Dielectric Barrier Discharges (DBDs)

2.5 Dielectric Barrier Discharges (DBDs)

APGDs sangat erat kaitannya dengan DBDs, biasa juga disebut dengan “silent discharges”. DBDs beroperasi pada kisaran tekanan atmosfir (0,1 – 1 atm). Perbedaan yang paling umum antara DBDs dengan APGDs adalah biasanya ke-homogenan terdapat di elektroda2 dan karakteristik dengan hanya satu arus pulsa per setengah lingkaran karena tipe DBDs terdiri dari filamen mikrodischarge berdurasi nano sekon ( dengan banyak arus pulsa per setengan lingkaran ).

Terdapat dua konfigurasi mendasar yang membedakan DBDs :

1. Volume Discharge (VD)

Terdiri dari dua buah plat parallel.

Mikrodischarge terdapat pada chanel tipis yang berseberangan dengan gap discharge dan biasanya tersebar di atas permukaan elektroda. Nilai dari mikrodischarge per periode sebanding dengan amplitudo tegangannya.

2. Surface Discharge (SD)

Terdiri dari nilai permukaan elektroda pada layer dielektrik dan counterelektroda pada sisi yang berkebalikan.

Waktu yang sangat singkat pada DBDs (nanosekon) disebabkan oleh muatan yang meningkat pada permukaan dielektrik, sampai beberapa ns setelah breakdown. Tentu saja, pengurangan medan elektrik pada lokasi dari mikrodischarge hingga peningkatan muatan arus pada posisi ini menjadi terganggu.

2.6 Corona Discharges

Selain glow discharge dengan dua elektroda, terdapat juga tipe pulsed d.c discharge lainnya dengan katoda yang terbuat dari kawat. Kawat ni menggunakan tegangan negative yang tinggi, serta dioperasikan dalam tekanan atmosfir. Discharge ni dinamakan “corona discharges” karena saat discharges terjadi, timbul percikan cahaya di sekitar kawat.

Mekanisme dari corona discharges hampir sama dengan glow discharges. Ion positif mengalir sepanjang kawat sehingga menyebabkan emisi electron sekunder. Kemudian electron itu masuk ke plasma. Peristiwa ini disebut “streamer”, yang mana perpindahan electron dengan energy yang tinggi diikuti oleh electron dengan energy yang rendah. Elektron dengan energy yang tinggi menyebabkan terjadi tumbukan tak lenting dengan partikel yang padat. Contohnya ionization, excitation, dissociation. Sehingga radical bisa terbentuk, yang mana bisa menyebabkan keretakan pada molekul yang besar saat terjadi tumbukan.

Corona discharges juga kuat pada keadaan tak seimbang, asalkan temperature dan ikatannya sesuai. Alasan utamanya adalah short time-scale dari getaran. Jika sumbernya tidak bergetar, akan timbul panas, memberikan kenaikan pada emisi termal dan peralihan dalam busur discharge mendekati keseimbangan.

Selain negative corona discharges terdapat juga positive corona discharges dimana kawat mempunyai tegangan yang positif, sehingga berperan sebagai anoda. Aplikasi corona discharge terdapat pada pembersihan cerobong asap gas. Proses penghancuran dari pelepasan komponen gasnya yaitu pengecatan, penyaringan air. Debu dibersihkan dari gas atau liquid berkat kerjasama antar electron dari discharge ke partikel debu.

2.7 Magnetron Discharges

Discharge yang paling sering diterapkan dalam medan magnet adalah Magnetron Discharge. Terdapat 3 jenis tipe konfigurasi magnetron, yaitu cylindrical, circular and planar magnetrons. Magnetron Discharge kadang juga disebut dengan “balanced planar magnetron”, yaitu sebuah axisymmetric medan magnet yang dihasilkan oleh magnet permanen yang terdapat dibelakang katoda sehingga menghasilkan medan megnet yang terdapat pada gambar berikut:

Dari gambar dapat terlihat bahwa skema planar magnetron discharge, magnet yang terdapat dibelakang katoda mengasilkan medan magnet berupa cincin dengan jari-jari R dan lebar W. Dengan terbentuknya perangkap electron berupa medan magnetic yang berbentuk helics, elektron akan memasuki daerah medan magnet yang berbentuk helices tersebut, sehingga perpindahan electron yang terjadi didalam plasma lebih besar dari pada konvensional glow discharge. Hal ini akan mengasilkan benturan (collisions) ionisasi yang besar sehingga fluks ion menjadi besar. Karena besarnya ionisasi yang dihasilkan pada medan magnet dekat katoda dengan fluks yang sangat tinggi, sehingga menghasilkan pancaran electron skunder dari katoda. Karena adanya pancaran electron skunder dan penambahan ion yang besar, maka magnetron biasanya beroperasi pada arus yang sangat tinggi ( typically 1A ), tegangan kecil ( ̴500 V), tekanan (typically 1 Pa). Magnetic field strength sebesar 0,01 – 0,1 tesla.

Saat ion menabrak katoda dengan fluks yang tinggi, akan mengasilkan percikan atau sputtering  atom. Dengan adanya sputtering dan dibarengi dengan sedikit tekanan pada plasma menghasilkan deposition (terletak pada dasar/grounded elektroda). Percikan dan depotition ini merupakan hal yang paling penting dalam Magnetron Discharge.

Keseimbangan magnetron berguna pada saat fluks partikel bermuatan rendah, contohnya dalam deposisi lapisan plastik. Namun dalam aplikasi industri, beberapa kelas lain membutuhkan sumber-sumber percikan gabungan, contohnya pada deposisi film tipis yang menggunakan bantuan ion balok. Secara umum penubrukan atau penyerbuan ion selama terjadinya lapisan film tipis menjadikan perubahan karakteristik inti, morfologi, komposisi, kristalinitas, dan tekanan pada film. Perubahan biasanya disebabkan oleh resputtering dari kondensasi yang mengarah ke pambentukan microstructure atau struktur mikro pada film. Contoh penggunaan ion-beam yaitu deposisi film tipis dengan pelindung yang keras, serat optic untuk pelapisan tahan metalurgi. Deposisi menggunakan ion-beam biasanya direalisasikan menggunakan magnetron seimbang dan sumber ion tambahan. Namun hal ini mengarah kepada set-up percobaan yang rumit, karena sumber tambahan ion biasanya beroperasi pada tekanan yang lebih rendah daripada magnetron. Namun permasalahan ini dapat diatasi dengan menggunakan unbalance magnetron sourch atau sumber magnetron yang tidak seimbang, dimana garis-garis medan magnetic tidak ditutup pada permukaan katoda, namun mengarah pada elektron. Dan dengan difusi ambipolar, ion mengarah ke substrat dan akan mempengaruhi sifat film. Oleh karena itu, dengan mengubah konfigurasi medan magnet, pertumbuhan film tipis dapat dicapai dengan pemboman electron dan ion rendah, atau penembakan oleh ion dan elektron pada fluks lebih besar dari atau sama, dari deposit bagian netral. Terdapatnya karakteristik jenis planar magnetron pada rice track di titik  percikan akibat dari dibatasnya partikel pada medan magnet. Secara umum rice track membatasi keseluruhan target, sehingga memerlukan kerja yang lebih tinggi.  Masalah ini dapat diatasi dengan apa yang disebut silinder  magnetron berputar. Dalam konsep ini, suatu target tabung silinder didukung dan diberi tenaga oleh dua blok akhir: satu memberikan target cooling dan tenaga listrik, sementara yang lain memberikan rotasi. Dalam tabung berputar, sebuah magnet stasioner diposisikan, menunjuk ke arah substrat. Meskipun stationery plasma track muncul selama proses sputtering, tidak ada race track yang keluar, sesuai dengan konfigrasi magnet, dibentuk oleh target yang berputar dan pemanfaatan bahan yang sangat tinggi.

Variasi juga muncul pada silinder berputar magnetron, di mana sebuah magnetron planar ditempelkan pada ujung dasar blok dari magnetrons berputar, sehingga memungkinkan terjadinya  pertukaran antara planar dan silinder magnetrons. Ini lebih menguntungkan, karena dalam aplikasi tertentu, sputtering dari target planar (planar target) mungkin bermanfaat untuk melapisi bagian tertentu. Dibandingkan dengan katoda datar, di mana target comsumptio-nya biasanya sekitar 30%, comsumption for rotating katoda-nya hingga 90%, yang memberikan penurunan biaya sebuah sputter-coating line.

Selain magnetron discharge diatas, ada beberapa teknologi dischargelainnya dimana magnet dan medan listrik disilangkan diterapkan untuk meningkatkan plasma kepadatan. Beberapa contoh, termasuk electron cyclotron resonance plasma (plasma resonansi elektronsiklotron).