APLICAÇÃO DE UMA DESCARGA DE CATODO OCO PLANO PARA PROCESSOS
DE MATERIAIS DIELÉTRICOS
Caio Marques Fontenele, Martha Priscilla Moraes, Homero S. Maciel, G. Petraconi Filho
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Divisão de Ensino Fundamental
RESUMO
Atualmente muitas pesquisas vêm sendo realizadas no campo da física de plasmas frios, tanto na
parte de conhecimentos básicos como na que se refere às aplicações. Neste trabalho propusemos verificar
experimentalmente o comportamento de uma descarga de catodo oco plano a baixa pressão de gases
reativos como oxigênio e de argônio sob o efeito de um campo magnético externo gerado por uma bobina
de Helmholtz. O intuito foi verificar o efeito dos parâmetros de controle do processo como pressão, fluxo
de gases, campo magnético e distância entre os eletrodos sobre os parâmetros de plasma formado entre
dois eletrodos planos polarizados como catodo. Estes parâmetros foram otimizados para gerar a máxima
densidade de plasma e energia média dos portadores de carga com o objetivo de influenciar
satisfatoriamente a formação de camadas de materiais dielétricos (TiO2, TiO) na superfície dos eletrodos
planos confeccionados em titânio. Os resultados desta pesquisa serviram para gerar um banco de dados
dos parâmetros do processo neste reator com o objetivo de subsidiar pesquisas teóricas e experimentais
mais avançadas desenvolvidas pelo grupo de plasma do ITA.
ABSTRACT
There are a lot of studies in theorical Physical cold plasmas and applications. In this work, we will
verify experimentally the hollow plain cathode discharge behavior in low pressure of reactive gases as
oxygen and argon and with effect of a extern magnectical field generated by a Helmholtz bobbin. The goal
was verify the effect of the parameters process control, as pressure, gas flow, magnectical field and
electrode distance, on the plasma parameters. This plasmas were formed between two electrodes working
like cathode. This parameters were optimized to generate the maximum plasma density and average
energy of the load carriers to influence the formation of layer of dielectric materials (TiO2, TiO) in the
surface of the titanium’s plain electrodes. The results will be used to make a process parameters data
bank in this reactor and these results will be useful to others studies of the ITA Plasma Team.
1. INTRODUÇÃO
Caracterizamos uma descarga de catodo de acordo com o esquema mostrado na figura 1. Os
catodos são placas de titânio de espessura de 0,5 mm. O anodo, por onde entra o gás (oxigênio, argônio), é
um anodo oco cilíndrico de titânio posicionado a aproximadamente 5 cm das placas do catodo. Dada essa
configuração, fixamos os valores de tensão de descarga (Vd) e pressão do gás (Pd) e variamos a distância
(a) entre os catodos, de forma a se estudar a relação da corrente da descarga (Id) em função do produto
pressão x distância entre os catodos (P a). Para cada valor desse produto determinamos os parâmetros de
plasma (temperatura de elétrons, potencial de plasma e flutuante, comprimento de debye) inferidos de
características de sondas simples e dupla de Langmuir.
O objetivo desta primeira etapa foi determinar as condições de operação da descarga para fornecer
máxima densidade de plasma e uniformidade da região de plasma formada entre as placas catódicas.
Anodo (anel)
O2
+
-
A
Vd
-
a
Catodo plano
R
V0
-
+
Figura 1. Diagrama do circuito elétrico para a descarga elétrica de catodo oco plano
Nestas condições, e já na segunda etapa do projeto, foram processados e caracterizados filmes de
óxido de titânio depositado sobre as placas do catodo. Os filmes foram caracterizados quanto a sua
aderência, dureza, composição e natureza dielétrica em função da janela de processos utilizada (pressão do
gás, fluxo, potência da descarga, temperatura do catodo e tempo de tratamento).
2. APARATO EXPERIMENTAL
O aparato experimental da descarga de catodo oco plano está ilustrado na figura 2. A descarga
apresenta uma região luminosa se estendendo do anodo (potencial da Terra) até o catodo plano feito de
alumínio ou titânio coberto de Teflon. O anodo oco é feito de titânio coberto por um tubo de cerâmica. A
câmara de vácuo de vidro foi primeiramente evacuada para uma pressão abaixo de 10-2 Pa. A descarga de
catodo oco plano foi operada com argônio, nitrogênio e oxigênio para pressões entre (11 – 43) Pa. O gás
flui através do anodo oco e é ionizado no processo antes dele atingir a câmara de vácuo. A voltagem
catodo-anodo auto-sustentada (durante a operação) foi entre 450-900 V com uma corrente de descarga
entre 10-800 mA.
Utilizamos também um campo magnético, produzido por uma bobina de Helmholtz, é mantido
uniforme entre as distâncias inter-catódicas e aplicado ao longo do eixo do tubo da descarga. O plasma
gerado entre os catodos é caracterizado pela presença de impurezas, íons metálicos e íons gasosos, devido
ao intenso íon sputtering do catodo. Uma quantidade relativamente alta de átomos do material do catodo
no plasma é explicado pela alta energia cinética (1-10 eV) [7] dos átomos do sputtering e,
conseqüentemente, baixa probabilidade de suas ionizações no volume do plasma. Esse efeito promove a
contaminação das paredes da câmara e da sonda eletrostática. O efeito combinado do bombardeamento
dos íons pela polarização da sonda com o potencial do catodo aumentado pela aplicação do campo
magnético permite controlar a intensidade da incandescência da sonda para limpá-la.
gas
5
4
4
2
1
3
(1000 V, 1A)
1 kΩ
Y
X
(15V, 20 A)
vacuum
Figura 2. Aparato experimental da discarga de catodo oco plano. 1. Catodos. 2. Anodo oco cilíndrico. 3.
Sonda eletrostática. 4. Bobina de Helmholtz. 5. Câmara de vácuo (Pyrex).
Para o reator utilizado para o processo de deposição de oxido de titânio em placas de titânio, o
princípio de geração da descarga é semelhante ao do reator utilizado para os estudos básicos sobre os
efeitos de catodo oco. Neste caso, as bases do catodo, são discos de titânio móveis e podem ser
aproximados para facilitar a busca pela distância ideal de operação, em função da pressão do gás, da
potência da descarga e dos gases utilizados. Em um destes discos é adaptado o suporte do catodo, que
permite, não somente movê-lo como também injetar os gases mais reativos como o Hidrogênio e Oxigênio
diretamente na cavidade catódica. É utilizado um forno para avaliar o efeito da temperatura sobre o
processo de ativação. Este forno permite a utilização de até cinco rampas de aquecimento com velocidade
de no máximo 30 oC por minuto, podendo atingir temperaturas de até 1000 oC.
3. RESULTADOS
Os resultados que mostram o efeito da pressão e da potência da descarga sobre a característica da
descarga de catodo oco utilizando-se catodos de titânio são apresentados na figura 3:
35
135
470 V
570 V
670 V
770 V
870 V
25
20
105
Catodo: Titânio
Argônio
P=11 Pa
B=0
15
10
470 V
570 V
670 V
770 V
870 V
120
Corrente de Descarga Id (mA)
Corrente de Descarga Id (mA)
30
5
90
75
Catodo: Titânio
Argônio
P=40 Pa
B=0
60
45
30
15
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
P.d (Pa.m)
0,5
0,6
0,7
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
P.d (Pa.m)
Figura 3. Variação da corrente de descarga (Id) para diferentes valores de voltagem em função do produto da pressão
pela distância intercatódica (P.d) para pressão de argônio de 11 Pa e 40 Pa, respectivamente, B=0 T.
Mantendo-se a potência constante e reduzindo-se a distância intercatódica verifica-se um aumento
acentuado da corrente. Porém é necessário que o produto P.d seja suficientemente grande para garantir
que a descarga opere no regime de catodo oco.
O aumento da pressão do gás provoca o aumento do número de colisões, intensificando os efeitos
de catodo oco. Se a pressão for muita baixa é necessário aumentar a distância intercatódica. Por outro
lado, se a distância entre os eletrodos for muito pequena é necessário aumentar a pressão.
Esses efeitos estão associados com o conceito de caminho livre médio dos elétrons. Em baixas
pressões, quando o caminho livre médio tem ordem de grandeza igual ou maior à distância intercatódica,
os elétrons oscilam livremente entre os eletrodos, reduzindo abruptamente a corrente da descarga, como
pode ser observado em todas as curvas da figura 2. Assim, existe um valor mínimo do produto Pd abaixo
do qual extingue-se o regime de catodo oco de operação da descarga.
Independentemente dos valores dos outros parâmetros do processo o aumento da voltagem sempre
ocasiona um aumento na corrente, mas sua influência é mais acentuada para distâncias intercatódicas
pequenas. O efeito do aumento da tensão da descarga ocasiona um aumento significativo da corrente da
descarga deslocando o valor de pico da corrente para valores menores da distância intercatódica. Assim a
tensão da descarga torna os efeitos de catodo oco mais pronunciados.
Uma importante conseqüência do aumento da densidade de plasma é seu efeito sobre o
comprimento de Debye que é uma espessura característica da bainha de plasma. Quanto maior a densidade
de plasma menor é o comprimento de Debye e conseqüentemente menor a espessura da bainha de plasma,
incluindo a bainha do catodo (região entre o plasma e catodo). Este efeito permite que a bainha catódica
sustente campos elétricos maiores. Este campo elétrico realiza trabalho sobre os portadores de carga
fornecendo energias mais elevadas. Estes processos, simultâneos, reforçam os efeitos de emissão
secundária de elétrons (devido ao impacto de íons no catodo) e de pulverização de átomos do catodo
(“sputtering”), contribuindo ainda mais para o aumento da densidade de plasma. Como a diminuição da
espessura da bainha com o aumento da densidade, para a mesma distância intercatódica, o volume de
plasma aumenta permitindo operar a descarga no regime de máxima densidade de corrente para distâncias
ainda menores entre os catodos. Conseqüentemente, ocorre um aumento do volume de plasma entre os
catodos tornando-o mais uniforme.
O efeito do campo magnético sobre a característica da descarga de catodo oco pode ser observada
a partir da figura 4.
1200
B=0
B=9 mT (3 A)
B=18 mT(6A)
B=27 mT(9A)
Catodo: Titânio
Argônio
P=11 Pa (0,08 torr)
Vd=770 V
Corrente de Descarga Id (mA)
1000
800
600
400
200
0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
P.d (Pa.m)
Figura 4. Variação da corrente de descarga (Id) para diferentes valores de campo magnético em função do produto
da pressão pela distância intercatódica (P.d) para pressão do argônio 11 Pa, usando catodo plano de titânio.
(Vd=770V)
Uma vez que a pressão do gás é mantida fixa, o valor de pico da corrente, e conseqüentemente, de
máxima densidade de plasma, ocorre para distância entre os eletrodos cada vez menores à medida que
aumentamos o campo magnético e com significante aumento de magnitude da corrente. Assim, com o
aumento do campo magnético é possível operar a descarga em seu regime ótimo empregando distâncias
menores entre os catodos, o que permite obter uma maior densidade de corrente da descarga e densidade
de plasma. A aplicação de um campo magnético ao longo do eixo, juntamente com campo elétrico, faz
com que a trajetória dos elétrons aumente (descreverão trajetórias helicoidais) e a difusão de elétrons pela
lateral diminua, reduzindo a perda de elétrons e mantendo a descarga com maior eficiência. O campo
magnético intensifica os efeitos de catodo oco e seu efeito é equivalente ao aumento da pressão do gás.
Esse aumento equivalente de pressão representa o fato dos elétrons poderem fazer mais colisões com o gás
do que eles poderiam fazer na ausência de campo magnético. Então, quando se reduz gradualmente a
distância intercatódica com pressão e potência constantes, o campo magnético provoca o crescimento da
corrente da descarga e da densidade de plasma devido a intensificação dos processos colisionais de
geração de portadores de carga.
Para estes valores do produto Pd foi determinado, a partir das características de sondas simples e
duplas de Langmuir, a curva da densidade de elétrons no plasma.
B=0
-3
B= 9.0 x 10 T
-2
B=2.7 x 10 T
1,2
16
-3
Densidade dos Elétrons, ne - ( 10 m )
1,4
Nitrogênio
Vd = 670 V
P = 11 Pa
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,4
0,5
0,6
0,7
P.d (Pa.m)
0,8
0,9
1,0
Figura 5. Efeito da distância intercatódica e do campo magnético na densidade dos elétrons.
Foram realizadas a conformação dos eletrodos de titânio na forma retangular, e levantada a
composição química elementar dos materiais depositados.
Foi realizado o processo de formação de camadas de óxido de titânio nas condições ótimas de
operação da descarga, ou seja máxima densidade e uniformidade de plasma, bem como a determinação da
composição destas camadas. Foram realizadas a conformação dos eletrodos de titânio na forma retangular,
e levantada a composição química elementar dos materiais depositados.
Foram feitas deposição de óxido de titânio nas amostras de titânio com plasma de oxigênio à
pressão de 0,5 torr variando a temperatura nos valores de 400ºC, 600ºC, 700ºC e 800ºC, durante 30
minutos de tratamento. A seguir foram realizadas análises de raio-x e podemos constatar nas figura abaixo
a presença também do oxigênio na composição do filme depositado. Neste caso, as amostras foram
previamente limpas pela exposição por 20 minutos em um plasma de Argônio a temperatura de 400 ºC.
400 °C
600 °C
700
Ti
Ti
600
800
intensidade (u.a.)
500
intensidade (u.a.)
600
Ti
400
Ti
Ti
200
TiO2
400
Ti
300
TiO2
200
Ti Ti
100
TiO2
0
TiO2
TiO2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
ângulo de difração (°)
Figura 9. Análise de raio-x feitas de amostra de titânio
com deposição de óxido de titânio à temperatura de
aquecimento de 400ºC
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
ângulo de difração (°)
Figura 10 . Análise de raio-x feitas de amostra de
titânio com deposição de óxido de titânio à temperatura
de aquecimento de 600ºC
700 °C
800
700
1400
1200
intensidade (u.a.)
600
intensidade (u.a.)
800 °C
TiO2
1600
TiO2
500
TiO2
Ti
400
300
200
100
TiO2
TiO2
TiO2 TiO
2
Ti Ti
TiO2
1000
800
600
TiO2
400
Ti
TiO2
200
TiO2
TiO2
TiO2
TiO2
0
0
-200
-100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
ângulo de difração (°)
Figura 11. Análise de raio-x feitas de amostra de
titânio com deposição de óxido de titânio à temperatura
de aquecimento de 700ºC
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
ângulo de difração (°)
Figura 12. Análise de raio-x feitas de amostra de
titânio com deposição de óxido de titânio à temperatura
de aquecimento de 800ºC
Podemos perceber, através das análises de raio-x, que com o aumento da temperatura de
aquecimento do plasma, há uma maior deposição de dióxido de titânio (TiO2) nas amostras de titânio.
Podemos observar também que não houve formação de TiO nas condições de operação da descarga.
4. CONCLUSÃO
Na primeira etapa do trabalho, operamos o reator de plasma para a realização de estudos básicos
sobre física de plasma e descargas elétricas, no sentido de avaliar os parâmetros do processo que
influenciam no regime de operação da descarga de catodo oco plano.
Estudando os efeitos dos parâmetros do processo nas características da descarga de catodo oco,
concluímos que os valores de pressão, campo magnético, potência e distância intercatódica podem ser
otimizados, melhorando a eficiência elétrica da descarga de catodo oco plano, ou seja, mantendo-a em
regime de máxima densidade de plasma e uniformidade.
Na caracterização do plasma, vimos que a técnica de sonda eletrostática (ou de Langmuir) oferece
uma maneira relativamente simples de obtenção dos parâmetros de plasmas, quais sejam: a densidade dos
elétrons, a temperatura de elétrons, o potencial de plasma, o potencial flutuante e o comprimento de
Debye. Estes parâmetros foram avaliados para diferentes valores de potência da descarga, campo
magnético e distância intercatódica.
Foi realizado o processo de formação de camadas de óxido de titânio nas condições ótimas de
operação da descarga, ou seja máxima densidade e uniformidade de plasma, bem como a determinação da
composição destas camadas.
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