Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Il plasma/Proprietà generali

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Indice 1 Plasma come conduttore elettrico 2 Interazioni possibili tra ione e atomo 3 Processo di fotoionizzazione 4 Metallo in un plasma 5 Plasmi non termici 6 Quadro dei plasmi nella tecnologia

[modifica] Plasma come conduttore elettrico

In genere gli ioni sono in numero molto basso rispetto agli atomi neutri (in rapporto, circa, di 1/10⁴); in determinate condizioni il plasma si comporta come un buon conduttore elettrico, migliore perfino dei metalli.

Consideriamo un sistema schematizzato nella figura a fianco.

Il gas rarefatto nell'ampolla è un plasma del quale è possibile studiare la caratteristica tensione-corrente (curva di scarica del gas). Essa risulta essere quella riportata nell'immagine qui sottostante:

Nel tratto iniziale si ha un comportamento tipicamente ohmico, in cui la corrente aumenta linearmente con la tensione. Subito dopo si ha un tratto in cui la curva diventa verticale; tale andamento è dato dal fatto che tutti gli ioni presenti nel dispositivo prodotti ad una certa tensione V, vengono raccolti dall'elettrodo (saturazione della corrente). All'aumentare della corrente infatti, aumenta anche la tensione scatenando un fenomeno di moltiplicazione per il quale gli elettroni assumono una energia cinetica molto elevata e, nell'attraversare l'ampolla, ionizzano il gas rarefatto in essa contenuto.

Nella regione di Townsend la tensione si mantiene costante mentre la corrente aumenta di otto ordini di grandezza. Questa tensione costante è la tensione di breakdown del dielettrico, che dipende dalla pressione presente nell'ampolla e in questa regione la scarica ha una debolissima luminosità. Superata la regione di Townsend si osserva un tratto di curva a pendenza negativa, in cui il sistema è instabile, il sistema facilmente va in un regime oscillatorio. Successivamente si entra nel tratto della curva denominato “normale”, in cui il gas presenta forti proprietà luminescenti; in questo tratto infatti, lavorano tutte le lampade a fluorescenza. La curva prosegue con un tratto detto “abnormal” e termina con l'arco che è presente anche a pressione atmosferica. Nella regione dell'arco la quantità di ioni prodotti è talmente elevata che si forma l'arco elettrico provocando così, la scarica del gas.

Per produrre un plasma a temperatura ambiente è sempre necessario fornire energia al sistema dall'esterno. Il sistema visto nella figura precedente è un modo possibile di produrre un plasma: l'energia dell'alimentatore permette di ionizzare gli atomi del gas. Allontanando gli elettrodi, il cammino che gli elettroni devono compiere aumenta e, di conseguenza, aumenta la probabilità che gli elettroni ionizzino il mezzo. In altre parole, allontanando gli elettrodi si ha una diminuzione della tensione necessaria ad innescare il plasma, infatti aumentando il cammino degli elettroni aumenta la probabilità di ionizzazione del mezzo. Quindi se l'alimentatore fornisce una tensione costante la corrente della scarica cresce.

La tensione di breakdown varia con la pressione raggiungendo un minimo ad una pressione che dipende dal gas presente e dalla distanza degli elettrodi: secondo la legge di Paschen. La spiegazione di tale legge empirica e che a pressione elevata il cammino libero medio è piccolo e quindi sono necessari campi elevati per innescare il plasma, mentre a pressioni molto basse la probabilità di collisione degli elettroni, diventa bassa e quindi solo campi molto grandi riescono a creare una ionizzazione. I due effetti sono in competizione e quindi esiste una pressione ottimale in cui il cammino libero medio degli elettroni è sufficientemente grande a permettere la ionizzazione ma non così grande da renderla estremamente improbabile.

[modifica] Interazioni possibili tra ione e atomo

Come già accennato un plasma è composto da atomi neutri (molti, quasi la totalità) , ioni positivi ed elettroni (in numero uguale). La massa degli ioni è molto maggiore rispetto a quella degli elettroni, di conseguenza, un campo elettrico accelera gli elettroni portandoli ad elevate energie cinetiche in un tempo molto breve rispetto a quanto avviene per gli ioni. Ciò che interessa, quindi, sono le possibili interazioni tra un elettrone di elevata energia cinetica ed un atomo.

La caratterizzazione dei processi di collisione viene fatta mediante la cosiddetta sezione d'urto . Tale grandezza ha le dimensioni di una superficie ed è collegata ala dimensione di spazio in cui avviene la collisione. La sezione d'urto è legata al cammino libero medio infatti in un gas con densità una particella con sezione d'urto , ha un cammino libero medio pari a:

La sezione d'urto caratterizza l'urto, in quanto esprime la probabilità con cui un certo evento avvenga: maggiore è la sezione d'urto più probabile è l'evento.

Urto elastico

L'urto elastico è l'evento più probabile quando un elettrone incontra un atomo. Nell'urto elastico l'energia cinetica totale si conserva, e si ridistribuisce tra le due particelle in maniera tanto più efficiente quanto più le due masse sono uguali; in questo caso la massa dell'elettrone è trascurabile rispetto a quella dell'atomo con cui interagisce, perciò, il solo effetto dell'urto elastico è quello di deviare la traiettoria degli elettroni, limitandone il cammino libero medio e la massima velocità raggiungibile.

Urto anelastico

Un urto anelastico può provocare la ionizzazione. L'elettrone che colpisce l'atomo, avendo una energia cinetica sufficientemente elevata, riesce a strappare da esso un elettrone, ionizzandolo (es. e- + He --> 2e- + He+). Un processo simile è quello della fotoionizzazione. I fotoni possono ionizzare un gas se la loro energia (h) è maggiore o uguale all'energia di ionizzazione del gas stesso (es. L'energia di ionizzazione del Argon è pari a 15,7 eV, affinche si riesca quindi a ionizzare tale elemento per via della fotoionizzazione, bisogna irradiare sul gas un'onda elettromagnetica di lunghezza d'onda λ pari a 80 nm).

In questo caso è facilmente intuibile il legame tra la sezione d'urto e la probabilità che la ionizzazione avvenga. Infatti la probabilità di ionizzazione dipende dalla lunghezza del cammino degli elettroni (più strada devono percorrere gli elettroni, maggiore è la probabilità che nel percorso incontrino delle particelle di gas e le ionizzino), il cammino è a sua volta legato alla sezione d'urto.

Eccitazione

La ionizzazione del gas avviene bombardando con elettroni il gas; durante il bombardamento, un elettrone urta un atomo e gli cede quasi tutta la sua energia. Gli elettroni più esterni vengono promossi ad un orbitale ad energia più elevata (l'energia nel quale viene promosso l'elettrone dipende dall'energia cinetica posseduta dall'elettrone prima dell'urto) e l'atomo risulterà quindi eccitato e occuperà uno spazio maggiore rispetto all'atomo neutro, mentre l'elettrone impiegato per l'eccitazione, avendo perso parte della sua energia per eccitare l'atomo, avrà una velocità decisamente minore di quella iniziale e prima dell'urto.

Dissociazione

La dissociazione è un fenomeno che può avvenire quando un elettrone urta un gas molecolare. In questo caso, se l'energia dell'elettrone è sufficiente elevata esso riesce a strappare un atomo dalla molecola e si forma un radicale libero.

Gli elettroni aventi energia prossima ai 100 eV sono quelli che svolgono meglio la funzione di ionizzazione del gas.

Tutti i fenomeni fin qui indicati, presentano un fenomeno duale.

Diseccitazione

In un atomo eccitato, l'elettrone che era stato promosso ad un orbitale di energia maggiore decade ad un livello energetico più basso. Nel decadimento viene prodotto un elettrone la cui energia sarà pari al differenza di energia tra i due orbitali (il fondamentale ed il livello eccitato).

Il processo di decadimento è in genere radiativo, con cioè l'emissione di un fotone di energia pari alla differenza di energia; quindi dall'analisi spettrale di tale radiazione è possibile risalire alla composizione chimica del plasma.

Ricombinazione

La ricombinazione è il processo inverso della ionizzazione. Il processo di ricombinazione non è semplice perché devono conservarsi contemporaneamente l'energia e la quantità di moto e questo è reso difficile dalla piccola massa dell'elettrone. Molto spesso la ricombinazione avviene tramite l'intervento di un terzo elemento come, ad esempio, le pareti del recipiente nel quale il gas è contenuto o nel caso di plasmi a pressioni elevate con l'intervento di un secondo atomo (processo

a tre corpi)

[modifica] Processo di fotoionizzazione

La fotoionizzazione è un processo fisico mediante il quale si può ionizzare un gas utilizzando fotoni. In tale processo, un fotone, urtando un atomo, uno ione o una molecola, espelle uno o più elettroni. Gli elettroni espulsi, detti fotoelettroni, trasportano informazioni sul loro stato precedente alla ionizzazione. Ad esempio, un singolo elettrone può avere un'energia cinetica uguale all'energia del fotone incidente meno l'energia dell'orbitale in cui era posto. Fotoni aventi energie minori all'energia di legame dell'elettrone vengono assorbiti o sono soggetti a scattering, ma non danno luogo alla fotoionizzazione dell'atomo o dello ione.Ad esempio, per ionizzare l'atomo di idrogeno è necessario che i fotoni abbiano un'energia superiore a 13,6 eV, che corrisponde ad una lunghezza d'onda di 91nm. L'energia del fotoelettrone fatto emettere da fotoni con energie maggiori di questa è data dalla relazione:

dove h è la costante di Planck e ν la frequenza del fotone.

Non tutti i fotoni che urtano gli atomi o gli ioni lo fotoionizzano; la probabilità di fotoionizzazione è legata alla sua sezione d'urto, che dipende dall'energia del fotone e dal materiale considerato. I fotoni con energie al di sotto del limite di ionizzazione hanno una sezione d'urto pari a zero; la sezione d'urto ha un massimo quando l'energia dei fotoni è pari all'energia di ionizzazione, per frequenze maggiori la sezione d'urto diminuisce come l'inverso del cubo dell'energia fotonica.

[modifica] Metallo in un plasma

In un sistema come quello rappresentato nella figura a fianco si può considerare un plasma di Argon a temperatura ambiente T=295 K. In queste condizioni la corrente di ioni dovuta all'agitazione termica, è molto minore rispetto alla corrente di elettroni (anch'essa causata dall'agitazione termica). L'oggetto metallico immerso nel plasma quindi, verrà colpito da molti elettroni e tenderà a caricarsi negativamente. Il processo continua fin quando la carica accumulata dal metallo è tale da respingere gli ulteriori elettroni presenti. Ci sarà quindi nella zona spaziale vicina al metallo una densità alta di ioni positivi attratti dalla carica negativa, verranno invece allontanati gli elettroni in quanto due cariche dello stesso segno si respingono. Il potenziale del sistema risulta minimo sul metallo ed il plasma perde localmente la sua neutralità e risulta carico positivamente.

Quanto detto implica che un qualsiasi oggetto perturba il plasma facendo sì che esso si porti ad un potenziale negativo (il fenomeno appena descritto, infatti, può avvenire anche con le pareti del recipiente in cui è contenuto il plasma stesso).

[modifica] Plasmi non termici

Come già accennato sopra, per poter avere plasma a temperatura ambiente dobbiamo fornire energia dall'esterno. Abbiamo due scelte:

• Corrente continua
• Corrente alternata

Per quanto riguarda la corrente continua lo schema che si utilizza è lo stesso di sopra. Gli elettroni nel processo di formazione del plasma sono fondamentali, ma sappiamo che quasi tutta la massa è contenuta nello ione. Nel processo di dc-sputtering gli ioni, che hanno grazie alla loro massa una elevata quantità di moto, bombardano il catodo liberando sia elettroni che rimuovendo fisicamente gli atomi superficiali. Gli elettroni prodotti nella scarica vengono accelerati nella zona di spazio tra il catodo ed il plasma neutro, moltiplicando la ionizzazione. Gli atomi estratti dal catodo creano un flusso di materia che si deposita nelle superfici vicine. Il dc-sputtering può essere utilizzato solo con catodi conduttori, infatti in caso di ossidi il plasma non riesce ad autosostenersi.

A frequenze intermedie tra la frequenza di plasma degli ioni (poche centinaia di KHz) e quella di plasma degli elettroni una corrente alternata applicata tra un elettrodo isolato e massa determina una carica negativa sull'elettrodo isolato, innescando un plasma che riesce ad autosostenersi, in questo caso il processo fisico prende il nome di rf-sputtering ed è uno dei processi più diffusi per crescere film di varia natura, in maniera semplice ed economica.

Anche in corrente alternata per avere un plasma è necessario che le tensioni in gioco superino il campo di breakdown, per ottenere tensioni elevate con generatori adattati a 50Ω in genere si utilizzano delle reti di adattamento, cioè dei circuiti con elementi RLC variabili che permettano sia di trasferire la massima energia al sistema da vuoto, adattandone l'impedenza con quella del generatore, che riescano a formare la camera da vuoto un circuito risonante alla frequenza di alimentazione (aumentando di conseguenza la tensione efficace del segnale alternato applicato).

[modifica] Quadro dei plasmi nella tecnologia

• plasma a glow discharge:Forse i più comuni plasmi sono quelli delle lampade a fluorescenza. Sono plasmi non termici generati dalla applicazione di campo elettrico o in corrente continua o a bassa frequenza alternata (inferiore ai 100kHz) a due elettrodi posti a distanza opportuna.
• dc- sputtering: Sono plasmi generati tra eleettrodi conduttori con un processo del tutto simile a quello dei plasmi a glow discharge, ma in questo caso le densità di correnti sono molto più elevate in quanto lo scopo è di erodere il materiale dell'elettrodo negativo, per asportarlo.
• rf-sputtering: Sono sempre dei plasmi capacitivi, ma la frequenza del campo elettrico alternato tra gli elettrodi è in genere, radio frequenza (tipicamente 13.56 MHz). Come per il dc-sputtering qui l'enfasi è posta sulla erosione delll'elettrodo isolato che portandosi ad un potenziale negativo viene chiamato catodo.
• Plasmi accoppiati induttivamente: In questo caso si ha una bobina esterna alla camera dove si vuole produrre il plasma alimentata a rf, che produce il plasma mediante il fenomeno della induzione elettromagnetica.
• Plasmi riscaldati da onde: la frequenza che genera il plasma è una onda elettromagnetica che viaggiando nel mezzo mediante fenomeni elettrostatici ed elettromagnetici genera il plasma.

Tra le tecniche usate, in genere per produrre plasmi di alta densità vi è la risonanza di ciclotrone sia elettronica che ionica, per la propagazione dell'onda è necessario l'intervento di un campo magnetico coassiale.