LAPORAN FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA

Transkripsi

1 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA Penerapan Spin Coating untuk Pembuatan Lapisan Tipis dengan MMA Asrofi Khoirul Huda, Achmad Maulana, Ichsanul Huda, Diky Anggoro Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya asrofikh@gmail.com Abstrak Telah dilakukan percobaan Penerapan Spin Coating untuk Pembuatan Lapisan Tipis dengan MMA dengan tujuan untuk membuat dan memahami lapisan tipis pada material Methyle Methacrylate (MMA). Material Methyl Methacrylate (MMA) di letakkan diatas substrat kaca, dimana terdapat empat buah kaca preparat dengan perlakuan pemberian kecepatan berbeda yakni sebesar 1000rpm, 1500rpm, 2000rpm, dan tanpa perlakuan. Kaca preparat diamplas terlebih dahulu dan dicuci dengan alkohol agar steril. Setiap substrat kaca diberi tiga tetes material MMA di ujung kanan, tengah dan ujung kiri, lalu diputar selama 90 detik. Setelah itu didapatkan hasil berupa lapisan tipis. Lapisan tipis tersebut, diamati dengan mikroskop kemudian shot hasilnya dengan software super eyes. Prinsip kerja yang diterapkan pada percobaan ini adalah viskositas dan kecepatan putaran yang mempengaruhi gaya sentrifulgal. Tebal lapisan dengan variasi kecepat putar yakni, sebesar 1,96233 mm untuk kecepatan 1000rpm dan 1,34867 mm untuk kecepatan 1500 rpm dan 0,78223 untuk 2000 rpm. Kata Kunci Methyl Methacrylate (MMA), Sentrifugal, Ppin Coating, Super Eyes, Viskositas manual maupun bantuan robot. Material tersebut dituangkan diatas substrat [4]. Spin coating memiliki 3 proses yaitu tahap penetesan cairan (dispense), tahap percepatan spin coating dimana dalam tahapan ini setelah tahap penetesan cairan larutan dipercepat dengan kecepatan yang relative tinggi sehingga mengakibatkan adanya gaya sentrifugal dan turbulensi cairan sampai. Pemutaran terus dilakukan sampai larutan merata diatas substrat dalam rentang waktu tertentu. Yang terakhir adalah tahap pengeringan yang dilakukan sampai pelarut lappisan tersebut benar-benar menguap [1]. L I. PENDAHULUAN apisan tipis memiliki sangat banyak manfaat dalam perkembangan teknologi masa kini. Misalnya saja dalam dunia material, lapisan tipis banyak dimanfaatkan sebagai pelapisan bahan untuk menutupi kelemahan dari bahan yang dilapisi seperti anti korosi, persiapan material baru sebelum difabrikasi serta dalam pengembangan material baru. Sedangkan dalam dunia optic, lapisan tipis umumnya digunakan dalam ternologi laser, LED, sel surya dll. Karena digunakan dalam berbagai terknologi, fabrikasi lapisan tipis pun telah banyak dilakukan oleh peneliti untuk mendapatkan kualitas lapisan tipis yang baik. Salah satu cara pembuatan lapisan tipis adalah dengan cara spin coating. Oleh karena itulah, praktikum ini dilakukan untuk dapat membuat dan mengamati lapisan tipis pada material dengan menggunakan metode spin coating. Lapisan tipis merupakan lapisan dari material yang sangat tipis yaitu antara skala nano dan millimeter. Dalam perkembangan fabrikasinya sudah banyak dilakukan upaya untuk mendapatkan kualitas yang baik dari lapisan tipis. Salah satu cara yang dapat digunakan untuk membuat lapisan tipis adalah dengan menggunakan metode spin coating. Metode spin coating merupakan metode yang paling mudah dan cepat dalam penumbuhan lapisan tipis [3]. Metode spin coating sendiri merupakan metode penumbuhan lapisan tipis pada substrat dengan cara meneteskan cairan ke pusat substrat yang diputar. Dimana dalam praktikum ini substrat yang digunakan adalah kaca. Material yang digunakan sebagai lapisan tipis dideposisi atau diletakkan pada bagian tengah substrat baik dengan cara Gambar 1. Proses Pembuatan Lapisan Tipis dengan Metode Spin Coating Sumber gambar : Lapisan tipis yang dihasilkan dengan metode spin coating memiliki tingkat kehomogenan yang cukup tinggi. Ketebalan dan kualitas lapisan yang diinginkan bisa dikontrol berdasarkan viskositas atau kekentalan larutan, kandungan material,waktu dan kecepatan putaran dari alat spin coater[5][6]. Selain itu, metode spin coating ini akan menghasilkan lapisan tipis pandu gelombang berindeks bias tinggi diantara daerah berindeks bias rendah,yaitu substrat dan udara. Sehingga cahaya dibatasi oleh pantulan dalam total pada bidang batas film substrat dan film-kover [2]. Gambar 2. Proses pandu gelombang Proses pemanduan cahaya dalam suatu pandu gelombang dapat dijelaskan dengan menggunakan prinsip penjalaran sinar optic dengan didasarkan pada hukum pemantulan dan pembiasan Snellius. Dimana ketika indeks

2 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA bias film lebih besar dari indeks bias cover dan pada sudut 90 derajat, tidak ada gelombang yang merambat pada daerah kover sehingga dapat dikatakan gelombang mengalami pemantulan dalam total pada daerah film. Pemanduan dalam total dapat terjadi pula bila sudut dating lebih besar daripada sudut kritisnya [7]. Dalam proses spin coating, untuk memperoleh lapisan tipis dengan kualitas optic yang baik, yaitu transparan, indeks bias yang homogeny dan memiliki permukaan yang halus, terdapat 3 tahap yang harus dilakukan yaitu pertama, melakukan optimasi parameter fabrikasi lapisan tipis dengan teknik spin coating seperti jenis pelarut, temperature substrat, konsentrasi larutan, kecepatan spin, waktu dan temperature fabrikasi. Yang kedua, dengan memfabrikasi lapisan tipis dari bahan larutan yang berbeda dengan penyesuaian parameter fabrikasi sebelumnya. Dan yang ketiga, mengukur sifat optic dari lapisan tipis, yaitu koefisien absorbs dan dispers indeks biasnya [3]. Gambar 3. Pandu Gelombang pada Lapisan Tipis Sumber gambar : Jurnal Sensor temperature menggunakan pandu gelombang slab berbahan Polymethyl Methacrylate (PMMA) sebagai hasil fabrikasi dengan metode spin coating. Metil metakrilat (MMA) mempunyai rumus molekul CH 2 CCH 3 COOCH 3, BM = 100,11, titik didih C, titik beku -42,2 0 C, densitas = 0,936 pada 20/4 0 C, berupa cairan tak berwarna, larut dalam air, dapat terbakar, beracun dan bahan yg irritant [8]. Kecepatan putar merupakan salah satu faktor terpenting dalam proses spin coating. Kecepatan putar pada substrat berpengaruh terhadap sudut gaya sentrifugal yang mengenai larutan MMA selain kecepatan dan turbullence udara diatasnya. Secara lebih spesifik tingkat kecepatan putar yang tinggi menetukan ketebalan lapisan yang terbentuk. Gambar 3 menunjukkan kurva hubungan antara kecepatan putar dan ketebalan lapisan [9].. A. Tahap Persiapan II. METODE Siapkan peralatan dan bahan yang digunakan dalam praktikum ini antara lain adalah 4 buah kaca preparat yang berfungsi sebagai substrat, Larutan Polymethyl Methacrylate (PMMA) yang berfungsi sebagai larutan yang diteteskan di atas substrat, kertas amplas untuk menghaluskan sisi samping kaca preparat, 1 buah mikroskop yang digunakan saat pengamatan ketebalan lapisan tipis, 1 set alat Spin coater sebagai media pembentukan lapisan tipis, alkohol 70% untuk mensterilkan kaca preparat yang telah dicuci dengan air, hairdryer untuk membantu proses pengeringan kaca preparat,1 buah pipet tetes sebagai alat bantu menuangkan larutan ke substrat dan software super eyes yang digunakan untuk mengamati dan mengetahui ketebalan lapisan tipis yang terbuat. Setelah peralatan dipersiapkan, langkah awal yakni mengamplas sisi samping kaca preparat agar bersih dan membentuk pola yang homogen sehingga mudah untuk diamati. Lalu kaca preparat dicuci dengan air dan alkohol 70% agar steril dan dikeringkan dengan hairdryer. B. Tahap Fabrikasi Lapisan Tipis Methyl Methacrylate (MMA) Kaca preparat yang telah diamplas lalu dicuci dengan air, dan dilanjutkan dengan alkohol 70% dan dikeringkan dengan hairdryer hingga benar-benar kering. Selanjutnya posisikan kaca preparat pada spin coater, lalu diteteskan 3 tetes larutan PMMA pada ujung kiri, tengah, dan ujung kanan substrat. Tekan gas penghisap agar kaca dapat bertahan pada tempatnya. Nyalakan spin coater untuk memutar substrat beserta larutannya. Dengan sebelumnya dinyalakan kecepatan spin coater dengan variasi kecepatan 1000rpm, 1500rpm, dan 2000rpm. Dengan waktu putaran untuk setiap kecepatan adalah selama 90 detik. Dan biarkan 1 kaca preparat tanpa perlakuan. C. Analisa Karakteristik Lapisan Methyl Methacrylate (MMA) Pada tahap pengamatan lapisan tipis PMMA ini digunakan mikroskop yang telah dihubungkan dengan web cam yang terintegrasi computer yang berisi software super eyes. Dalam tahap ini ketebalan lapisan tipis diamati dengan menggunakan mikroskop optik dan kemudian hasilnya dishoot menggunakan software super eyes. Untuk pengukuran ketebalan lapisan dengan menggunakan software super eyes dilakukan dengan cara menarik garis lurus pada tebal lapisan. Pengamatan dan shoot dilakukan untuk semua jenis variasi kecepatan yang digunakan. Pastikan gambar yang tertangkap terlihat jelas lapisan dan substratnya. Ukur ketebalan lapisan dengan mengeklik ikon pada menu atas gambar ruler. Kemudian drag pada bagian ujung lapisan, maka akan keluar nilai ketebalan lapisan. Lakukan langkah ke-3 pada bagian ujung satunya dan bagian tengah. Gambar 4. Hubungan antara ketebalan lapisan dan kecepatan putar

3 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA Ganti substrat Start Peralatan disiapkan Kaca substrat diamplas Kaca substrat disterilkan dan diamplas Larutan diteteskan di atas substart Kec Putaran (rpm) Ralat Mutlak : [ ] Dimana Tebal Lapisan Rata-Rata ( ) Tabel 2. Perhitungan Tebal Rata-rata Tebal Lapisan (mm) , ,84 2,051 1,34 0, , , ,351 0, , ,335 2,062 2,025 0, : n = jumlah pengukuran [ ] 0, mm Diatur kecepatan pada spin coating Ralat Nisbi : Letakkan kaca substrat di spin coating = 0, Putar dengan kecepatan yang diatur Keseksamaan : 83,64% 0, III. Gambar 5. Diagram Alur Percobaan HASIL DAN PEMBAHASAN Dari percobaan Penerapan Spin Coating untuk Pembuatan Lapisan Tipis dengan MMA diperoleh hasil yang berupa tinggi lapisan permukaan substrat yang telah di tetesi larutan MMA ditinjau dari tiga titik, yakni Tabel 1. Hasil tinggi percobaan kaca preparat setelah di tetesi larutan MMA Kecepatan putaran (rpm) Substrat sudah Substart diamati di mikroskop dengan software supereyes Finish Tebal Lapisan (mm) Tebal Ratarata (mm) Ujung Tengah Ujung kiri kanan ,122 2,421 1,344 1, ,281 1,351 1,414 1, ,781 0,5657 1,000 2,7822 Data hasil peritungan di atas, kemudian dilakukakan perhitungan berupa Ralat Mutlak, Ralat Nisbi, dan Keseksamaan dari tinggi yang diperoleh. Data perhitungan disajikan dalam tabel hasil perhitungan ralat dan keseksamaan sebagai berikut. Kec. Putaran (rpm) Tabel 3. Hasil Perhitungan Ralat Mutlak, Ralat Nisbi, dan Keseksamaan Ralat mutlak ( Ralat Nisbi (I) Keseksamaan (K) , , , ,64% , , , ,15% , , , ,97% Dalam praktikum Penerapan Spin Coating untuk Pembuatan Lapisan Tipis dengan MMA ini telah dilakukan fabrikasi lapisan tipis dengan metode spin coating dan didapatkan lapisan tipis yang terdiri dari penyusunnya berupa udara sebagai cover, MMA dan kaca sebagai substrat. Pada percobaan Penerapan Spin Coating untuk Pembuatan Lapisan Tipis dengan MMA ini, jenis larutan yang digunakan adalah Methyl Methaclarylate (MMA) dan menggunakan kaca sebagai substrat. MMA dipilih karena pada dasarnya larutan ini merupakan larutan berbahan polimer yang memiliki karakteristik mudah dipabrikasi dan dapat diintegrasikan dengan komponen optic lain. Selain itu, MMA adalah larutan dengan indeks bias yang cukup tinggi, yaitu 1,4908 sehingga lapisan tipis MMA mampu dimanfaatkan untuk pandu gelombang slab. Sebagian besar pandu gelombang slab digunakan untuk penegmbangan sensor. Dari hasil perc obaan dengan pemberian kecepatan pada preparat dengan variasi 1000rpm, 1500rpm, 2000rpm, dan tanpa perlakuan, didapatkan tebal lapisan yang berbeda, ditinjau dari tiga titik, yaitu ujung kiri, tengah dan ujung kanan. Lalu dilihat ketebalan lapisannya menggunakan mikroskop yang menggunakan webcam dan terintegrasi dengan software super eyes pada cpu. Pada kaca preparat

4 Tebal Lapisan (mm) LAPORAN FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA tanpa diberi kecepatan tidak ada lapisan yang didapatkan, karena larutan MMA tidak menyebar merata secara homogen karena tidak adanya gaya sentrifugal akibat adanya putaran dari spin coater, sehingga yang terlihat dari mikroskop hanya kover kaca preparat. Sedangkan pada tiga kaca preparat yang lain yang mendapatkan perlakuan pemutaran pada spin coater didapatkan tebal lapisan yang berbeda akibat adanya gaya sentrifugal saat kaca preparat diputar, seperti ditunjukkan pada gambar berikut. Gambar 6. Hasil pengamatan kaca substrat tanpa perlakuan semakin tipis lapisan. Dikarenakan ketika spin coating berputar ada gaya sentripetal yang terjadi yang mengakibatkan larutan tertarik ke pinggir substrat dan tersebar merata. Semakin cepat nilai putaran coater, berbanding lurus dengan gaya sentrifugal yang diterima larutan. Semakin cepat kecepatan putaran dari spin coating menyebabkan penyebaran larutan diatas permukaan substrat semakin cepat merata jika dibandingkan dengan kecepatan putaran spin coating yang dengan kecepatan lebih kecil. Ketika putaran semakin cepat, maka suhu dalam spin coating juga semakin cepat sehingga mengakibatkan larutan MMA yang pada dasarnya memiliki karakteristik mudah menguap mengalami penguapan sehingga ketebalan lapisan yang terbentuk pada substrat pun menjadi semakin tipis jika dibandingkan dengan saat kecepatan puatan yang lebih kecil. Pada percobaan Penerapan Spin Coating untuk Pembuatan Lapisan Tipis dengan MMA dengan kecepatan putar 2000rpm didapatkan ketebalan lapisan yang paling tipis dibandingkan pada kecepatan 1000rpm dan 1500rpm. Berdasarkan data percobaan Penerapan Spin Coating untuk Pembuatan Lapisan Tipis dengan MMA yang telah dilakukan, didapatkan hasil dalam bentuk grafik, hubungan antara tebal lapisan dengan kecepatan putar spin coater pada gambar Gambar 7. Hasil pengamatan kaca substrat pada kecepatan 1000rpm Kecepatan putaran (rpm) Gambar 8. Hasil pengamatan kaca substrat pada kecepatan 1500rpm Gambar 9. Hasil pengamatan kaca substrat pada kecepatan 2000rpm Berdasarkan data hasil pengamatan pada tabel 1, diketahui bahwa lapisan tipis yang terbentuk pada saat kecepatan putaran spin coating 2000rpm lebih kecil dibandingkan dengan saat kecepatan putaran spin coating sebesar 1500 rpm, dan 2000rpm pada waktu lama perputaran yang sama selama 90 detik. Yaitu masing masing sebesar 1,96233mm untuk kecepatan 1000rpm dan 1,34867mm untuk kecepatan 1500 rpm dan 0,78233rpm. Hasil percobaan tersebut sesuai dengan konsep yang dijelaskan pada gambar 4, yakni hubungan antara kecepatan putar spin coater dengan tebal lapisan film. Dimana semakin cepat kecepatan putaran spin coater menimbulkan Gambar 10. Grafik hubungan kecepatan putaran dengan tebal lapisan Dari gambar 10 hal tersebut dapat diketahui bahwa kecepatan putaran (ω) spin coating untuk menghasilkan sebaran film tipis yang merata berpengaruh ketinggian atau ketebalan lapisan yang terbentuk. Karena pada saat diberi kecepatan putaran, larutan menyebar ke segala arah akibat adanya gaya sentrifugal. Prinsip kerja yang diterapkan pada percobaan ini adalah viskositas, kecepatan putaran yang mempengaruhi gaya sentrifulgal dan deposisi. Viskositas, berhubungan dengan larutan yang digunakan, yaitu MMA. Gaya sentrifugal, berhubungan dengan kecepatan putaran spin coating. Pengaruh kecepatan putaran pada substrat terhadap sudut gaya sentrifugal yang mengenai larutan MMA selain kecepatan dan turbullence adalah udara diatasnya. Hal ini berhubungan dengan nilai keembaban udara yang berada di dalam laboratorium. Secara lebih spesifik tingkat kecepatan putar yang tinggi menetukan ketebalan lapisan yang terbentuk dimana nilai kecepatan putaran berbanding terbalik dengan nilai ketebaan larutan. Proses deposisi juga terjadi pada percobaan ini. Deposisi merupakan peristiwa perubahan gas menjadi zat padat. Kecocokan antara konsep dengan hasil percobaan dengan berbagai variasi kecepatan, menunjukan konsep hubungan kecepatan putar dan ketebalan lapisan yang sesuai. Semakin menipis lapisan yang terbentuk semakin

5 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA berkurang tetesan-tetesan yang terbuang. Hal ini berhubungan dengan nilai penambahan hambatan alir dan viskositas pada saat lapisan semakin tipis. Tahap terakhir dalam percobaan ini, merupakan mekanisme utama dari proses penipisan lapisan. Ketebalan lapisan yang terbentuk dipengaruhi oleh dua faktor utama, yaitu viskositas dan laju putaran atau yang biasa disebut kecepatan angguler, disamping parameter-parameter lainnya seperti waktu pemutaran dan kerapatan cairan. IV. KESIMPULAN Dari percobaan Penerapan Spin Coating untuk Pembuatan Lapisan Tipis dengan MMA dapat disimpulkan lapisan tipis yang terbentuk pada material MMA dibuat dengan menggunakan metode spin coating. Ketebalan pada lapisan tipis ini, dipengeruhi oleh dua parameter utama, yaitu viskositas dan laju putaran (angular speed) dan parameter pendukung, yaitu waktu putaran dan kerapatan larutan yang digunakan. Nilai ketebalan lapisan dengan berbagai variasi kecepat putar yakni, 1,96233mm untuk kecepatan 1000rpm dan 1,34867mm untuk kecepatan 1500 rpm dan 0,78233rpm. Dari percobaan yang telah dilakukan, dapat diketahui bahwa nilai kecepatan putaran berbanding terbalik dengan nilai ketebalan lapisan tipis yang terbentuk. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan ijin atas berlangsungnya pelaksanaan praktikum Penerapan Spin Coating untuk Pembuatan Lapisan Tipis dengan MMA ini, kepada asisten Fisika Laboratorium pada percobaan ini yaitu Ichsanul dan Ahmad Maulana yang telah membantu baik sebelum praktikum, saat praktikum, dan setelah praktikum. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada anggota kelompok atas kerja samanya dalam melaksanakan percobaan ini sehingga terlaksananya praktikum Penerapan Spin Coating untuk Pembuatan Lapisan Tipis dengan MMA dengan lancar. ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Asisten fisika laboratorium fisika optic.2014.modul Praktikum Fisika Laboratorium Bidang Optik. Fisika ITS:Surabaya [2] Bahtiar,Ayi.dkk., Fabrikasi dan Karakterisasi Pandu Gelombang Planar Polimer Terkonjugasi. Bandung,Jurusan Fisika FMIPA UNPAD (2006) [3] [4] Huang,Ya-Yu, Chou. Kan-Sen.2003.Studies on the spin coating process of silica films. National Tsing Hua University. Hsinchu [5] Luurtsema,G.A.1997.Spin Coating for Rectangular Substrates (Thesis). University of California. Barkeley. hal [6] May,Gray, Light Leigh, Elshazly Dina Spin Coating Theory. Georgia Institute of Technology. [7] Sunarno, Hasto., Optika Serat. Surabaya, Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam ITS (2000). [8] Wahyuni, Dwi, Dewi, Sri Rukmini Penelitian Pembuatan Poli Metil Metakrilit. Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 1, No. 2, 22:23. [9] Spin Coat Theory