BR102016006786B1

BR102016006786B1 - Método de densificação de plasma

Info

Publication number: BR102016006786B1
Application number: BR102016006786-3A
Authority: BR
Inventors: Juliano Sadi Scholtz; Luis César Fontana
Original assignee: Scholtz E Fontana Consultoria Ltda - Me
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2023-04-18
Also published as: EP3226663A1; BR102016006786A2; US9999118B2; US20170280548A1

Abstract

MÉTODO DE DENSIFICAÇÃO DE PLASMA. O plasma é formado entre eletrodos a serem energizados a partir de uma fonte de energia elétrica e contém uma massa parcialmente ionizada tendo uma região de luminescência incluindo átomos neutros (AN), elétrons primários (EP), elétrons secundários (ES), e íons. O método compreende as etapas intercaladas de: acelerar os elétrons primários (EP) em direção a um dos ditos eletrodos (10) polarizado por um pulso curto, positivo, de alta voltagem, fazendo impactar elétrons primários (EP) contra o dito eletrodo (10) e deste ejetando elétrons secundários (ES); subsequentemente, acelerar os elétrons secundários (ES) em direção à região de luminescência, pela polarização do dito eletrodo (10) por um pulso de polarização negativa e de menor voltagem, colidindo os elétrons secundários com átomos neutros (AN) e produzindo íons positivos (IP) e elétrons derivados (ED); o pulso negativo deve ter um período suficiente para que os íons positivos (IP) da região luminescente possam ser acelerados na direção do eletrodo 10, de modo a atiningir a superfície do referido eletrodo; repetir as referidas etapas de modo a se obter um plasma em regime estacionário com desejado grau de ionização. O controle da intensidade e do período dos pulsos positivos e negativos permite controlar o grau (...).

Description

Campo técnico

[001] A presente invenção diz respeito à geração e ao controle do estado físico de plasma para diferentes aplicações. De modo mais específico, a invenção diz respeito a um método para melhor controlar e amplificar o grau de ionização do plasma formado no interior de uma câmara de reação provida de dois ou mais eletrodos, um deles podendo ser definido pela própria parede da câmara, dito método utilizando o controle dos pulsos de voltagem elétrica gerando ganho na taxa de emissão de elétrons dos eletrodos.

Técnica anterior

[002] Existem várias formas de gerar um estado de plasma, podendo ser elas classificadas em duas grandes áreas: “Plasmas por Acoplamentos Capacitivos (CCPs)” e “Plasmas por Acoplamentos Indutivos (ICPs)”. As subclassificações do plasma dependem das formas de onda da voltagem aplicada, dentre as quais podem ser citadas: Plasmas RF (rádio- frequência); Plasmas DC e DC Pulsados (DC: Direct Curent); Plasmas Micro-ondas e Plasmas Pulsados AC (AC: Alternating Current).

[003] As aplicações tecnológicas de plasma abrangem diversas áreas e processos industriais, bem estabelecidos atualmente, tais como: tratamento de superfícies por ativação química da superfície e difusão de átomos (por exemplo: nitretação, carbonetação, boretação e oxidação); sinterização de peças de pó compactado; deposição de filmes por sputtering (pulverização catódica); limpeza de superfícies; funcionalização ou ativação físico-química de superfícies; polimerização por plasma; tratamento de gases poluentes; esterilização de superfícies, ambientes, ferramentas e gases; etching (gravura) na área de microeletrônica; e tratamento para gerar superfícies com rugosidade controlada de dimensões micrométricas e até nanométricas.

[004] Através desse processo controlado é possível obter superfícies com alto poder catalítico; superfícies fotoativas; superfícies autolimpantes; superfícies bioativas para aplicação em implantes; superfícies com alta molhabilidade e grande poder de adesão; funcionalização de superfícies de polímeros; funcionalização de superfícies de nanopartículas como nanotubos de carbono; síntese de partículas nanométricas e micrométricas; tratamento térmico de superfícies e peças; limpeza de peças, principalmente para eliminação de gorduras, óleos, vapor de água e óxidos da superfície; fonte para aquecimento de peças; quebra de moléculas de gases poluentes como VOCs (Volatile Organic Compounds), NOx (Óxidos de Nitrogênio), SOx (Óxidos de Enxofre), particulados, agrotóxicos, produtos de combustão, etc.; incineração de lixo, incluindo lixo hospitalar; redução de minérios; aplicações biológicas como tratamento de sementes para melhor preservação e ativação da germinação; reciclagem de peças compostas por dois ou mais materiais como polímero e metal; despoluição de água; e reforma catalítica de gases; cracking (craqueamento) de petróleo e de outras moléculas multiatômicas.

[005] Para gerar um estado de plasma com acoplamento capacitivo, usa-se uma fonte de potência para criar um campo elétrico entre um anodo e um catodo, imersos em um gás, com pressão tipicamente entre 10-3 Torr até 10 Torr.

[006] Aplicações bastante populares de plasma são para tratamento superficial de materiais (nitretação, carbonetação, oxidação, etc.) e deposição de filmes por pulverização catódica (sputtering). Uma limitação do processo nestes tipos de aplicação são os arcos voltaicos que podem ocorrer durante o processo convencional. Esses arcos podem danificar as peças e a fonte de alimentação de potência. Esses problemas com arcos voltaicos foram gradativamente resolvidos, nas últimas décadas, através de diferentes estratégias, sendo que as mais conhecidas utilizam voltagem de polarização pulsada e/ou bipolar entre o anodo e o catodo. Isso faz com que os arcos voltaicos sejam suprimidos quando o pulso muda de polaridade, ou seja, quando o eletrodo muda de anodo para catodo (ou durante o tempo de repouso entre dois pulsos negativos adjacentes da voltagem elétrica, caso a voltagem tenha valor nulo nesse intervalo).

[007] Em processos que aplicam voltagem em alta frequência, por exemplo, radiofrequência RF, os íons (além dos elétrons) podem responder ao ciclo alternado da voltagem aplicada, tanto nos eletrodos como no volume do plasma, pois um nível CC (corrente contínua) se estabelece adicionalmente ao sinal CA (corrente alternada).

[008] Especificamente para o caso de deposição de filmes, a introdução do magnetron sputtering pulsado (PMS) possibilitou a deposição de filmes a partir de alvos condutores ou dielétricos (usando gás de trabalho reativo) com boa eficiência na supressão de arcos voltaicos.

[009] A pulverização catódica no modo pulsado pode ocorrer, basicamente, de duas formas: unipolar, onde aplica-se periodicamente o potencial negativo ao alvo de sputtering, com intervalos de potencial nulo intercalados, e bipolar, onde aplica-se periodicamente o potencial negativo ao alvo de sputtering com intervalos de potencial positivo intercalados. A forma mais comum de operação é a assimétrica bipolar, onde, durante a fase positiva (também conhecida como "pulso- desligado”), o módulo da voltagem aplicada possui valor equivalente a aproximadamente 10% do módulo da voltagem aplicada na fase negativa (também conhecida como "pulso- ligado”). Como a voltagem de pico negativo é da ordem de algumas centenas de Volts, os pulsos positivos não passam de algumas dezenas de Volts. Uma forma de onda de voltagem típica de fontes geradoras de plasma para o modo bipolar assimétrico é mostrada na figura 1. Nesse caso, o pulso positivo de baixa intensidade tem por objetivo a supressão de arcos voltaicos, não sendo eficiente, contudo, para a geração de elétrons secundários.

[010] Durante a fase de pulso ligado (polarização negativa), uma corrente de íons atinge o eletrodo (neste caso, o alvo do bombardeamento) o que produz normalmente a pulverização catódica ("sputtering" do alvo) ou implantação iônica ou adsorção e neutralização do íon na superfície. Porém, nesse processo, é possível ocorrer a formação de pequenas ilhas dielétricas (isolante elétrico) na superfície do alvo. Essas ilhas se formam, geralmente, por reações químicas de átomos (ou moléculas), provenientes do gás de trabalho, com a superfície do alvo, também conhecidas como as regiões “envenenadas”. Nessas ilhas dielétricas se acumulam cargas elétricas, durante esse período de polarização negativa, devido ao acúmulo de íons (cargas elétricas positivas) provenientes do plasma.

[011] Na sequência, durante a fase de pulso-desligado (ou com voltagem positiva da ordem de 10% em módulo da voltagem no pulso negativo) ocorre uma corrente de elétrons (carga negativa) do plasma para o alvo, que pode neutralizar a carga estática acumulada na região envenenada, a partir da qual pode ocorrer um arco, caso não seja neutralizada. Assim, pode-se evitar a formação de arcos voltaicos ou, se já tiver ocorrido o rompimento da barreira dielétrica do meio, o arco pode ser suprimido durante o pulso positivo.

[012] Nos processos de nitretação, oxidação, carbonetação, etc., por plasma, ocorrem fenômenos similares de acúmulo de cargas elétricas, em regiões isolantes da peça a ser tratada, que se transformam em arcos voltaicos quando a constante dielétrica do meio é rompida. Da mesma forma como descrito acima, a geração de plasma com voltagem bipolar assimétrica pulsada pode suprimir esses arcos voltaicos. Em outras situações, possíveis instabilidades que aparecem no plasma podem ser suprimidas pela aplicação desse tipo de voltagem.

[013] Outro aspecto relevante é a grandeza denominada "densidade de plasma". A densidade do plasma é medida pela fração de íons ou elétrons gerados no meio, em relação aos átomos neutros. Em plasma CC contínuo ou pulsado, essa fração, em geral, é inferior a 0,01. Essa pequena fração de íons já proporciona boa condutividade elétrica ao meio gasoso, promovendo uma série de fenômenos físico-químicos que conferem as características de plasma ao meio. Entretanto, quanto maior for a densidade de plasma, mais quente e mais reativo será esse ambiente. A densidade do plasma depende da taxa de ionização (produção de íons por unidade de tempo), a qual depende de vários parâmetros do plasma tais como: pressão do gás de trabalho, gás utilizado, voltagem aplicada, material dos eletrodos, distância anodo/catodo e geometria do sistema. Um fator particularmente importante para a densidade do plasma é a fração de emissão de elétrons secundários dos eletrodos.

[014] Os elétrons secundários são aqueles elétrons emitidos pelos eletrodos do meio em que ocorre a descarga elétrica no gás (plasma na configuração capacitiva). A emissão desses elétrons secundários ocorre, principalmente, devido ao bombardeamento da superfície do eletrodo por partículas do plasma carregadas eletricamente.

[015] Os elétrons secundários são responsáveis pela manutenção do plasma, ou seja, pelo transporte da energia fornecida pela fonte de alimentação elétrica ao plasma. Os elétrons secundários emitidos do catodo atravessam a bainha catódica, onde adquirem energia cinética proporcional à diferença de potencial na bainha. Esses elétrons são acelerados na direção da região luminescente do plasma (massa ionizada). Cerca de 90% da voltagem elétrica aplicada ao processo decai na região da bainha (tipicamente na ordem de centenas de Volts). Portanto, esses elétrons secundários atingem a região luminescente do plasma com alta energia, a qual se dissipa através de processos de ionização de átomos neutros, transferência de energia para a população local de elétrons frios, excitação de partículas, aquecimento e dissociação dos átomos e moléculas do gás de trabalho (por exemplo, gases nobres e gases moleculares). Portanto, o controle na geração dos elétrons secundários é uma importante ferramenta para o controle, geração e manutenção do estado de plasma.

[016] Em plasmas CC ou CC pulsados, os elétrons secundários são produzidos principalmente por bombardeamento de íons no catodo. Entretanto, o rendimento na produção de elétrons secundários originados por íons que colidem com o catodo é muito baixo (tipicamente 0,1 ou menos para potenciais de voltagem aplicados da ordem de centenas de Volts).

[017] Por outro lado, o bombardeamento do alvo por elétrons apresenta maior eficiência na emissão de elétrons secundários. Portanto, se o alvo (eletrodo) for bombardeado com elétrons, será possível aumentar a densidade do plasma, como consequência da maior emissão de elétrons secundários. A Tabela 1 a seguir apresenta alguns valores comparativos de rendimentos na emissão de elétrons secundários devido ao bombardeamento eletrônico (δ) e bombardeamento iônico (y) , para diferentes materiais e voltagens aplicadas. Pode-se observar que o rendimento na emissão de elétrons secundários atinge valores maiores do que 1, ou seja, podendo ser mais do que dez vezes o rendimento devido ao bombardeamento iônico. Por exemplo, no caso de um alvo de Ni (tabela 1), o rendimento na emissão de elétrons secundários é δ=1,3 e y=0,15.

[018] Essa possibilidade de aumentar (e controlar) a taxa de ionização do plasma, pelo controle na emissão de elétrons secundários, associado ao bombardeamento eletrônico do eletrodo, ainda não foi explorada tecnologicamente.

Sumário

[019] Em função das limitações dos métodos até agora conhecidos para aumentar e controlar a taxa de ionização do plasma, passa a ser o objetivo geral da presente invenção prover um método de densificação de plasma (isto é, maior grau de ionização) por meio do aumento na emissão de elétrons secundários pelo bombardeamento eletrônico periódico do eletrodo, permitindo alcançar vários benefícios tais como: maior controle no aquecimento do plasma, possibilitando aumentar significativamente a temperatura do plasma; possibilidade de obter plasma em uma ampla faixa de pressão do gás de trabalho; maior estabilidade do plasma, com supressão de arcos voltaicos; controle no volume da região luminescente do plasma; possibilidade de gerar plasma com baixa voltagem negativa no catodo, da ordem de dezenas ou centenas de Volts; melhor acoplamento do plasma à geometria da peça; maior taxa de transferência de energia plasma/eletrodo, dentre outros, tornando a geração de plasma muito flexível, do ponto de vista de escolha dos parâmetros de processo e ampliando muito as possibilidades de aplicações tecnológicas. O objetivo acima é alcançado com um método de densificação de plasma do tipo formado entre eletrodos a serem energizados a partir de uma fonte de energia elétrica, dito plasma contendo: uma massa ionizada apresentando uma região de luminescência e incluindo átomos neutros de um fluido ionizável, elétrons primários, íons positivos e eventuais íons negativos.

[020] De acordo com a invenção, o método compreende as etapas intercaladas de: acelerar os elétrons primários, contidos na massa ionizada, em direção à superfície de um dos ditos eletrodos pela polarização desse eletrodo por meio de um pulso de polarização positiva de curta duração e de alta voltagem, suficiente para impactar pelo menos parte dos elétrons primários contra a superfície do dito eletrodo e desta ejetar elétrons secundários; acelerar os elétrons secundários, e eventuais outros elétrons nas proximidades do dito eletrodo, em direção à região de luminescência, pela polarização do dito eletrodo por meio de um pulso mais longo de polarização negativa e de menor voltagem, suficiente para colidi-los com átomos neutros e produzir íons positivos e elétrons derivados; e repetir continuamente as referidas etapas de polarização do eletrodo, com pulsos de polarização positiva e negativa, até gerar um plasma estável, em regime estacionário, com um desejado grau de densidade de plasma, cujo grau de ionização é controlado pela intensidade e período dos pulsos de voltagem aplicados. O controle dos potenciais de polarização positiva e negativa e de seus respectivos tempos de duração (sendo a duração da polarização positiva geralmente muito menor que a duração da polarização negativa) permitem uma elevada produção de elétrons secundários e densificação do plasma a partir destes, sem produção de arcos voltaicos.

Descrição dos desenhos

[021] A invenção será descrita a seguir fazendo-se referência aos desenhos anexos, dados a título de exemplo e nos quais:

[022] A figura 1 representa um gráfico ilustrando uma forma de onda de voltagem típica das conhecidas fontes geradoras de plasma para o modo bipolar assimétrico, para geração de plasma aplicado a deposição de filmes por "sputtering" (pulverização catódica), processos de tratamento de superfícies e etching, dentre outros;

[023] A figura 2 representa esquematicamente e de modo parcial, uma câmara de formação de plasma, contendo um eletrodo polarizado negativamente para atrair os íons contidos na massa ionizada, de acordo com uma técnica conhecida;

[024] A figura 2A representa um gráfico de voltagem x tempo na polarização negativa do eletrodo, tal como ilustrada na figura 2;

[025] A figura 2B é uma representação esquemática semelhante àquela da figura 2, mas ilustrando íons impactando o eletrodo polarizado negativamente e provocando a emissão de elétrons secundários e eventual pulverização de átomos neutros ou íons da superfície do dito eletrodo;

[026] A figura 3 representa esquematicamente e de modo parcial, uma câmara de formação de plasma, contendo um eletrodo polarizado positivamente para atrair os elétrons primários contidos na massa ionizada, de acordo com uma primeira etapa do método em questão;

[027] A figura 3A representa um gráfico voltagem x tempo na polarização positiva do eletrodo, tal como ilustrada na figura 3;

[028] A figura 3B é uma representação esquemática semelhante àquela da figura 3, mas ilustrando elétrons primários bombardeando e impactando o eletrodo polarizado positivamente e provocando a emissão de elétrons secundários da superfície do dito eletrodo;

[029] A figura 4 representa esquematicamente e de modo parcial, a câmara de formação de plasma das figuras 2 e 3, com o eletrodo polarizado negativamente para acelerar, em direção à massa ionizada, os elétrons secundários e os demais elétrons não absorvidos pelo eletrodo;

[030] A figura 4A representa um gráfico voltagem x tempo em uma nova e subsequente polarização negativa do eletrodo, tal como ilustrada na figura 4;

[031] A figura 4B é uma representação esquemática semelhante àquela da figura 4, mas ilustrando elétrons secundários e os elétrons primários não absorvidos pelo eletrodo, colidindo com átomos neutros e produzindo íons e elétrons derivados, de acordo com a segunda etapa do método em questão;

[032] A figura 5 representa um gráfico voltagem x tempo ilustrando uma sequência de etapas alternadas de polarização negativa e de polarização positiva do eletrodo, com intervalo de tempo nulo entre ditas etapas;

[033] A figura 6 representa um gráfico semelhante àquele da figura 5, mas ilustrando a provisão de dois pulsos subsequentes de polarização positiva e de um pulso de polarização negativa entre os dois primeiros; e,

[034] A figura 7 representa um gráfico semelhante àquele da figura 6, mas ilustrando a provisão de um intervalo de tempo de potência nula entre os dois referidos pulsos subsequentes de polarização positiva.

Descrição detalhada da invenção

[035] Conforme já anteriormente comentado, a presente invenção diz respeito a um novo método para aumentar a densidade de um plasma geralmente, mas não necessariamente, formado no interior de uma câmara de reação CR, geralmente aterrada, e na qual é contida uma massa ionizada definindo uma região de luminescência e incluindo átomos neutros AN, de um fluido ionizável, em fase gasosa ou líquida e elétrons primários EP e íons positivos IP formados em uma fase de ionização inicial ou de partida do fluido ionizável no interior da câmara de reação CR de um reator adequado não ilustrado. Deve ser entendido que os eletrodos podem estar ou não contidos em uma câmara de reação CR, com um dos eletrodos definido por uma parede (não ilustrada) da referida câmara de reação CR.

[036] O método consiste, resumidamente, no controle da forma de onda da voltagem aplicada aos eletrodos e, por consequência, no controle da energia e da intensidade de elétrons secundários ES, a serem descritos mais adiante. O aumento na taxa de emissão de elétrons secundários, formados em uma etapa do método, permite controlar a geração de íons positivos IP no plasma.

[037] Conforme esquematicamente ilustrado nas figuras 3 e 4, o método em questão visa a densificação de um plasma formado no interior de uma câmara de reação CR contendo uma massa ionizada definindo uma típica região de luminescência e incluindo átomos neutros AN contidos em um fluido ionizável e ainda elétrons primários EP e íons positivos IP.

[038] A câmara de reação CR, normalmente aterrada, aloja pelo menos um eletrodo 10 a ser energizado a partir de uma fonte de energia elétrica externa 20 ilustrada na figura 4, projetada para fornecer uma voltagem elétrica de energização do eletrodo 10 com pulsos de polarização positiva de alta potência e de pulsos de polarização negativa de menor ou também de elevada potência, dependendo da maneira de realização do método.

[039] O método da invenção compreende as etapas de: polarizar o eletrodo 10, a partir da fonte de energia elétrica externa 20, por meio de um pulso de polarização positiva 30 com uma alta potência e por um primeiro tempo de duração (figura 3), polarizando positivamente o eletrodo 10 e gerando um primeiro campo elétrico E1 que acelera os elétrons primários EP, contidos na massa ionizada, na direção contrária à do primeiro campo elétrico E1 e em direção à superfície do eletrodo 10.

[040] Cada elétron primário EP acelerado pela polarização positiva do eletrodo 10 e que impactar esse último pode ejetar, da superfície do eletrodo 10, elétrons secundários ES, conforme ilustrado na sequência das figuras 3, 3A e 3B.

[041] Transcorrido o tempo de duração do pulso de polarização positiva, o eletrodo 10 é polarizado com um pulso de polarização negativa 40, ilustrado nas figuras 3A e 4A, por um segundo tempo de duração, gerando um segundo campo elétrico E2 e acelerando, em direção à massa ionizada, os elétrons secundários ES e os elétrons primários EP não absorvidos pelo eletrodo 10.

[042] Os elétrons secundários ES e outros elétrons localizados na vizinhança do eletrodo 10, e acelerados pela polarização negativa do eletrodo 10, colidem com átomos neutros AN, produzindo íons positivos IP e elétrons derivados ED, resultantes da ionização.

[043] As etapas de polarização positiva e de polarização negativa com os respectivos pulsos de polarização positiva 30 e negativa 40 do eletrodo 10 são repetidas continuamente, formando um trem de pulsos periódicos. A intensidade e o período dos respectivos pulsos permitem a obtenção de um desejado grau de ionização da massa ionizada. O processo pode começar tanto com um pulso positivo quanto com um pulso negativo.

[044] A forma de onda da voltagem elétrica, usada para a geração do plasma, é um aspecto importante para a aplicação do método em questão. A forma de onda da voltagem deve conter pulsos de polarização positiva 30 e pulsos de polarização negativa 40, conforme ilustrado nas figuras 5, 6 e 7, respectivamente.

[045] A figura 2 destaca dois fenômenos que ocorrem durante a aplicação dos pulsos de polarização negativa 40 no eletrodo 10: inicialmente, os íons positivos IP oriundos da ionização dos átomos neutros AN do fluido ionizável são acelerados pelo segundo campo elétrico E2 em direção ao eletrodo 10 polarizado negativamente. Após um intervalo de tempo, esses íons positivos IP atingem a superfície do eletrodo 10 e ejetam elétrons secundários ES dessa superfície. Outros fenômenos também podem ocorrer, como, por exemplo, a pulverização de átomos neutros AN da superfície do eletrodo 10. A eficiência de emissão de elétrons secundários ES pelo bombardeamento de íons positivos IP é baixa (Y=(elétrons secundários ES)/(íons positivos IP incidentes)), sendo, geralmente, bem menor que a unidade, ou seja, a emissão de um elétron secundário ES ocorre (estatisticamente) após a incidência de diversos íons positivos IP. Em geral, o valor de y varia de 0,01 a 0,5, dependendo da energia e da massa dos íons, da natureza dos átomos neutros AN do plasma, das propriedades físico-químicas do eletrodo 10, além da temperatura na superfície do eletrodo 10.

[046] A figura 4A representa um gráfico voltagem x tempo na polarização negativa do eletrodo 10, tal como ilustrada nas figuras 4 e 4B.

[047] A figura 3B apresenta o intervalo de tempo subsequente àquele da figura 3, no qual o eletrodo 10 fica polarizado através de um pulso de polarização positiva 30, curto e de alta potência. Durante esse pulso de polarização positiva 30, ocorre um campo elétrico E1 com sentido partindo da superfície do eletrodo 10 para fora do mesmo. Esse pulso de polarização positiva 30 tem curta duração, pois o objetivo, nesse momento, é bombardear o eletrodo 10 com elétrons primários EP e eventuais outros elétrons que estejam sob a influência do campo elétrico gerado. Como os elétrons têm massa muito pequena (em comparação com a massa dos íons) esse tempo é suficiente para acelerar os elétrons primários EP e eventuais outros elétrons na direção do eletrodo 10 (direção contrária ao campo elétrico E1).

[048] Nos instantes iniciais de atuação desse pulso de polarização positiva 30, os elétrons primários EP e eventuais outros elétrons próximos ao eletrodo 10 atingem a superfície deste, ejetando elétrons secundários ES (ver figuras 3, 3A e 3B). A emissão de elétrons secundários ES, devido ao bombardeamento eletrônico do eletrodo 10, é muito eficiente, podendo ter um rendimento δ (ou ganho) maior do que 1, como pode ser visto na Tabela 1. Esse rendimento é definido como: ó=(elétrons secundários emitidos ES)/(elétrons incidentes).

[049] Durante esse pulso de polarização positiva 30, curto e de alta potência, os elétrons secundários ES inicialmente se afastam da superfície do eletrodo 10 e depois tendem a retornar para a superfície do mesmo, conforme ilustrado pelas setas curvas na figura 3B. Essa desaceleração ocorre devido à atuação do primeiro campo elétrico E1 sobre esses elétrons secundários ES. Num intervalo de tempo curto, tipicamente da ordem de nanosegundo até microssegundo, esse processo (de emissão e reabsorção de elétrons secundários ES) se estabelece no eletrodo 10, com elétrons secundários ES sendo emitidos e reabsorvidos pela superfície do eletrodo 10. Esses elétrons secundários reabsorvidos também podem provocar a emissão de mais elétrons secundários da superfície do eletrodo, caso tenham energia suficiente para isso. Também, nesse intervalo de tempo, há possibilidade de alguns elétrons secundários ES alcançarem a região luminescente do plasma.

[050] Quando a polarização é invertida, por meio da aplicação de um pulso de polarização negativa 40 ao eletrodo 10, conforme ilustrando nas figuras 4, 4A e 4B, o segundo campo elétrico E2 inverte de sentido em relação ao primeiro campo elétrico E1 e os elétrons (tanto os elétrons secundários ES como os elétrons primários EP que se encontram nas proximidades do eletrodo 10) são acelerados no sentido de se afastar da superfície do eletrodo 10. Nos primeiros instantes de tempo, nessa nova situação de polarização, num intervalo de tempo muito curto, os elétrons emitidos do eletrodo 10, e outros elétrons que estiverem nas proximidades, são acelerados no sentido oposto ao segundo campo elétrico E2, em direção à região luminescente do plasma. Durante o tempo da aplicação do pulso negativo, os íons positivos IP (já existentes e ou produzidos na massa ionizada) próximos do eletrodo são acelerados no mesmo sentido do segundo campo elétrico E2, ou seja, da região luminescente do plasma para o eletrodo 10. De forma semelhante, mas em sentido contrário, os eventuais íons negativos IN formados no processo são acelerados no sentido contrário do segundo campo elétrico E2, ou seja, do eletrodo 10 para a região luminescente do plasma. Os átomos neutros AN do fluido ionizável (por exemplo, gás) não sofrem nenhuma força devido ao campo elétrico, visto que eles são eletricamente neutros.

[051] A população de elétrons secundários ES, (amplificada pelo bombardeamento eletrônico durante cada pulso de polarização positiva 30 imediatamente anterior) e de outros elétrons localizados nas proximidades do eletrodo 10, atingem a região luminescente do plasma com alta velocidade (devido à aceleração imprimida pelo segundo campo elétrico E2) e colidem com os átomos neutros AN da massa ionizável. Nesse evento, o elétron acelerado e colidente (elétron secundário ES e eventual elétron primário EP) pode arrancar desses átomos neutros AN, elétrons derivados ED e gerar novos íons positivos IP, conforme ilustrado na figura 4B e, assim, incrementar significativamente a população de íons positivos IP no plasma.

[052] Outro efeito dos elétrons secundários ES acelerados, que atingem a região luminescente do plasma, é o aquecimento (aumento de energia cinética) dos elétrons primários EP já existentes no plasma. Esse aquecimento se dá por “colisão” (interação elétrica Coulombiana) entre esses elétrons. Uma parcela desses elétrons pode adquirir energia maior que o potencial de ionização dos átomos neutros AN e, assim, contribuir para aumentar a produção de íons positivos IP no plasma, em colisões subsequentes com átomos neutros.

[053] Como o número de elétrons secundários ES foi amplificado, devido ao pulso de polarização positiva 30 na etapa anterior, a probabilidade de geração de íons positivos IP no plasma torna-se muito grande. Dessa forma a densidade de íons positivos no plasma aumenta significativamente, podendo atingir valores de dezenas de vezes maior que a densidade iônica obtida em plasmas gerados por fontes tradicionais CC ou CC pulsada, com forma semelhante àquela apresentada no gráfico da figura 1.

[054] Conforme já anteriormente mencionado, a forma de onda da voltagem deve conter pulsos de polarização positiva 30 e pulsos de polarização negativa 40, conforme ilustrado nas figuras 5, 6 e 7, respectivamente e abaixo definidos: 1- Pulsos de polarização positiva 30, curtos e de alta potência (com voltagem da ordem de centenas ou milhares de Volts; de curta duração, com tempo da ordem de nanosegundo a microssegundos), periódicos, intercalados com pulsos de polarização negativa 40 complementares (com voltagem da ordem de dezenas até centenas de Volts, podendo também ser milhares e Volts), ou com intervalos de tempo com voltagem nula, e com duração complementar ao período anterior (ver figura 5). Nessa forma de operação, durante os pulsos de polarização negativa 40 os íons positivos IP são acelerados em direção ao eletrodo 10, enquanto que os elétrons (tanto elétrons secundários quanto outros elétrons localizados próximo ao eletrodo 10) são acelerados no sentido contrário, promovendo ionização de átomos neutros AN na região luminescente, ou seja, produzindo íons positivos IP no plasma; 2- Uma sequência de pelo menos dois pulsos curtos de polarização positiva Vp 30 entre os quais é intercalado um pulso de curta duração de polarização negativa reversa 45 com intensidade de voltagem -Vr (ver figura 6). O referido pulso curto de polarização negativa reversa 45 serve para acelerar os elétrons secundários ES e outros elétrons da região próxima ao eletrodo 10, para dentro da região luminescente e aumentar ainda mais a taxa de ionização do plasma; e 3- Uma sequência de pelo menos dois pulsos de polarização positiva 30 curtos, de alta potência, separados por um intervalo de tempo com voltagem nula 50, seguidos por um pulso de polarização negativa 40. Nessa configuração, um pequeno intervalo de tempo entre os pulsos de polarização positiva 30 curtos e de alta potencia, permite que os elétrons secundários ES, gerados durante o primeiro pulso de polarização positiva 30, atinjam a região luminescente do plasma sem sofrer desaceleração pelo campo elétrico E1. Isso ocorre, pois o campo elétrico é nulo no intervalo entre dois pulsos de polarização positiva 30.

[055] Desse modo, é possível controlar a geração de íons positivos IP (por impacto eletrônico) possibilitando multiplicar a densidade do plasma por um fator de dezenas de vezes.

[056] Outras combinações entre intensidade e configuração de pulsos de polarização positiva curtos e negativa longos podem ser construídas, sendo possível prover o plasma com as características necessárias (como temperatura, taxa de ionização, reatividade química, volume e etc.) a uma dada aplicação.

[057] Apesar de as figuras 1, 2A, 3A, 4A, 5, 6 e 7 ilustrarem (idealmente) os pulsos de polarização positiva e negativa, por meio de representações gráficas esquemáticas com forma de ondas retangulares, com limites retilíneos, deve ser entendido que podem ocorrer pequenas perturbações e não linearidades em função das indutâncias e capacitâncias parasitas dos cabos e do circuito de alimentação elétrica, as quais podem gerar pequenas distorções nesses pulsos.

[058] O plasma, assim gerado, apresenta as seguintes características: pode ter alta intensidade (grande quantidade de íons e elétrons), sendo possível um aumento substancial na densidade de íons no plasma, de até 1000% em relação a plasmas DC e DC pulsado; alta estabilidade, com supressão de arcos voltaicos; pode ser produzido numa ampla faixa de pressão do gás de trabalho, desde 10-3 Torr até pressão ambiente (760 Torr); o volume da região luminescente do plasma pode ser controlado pelo ajuste dos pulsos curtos de voltagem positiva (podendo ficar restrito ao contorno do eletrodo ou preencher todo o volume da câmara de descarga), pode ser produzido num meio líquido; pode ser mantido numa ampla faixa de valores de voltagem elétrica para os pulsos negativos (desde dezenas de Volts até milhares de Volts). Isso permite o controle amplo da energia e da densidade de íons, possibilitando uma melhor adequação do plasma para diferentes aplicações tecnológicas; e apresenta flexibilidade para ajuste de parâmetros, ampliando o seu espectro de aplicações tecnológicas.

[059] O método em questão é baseado nas diferentes propriedades físicas dos elétrons e dos íons: essas partículas tem o mesmo valor de carga elétrica, porém de sinais contrários (carga=1,6x10-19 C; positivo para o íon e negativa para o elétron). Entretanto, a massa do elétron é muito menor do que a massa do íon, por exemplo, a relação entre a massa de um elétron e a massa de um íon de argônio é, aproximadamente, (me/mAr)=9,11x10-31kg/6,65x10-26Kg =1,37x10-5. Devido à sua diminuta inércia, os elétrons sofrem aceleração muito maior do que os íons, quando submetidos a uma diferença de potencial elétrico V, visto que a aceleração pode ser calculada pela equação: a=1/m (e.ΔV)/x

[060] Onde, “a” é a aceleração, “e” é a carga elétrica elementar (carga de um elétron), ΔV é a queda de potencial elétrico na bainha do eletrodo (bainha é o espaço entre a superfície do eletrodo e a região luminescente do plasma), e “x” é a espessura da bainha (obs.: essa equação é válida somente para o caso ideal, quando não há colisões entre as partículas).

[061] Dessa forma, um pulso de polarização positiva de curta duração (menor que algumas dezenas de microssegundos), tem um intervalo de tempo suficiente para promover bombardeamento eletrônico (a partir de elétrons primários EP provenientes da região luminescente e da bainha) sobre o eletrodo 10 e, consequentemente, aumentar significativamente a taxa de emissão de elétrons secundários ES. Nesse intervalo de tempo, a velocidade dos íons positivos IP é menos afetada, de modo que a distribuição de velocidade dos íons no plasma não sofre mudanças muito significativas. Portanto, nesse intervalo de tempo, ocorre uma grande produção de elétrons secundários ES sem afetar significativamente a distribuição de velocidade dos íons. Outro fator que torna a emissão de elétrons secundários ES mais eficiente, quando o bombardeamento é feito por outros elétrons, é que a transferência de momento linear é maximizada quando a colisão ocorre entre corpos com massas iguais. Portanto, a colisão elétron-elétron é muito mais eficiente (do que a colisão íon- elétron) para a transferência de momento e, portanto, para a ejeção de elétrons da superfície de um sólido.

[062] O bombardeamento do eletrodo 10 por elétrons de alta energia faz com que haja maior emissão de elétrons secundários ES do eletrodo. Subsequentemente, os elétrons são acelerados pelo campo E2 (devido à inversão de polaridade) e aquecem o plasma, devido ao fato de penetrarem na região luminescente com alta energia. Como consequência, obtêm-se um plasma mais denso, com maior densidade de íons positivos IP e de elétrons. O grau de ionização, a temperatura e o volume do plasma (volume da região luminescente) podem ser controlados facilmente pela intensidade, duração e sequência de pulsos de polarização positiva 30. Além disso, os pulsos de polarização positiva 30, curtos de alta potência, intercalados aos pulsos de polarização negativa, agem de forma muito eficiente na supressão de arcos voltaicos entre os eletrodos.

Claims

1. Método de densificação de plasma do tipo formado entre eletrodos (10) energizados por uma fonte de energia elétrica (20), dito plasma contendo: uma massa parcialmente ionizada, tendo uma região de luminescência, átomos neutros (AN) de um fluido ionizável, elétrons primários (EP), íons positivos (IP) e íons negativos (IN); e sendo o método caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: - acelerar os elétrons primários (EP), contidos na massa parcialmente ionizada, em direção à superfície de um dos ditos eletrodos (10) aplicando um pulso de alta voltagem positiva (30) a um dos referidos eletrodos (10), de forma suficiente a impactar pelo menos parte dos elétrons primários (EP) contra a superfície do dito eletrodo (10) e desta ejetar elétrons secundários (ES); - acelerar os elétrons secundários (ES), e quaisquer outros elétrons (EP) nas proximidades do dito eletrodo (10), em direção à região de luminescência, pela polarização de dito eletrodo (10) por meio de um pulso de polarização de voltagem negativa (40), suficiente para colidir os eletrodos secundários (ES) e quaisquer outros eletrodos com átomos neutros (AN) e produzir íons positivos (IP) e elétrons derivados (ED); sendo que o pulso de alta voltagem positiva (30) e o pulso de polarização de voltagem negativa (40) compreendem, cada um, uma duração e uma intensidade, sendo a duração de pulso de alta voltagem positiva (30) menor que a duração de pulso de polarização de voltagem negativa (40) e a intensidade de pulso de alta voltagem positiva (30) é maior do que a intensidade do pulso de polarização de voltagem negativa (40); e - repetir continuamente as referidas etapas de aceleração dos elétrons primários (EP) contidos na massa parcialmente ionizada em direção à superfície de um dos referidos eletrodos (10), aplicando o pulso de alta voltagem positiva (30) ao dito eletrodo (10), e acelerando os elétrons secundários (ES) e quaisquer outros elétrons na vizinhança do referido eletrodo (10) em direção à região de luminescência, pela polarização do referido eletrodo (10), agora com a polarização de voltagem negativa (40) para gerar um plasma estável, em estado estacionário, com um grau desejado de densidade de plasma, em que um grau de ionização é controlado pela duração e intensidade do pulso de alta voltagem positiva (30) aplicado e do pulso de polarização de voltagem negativa (40).

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o pulso de alta voltagem positiva (30) ter uma duração e uma intensidade pré-determinadas para energizar cineticamente pelo menos parte dos elétrons primários (EP) da massa parcialmente ionizada e fazer esses elétrons primários (EP) colidirem com o referido eletrodo (10), sem aumentar a energia cinética dos íons positivos (IP) e sem afastar os íons positivos (IP) de uma região em que os íons positivos (IP) se encontram na massa parcialmente ionizada e mantendo os íons positivos (IP) perto do referido eletrodo (10).

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o pulso de polarização de voltagem positiva (30) ter uma voltagem da ordem de centenas e até milhares de volts e uma duração de nanossegundos até dezenas de microssegundos.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o pulso de polarização de voltagem negativa (40) ter uma duração e uma intensidade predeterminadas para energizar, cineticamente, os elétrons secundários (ES), ejetados do eletrodo (10) e quaisquer outros elétrons (EP) na vizinhança da região de luminescência do plasma para produzir íons positivos (IP) e elétrons derivados (ED) por colisão com átomos neutros (AN) na região de luminescência.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a intensidade do pulso de polarização de voltagem negativa (40) ser da ordem de dezenas a centenas de volts, sendo a duração do pulso de polarização de voltagem negativa (40) da ordem de microssegundos, mas superior àquela do pulso de polarização de alta voltagem positiva (30).

6. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o pulso de polarização voltagem negativa (40) ter uma duração suficiente para acelerar os íons positivos (IP), produzidos na região de luminescência do plasma, em direção ao eletrodo (10), promovendo o bombardeamento iônico dos referidos íons positivos (IP) contra o referido eletrodo (10).

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de qualquer um dos pulsos de polarizações positiva (30) ou negativa (40) ser iniciado com o término de um pulso de polarização positiva ou negativa anterior.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de compreender dois ou mais pulsos de polarização de alta voltagem positiva (30) subsequentes, sendo que, entre cada dois pulsos de polarização de alta voltagem positiva (30) adjacentes, é provido um pulso intermediário de polarização negativa (45) com duração similar àquela de cada dois ou mais pulsos de polarização de alta voltagem positiva (30) subsequentes.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de os pulsos de polarização de alta voltagem positiva (30), e os pulsos intermediários de polarização negativa (45) e os pulsos de polarização de voltagem negativa (40) serem intercalados com um intervalo de tempo nulo entre eles.

10. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de compreender dois ou mais pulsos de polarização de alta voltagem positiva (30) subsequentes, sendo que entre cada dois pulsos de polarização de alta voltagem positiva (30) é provido um intervalo de tempo (50) de voltagem nula, permitindo que os elétrons secundários (ES), ejetados do eletrodo (10) durante o pulso de polarização de alta voltagem positiva (30) imediatamente anterior, atinjam a massa parcialmente ionizada sem sofrer desaceleração significativa.

11. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de um dos ditos eletrodos (10) estar contido em uma câmara de reação (CR) contendo a massa parcialmente ionizada, definida em um meio gasoso ou líquido.

12. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a intensidade do pulso de polarização de alta voltagem positiva (30) e/ou do pulso de polarização de voltagem negativa (40) ser ajustável na forma bipolar.