohammad Mustafa Sarinanto)

keseluruhan kandungan unsur S dari film ini masih relatifsedikit dibandingkan dengan yang diinginkan. Volume gasatau di sini adalah tekanan parsial dari gas CSz diperkirakanmasih perlu ditingkatkan untuk meningkatkan sifatstoikiometri dari film ini. Untuk itu perlu dilakukanpengamatan dengan memakai parameter tekanan parsial gas

CS.,.

tetap terlihat pada film yang kurang mempunyai sifatstoikiometri.

KESIMPULAN

Lapisan tipis CulnS2 ditumbuhkan di atas substratkaca Pyrex pada temperatur antara 200-350°C denganmenggunakan metoda reactive sputtering dan CS2 sebagaigas pereaksinya. Perbandingan mol antara Cu, In dan Sdan anion terhadap kation ([S]/[M]) dalam film tergantungpada temperatur pertumbuhan Ts. Film dengan sifat yangmendekati stoikiometri didapat pada temperatur

pertumbuhan yang tinggi, khususnya pada temperatur350°C. Po la difraksi sinar x menun jukkan bahwa film yangdiperoleh mempunyai orientasi terhadap bidang (112)sejajar dengan substrat. Berkurangnya kandungan Spadafilm dengan temperatur tinggi dapat ditingkatkan denganmeningkatkan tekanan parsial pada waktu pertumbuhan,namun perlu berhati-hati dengan pertambahan karbon

karenanya.

.Gambar 5 memperlihatkan pola difraksi sinar x darifilm-film yang ditumbuhkan pacta temperaturyang berbeda.Pacta karakterisasi ini digunakan radiasi Cu-Ka 1 sebagaisumber sinar x. Di sini diketahui bahwa pacta umumnyahanya terdeteksi satu buah puncak difraksi yang kuatdim ana posisi puncak tersebut sarna dengan refleksi (112)dari bubuk CuInS2. Meskipun dari rangkaian percobaanyang dilakukan ditemukan adanya beberapa film yangmenunjukkan indikasi terdapatnya puncak tam bahan,namun, puncak-puncak tambahan tersebut sangat lemahjika dibanding dengan puncak utama sebagai refleksi (112)tadi. Dari sini, disimpulkan bahwa film CuInS2 yangdiperoleh menunjukkan oriet\tasi di bidang (112) sejajardengan substrat. Jadi meskipun film ditumbuhkan di atassubstrat gelas (Pyrex) yang secara struktur adalah amor-phous, tetapi film yang didapatkan menunjukkankecenderungan mempunyai orientasi yang uniform. Hal ini

DAFT AR ACUAN

[I]. J.L. SHAY, B. TELL, H. M. KASPER and L. M.SCHAIVONE,Phys. Rev. B5(1972) 5003.

[2]. D. C. LOOK and J. C. MANTHURUTHIL,.J Phys.Chem. Solids, 37 (1976) 173.

[3]. R. SCHEER, T. WALTER, W. SCHOCK, M. L.FEARHEILEYand H. J. LEWERENA, Appl. Phys.Left. 63(1993) 3294.

[4]. L. L. KAZMERSKI, M.S. A YY AGARI and G. A.SANBORN, .J Appl. Phys. 46 (1975) 4865.

[5]. H. L. HWANG, C. Y. SUN, C. S. FANG, S. D. CHANG,C. H. CHENG, M. H. YANG, H. H. LIN and T. TUW AN-MU, .J Cryst. Growth, 55(1981) 116.

[6]. H.L.HWANG,C.L.CHENG,L.M.LIU, Y.C.LIUdanC. Y. SUN, ThinSolidFilms, 67(1980) 83.

[7]. B. PAMPLIN and R. S. FEIGELSON, Thin Solid Films60(1979) 141.

[8]. S. P. Grindle, C. W. Smith dan S. D. Mittleman, App!.PhyS. Lett. 35 (1979) 24.

20 ~ 40 &J2 e (deg.)

Gamba, 5. Pola difraksi sinar x dari film dengan berbagai

temperatur pertumbuhan.

25