simulasi kurva paschen pada plasma enhance - Digilib

Volume 15, Oktober 2013
ISSN 1411-1349
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: [email protected]
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 semiempirical 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
D
iamond-like carbon (DLC) merupakan kondisi
metastabil
dari
karbon
amorf
yang
mengandung fraksi yang signifikan dari ikatan
sp3 (struktur intan) dan ikatan sp2 (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 mikroelektromekanis (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
SIMULASI KURVA PASCHEN PADA PLASMA ENHANCE
CHEMICALLY VAPOUR DEPOSITION (PLASMA CVD)
UNTUK APLIKASI DEPOSISI DIAMOND-LIKE CARBON
(DLC) COATING
Alfia Hanim, Emy Mulyani, Tjipto Sujitno
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 (ArgonMetana). 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
95
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.
dengan I0 adalah arus awal pada katoda. Jika proses
tumbukan elektron terjadi berulang-ulang maka total
elektron yang mencapai anoda dinyatakan oleh [3]
TEORI
I =
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.
(3)
I = I 0 exp (αd )
I 0 exp (αd )
1 − γ [exp (αd ) − 1]
(4)
dengan γ adalah koefisien ionisasi kedua Townsend.
Saat jarak d semakin lebar maka penyebut pada
persamaan (4) akan sama dengan nol, sehingga
γ [exp (αd ) − 1] = 1 .
(5)
Persamaan (5) disebut sebagai dadal Townsend
dengan α d = ln (1 γ + 1) . Secara semi-empiris [4] dapat
dinyatakan bahwa α = pAi exp(− Bi p E ) dengan A, B
adalah konstanta dan indek i adalah kondisi gas
tertentu, sehingga
B p
ln ⎛⎜ 1 + 1⎞⎟ = pdAi exp( − i
),
E
⎝ γ
⎠
B
p
ln ⎡⎢ln⎛⎜ 1 + 1⎞⎟⎤⎥ = ln ( pdAi ) − i
E
⎠⎦
⎣ ⎝ γ
Gambar 1. Susunan elektroda untuk Townsend 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
maka
jumlah
dn x dx = αn x ; atau n x = n0 exp(αx )
elektron yang mencapai anoda (x=d) dinyatakan oleh
nd = n0 exp (αd )
.
(1)
Jumlah rata-rata elektron baru yang dihasilkan
oleh tiap elektron dinyatakan oleh
exp (αd ) − 1 =
nd − n0
n0
(2)
sehingga rata-rata arus pada gap, yang merupakan
jumlah elektron bergerak perdetik dinyatakan oleh
(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,
∇ 2φ = 0 ) maka E = V/d, dengan substitusi E pada
persamaan (6) diperoleh [3]
VBD =
Bi pd
⎡ ⎛
⎞⎤
ln ( pdA1 ) − ln ⎢ln⎜ 1 + 1⎟ ⎥
γj
⎠⎦
⎣ ⎝
(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
Air
CO2
H2
Ne
Kr
15
20
5
4
17
B
(cmTorr)-1
365
466
130
100
240
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 15, Oktober 2013 : 95 - 99
Gas
A (cmTorr)-1
B (cmTorr)-1
N2
H 2O
He
Ar
Xe
10
13
3
12
26
310
290
34
180
350
96
Volume 15, Oktober 2013
ISSN 1411-1349
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.
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.
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 semiempiris perhitungan tegangan dadal gas sampel (kurva
Paschen).
SIMULASI KURVA PASCHEN PADA PLASMA ENHANCE
CHEMICALLY VAPOUR DEPOSITION (PLASMA CVD)
UNTUK APLIKASI DEPOSISI DIAMOND-LIKE CARBON
(DLC) COATING
Alfia Hanim, Emy Mulyani, Tjipto Sujitno
Gambar 4. Kurva Paschen Gas Argon Metana
hasil eksperimen.
Berdasarkan Gambar 4 diperoleh bahwa perubahan 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
97
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 menyebabkan 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 membandingkan 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.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 15, Oktober 2013 : 95 - 99
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 Applications 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
University Press,New York, 2008.
98
Volume 15, Oktober 2013
ISSN 1411-1349
LAMPIRAN
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.
SIMULASI KURVA PASCHEN PADA PLASMA ENHANCE
CHEMICALLY VAPOUR DEPOSITION (PLASMA CVD)
UNTUK APLIKASI DEPOSISI DIAMOND-LIKE CARBON
(DLC) COATING
Alfia Hanim, Emy Mulyani, Tjipto Sujitno
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
99