Teknologi Penghasilan Filem Nipis dalam Industri dan Penyelidikan Semikonduktor

Penulis; Mohd Faizal Aziz,
Pegawai Sains Kanan,
Institut Kejuruteraan Mikro & Nanoelektronik (IMEN)
Universiti Kebangsaan Malaysia

Dalam industri dan penyelidikan semikonduktor, teknologi penghasilan filem nipis memainkan peranan yang sangat penting kerana ia menjadi asas kepada pelbagai komponen elektronik, terutamanya dalam penciptaan peranti mikro dan nano. Filem nipis merujuk kepada lapisan bahan yang sangat halus, biasanya setebal beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer, yang ditumbuhkan pada permukaan substrat seperti wafer silikon. Teknologi ini digunakan untuk pelbagai aplikasi, termasuk pembuatan transistor, diod, sensor, dan pelbagai peranti optik. Dalam artikel ini, kita akan membincangkan secara ringkas mengenai teknik-teknik utama yang digunakan dalam penghasilan filem nipis, serta peralatan yang biasa digunakan dalam proses ini.

Teknik Penghasilan Filem Nipis

Terdapat beberapa teknik utama yang digunakan dalam penghasilan filem nipis dalam industri semikonduktor. Setiap teknik mempunyai kelebihan dan kekurangannya tersendiri, serta aplikasi yang berbeza bergantung kepada jenis filem yang ingin dihasilkan.

1. Pemendapan Wap Fizikal (Physical Vapor Deposition, PVD)
   

Pemendapan wap fizikal (PVD) adalah salah satu teknik yang paling biasa digunakan untuk menghasilkan filem nipis. PVD melibatkan penguapan bahan sasaran (target) yang kemudiannya terkondensasi pada permukaan substrat. Teknik ini digunakan untuk menghasilkan lapisan logam, oksida, dan nitrida.

Dua varian utama PVD ialah sputtering dan thermal evaporation.

• Sputtering: Proses sputtering melibatkan penghujanan ion tenaga tinggi ke atas bahan sasaran, menyebabkan atom-atom sasaran tertanggal dan tersimpan pada substrat. Salah satu alat yang digunakan untuk proses ini ialah Magnetron Sputtering System. Contoh bahan yang sering disimpan menggunakan sputtering termasuk aluminium, tembaga, dan titanium nitride (TiN).
• Thermal Evaporation: Dalam proses ini, bahan sasaran dipanaskan sehingga ia terwap dan kemudiannya terkondensasi pada permukaan substrat. Ini biasanya dilakukan dalam ruang vakum tinggi untuk mengurangkan gangguan daripada molekul udara. Alat seperti thermal evaporator atau e-beam evaporator digunakan dalam teknik ini, yang sering diaplikasikan untuk pemendapan logam nipis seperti emas dan perak.

2. Pemendapan Wap Kimia (Chemical Vapor Deposition, CVD)
   

Teknik Chemical Vapor Deposition (CVD) merupakan kaedah di mana bahan yang diinginkan dimendapkan ke atas substrat melalui tindak balas kimia dalam fasa wap. CVD digunakan untuk menghasilkan lapisan bahan bukan logam seperti silikon nitrida (Si₃N₄), silikon dioksida (SiO₂), dan lapisan karbon.

Proses ini melibatkan pengaliran gas prekursor ke dalam ruang pemendapan, di mana ia bertindak balas di permukaan substrat untuk membentuk lapisan nipis. Beberapa varian CVD termasuk:

• Plasma-Enhanced CVD (PECVD): Menggunakan plasma untuk meningkatkan tindak balas kimia pada suhu lebih rendah. Ini sangat berguna untuk menghasilkan lapisan nipis pada bahan yang sensitif kepada haba. PECVD sering digunakan untuk menghasilkan lapisan silikon nitrida dalam transistor.

  

• Low-Pressure CVD (LPCVD): Bekerja pada tekanan rendah dan digunakan untuk menghasilkan filem dengan ketumpatan tinggi dan seragam, seperti lapisan polikristalin silikon dan nitrida.

  

Contoh peralatan yang digunakan dalam proses CVD termasuk Oxford Instruments PECVD System dan LPCVD Furnace.

3. Teknik Pemendapan Atomic Layer Deposition (ALD)

Atomic Layer Deposition (ALD) adalah teknik pemendapan filem nipis yang sangat tepat, yang digunakan untuk menghasilkan lapisan nipis atom demi atom. Dalam ALD, bahan dimendapkan melalui tindak balas kimia yang berulang antara dua atau lebih prekursor kimia. Teknik ini menghasilkan lapisan yang sangat seragam dengan ketebalan yang dikawal hingga ke tahap angstrom.

ALD sering digunakan dalam aplikasi yang memerlukan lapisan ultra-nipis dan sangat seragam, seperti dielektrik dalam transistor berkuasa rendah atau bahan permukaan dalam bateri. Contoh alat yang digunakan ialah Picosun ALD System atau Beneq ALD Reactor.

4. Teknik Pemendapan Langmuir-Blodgett (LB) Deposition

Teknik Langmuir-Blodgett digunakan untuk menghasilkan lapisan molekul tunggal, terutamanya dalam kajian polimer atau lapisan organik. Filem nipis ini diperoleh dengan merendam substrat melalui bahan monolayer yang terapung di permukaan cecair. Teknik ini membolehkan pengendalian struktur molekul pada tahap nanometer dan sering digunakan dalam kajian sensor kimia atau peranti optik.

5. Teknik Pemendapan Sol-Gel
   

Proses Sol-Gel adalah teknik kimia basah yang digunakan untuk menghasilkan lapisan oksida logam seperti TiO₂, SiO₂, dan Al₂O₃. Dalam proses ini, penyelesaian prekursor (sol) disediakan dan kemudian dilapiskan ke atas substrat, diikuti dengan pemanasan untuk membentuk filem nipis pepejal. Teknik ini sering digunakan untuk menghasilkan lapisan dielektrik dan bahan optik dalam aplikasi mikroelektronik dan sensor.

Contoh Penggunaan Filem Nipis dalam Industri Semikonduktor

Filem nipis mempunyai pelbagai aplikasi dalam industri semikonduktor dan elektronik:

• Transistor Kesan Medan (Field-Effect Transistor, FET): Filem nipis digunakan sebagai bahan dielektrik untuk mengasingkan saluran transistor daripada elektrod. Dalam transistor berteknologi tinggi, bahan seperti hafnium oksida (HfO₂) digunakan sebagai pengganti silikon dioksida kerana sifat dielektrik yang lebih tinggi.
• Penyimpanan Data: Teknologi filem nipis digunakan dalam pembuatan cakera keras magnetik (HDD) di mana lapisan magnetik nipis digunakan untuk menyimpan data. Bahan seperti ferum, nikel, dan kobalt sering digunakan sebagai lapisan magnetik dalam peranti storan.
• Sensor Gas dan Biosensor: Dalam peranti sensor, filem nipis yang diperbuat daripada bahan seperti oksida logam digunakan untuk mengesan gas-gas tertentu dalam udara atau biomolekul dalam aplikasi perubatan.

Cabaran dan Masa Depan Teknologi Filem Nipis

Walaupun teknologi filem nipis telah berkembang pesat, terdapat cabaran yang perlu diatasi, terutamanya dalam menghasilkan filem dengan ketumpatan tinggi dan sifat mekanik yang baik pada skala nanometer. Peningkatan dalam penyelidikan nanoteknologi, khususnya dalam penghasilan bahan dua dimensi (2D material) seperti grafin, berpotensi merevolusikan penggunaan filem nipis dalam industri elektronik masa depan.

Dalam masa yang sama, penggunaan ALD dan CVD dijangka akan menjadi lebih meluas dalam aplikasi teknologi tinggi, seperti cip neuromorfik dan transistor skala nano, dengan penambahbaikan dalam kawalan ketebalan filem dan pengoptimuman sifat bahan.

Kesimpulan

Teknologi penghasilan filem nipis adalah tulang belakang kepada industri semikonduktor dan pelbagai cabang penyelidikan elektronik. Dengan pelbagai teknik penghasilan seperti PVD, CVD, dan ALD, lapisan nipis ini memainkan peranan penting dalam penciptaan peranti elektronik moden yang semakin kecil, pantas, dan cekap. Masa depan teknologi ini menjanjikan lebih banyak inovasi dalam industri semikonduktor dan bidang lain yang memerlukan bahan canggih.

Rujukan

[1] https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-05430-3
[2] https://www.alicat.com/thin-film-deposition-techniques/