JURNAL FISIKA DAN APLIKASINYA VOLUME 6, NOMOR JUNI,1 Studi Plasma Immersio Io Implatatio PIII dega megguaka Target Tak Plaar Yoyok Cahyoo Jurusa Fisika, FMIPA-Istitut Tekologi Sepuluh Nopember ITS Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 6111 Itisari Telah dilakuka studi proses PIII dega megguaka model sheath diamis tapa tumbuka plasma multispesies bermuata tuggal da gada dega betuk target silider da bola. Betuk Pulsa tegaga yag diguaka adalah tegaga realistis. Dalam model ii ditetuka ekspasi sheath diamis da rapat arus io impla total dega megguaka massa efektif yag merupaka fugsi dari komposisi, keadaa muata da massa io dari masig-masig spesies yag berbeda. KATA KUNCI: Sheath diamis, plasma multispesies, muata gada, tegaga realistis, target tak plaar I. PENDAHULUAN Implatasi io sudah serig diguaka dalam tekik fabrikasi pembuata semikoduktor da proses pelapisa dalam bidag metalurgi da optik. Plasma Immersio Io Implatatio PIII adalah salah satu tekik implatasi, dimaa target tercelup dalam plasma seperti tampak pada Gambar 1 [1]. Model sheath diamis mempuyai pera yag sagat petig dalam proses PIII. Model ii dapat diguaka utuk memprediksi parameter proses da hasil implatasi dega memasukka doses impla da profil impuritas. Kofigurasi sistem plasma yag optimal dapat ditetuka dari karakteristik ekspasi sheath. Corad, Lieberma, Scheuer da Shamim [ 4], membuat model sheath diamis tapa tumbuka utuk plasma spesies tuggal. Saat tegaga egatif diberika pada target yag tercelup dalam plasma aka terbetuk sheath. Sheath aka berubah tehadap waktu da aka memeuhi hukum Child- Lagmuir. Model sheath diamis tapa tumbuka ii telah dibuktika dega pegukura oleh Shamim [4], da dega simulasi umerik oleh S.J. Hah da Lee. Model sheath plasma spesies tuggal telah bayak diguaka walaupu dalam keyataaya plasma yag diguaka dalam proses PIII adalah plasma multispesies. Thomas megguaka model fluida utuk meghitug sheath diamis dari plasma dua spesies N + da N + utuk implatasi io. Qi, dkk [5] da Cahyoo [6] megembagka model sheath diamis tapa tumbuka plasma multispesies bermuata tuggal dega megguaka cotoh plasma Ar-He da BF3 yag masig-masig spesiesya diaggap bermuata tuggal utuk studi proses PIII. Model sheath diamis tapa tumbuka plasma multispesies bermuata gada dikembagka oleh Qi, dkk [7], dimaa keadaa muata dari io-io spesiesya diperhatika. Betuk Pulsa tegaga yag diguaka adalah tegaga ko- E-MAIL: yoyok@physics.its.ac.id a b Gambar 1: a. Skema tekik Plasma Immersio Io Implatatio PIIIb. Skema ekspasi sheath tak. Meurut Stewart dkk [8], dalam eksperime PIII waktu aik da waktu turu pulsa tegaga merupaka bagia sigifika dari keseluruha lebar pulsa, sehigga agar model yag dikembagka ii lebih represetatif da lebih realistis, maka keadaa pulsa tegaga realistik ii seharusya dimasukka kedalam perhituga. Model yag dikembagka oleh Qi, dkk ii [7], dikembagka lagi oleh Cahyoo [8] dega megguaka betuk pulsa tegaga ii. Dalam studi c Jurusa Fisika FMIPA ITS 19-1
J. FIS. DAN APL., VOL. 6, NO., JUNI 1 YOYOK C ii model yag telah dikembagka pada waktu yag lalu [9], diperluas lagi dega megguaka betuk target silider da bola. Karea target yag dipakai dalam eksperime atau aplikasi proses PIII juga megguaka betuk-betuk ii[5]. II. MODEL SHEATH DINAMIS PLASMA MULTISPESIES DENGAN TARGET TAK PLANAR Dalam studi ii, betuk target silider da bola yag ditijau adalah satu dimesi dega semua fugsi diambil kedalam variabel r, yag meujukka arah radial koordiat. Utuk mempermudah perumusa diaggap bahwa plasma terdiri dari spesies io yag mempuyai rapat io masig-masig 1 utuk spesies bermuata tuggal A + da utuk spesies bermuata gada A ++. Distribusi tegaga ditetuka oleh persamaa Poisso r p r p = ρ = q e i r ɛ ɛ = q [ e 1 + ] 1 ɛ dega p = 1 utuk silider da p= utuk bola, i = 1 + adalah rapat io total plasma da e adalah rapat elektro. Rapat arus io yag masuk target dapat ditulis J i = q i rv i r dari hukum kekekala eergi, didapatka sehigga, 1 m iv i r = qv r 3 v i r = qv r m i 4 dega demikia, maka rapat arus io jeis-1 adalah akhirya didapatka rapat io jeis-1 = q 1 rv 1 r qv r = q 1 r 5 1 = 6 qv r q dega cara yag sama, didapatka rapat io jeis- J = 7 V r q Ketika diberika tegaga tiggi egatip, rapat elektro didalam sheath sama dega ol e =, karea elektro dipatulka kembali oleh lapisa sheath. Sehigga dari Pers. 6 da 7, persamaa Poisso pada Pers. 1 kemudia mejadi 1 d r p r p = 1ɛ q + J V 1/ 8 Persamaa ii utuk betuk target silider da bola, berturutturut dapat ditulis mejadi d V + 1 = 1 r ɛ q + J V 1/. 9 d V + r = 1 ɛ V 1/ dega megalika Pers. 9 dega V, didapatka d V + 1 = 3 r ɛ q + J. 1 d V + = 3 r ɛ q + J dega megaggap z = dz + 1 r z = 3 ɛ dz + r z = 3 ɛ, maka Pers. 1 dapat ditulis. 11 q + J yag merupaka persamaa Beroulli, sehigga solusiya dapat ditulis z = = 3 4ɛ q + J r + c 1 r. 1 z = = 1 ɛ r + c r Dega megambil kostata c 1 = c =, maka jika diitegralka aka memberika V V = s 3 4ɛ q + J r. 13 = da meghasilka s 1 ɛ 8 3 ɛ V s = 4ɛ V s = r 14 19-
J. FIS. DAN APL., VOL. 6, NO., JUNI 1 YOYOK C Dari hasil peelitia yag lalu [1], bahwa didalam proses PIII dapat diaggap ekspasi sheath didomiasi oleh arus io matap, yaitu arus io tidak bergatug waktu atau kosta. Dega demikia rapat arus masig-masig spesies dapat ditulis J = k 1q i v 1 atau J q i v 1 = J 1 +. 15 J J = k q i v q i v atau J = 1 + J dega memasukka Pers. 14 kedalam Pers. 15 aka diperoleh J = 8 q 3 ɛ V M s q V J = 4ɛ M s 16 Pers. 16 ii adalah persamaa arus Child-Lagmuir, 1 M = + 1 + 1 + atau 17 M = k1 + k dega, M adalah massa efektip utuk plasma yag terdiri dari spesies io dega keadaa muata berbeda saat arus io dalam keadaa matap. Utuk hal yag lebih umum, yaitu utuk plasma yag terdiri dari bayak spesies io, dega megambil aalogi diatas, massa efektip saat arus io dalam keadaa matap dapat ditulis M = i=1 k i ci m i 18 dega, i meujukka idek io, c i meujukka keadaa muata, mi meujukka massa io spesies ke-i, da k i adalah perbadiga rapat io jeis-i dega rapat io total yag secara umum ditulis k i = i l j c j j 19 dega, j idek io, i rapat io ke-i. Rapat arus io dapat juga diyataka dega J = q i dega s merupaka posisi tepi sheath relatip terhadap target. Dega cara yag sama seperti pada peelitia yag lalu [1], didapatka persamaa kecepata ekspasi sheath berturut-turut utuk betuk silider da bola = 4 s u 3 s t tṽ = s u s tṽ t 1 dega, s = µ = ɛ V i q qv M : posisi sheath mula-mula : kecepata io karakteristik Ṽ t = V t V : posisi sheath mula-mula Gelombag tegaga realistis yag diguaka mempuyai betuk Ṽ t = t/t : utuk < t < t Ṽ t = 1 : utuk t < t < t + t d Ṽ t = t r t/t t : utuk t + t d < t < t r dega, t r = t + t d + t t dega pulsa dibedaka kedalam 3 waktu yag berbeda, yaitu waktu aik t, waktu datar t d, da waktu turu t t. Dega megitegralka Pers. 1, da megambil s =, Ṽ t = t/t, dari Pers., maka diperoleh 1/3 8 st = 3 ω t 5/6 pi s t 1/. 3 1/3 1 st = 5 ω t 5/6 pi s t 1/ Persamaa ii merupaka gerak sheath selama pulsa aik, < t < t, utuk silider da bola. Pada waktu pulsa datar,t < t < t +t d, gerak sheath diperoleh dega megitegralka Pers. 1 dari t ke t dega Ṽ t = 1, s 3 t = s 3 t + 4s 3 ω pi t t. 4 s 3 t = s 3 t + 6s 3 ω pi t t Dega memasukka st dari Pers. 3, Pers. 4 dapat ditulis mejadi [ st = s 4ω pi t 3 ] 1/3 5 t st = s [ 6ω pi t 3 5 t ] 1/3 5 Akhirya selama pulsa turu,t + t d < t < t r, dega megitegralka Pers. 1 dari t + t d ke t, dega Ṽ t = t r t /t t, maka aka diperoleh gerak sheath { } { st = s [6ω pi 5 t + t d 4 15 ω t r t 5/ pi t t t t }] 1/3. 6 { } { }] 1/3 st = s [6ω pi 5 t + t d 1 5 ω t r t 5/ pi t t t t 19-3
J. FIS. DAN APL., VOL. 6, NO., JUNI 1 YOYOK C Gambar : Posisi sheath thd target betuk silider utuk plasma Argo, dega tegaga V = -3 kvolt da I = 6,8.1 15 m 3. Gambar 3: Posisi sheath thd target betuk bola utuk plasma Argo, dega tegaga V = - kvolt da I = 5.1 14 m 3. dega, st + t d diperoleh dari Pers. 5. Pers. 3-6 memberika gambara posisi sisi sheath yag legkap selama durasi pulsa tegaga yag diguaka berturut-turut utuk betuk target silider da bola. Berikut aka diberika cotoh perhituga da aalisis dega megguaka plasma Argo Ar da plasma Argo-Heliur/He. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Plasma Argo terdiri dari io Ar + da Ar ++, sedagka plasma multispesies Ar-He, terdiri dari io-io Ar +,Ar ++ da He +. Perhituga dilakuka dega megguaka rapat io Ar +,Ar1 =,5.1 16 /m, da io Ar ++,Ar =,5.1 16 /m.posisi sheath mula-mula terhadap target adalah s = 1,5 cm, dihitug dari Pers. 3 sampai dega Pers. 6 utuk kedua betuk target dega permitivitas ruag hampa ɛ = 8,85.1 1 F/m da muata io q = 1,6.1 19 C utuk io bermuata tuggal. Besarya posisi sheath mulamula ii sama utuk kedua plasma, yaitu Ar da Ar/He, sebab s tidak bergatug pada keadaa muata da spesies io. Masig-masig plasma spesies io ii ditetuka pada tegaga yag sama dega lebar pulsa tegaga t p = 1,3.1 6 detik. Lebar pulsa tegaga terbagi kedalam waktu aik t =.1 7 detik, waktu datar t d = 8.1 7 detik, da waktu turu t t = 3.1 7 detik. Gambar da 3 meujukka ekspasi sheath diamis relatif terhadap target utuk betuk target silider da bola. Akibat pegguaa pulsa tegaga yag realistis, gambara fisis dari ekspasi sheath mejadi ekspasi sheath secara gradual, terutama seperti yag terlihat pada Gambar. Pegguaa tegaga realistis tidak terlalu berpegaruh utuk target betuk bola seperti yag terlihat pada Gambar 3. Kurva pada Gambar 3 meujukka ekspasi sheath hampir spota, ampak sedikit seperti ekspasi sheath yag terjadi secara gradual. Hasil perhituga sheath ii hampir sama seperti yag diperoleh dari hasil eksperime da model yag dikembagka oleh GA Emmert da MA Hery [9]. Gambar 4 meujukka rapat arus io plasma Ar dega betuk kofigurasi target silider [a] da bola [b]. Terlihat bahwa peurua arus terjadi sagat tajam pada betuk target asilider bbola Gambar 4: Rapat Arus io target betuk silider da bola utuk plasma Argo bola da terjadi secara spota, sedagka pada betuk target silider ada peurua gradual. Gambar 5 meujukka ekspasi sheath diamis plasma Ar/He dega komposisi io 4% Ar +, 4% Ar ++ da % He + dibadigka dega plasma Ar da plasma He dega betuk target silider [a] da bola [b]. Maki kecil massa efektif maka diperoleh kecepata ekspasi yag lebih besar. Jadi karea massa He, mhe = 6,68.1 7 kg palig kecil, maka io He + mempuyai kecepata ekspasi sheath terbesar 19-4
J. FIS. DAN APL., VOL. 6, NO., JUNI 1 YOYOK C asilider bbola Gambar 5: Posisi sheath thd target betuk silider da bola utuk plasma Argo/Heliur/He [], He [1] da Ar [3] [kurva 1]. Sebalikya karea memiliki massa efektif terbesar, plasma Ar memiliki ekspasi sheath terkecil, [kurva 3]. IV. SIMPULAN Telah dilakuka studi proses PIII dega megguaka model sheath diamis tapa tumbuka plasma multispesies bermuata tuggal da gada dega betuk target silider da bola. Betuk Pulsa tegaga yag diguaka adalah tegaga realistis. Dalam model ii ditetuka ekspasi sheath diamis da rapat arus io impla total dega megguaka massa efektif yag merupaka fugsi dari komposisi, keadaa muata da massa io dari masig-masig spesies yag berbeda. Perhituga ekspasi sheath utuk plasma Ar pada kedua betuk target dari model yag dikembagka didapatka hasil yag hampir sama dega hasil eksperime da model yag telah dikembagka oleh GA Emmert da MA. Hery. [1] J. R. Corad, J. Appl. Phys. 6, 777 1987. [] M. A. Lieberma, J. Appl. Phys. 66, 96 1989. [3] J. T. Scheuer, M. Shamim ad J. R. Corad, J. Appl. Phys. 67, 141 199. [4] M. Shamim, J. T. Scheuer ad J. R. Corad, J. Appl. Phys. 69, 94 1991. [5] S. Qi, Z. Ji ad C. Cha, J. Appl. Phys. 78, 55 1995. [6] Yoyok Cahyoo, Lapora Peelitia, Daa LitMud 1998/1999 [7] S. Qi ad C. Cha, J. Appl. Phys. 79, 343 1996. [8] R.A. Stewart ad M.A. Lieberma, J. Appl. Phys. 7, 3481 1991. [9] GA. Emmert ad MA. Hery, J. Appl. Phys. 71, 113 199. [1] Yoyok Cahyoo, Lapora Peelitia, Daa SPP/DPP 1997/1998. [11] Joaquim Jos Barroso, Jse Osvaldo Rossi, ad Mrio Ueda, IEEE Trasactios O Plasma Sciece, Vol. 31, No. 1, Pebruari 3 19-5