1. XII Congresso de Iniciação Cientifica da UNESP em São José do Rio Preto
“DIAGNÓSTICOS ELÉTRICOS E DE MASSA EM
PLASMAS DE INTERESSE TECNOLÓGICO II”
Autor: Marcelo Willian Andrade
Orientador: Prof. Dr. Maurício Antônio Algatti
FEG - Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá
UNESP – Universidade Estadual Paulista
Rua Ariberto Pereira da Cunha, 333 – CEP 12516-410 Guaratinguetá, SP, Brasil
Tel.: (012) 525-2800 Fax.: (012) 525-2466 e-mail: mec95095@feg.unesp.br
RESUMO
Sabemos que em condições normais os gases não são bons condutores de corrente elétrica, mas
em temperatura suficientemente elevadas juntamente com um campo elétrico forte, as
propriedades do gás variam de modo surpreendente ocorrendo a sua ionização e transformando-
se em um condutor de eletricidade. No transcorrer da ionização os átomos e moléculas neutras
do gás perdem parte de seus elétrons transformando-se em partículas de carga positiva, e
tornando-se gases ionizados( plasma) que contém elétrons, íons e átomos neutros. O estudo das
propriedades do plasma começa pela descrição dos fenômenos observados e pela determinação
das condições em que eles se desdobram. A etapa seguinte consiste na medição dos parâmetros
do plasma: a correntes da saturação eletrônica e iônica, potencial flutuante, temperatura
eletrônica, densidade eletrônica e a função de distribuição de energia. A realização de tais
medidas é muito complexa, de tal maneira que desenvolveu-se uma novo ramo da física
experimental chamado de diagnóstico do plasma.
INTRODUÇÃO
As descargas luminescentes, excitadas por
tensão DC ou variável (RF), tem sido
amplamente empregadas em diferentes
processos tecnológicos, uma vez que as
mesmas permitem a síntese de novos
materiais com grande qualidade, por preços
mais baixos, possibilitando ainda o
surgimento de alternativas mais viáveis para
a confecção e/ou síntese de materiais já
existentes. Neste contexto se insere a
pesquisa em processamento de materiais a
plasma.
A importância de tais processos pode ser
avaliada quando se analisa o montante de
recursos aplicados nos denominados
processos avançados de síntese e
processamento de materiais. Estes recursos
atingem cifras da ordem de dezenas de
bilhões de dólares, por ano, a nível mundial
[1], concentrados basicamente nos processos
voltados para a síntese de novos materiais e
na obtenção de materiais já conhecidos de
forma mais eficiente.
A manufatura assistida à plasma abrange
uma vasta gama de aplicações, dentre as
quais podemos citar [5-10]:
• Fabricação de circuitos semicondutores
integrados e outros componentes
eletrônicos.
• Endurecimento de ferramentas de corte,
vídeas e metais industriais.
• Produção de materiais biocompatíveis
(para próteses cirúrgicas), implantes
oftálmicos bem como materiais para a
embalagem de fármacos e alimentos.
• Tratamento de polímeros e plásticos por
e x p o s i ç ã o a p l a s m a s v i s a n d o
modificações nas propriedades de
permo-seletividade.
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• Revestimentos de superfícies com
materiais anti-corrosivos.
• Cerâmicas de alta performance,
incluindo as supercondutoras e as
biocompatíveis.
• Deposição de filmes poliméricos
especiais.
• Processamento de materiais com
propriedades magnéticas para gravação
de informações.
• Processamento de materiais para
gravação óptica.
Para se ter uma idéia da importância dos
processos assistidos a plasma, podemos citar
q u e o s m e s m o s c o n s t i t u e m
aproximadamente 95 % das técnicas
empregadas na indústria de microeletrônica
de ponta [3,5]. Neste particular devemos
acrescentar ainda que os processos
assistidos a plasma permitem a obtenção de
produtos com características completamente
distintas daquelas obtidas de outra maneira.
Isto se deve basicamente ao fato de que no
interior de tais plasmas pode-se atingir altos
valores de temperatura eletrônica para
valores baixos de temperatura iônica,
permitindo desta feita a ocorrência de
diversas reações químicas que não
ocorreriam em condições de equilíbrio
térmico [4-8]. Desta feita os processos
assistidos a plasma não constituem em
muitos casos uma técnica alternativa, mas
sim a única possível.
Desta feita é fundamental implementar-se
uma série de diagnósticos elétricos e de
massa para a monitoração de tais plasmas,
tendo por objetivo a compreensão da
cinética química dos processos e a
correlação da mesma com as propriedades
físicas dos filmes depositados bem
como das superfícies tratadas a plasma.
SONDAS DE LANGMUIR
As sondas elétricas de Langmuir foram
propostas na década de vinte, fruto dos
trabalhos pioneiros de Irwing Langmuir em
descargas elétricas em gases a baixa pressão
[18]. Amplamente utilizada nas medidas de
temperatura e densidade média eletrônica,
bem como em medidas da função de
distribuição de energia dos elétrons, a
técnica tem sido objeto de inúmeros
trabalhos de revisão na literatura, os quais
apontam para as dificuldades e os cuidados
a serem tomados nas medidas dos
parâmetros dos plasmas de interesse
tecnológico [11,13,19]. As sondas de
Langmuir são geralmente constituídas por
uma fina haste metálica inserida no interior
da descarga. As medidas dos parâmetros do
plasma são realizadas efetuando-se a
polarização da sonda em valores abaixo e
acima do potencial do plasma. A curva que
descreve a dependência da corrente coletada
pela haste em função da tensão, é
denominada curva característica da sonda.
Esta geralmente apresenta o formato
esquematizado na figura 1
!
Figura 1 - Curva característica da Sonda
de Langmuir.
Para valores de polarização da sonda muito
acima do potencial de plasma Vp temos a
repulsão iônica, atingindo a região da
denominada corrente de saturação eletrônica
onde apenas os elétrons são coletados pela
sonda, região A na figura. Para valores
muito abaixo do potencial de plasma temos
a região C onde os elétrons são repelidos
atingindo-se a corrente de saturação iônica.
Na região B os elétrons e íons são coletados
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pela sonda. Devido a grande diferença de
massa entre os elétrons e as demais
partículas presentes no plasma e ao fato de
que nos plasmas operando em baixa pressão
a temperatura eletrônica é muito maior que a
temperatura iônica, ocorre um desequilíbrio
muito grande entre o número de elétrons e
íons capturados pela sonda. Desta feita o
denominado potencial flutuante, Vf, para o
qual a corrente I se anula, difere
significativamente do potencial de plasma
Vp, não podendo ser utilizado para a
definição deste. Neste caso toma-se as
tangentes à curva característica nas regiões
A e B sendo que a projeção do ponto de
intersecção das mesmas sobre o eixo
horizontal define o valor de Vp [19]. No
caso de uma distribuição maxwelliana à
temperatura Te, a corrente de saturação
eletrônica é dada por:
!
(1) onde ηe é a densidade de elétrons livres,
A é a área de coleta da sonda, e representa a
carga do elétron, k é a constante de
Boltzmann e me corresponde a massa do
elétron.
Para I>>Ies, ou seja, a corrente coletada pela
sonda muito maior que a corrente de
saturação iônica tem-se:
! (2)
onde ! , ou seja a diferença entre
o potencial aplicado à sonda e o potencial de
plasma.
Desta feita, plotando-se o logaritmo natural
de I x V pode-se obter diretamente, a partir
do coeficiente angular da curva, o valor da
temperatura média eletrônica, i.e.:
!
(3)
A partir do valor de Te calcula-se a
densidade média eletrônica com base no
valor da corrente de saturação. Este foi o
procedimento adotado nos experimentos
operando a baixa pressão ( p< 100 mTorr ),
onde a teoria convencional de Langmuir é
válida [19].
Para pressões maiores ( p > 100 mTorr ),
devemos aplicar os resultados da teoria do
movimento orbital no regime não colisional.
Neste regime a densidade eletrônica, ! , é
obtida diretamente da inclinação ! da região
linear da curva I2 x V, [19]:
!
(4)
Nos experimentos envolvendo os processos
de polimerização a plasma ocorre a
inevitável contaminação da sonda devido a
deposição do filme polimérico sobre a
superfície da mesma.
Existem vários artifícios para se evitar este
problema, sendo que um dos mais utilizados
consiste na varredura rápida de tensão ao
longo da curva característica utilizando-se
gerador de rampa operando na faixa de 10-3
a 10-2 s, denominada como sonda de
Langmuir pulsada.
A inserção da sonda é feita em sincronia
com a rampa de tensão que varre o intervalo
de -100 V a + 100 V em cerca de 1 ms,
permitindo desta feita o levantamento da
curva característica I x V. Este aparato
experimental tem-se mostrado de grande
versatilidade na aquisição de dados para os
plasmas reativos. Os sinais provenientes das
sondas são coletados por meio de um
osciloscópio digital sendo transferidos em
seguida para um PC para a análise posterior.
Nos tópicos a seguir discuti-se com maior
riqueza de detalhes os princípios de
funcionamento da sonda de Langmuir.
2/1
e
e
ees
m2
kT
eAI !!
"
#
$$
%
&
π
η−=
!!
"
#
$$
%
&
!!
"
#
$$
%
&
π
η−≅
e
2/1
e
e
e
kT
eV
exp
m2
kT
eA)V(I
PS VVV −=
1
e
dV
|I|lnd
k
e
T
−
"
#
$
%
&
'
=
eη
S
2
e
2
2 m
e
A
2
S η
π
=
3

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D E T E R M I N A Ç Ã O D O S
PARÂMETROS DE PLASMA ATRAVÉS
DA SONDA DE LANGMUIR
Esta técnica consiste em introduzir um
pequeno fio metálico, sonda polarizado por
uma fonte RF operando numa faixa de
valores de potenciais negativa e positivo em
relação ao potencial de operação do plasma.
O esquema da sonda de Langmuir, com o
circuito de polarização acoplado a mesma se
encontra apresentado na figura 2.
!
Figura 2 - Esquema da sonda de Langmuir
com o circuito de polarização da mesma
A corrente coletada pela sonda fornece
informações sobre o comportamento e
características fundamentais do plasma,
esses dados experimentais são utilizados
para o cálculo de parâmetros do plasma
como; potencial de plasma, potencial
flutuante, temperatura eletrônica média,
densidade eletrônica média, função de
distribuição de energia dos elétrons.
[13,15,19].
Ao inserirmos a sonda no plasma sem
polarizá-la Vs= 0, esta será bombardeada por
íons e elétrons. Devido a diferença entre as
massas, os elétrons apresentam maior
mobilidade que os íons e neste momento
ocorre uma concentração de elétrons na
sonda. Esta concentração é suficiente para
produzir um campo elétrico para acelerar os
íons e desacelerar os elétrons até que o fluxo
resultante de cargas sobre a sonda seja igual
a zero [19].
Este parâmetro é conhecido como potencial
flutuante Vf na curva característica,
mostrando que a corrente eletrônica e iônica
são iguais, Ii = Ie, não existindo corrente
líquida na sonda Is = 0.
O ponto Vp da curva é denominado
potencial de plasma, ou seja, a sonda possui
o mesmo potencial que o plasma neste
ponto, não existindo campo elétrico E = 0.
Ao polarizar a sonda positivamente, Vs > 0,
em relação ao plasma aparece uma corrente
eletrônica onde os elétrons serão atraídos na
direção da sonda e os íons serão repelidos, e
consequentemente a corrente iônica no
ponto Vp desaparece. Na região próxima à
sonda ocorre um acúmulo de cargas
negativas até equilibrar a quantidade de
cargas positivas resultantes da polarização
da sonda. Esta camada de cargas é
denominada de bainha, a área da bainha é
relativamente constante e suas dimensões
são menores que as dimensões da plasma.
Ao aumentar a tensão de polarização da
sonda, parte A da curva apresentada na
figura 1, tem-se nessa região a corrente de
saturação eletrônica.
Ao polarizar a sonda negativamente, Vs <0,
em relação ao potencial do plasma, ocorrerá
o processo inverso, e neste caso os elétrons
são repelidos e os íons são acelerados na
direção da sonda.
A corrente eletrônica diminui, assim como o
potencial de polarização da sonda Vs, então
temos a região de transição B da curva
(figura 1). Para valores ainda mais negativos
de Vs todos os elétrons são repelidos e
temos uma bainha de íons, e a corrente de
saturação iônica, região C da curva
apresentada na figura 1 [19].
CONSTRUÇÃO DA SONDA DE
LANGMUIR
Para a construção da sonda utilizou-se dos
seguintes materiais;
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♦ Tubo de vidro Pyrex® de DE = 5 mm, DI =
4 mm e L = 240 mm;
♦ Filamento de tungstênio de L = 10 mm;
♦ Cabo coaxial;
♦ Conector BNC.
♦ Epoxi-PatchTM
Primeiramente soldou-se o filamento de
tungstênio ao cabo coaxial, e em seguida
introduziu-se este cabo até a metade do
comprimento do tubo. A extremidade do
tubo foi selada utilizando-se um maçarico de
oxi-acetileno. O filamento de tungstênio foi
posicionado na extremidade do tubo de
vidro selado aquecendo-se a extremidade do
mesmo até o ponto de fusão do vidro,
forçando-se então a passagem do filamento
de dentro para fora. Desta feita, obtém-se a
vedação a vácuo, tornando possível ainda a
polarização do filamento. A outra
extremidade do tubo foi vedada com epoxi-
patchTM mantendo o interior do tubo
complemente isolado.
CONSTRUÇÃO DA FONTE DE
POLARIZAÇÃO
A fonte de tensão tem por finalidade
polarizar a sonda em intervalos de tempo
que serão determinados através do
"software", propiciando uma limpeza
periódica da sonda.
Quando polarizada positivamente, o
bombardeamento eletrônico executará a
limpeza da ponta da sonda. Quando
p o l a r i z a d a n e g a t i v a m e n t e , o
bombardeamento é feito pêlos íons levando
a uma limpeza mais rápida. Devido a maior
massa dos íons, em comparação com a
massa dos elétrons, ocorrerá uma maior
desgaste do filamento. A fonte foi construída
de maneira tal que nos permite polarizar a
sonda nas duas situações acima descritas. O
circuito da fonte foi desenvolvido de acordo
com o esquema da figura 3.
Figura 3 - Esquema da fonte de polarização
para a Sonda de Langmuir
CONSTRUÇÃO DO GERADOR DE
RAMPA
O gerador de rampa é um dispositivo que
produz uma tensão de polarização variável
do tipo triangular ou dente de serra,
variando de – 200 a +200 V, em intervalos
de tempo variável.
!
Figura 4 - Esquema do gerador de rampa
para a Sonda de Langmuir
Serão aplicadas tensões de polarização da
ordem de 400 v por cerca de 5 a 10 s em
atmosfera de argônio, 10 ≤ p ≤ 20 mTorr,
para um processo de limpeza eficiente. A
polarização tem por finalidade a
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descontaminação por “sputtering” eletrônico
da sonda, i.e., erosão por transferência de
momento linear dos elétrons para os átomos
do material depositado sobre a superfície da
haste metálica.
CONSTRUÇÃO DO FILTROR DE
RÁDIO FREQÜÊNCIA
O filtro de rádio freqüência é um dispositivo
que tem por finalidade bloquear o sinal de
rádio freqüência que são prejudiciais na
aquisição dos dados que serão analisados
posteriormente. Para tanto vale-se de um
filtro pi, um casador de impedância e as
saída para a fonte dc, para o gerador de
rampa e para o conversor A/D, conforme
segue o esquema da figura 5.
!
Figura 5 - Esquema do filtro de rádio
freqüência para a Sonda de Langmuir
METODOLOGIA
O plano de trabalho aqui proposto
contempla construção do sistema de
controle e aquisição de dados para as sondas
de Langmuir de diferentes geometrias, as
quais serão conectadas a uma fonte que
permitirá o aquecimento da mesma. No
esquema da figura 6 pode-se observar como
será o sistema de aquisição.
Serão estudos os efeitos da contaminação da
sonda, na característica tensão X corrente da
mesma, em função do tempo de exposição
da sonda ao plasma reativo.
O bombardeio iônico será obtido pela
aplicação de tensões negativas na sonda, da
ordem centenas de volts. O aquecimento da
sonda será obtido por pulsos de corrente
aplicando-se tensão alternada fornecida por
um retificador de meia onda. No intervalo
de tempo de tensão zero do retificador, será
efetuada a varredura da característica
corrente X tensão da sonda. Testaremos
desta feita a eficiência do método de
descontaminação para diferentes plasmas
reativos [11].
!
Figura 6 - Diagrama de blocos do sistema
de aquisição fonte de tensão, gerador de
rampa.
Serão construídos ainda circuitos para a
filtragem de ruído na sonda para a operação
da mesma em plasmas excitados por RF,
bem como circuitos diferenciadores para se
obter diretamente a função de distribuição
de energia dos elétrons a partir da
característica ! , uma vez que
! [13,14]. Os sinais
osciloscópio digital de dois canais e
transferidos para um PC–Pentium por meio
de uma placa conversora A/D para posterior
análise.
Serão efetuadas medidas dos espectros de
massa e energia das espécies geradas na
descarga utilizando-se um espectrômetro de
massa e energia totalmente controlado por
computador, adquirido recentemente pelo
laboratório.
Fonte de
Polarização
Gerador
de
Rampa
CPU
Filtro
Amplificador
ADC
Detector
Sonda
I V×
F E d I dV( ) /∝ 2 2
6

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CONCLUSÕES
Nessa etapa do nosso trabalho pudemos
concluir que as sondas de Langmuir são
instrumentos extremamente versáteis para se
efetuar medidas de temperatura e densidade
eletrônica em plasmas excitados por
descargas RF, devendo-se tomar cuidado
com a filtragem do ruído de RF o qual
interfere nas medidas podendo inviabilizar a
interpretação das mesmas.
Estamos finalizando a confecção dos
circuitos de polarização das sondas para se
efetuar a limpeza das mesmas por
bombardeio iônico. Serão efetuadas medidas
em plasmas de Ar para controle do processo
de limpeza.
Os resultados obtidos com as sondas
aquecidas serão comparados com as sondas
de Langmuir retrateis as quais se encontram
em funcionamento em outras montagens
experimentais desenvolvidas em nosso
laboratório.
Iremos efetuar ainda medidas da
distribuição de energia dos elétrons
concomitantemente com as medidas de
massa em energia das partículas pesadas
afim de verificar a importância dos
mecanismos de fragmentação molecular por
impacto eletrônico com a cinética química
desenvolvida no interior de tais plasmas.
Este estudo possibilitar-nos-á uma maior
compreensão da cinética química
desenvolvida no interior de tais descargas
desse projeto.
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Manufacturing”; IEEE Trans. Plasm. Sci.
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its Applications”, edited by Peter H.
Dawson, “American Vacuum Society
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[13]- “Understanding Mass Spectra: A Basic
Approach”, by R. Martin Smith and
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8. XII Congresso de Iniciação Cientifica da UNESP em São José do Rio Preto
[ 1 4 ] - “Es tu d o d o s P r o ces s o s d e
Fragmentação Molecular em Plasmas de
C2H2 Utilizando-se Espectroscopia Óptica e
Espectrometria de Massa”, por Cristian Cley
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8