OPTIMASI ARUS ION ZN PASCA PENGGANTIAN FILAMENBARU UNTUK SUMBER ION PADA MESIN IMPLANTASI ION

Document Sample
OPTIMASI ARUS ION ZN PASCA PENGGANTIAN FILAMENBARU UNTUK SUMBER ION PADA MESIN IMPLANTASI ION Powered By Docstoc
					                                  PROSIDING SEMINAR NASIONAL
                        PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
                             Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
                                         Yogyakarta, 19 September 2006



          OPTIMASI ARUS ION ZN PASCA PENGGANTIAN FILAMEN
          BARU UNTUK SUMBER ION PADA MESIN IMPLANTASI ION

                                            Sukidi, Sunarto
                              Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
                                     Badan Tenaga Nuklir Nasional


                                               ABSTRAK
       OPTIMASI ARUS ION Zn PASCA PENGGANTIAN FILAMEN BARU UNTUK
       SUMBER ION PADA MESIN IMPLANTASI ION.. Sumber ion yang telah beroperasi
       dalam jangka waktu lama kadang-kadang sudah tidak efisien lagi dan bahkan
       filamennya bisa putus. Untuk itu diperlukan penggantian filamen baru agar diperoleh
       arus ion yang optimal. Telah dilakukan penggantian filamen serta pengujiannya pada
       sumber ion untuk mesin implantasi ion PTAPB-BATAN. Pengujian dilakukan untuk
       mendapatkan karakterisasi dan optimasi arus ion dengan parameter tegangan anoda,
       tegangan ektraktor dan tegangan tinggi pemercepat. Dengan memvariasi tegangan
       anoda, tegangan ektraktor, dan tegangan tinggi pemercepat diperoleh arus ion Zn
       optimum yaitu 35 µA pada kondisi tegangan anoda 5 kV, tegangan ektraktor 2 kV,
       tegangan tinggi pemercepat 100 kV serta pada kondisi tingkat kevakuman 10-5 torr.


                                              ABSTRACT
       ION CURRENT OPTIMATION AFTER NEW FILAMENT REPLACEMENT FOR ION
       SOURCE OF ION IMPLANTATION MACHINE. The ion source have been operated in
       long time sometime it is not efficient anymore, and even it is broken. In order that, it is
       needed to replace with the new one in order to be obtained the optimal ion current.
       Filament replacement and its testing to ion source of implantation machine at PTAPB-
       BATAN have been done. The testing was done to get the characteristic and
       optimation of ion Zn.current with parameters such as anode voltage, extractor voltage
       and accelerator high voltage. With the setting anode voltage, extractor voltage, and
       accelerator high voltage it is obtained that the optimum ion Zn current is 35 µA on
       anode voltage 5 kV, extractor voltage 2 kV accelerator high voltage 100 kV and
       vacuum level 10-5 torr




PENDAHULUAN                                           Pemanasan dapat dilakukan dengan cara
                                                      memasukkan dopan tersebut dalam suatu tabung
A    kselerator implantasi ion merupakan jenis
     akselerator ion yang khusus didesain untuk
mengimplantasikan ion-ion dari suatu atom atau
                                                      alumina yang dililiti dengan kawat nikelin. Proses
                                                      ionisasi terjadi karena uap dopan ditembak dengan
                                                      elektron yang dihasilkan oleh elektrode yang
molekul ke dalam suatu bahan. Alat ini terdiri dari
                                                      terpasang dalam ruang ionisasi sehingga timbul
beberapa komponen utama, yaitu sumber ion,
                                                      elektron sekunder yang akan mengionkan uap dopan
sumber tegangan tinggi, tabung akselerator, lensa
                                                      lebih lanjut[1] Ion-ion positif yang dihasilkan selama
kuadrupol, sistem pemisah berkas ion, sistem hampa
                                                      proses ionisasi akan ditarik keluar oleh tegangan
dan tempat target/cuplikan.
                                                      ekstraktor negatif menuju tabung akselerator
        Sumber ion merupakan komponen yang
                                                      melalui celah sempit.
berfungsi menghasilkan ion dalam ruang ionisasi
                                                                Ion yang dihasilkan oleh sumber ion akan
dan memerlukan dopan yang berupa gas/uap
                                                      dipercepat di dalam tabung akselerator sebelum
ataupun padatan. Bila dopan yang digunakan
                                                      diimplantasikan pada sasaran. Medan listrik yang
berupa padatan, maka dopan tersebut harus diubah
                                                      terbentuk di antara elektroda-elektroda tabung
ke fasa uap terlebih dahulu melalui pemanasan.
                                                      pemercepat akan membentuk medan ekuipotensial

Sukidi, dkk                                  ISSN 1410 – 8178                                            59
                      PROSIDING SEMINAR NASIONAL
            PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
                 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
                              Yogyakarta, 19 September 2006


yang dapat memfokuskan dan mempercepat berkas          gas, dan bahan cair. Pada pengujian kali ini
partikel bermuatan.       Potensial pada elektrode     dilakukan untuk jenis sumber ion dengan bahan
diberikan melalui sistem pembagi tegangan yang         implan padat dengan bahan dopan Zn. Filamen yang
terdiri dari beberapa tahanan. Antara elektroda        sudah tidak efisien lagi diganti dengan filamen yang
timbul beda potensial yang besarnya hampir sama        baru dan bersamaan penggantian tersebut diletakkan
sehingga berkas ion mendapat tambahan energi           pula material Zn, selanjutnya sumber ion tersebut di
yang hampir sama ketika melalui setiap elektroda.      digabungkan dengan sistem vakum mesin
         Lensa kuadrupol terdiri dari 4 lempeng        implantasi yang selanjutnya semua sistem
penyearah yang membentuk suatu hiperbola tegak         divakumkan sampai pada tingkat kevakuman
lurus, masing-masing pasangan dihubungkan              optimum (10-6 torr) .selanjutnya baru filamen siap
dengan tegangan positif dan negatif yang besarnya      untuk dialiri arus untuk memanaskan material, yang
dapat diubah dari 0 hingga 15 kV. Dengan               selanjut gas hasil penguapan di ionisasikan dalam
mengubah besar tegangan pada lensa, berkas ion         ruang ionisasi. Hasil ion dari ionisasi ditarik keluar
dapat difokuskan atau didefokuskan. Agar ion-ion       dari ruang sumber ion ke sasaran (target)
dapat mencapai sasaran tanpa mengalami tumbukan
dengan sisa molekul gas dalam sistem akselerator
implantasi ion, maka sepanjang lintasan yang dilalui
berkas ion dopan dari sistem sumber ion sampai ke
sasaran harus dalam keadaan hampa. Tingkat
kehampaan yang diperlukan dalam sistim
akselerator implantasi ion adalah dalam orde 10-5 -
10-6 torr. Untuk dapat mencapai tingkat kehampaan
pada level tersebut diperlukan 2 jenis pompa yaitu
pompa rotari dan pompa difusi. Pompa rotari yang
merupakan pemompaan tahap pertama mempunyai
kemampuan penghampaan hingga               10-3 torr   Gambar-1. Diagram akselerator implantasi ion 150
sedangkan untuk penghampaan hingga 10-6 torr                     keV/2 mA
digunakan pompa difusi.
         Berkas ion dopan yang dihasilkan oleh         HASIL DAN PEMBAHASAN
sumber ion ditarik keluar oleh tegangan negatif
                                                                Arus ion Zn sangat dipengaruhi oleh hasil
ekstraktor dan selanjutnya dipercepat dalam tabung
                                                       penguapan bahan Zn yang dipanaskan oleh filamen.
akselerator dan ditembakkan pada bahan target yang
                                                       Bahan Zn mempunyai titik didih 420 0C sedangkan
akan diimplantasi[2]. Bahan tersebut diletakkan pada
                                                       bahan filamen yang digunakan adalah molibdenum
tempat target yang terdiri dari mangkok Faraday dan
                                                       yang mempunyai titik didih ± 13000C sehingga
pegangan bahan target. Untuk mengukur arus
                                                       memungkinkan untuk memdidihkan bahan Zn agar
berkas ion dopan, mangkok Faraday dihubungkan
                                                       berubah dari fase padat menjadi fase gas agar dapat
dengan alat mikroampermeter. Diharapkan dengan
                                                       di ionisasi di dalam ruang sumber ion. Untuk
optimasi arus ion dapat diperoleh karakteristik dari
                                                       memanaskan bahan Zn berubah menjadi fase gas
sumber ion dengan filamen yang baru setelah pasca
                                                       dibutuhkan arus filamen yang cukup. Arus filamen
penggantian.
                                                       dapat diatur mulai dari 0 – 40 Amper. Hasil
                                                       pengujian dengan memvariasi arus filamen terhadap
TATA KERJA                                             arus ion Zn ditunjukkan pada Tabel 1 atau Gambar
         Pada Gambar 1 diperlihatkan suatu mesin       2.yaitu arus filamen 0 (nol) arus ion Zn juga masih 0
akselerator implantasi ion yang ada di Bidang          (nol) hal ini karena belum terjadi penguapan gas Zn,
Teknologi Akselerator dan Fisika Nuklir, Pusat         dengan menaikkan arus filamen pelan-pelan ke 2,5
Teknologi Akselerator dan Proses Bahan                 A arus ion muncul 18 µA, selanjutnya dinaikkan
Yogyakarta. Pada dasarnya mesin implantasi ion         bertahap 5 A, 7,5 A, 10 A, 12,5 A, 15 A dan 17,5 A
terdiri dari beberapa bagian antara lain sumber ion    serta terakhir 20 A diperoleh arus ion Zn berturut-
(SI), tabung akselerator, lensa kuadrupul, sumber      turut 23 µA, 25 µA, 26 µA, 29 µA, 35 µA, dan 34
tegangan tinggi, magnet analiser, dan kotak sasaran    µA, serta 32 µA, ini menunjukkan bahwa arus ion
(mangkok Farady) serta sistem vakum (pompa             optimum terjadi pada arus filamen 15 A dan dengan
vakum dan sistemnya). Khusus untuk sumber ion          menaikkan arus filamen sampai pada 20 A arus ion
pada mesin implantasi ion ini tergantung dari bahan    yang terukur justru menurun menjadi 32 µA.
yang akan diimplankan pada material sasaran,
sehingga pada mesin implantasai ion ini mempunyai
beberapa tipe sumber ion tergantung dari kebutuhan
implan. yaitu sumber ion untuk bahan padat, bahan

60                                           ISSN 1410 - 8178                                    Sukidi, dkk
                                   PROSIDING SEMINAR NASIONAL
                         PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
                              Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
                                            Yogyakarta, 19 September 2006


Tabel. 1. Variasi arus filamen                           Tabel. 2. Variasi tegangan anoda
             Arus filamen        Arus ion (µA,)                        Tegangan           Arus ion
                                                                     anoda(kVolt)          (µA,)
               (Amper)
                                                                             0                0
                   0                    0                                  1.5               15
                  2,5                  18                                    2              18.5
                   5                   23                                  2.5              22.5
                  7,5                  25                                    3              23.5
                  10                   26                                    5               35
                 12.5                  29                                  5.5               32
                  15                   35                                  6.5              23.5
                 .17.5                 34                                    9                9
                  20                   32

                                                                             40
                                                                                                            Zn




                                                             Arus ion (UA)
                                                                             30

                                                                             20

                                                                             10

                                                                              0
                                                                                  0   2    4      6     8        10
                                                                                      Tegangan Anode (kV)


Gambar 2. Hubungan arus ion vs arus filamen              Gambar 3. Hubungan arus ion vs tegangan anoda
         Dari data-data hasil pengujian parameter–                Pada Gambar 4 ditunjukkan hubungan
parameter yang mempengaruhi terhadap arus ion            antara tegangan ekstraktor denga arus ion. Pada
selain arus filamen adalah tegangan anoda, tegangan      kondisi tegangan ekstraktor nol arus ion sudah
ekstraktor, tegangan pemercepat. Pada Tabel 2 atau       menunjukkan 22 µA. Hal ini karena arus yang
Gambar 3 ditunjukkan hubungan antara tegangan            keluar tersebut adalah hasil ionisasi dalam ruang
anoda dengan arus ion. Pada kondisi tegangan             sumber ion dengan tegangan anoda, pada kondisi
anoda nol arus ion juga nol walaupun tegangan            yang demikian tegangan pemercepat adalah masih
pemercepat dan tegangan ektraktor pada kondisi           nol (0).       Dengan tegangan anoda optimum
optimun arus ion tetap nol (tidak keluar arus ion) hal   dimungkinkan ion-ion dikeluarkan dari hasil
ini terjadi karena ion-ion yang akan dikeluarkan         ionisasi yang dikeluarkan akibat ion-ion negatif
adalah ion positif hasil dari ionisasi sedangkan di      (elektron) ditarik oleh tegangan anoda, sedangkan di
dalam ruang sumber ion belum terjadi proses              dalam ruang sumber ion terjadi proses ionisasi terus,
ionisasi karena tegangan anoda nol, walaupun             begitu tegangan ektraktor diberikan dan dinaikkan
demikian tegangan anoda perlahan-lahan diberikan         secara pelan-pelan sampai pada 2 kV arus ion juga
dari 0 ke 1,5 kV arus ion yang terukur perlahan naik     naik pelan-pelan hingga mencapai optimum pada
sampai pada 15 µA dan berturut-turut tegangan            arus ion 33,5 µA. dan tegangan ektraktor dinaikkan
anoda dinaikan menjadi 2 kV; 2,5 kV, 3 kV dan 5          terus sampai pada 6 kV namun justru arus ion
kV arus ion ikut naik menjadi 18,5 µA, 22,5 µA,          terukur turun yaitu 19 µA hal ini membuktikan
23,5 µA dan 35 µA . Ini menunjukkan bahwa                bahwa arus ion optimum terjadi pada tegangan
tegangan anoda berpengaruh terhadap arus ion yang        ektraktor 2 kV. Hal ini menunjukkan bahwa
dihasilkan oleh sumber ion namun begitu dinaikkan        tegangan ekstraktor juga sangat berpengaruh
terus 5,5 kV, 6,5 kV dan sampai 9 kV arus ionnya         terhadap arus ion yang dihasilkan. Dengan demikian
justru menurun yaitu 32 µA, 23,5µA, 9 µA ini             arus optimum 33,5 µA terjadi pada tegangan
berarti arus ion Zn optimum dengan variasi               ektraktor 2 kV.
tegangan anode terjadi pada tegangan anoda 5 kV.




Sukidi, dkk                                    ISSN 1410 – 8178                                                       61
                       PROSIDING SEMINAR NASIONAL
             PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
                  Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
                              Yogyakarta, 19 September 2006


Tabel. 3. Variasi tegangan ektraktor                    Tabel. 4. Variasi tegangan pemercepat
               Tegangan           Arus ion (µA,)                       Tegangan            Arus ion
              anoda(kVolt)                                         pemercepat (kVolt)       (µA,)
                   0                    22                                  0                 7.5
                   1                    23                                  10                20
                   2                   33.5                                 20                24
                   3                    31                                  30                30
                   4                    29                                  40                31
                   5                   22.5                                 50                32
                   6                     9                                  60                33
                                                                            70                34
                                                                            80                35
                                                                            90               35.2
                                                                           100               35.3


                                                                           40


                                                                           30




                                                            rus ion (UA)
                                                                                                                    Zn
                                                                           20
                                                           A

                                                                           10


                                                                           0
Gambar 4. Hubungan arus ion vs Tegangan                                         0   20       40     60    80        100   120
            ektraktor                                                                    Tegangan pemercepat (kV)

        Arus ion yang terukur dari pengujian
sumber ion terhadap perubahan tegangan                 Gambar 5. Hubungan arus ion vs tegangan
pemercepat seperti ditunjukkan pada tabel 4 atau                pemercepat
Gambar 5. Hubungan antara arus ion dengan
tegangan        tinggi      pemercepat      dengan     KESIMPULAN
mempertahankan parameter yang lain pada kondisi
optimum yaitu tegangan anoda dan tegangan                       Dari hasil pengujian optimasi sumber ion
ekstraktor pada kondisi 5 kV dan 2 kV. Arus ion        untuk mesin implantasi ion pasca penggantian
yang terukur terhadap perubahan tegangan tinggi        filamen baru dapat disimpulkan sebagai berikut :
pemercepat yaitu tegangan pemercepat nol (0) arus               Besar arus ion Zn yang dihasilkan oleh
ion sudah terukur 7,5 µA namun dengan menaikkan        sumber ion sangat dipengaruhi oleh parameter-
tegangan pemercepat dari nol sampai pada tegangan      parameter :
10 kV arus ion naik dan terukur 20 µA kenaikan ini              a. Arus filamen
merupakan kenaikan yang signifikan, namun setelah               b. Tegangan anoda
tegangan     tinggi    pemercepat    perlahan-lahan             c. Tegangan ekstraktor
dinaikkan lagi kenaikan arus ion tidak begitu cepat             d. Tegangan tinggi pemercepat
dan linier walaupun tetap ada kenaikan, seperti                 e. Tingkat kevakuman
ditunjukkan pada Gambar 5. Kenaikan arus ion dari      1. Pengoperasian sumber ion pada akselerator
tegangan pemercepat berturut-turut dari 20 kV ke 40        implantasi ion sangat memerlukan ketrampilan
kV, 60 kV, 80 kV, dan 100 kV arus yang terukur 24          dari operator untuk mengoperasikan mesin
                                                           implantasi sehingga betul-betul dapat menguasai
µA, 31 µA, 33 µA, 35 µA 35,3 µA justru pada
                                                           karakteristik dari sumber ion tersebut.
tegangan tinggi pemercepat 100 kV kenaikkan arus
                                                       2. Dengan diperoleh data-data hasil pengujian
ion sudah kecil sekali. Ini menunjukkan bahwa arus
                                                           tersebut    diatas    maka      dapat   diketahui
optimum terjadi pada tegangan 80 kV sampai pada
                                                           karakterisasi dari sumber ion tersebut setelah
100 kV.
                                                           pasca penggantian filamen baru.
                                                       3. Arus ion optimum terukur 35 µA. terjadi pada
                                                           kondisi arus filamen 15 Amper, tegangan anode
                                                           5 kV, tegangan ektraktor 2 kV dan tegangan
                                                           pemercepat 100 kV serta pada tingkat
                                                           kevakuman 10-5 torr.


62                                            ISSN 1410 - 8178                                                        Sukidi, dkk
                                  PROSIDING SEMINAR NASIONAL
                        PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
                             Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
                                         Yogyakarta, 19 September 2006


UCAPAN TERIMA KASIH
        Dalam kesempatan kali ini penulis
mengucapkan banyak terima kasih kepada Bapak
Djasiman, ST yang telah membantu dan mendorong
untuk segera dapat diselesaikan penggantian filamen   TANYA JAWAB
baru beserta pengujiannya dan kami ucapkan terima
kasih pula kepada Bapak Drs BA Tjipto Sujitno,        Imam Dahroni
MT yang telah membimbing dan mengarahkan                Jelaskan variable apa saja yang dapat
sehingga terselesaikan tulisan ini, dan tidak lupa      mempengaruhi kondidi optimum arus ion hasil
kami ucapkan terima kasih juga kepada teman-            filament ?
teman dikelompok teknologi dan rancang bangun           Dari hasil kesimpulan berapa kondisi kongkrit
akselerator dalam sumbangsih pemikirannya.              peralatan implantasi ion bapak. ?
                                                        Sukidi
DAFTAR PUSTAKA                                             Variabel yang mempengaruhi adalah arus
1.  VALLY, L, 1977, Atom and Ion Source, John              fillamen, tegangan ekstraktor, tegangan anoda,
   wiley & Sons London.                                    tegangan pemercepat dan tingkat kevakuman
2. SUDJATMOKO, 1998 , Aplikasi Teknik                      Kondisi optimum diperoleh arus filament 15 A,
   Implantasi   Ion   dalam  Doping     Bahan              tegangan ekstraktor 2 kV, tegangan anoda 5
   Semikonduktor dan Non Semikonduktor Untuk               kV, tegangan pemercepat 100 kV dan tingkat
   Menghasilkan Bahan dengan Sifat Unggul,                 kevakuman 1x10-5 Torr dengan arus ion 35 µA
   Laporan Riset Unggulan Terpadu III, Bidang
   Ilmu Bahan




Sukidi, dkk                                  ISSN 1410 – 8178                                         63

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Stats:
views:65
posted:5/13/2011
language:Indonesian
pages:5
Description: OPTIMASI ARUS ION ZN PASCA PENGGANTIAN FILAMEN BARU UNTUK SUMBER ION PADA MESIN IMPLANTASI ION