SIMULASI KURVA PASCHEN PADA PLASMA ENHANCE CHEMICALLY VAPOUR DEPOSITION (CVD) UNTUK APLIKASI DEPOSISI DIAMOND-LIKE CARBON (DLC) COATING

SIMULASI KURVA PASCHEN PADA PLASMA ENHANCE

CHEMICALLY VAPOUR DEPOSITION (CVD) UNTUK APLIKASI

DEPOSISI DIAMOND-LIKE CARBON (DLC) COATING

Alfia Hanim*, Emy Mulyani**, Tjipto Sujitno**

*Ilmu Fisika FMIPA Universitas Gadjah Mada

**Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB), Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN) E-mail: emymulya@batan.go.id

ABSTRAK

SIMULASI KURVA PASCHEN PADA PLASMA ENHANCE CHEMICALLY VAPOUR DEPOSITION (CVD) UNTUK APLIKASI DIAMOND-LIKE CARBON (DLC). Kurva Paschen gas argon-metana menjadi penting

untuk diketahui karena menjadi acuan pada saat pengoperasian sistem plasma CVD untuk aplikasi DLC. Penentuan kurva Paschen secara semi empirik dilakukan dengan program Matlab. Eksperimen menggunakan gas argon-metana (ArCH4) dengan komposisi campuran gas argon 63% dan metana 37% mendapatkan data tegangan

dadal, tekanan gas serta jarak antar elektroda. Data tersebut digunakan sebagai masukan pada program Matlab, hasil keluaran program Matlab berupa kurva Paschen dengan range variabel yang lebih luas dibandingkan data hasil ekperimen.

Kata Kunci: simulasi, kurva Paschen, argon-metana, plasma CVD, DLC

ABSTRACT

PASCHEN CURVE SIMULATION ON PLASMA ENHANCE CHEMICALLY VAPOUR DEPOSITION (CVD) FOR DIAMOND-LIKE CARBON (DLC) APPLICATION. Paschen curve of argon-methane gas is important to

be known as a reference when operating the plasma CVD system for DLC applications. Determination of semi-empirical Paschen curve was carried out using Matlab program. The experiment was done with composition of 63% argon and 37% methane, the information such as gas pressure, breakdown voltage and also distance between the electodes were recorded. This data is used as an input on Matlab matlab program, then the output is Paschen curve with more variable range than Paschen curve from experiment.

Keywords: simulation, Paschen curve, argon-methane, plasma CVD, DLC

PENDAHULUAN

iamond-like carbon (DLC) merupakan kondisi metastabil dari karbon amorf yang mengandung fraksi yang signifikan dari ikatan sp3 _{(struktur intan) dan ikatan sp}2 _{(struktur grafit)[1],} memiliki kekerasan mekanik yang tinggi, inertness kimia, transparansi optik dan memiliki band gap semikonduktor yang lebar. DLC film memiliki aplikasi luas sebagai lapisan pelindung di berbagai bidang seperti penyimpanan disk magnetik, bagian mobil, pelapis biomedis dan sebagai perangkat mikro-elektromekanis (MEMS)[2]. DLC dapat dideposisikan menggunakan physically vapour deposition (PVD) dan plasma enhance chemically vapour deposition (plasma CVD)[1]. Sifat DLC yang dihasilkan bergantung pada metode deposisi, jenis gas dan keadaan deposisi.

Plasma CVD merupakan proses deposisi menggunakan bantuan plasma untuk meningkatkan reaksi kimia yang terjadi pada suatu bahan. Penggunaan plasma pada metode plasma CVD mengijinkan suhu deposisi menjadi lebih rendah

dibandingkan dengan suhu yang dibutuhkan dalam proses termokimia. Pada proses deposisi dengan plasma CVD harus diperhatikan beberapa parameter yang berpengaruh yaitu jenis dan tekanan gas, suhu, tegangan serta geometri tabung reaktor plasma.

PTAPB telah mengembangkan rancangbangun plasma double chamber yang prototipnya akan selesai pada tahun 2014. Dalam rangka uji fungsi maka perlu dilakukan pengendalian terhadap keadaan deposisi untuk mengembangkan teknik deposisi dan pengoptimalan sifat DLC yang dihasilkan. Pada penelitian ini dilakukan optimasi parameter proses terbentuknya plasma yaitu dengan mengetahui kurva Paschen dari campuran gas yang digunakan (Argon-Metana). Kurva Paschen merupakan kurva yang menunjukkan perubahan tegangan dadal gas sebagai fungsi jarak elektroda dan tekanan gas[3]. Nilai tekanan dan tegangan dadal minimum yang diperoleh melalui eksperimen kemudian disimulasikan dengan software Matlab sehingga menghasilkan kurva Paschen yang merupakan kurva semi-empiris hubungan perubahan tekanan gas terhadap tegangan dadal gas

Volume 15, Oktober 2013 ISSN 1411-1349 tersebut. Dengan diketahuinya kurva Paschen secara

semi-empiris tersebut maka akan diperoleh gambaran yang lebih jelas terkait pengaturan tegangan, jarak elektroda dan tekanan gas pada proses pembentukan plasma.

TEORI

Jika terdapat sepasang elektroda terpisah pada jarak d dan terhubung dengan medan listrik E=V d (Gambar 1) maka elektron primer yang terletak di dekat katoda akan membawa arus awal sebesar i0.

Gambar 1. Susunan elektroda untuk

Town-send discharge[3].

Berdasarkan Gambar 1 jika diasumsikan n0 elektron diemisikan dari katoda dan ketika satu elektron bertumbukan dengan partikel netral, maka akan terbentuk ion positif dan elektron yang disebut sebagai proses ionisasi tumbukan dengan α (koefisien ionisasi Townsend) adalah rata-rata jumlah ionisasi tumbukan pertama yang dilakukan oleh elektron per cm (α bergantung pada tekanan gas p dan E/p). Pada jarak x dari katoda, jumlah elektron menjadi nx. Ketika nx elektron bergerak menempuh jarak dx maka akan terbentuk αnxdx elektron. Ketika x=0, nx=n0 dan

( )

x n n n dx

dn_x =α _x ;atau _x= ₀expα maka jumlah

elektron yang mencapai anoda (x=d) dinyatakan oleh

( )

d n

nd = 0expα _. (1)

Jumlah rata-rata elektron baru yang dihasilkan oleh tiap elektron dinyatakan oleh

( )

0 0

1

expαd − = nd−n _n (2)

sehingga rata-rata arus pada gap, yang merupakan jumlah elektron bergerak perdetik dinyatakan oleh

) ( exp 0 d I I = α (3)

dengan I0 adalah arus awal pada katoda. Jika proses

tumbukan elektron terjadi berulang-ulang maka total elektron yang mencapai anoda dinyatakan oleh [3]

( )

( )

[

exp 1

]

1 exp 0 − − = d d I I α γ α ₍₄₎

dengan γ adalah koefisien ionisasi kedua Townsend. Saat jarak d semakin lebar maka penyebut pada persamaan (4) akan sama dengan nol, sehingga

( )

[

expαd −1

]

=1

γ . (5)

Persamaan (5) disebut sebagai dadal Townsend dengan αd=ln(1γ+1). Secara semi-empiris [4]dapat dinyatakan bahwa α=pAiexp(−Bip E) dengan A, B adalah konstanta dan indek i adalah kondisi gas tertentu, sehingga (_pdA) Bp_E E p B pdA i i i i − = ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ _⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ₊ − = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ₊ ln 1 1 ln ln ), exp( 1 1 ln γ γ (6)

Pada kondisi medan gap yang tidak seragam dan potensial Laplace (yaitu ketika medan yang dihasilkan oleh elektron dan ion pada gap lebih kecil dibandingkan dengan medan listrik yang diberikan,

0

2 ₌

∇φ ) maka E = V/d, dengan substitusi E pada persamaan (6) diperoleh [3] ( ) _⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ₊ − = 1 1 ln ln ln 1 j i BD pdA pd B V γ (7)

dengan VBD adalah tegangan dadal. Persamaan (7) menunjukkan hubungan antara V dan pd, dan menunjukkan bahwa tegangan dadal merupakan fungsi tekanan dan jarak antar elektroda (pd). Parameter A dan B untuk jenis gas yang berbeda pada E/p = 30-500 V/cmTorr dapat dilihat pada Tabel 1.

Persamaan (7) dikenal sebagai hukum Paschen yang telah digunakan untuk eksperimen berbagai macam isian gas. Kurva Paschen untuk berbagai isian gas ditunjukkan pada Gambar 2.

Tabel 1. Parameter A dan B pada perhitungan koefisien Townsend α secara semi-empiris.[4]

Gas A (cmTorr)-1 B

(cmTorr)-1 Gas A (cmTorr) -1 B (cmTorr)-1 Air 15 365 N2 10 310 CO2 20 466 H2O 13 290 H2 5 130 He 3 34 Ne 4 100 Ar 12 180

Gambar 2. Kurva Paschen Kurva Paschen untuk berbagai jenis gas.[4]

Dari kurva Paschen dapat dilihat bahwa hubungan antara V dan pd tidak linear dan memiliki nilai minimum untuk tiap gas. Hal ini berarti bahwa tegangan dadal merupakan fungsi yang tergantung pada tekanan (p), jarak elektroda (d), isian gas serta material elektroda yang digunakan.

TATA KERJA

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah gas Argon-Metana (ArCH4) dengan komposisi

campuran gas argon 63% dan metana 37%. Gambar 3 menunjukkan alat plasma CVD yang digunakan untuk pengambilan data dengan spesifikasi alat diantaranya tabung reaktor plasma dengan tinggi 40 cm dan diameter 32 cm, sistem vakum berupa pompa rotary jenis Edwards E2M2 dengan kapasitas 2,8 m3 _{per jam}

serta tingkat kevakuman 1 × 10-3 _{mbar (0,1 Pa, alat}

ukur pirani meter seri 1001 berupa catu daya 2 kW dan instrumentasi operasi (meter arus, tegangan dan suhu).

Gambar 3. Alat plasma CVD.

Data tekanan (p) dan tegangan dadal (V) yang diperoleh kemudian diplot dalam bentuk grafik, diambil nilai p dan jarak antar elektroda (d) minimum untuk kemudian disimulasikan melalui Matlab. Melalui hasil simulasi tersebut akan diperoleh grafik semi-empiris perhitungan tegangan dadal gas sampel (kurva Paschen).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Eksperimen dilakukan dengan mengatur jarak elektroda sebesar 4 cm dan variasi tekanan tabung pada 0,17-1,2 mbar. Data hasil eksperimen tersebut kemudian diplot menjadi kurva Paschen yang ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Kurva Paschen Gas Argon Metana hasil eksperimen.

Berdasarkan Gambar 4 diperoleh bahwa per-ubahan nilai tekanan gas argon-metan mempengaruhi nilai tegangan dadal gas tersebut. Hal tersebut juga menunjukkan bahwa terdapat korelasi antara jumlah molekul gas dalam tabung reaktor plasma yang ditunjukkan dengan parameter tekanan terhadap kekuatan atau daya dielektrikum gas. Pengaruh perubahan tekanan terhadap tegangan dadal gas tidak selalu berbanding lurus maupun berbanding terbalik, melainkan terbagi menjadi dua jenis. Sebelum mencapai kondisi minimum (350 volt saat tekanan 1 mbar cm) perubahan tekanan gas berbanding terbalik terhadap tegangan dadal gas sedangkan setelah mencapai kondisi minimum kenaikan tekanan gas akan diikuti dengan kenaikan tegangan dadal gas.

Kedua jenis korelasi tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut yaitu pada nilai tekanan gas yang sangat rendah (dalam hal ini < 1 mbar cm), hanya sedikit molekul-molekul gas yang mengisi tabung reaktor sehingga kemungkinan terjadinya tumbukan

Volume 15, Oktober 2013 ISSN 1411-1349 antar molekul gas rendah. Rendahnya probabilitas

tumbukan antara elektron dan atom-atom gas menyebabkan diperlukannya tegangan yang cukup tinggi untuk memicu terjadinya proses ionisasi. Semakin tinggi tekanan gas dalam tabung, jumlah molekul gas yang mengisi tabung semakin banyak sehingga probabilitas tumbukan antara elektron dan atom-atom gas semakin meningkat sehingga tegangan yang diperlukan untuk memicu proses ionisasi semakin rendah. Pada suatu nilai tekanan tertentu (1 mbar cm), jumlah molekul gas yang mengisi tabung mencapai kondisi optimal sehingga tegangan dadal gas bernilai minimum.

Setelah mencapai kondisi optimal, kenaikan tekanan gas tidak lagi diikuti dengan penurunan nilai tegangan dadal melainkan justru diikuti dengan kenaikan tegangan dadal. Hal tersebut dikarenakan semakin tinggi tekanan gas maka semakin banyak molekul gas yang mengisi tabung sehingga menyebab-kan lintasan gerak elektron semakin berkurang dan sebagai konsekuensinya dibutuhkan kenaikan penyediaan energi listrik yang lebih besar untuk memicu terjadinya proses ionisasi. Semakin banyak molekul gas di dalam tabung menyebabkan elektron lebih sering bertumbukan dengan molekul gas, tetapi energi yang diperoleh rendah sehingga tidak cukup untuk memicu proses ionisasi.

Selain digunakan untuk menjelaskan pengaruh perubahan tekanan gas terhadap tegangan dadal suatu gas, eskperimen ini juga dilakukan untuk mem-bandingkan hasil eksperimen dengan hasil simulasi perhitungan tegangan dadal. Data tekanan dan tegangan minimum dari hasil eksperimen dijadikan sebagai masukan pada program Matlab dan menghasilkan kurva Paschen seperti ditunjukkan pada Gambar 5.

Berdasarkan hasil yang ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5 dapat diperoleh bahwa terdapat perbedaan antara hasil eksperimen dengan hasil simulasi. Hal tersebut diakibatkan oleh keterbatasan variabel pada proses pengambilan data.

Kurva Paschen hasil simulasi memiliki range variabel yang lebih lebar dibandingkan kurva hasil eksperimen, hal ini dikarenakan peralatan yang digunakan pada ekperimen memiliki batas-batas wilayah kerja tertentu yang tidak bisa terlampaui. Nilai pd untuk hasil eksperimen hanya dapat menjangkau maksimal 4,5 mbar cm sedangkan pada simulasi dengan software Matlab range variabel dapat dibuat sesuai dengan kebutuhan. Tetapi perlu juga diketahui bahwa simulasi tidak dapat dilakukan tanpa data eksperimen karena proses simulasi dilakukan dengan memasukkan sampel data hasil eksperimen sehingga kurva yang dihasilkan berupa kurva semi-empiris.

Gambar 5. Kurva Paschen Gas Argon Metana semi-empiris melalui simulasi Matlab.

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa kurva Paschen untuk gas campuran argon metana dapat diperoleh melalui simulasi semi-empirik menggunakan software Matlab. Melalui simulasi tersebut dihasilkan kurva semi-empiris hubungan perubahan tekanan gas terhadap tegangan dadal gas dengan range yang lebih luas dibanding kurva hasil eksperimen. Kurva simulasi menunjukkan hasil yang lebih rapi dan teratur karena pada simulasi tidak terdapat faktor-faktor luar yang mempengaruhi hasil percobaan seperti pada pengambilan data melalui eksperimen langsung.

DAFTAR PUSTAKA

[1] OOHIRA KUOYA., Characteristic and Appli-cations of DLC Films, NTN Techical Review No.77 pp 90, 2009.

[2] ROBERTSON, J., Diamond Like Amorphous Carbon. Enginnering departement, Cambridge University, 2002

[3] NAIDU,M S., KAMARAJU,V., Enginnering High Voltage fourth edition, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi, 2009. [4] FRIDMAN, A., Plasma Chemistry. Cambridge

TANYA JAWAB

Wiwien Andriyanti

− Apakah yang terjadi jika pada rektor plasma diberikan variabel pd yang lebih besar atau lebih kecil dari pd(min) (kaitannya dengan kurva Paschen), mohon penjelasan.

Emy Mulyani

− Terkait dengan kurva Paschen jika pd > pd (min), elektron akan melewati gap dan akan menumbuk molekul gas lebih banyak dibandingkan saat pdmin, akan tetapi energi gain antar tumbukan lebih kecil. Sehingga, untuk menjaga proses ionisasi yang diinginkan maka diberikan tegangan yang lebih besar.

− Jika pd < pd (min), elektron mungkin akan melewati gap tanpa adanya tumbukan atau mengalami tumbukan dalam jumlah sedikit. Sehingga, tegangan yang lebih besar harus diberikan supaya dapat terjadi dadal.

LAMPIRAN

Listing Program Matlab Gas Argon Metana

>> %Paschen'scurve for Argon Methane. gamma=0.01; pd_start_1=0.01; pd_stop_1=1; pd_inc_1=0.001; pd_start_2=2; pd_stop_2=1000; pd_inc_2=1;

pmin=input('masukkan besarnya tekanan, pmin= '); dmin=input('masukkan besarnya jarak elektroda, dmin= ');

vmin=input('masukkan besarnya tegangan minimum, vmin= ') A=((2.72/(pmin*dmin))*(log(1+(1/gamma)))); B=(vmin/((dmin)*(pmin))); pd_1=pd_start_1:pd_inc_1:pd_stop_1; pd_2=pd_start_2:pd_inc_2:pd_stop_2; pd=[pd_1 pd_2]; term1=B*pd; term2=log(pd*A); term3=log(log(1+gamma^(-1))); vb=term1./(term2-term3); for count=1:1:length(vb); if vb(count)<0; vb(count)=nan; end; end;

%Plot pd as mbar*cm rather than mbar*cm: loglog(pd*10,vb,'*b');

title('Kurva Paschen Argon Metana'); axis([1e0 1e4 1e1 1e5]);

xlabel('pd (mbar*cm)');

ylabel('V_b, Tegangan Dadal(volt)');

text(10,10e3,['A=' num2str(A) ' (mbar*cm)^(-1)']); text(10,5e3,['B=' num2str(B) ' V/(mbar*cm)']); text(10,2e3,['gamma=' num2str(gamma)]); masukkan besarnya tekanan, pmin= 0.22 masukkan besarnya jarak elektroda, dmin= 4 masukkan besarnya tegangan minimum, vmin= 356