Il Plasma

Il plasma è uno stato della materia che consiste in elettroni, particelle cariche, positive e negative, e atomi o molecole neutri che si muovono in modo casuale in tutte le direzioni.

La caratteristica principale del plasma è quella di avere una neutralità macroscopica, dovuta alla reciproca compensazione della carica spaziale degli ioni positivi e degli elettroni generati al suo interno:

ne + ni -

= ni+

dove ne indica la carica elettronica totale, ni

- _{è la carica anionica totale e n} i +

indica la carica cationica totale.

In realtà tale compensazione avviene solo in volumi abbastanza grandi e in tempi sufficientemente lunghi, per cui sarebbe più corretto parlare di quasi neutralità del plasma. Se all'interno di un certo volume di plasma la neutralità è violata per spostamento di uno strato di elettroni, si origina un campo elettrico fra strati di cariche negative e positive, equivalente al campo di un condensatore piano.

La più alta mobilità degli elettroni (alta energia e piccola massa) rispetto agli ioni fa si che i primi tendano a diffondere preferenzialmente verso il bordo del plasma, creando una zona positiva vicino agli elettrodi, dove si registra un eccesso di ioni. Tutte le superfici a contatto con il plasma si caricano negativamente ed il campo elettrico dovuto alla separazione delle cariche crea uno strato sottile carico (sheath) (figura 3). All'interno delle sheath la densità elettronica è più bassa, quindi la zona risulta anche meno luminosa rispetto al plasma, tanto che il substrato sembra essere circondato da uno spazio più scuro (dark space).

Figura 3: Separazione delle cariche in un plasma: le pareti della camera di confinamento ( anodo e catodo) si carica negativamente, il plasma all'interno è carico positivamente. Per effetto della separazione di carica, si creano due zone cariche (sheat) a bassa densità elettronica.

I meccanismi essenziali all'interno di un plasma sono l'eccitazione e il rilassamento, la ionizzazione e i fenomeni di ricombinazione. Per mantenere uno stato stazionario tra densità elettronica e densità ionica, il processo di ricombinazione deve essere bilanciato da un processo di ionizzazione.

I valori di densità di carica per gli elettroni e gli ioni nel plasma, sono ricavabili dalle seguenti equazioni:

je = 4 e ec en e ji = 4 i ic en dove

ce = velocità media degli elettroni

ci = velocità media degli ioni

Il valore di ce è molto più grande di ci, quindi saranno molto diversi anche i

valori di densità di carica per gli elettroni e per gli ioni (je ≈38 mA/cm2 ; ji ≈ 21 µA/cm2)

Poiché je >> ji , la camera di confinamento inizia immediatamente a caricarsi negativamente, ed assume una carica negativa rispetto al plasma. Allo stesso tempo, il movimento quasi-casuale degli ioni e degli elettroni viene disturbato e, mentre gli elettroni vengono respinti dalle pareti della camera, gli ioni ne vengono attratti. Quindi, il flusso di elettroni verso la camera diminuisce, ma la camera continua a caricarsi negativamente fino a che il flusso di elettroni non si riduce per effetto del bilanciamento con il flusso degli ioni.

Il plasma può essere virtualmente quindi considerato un campo elettrico "libero" ed equipotenziale, tranne nei pressi delle perturbazioni. Il potenziale che assume il plasma è indicato con la quantità Vp. A questo potenziale ne deve essere

associato un altro, Vf, detto potenziale fluttuante, associato alle pareti di

confinamento del plasma stesso.

Poiché gli elettroni sono respinti dalla differenza di potenziale Vp-Vf, questo

determina la creazione di una zona carica netta positiva, la sheat, appunto, con una sua densità di carica ρ.

Il fatto che la sheat acquisisca una carica positiva, vuol dire che la densità elettronica nella sheat stessa diminuisce.

La caratteristica luminosità del plasma è dovuta al fenomeno di rilassamento degli atomi eccitati dagli impatti elettroni. L'intensità luminosa del plasma dipende dal valore della densità e dall'energia di eccitazione degli elettroni nel plasma.

Poiché la densità elettronica nella sheat è bassa, questa zona non risulta molto luminosa.

Visivamente il plasma si presenta quindi come un globo intensamente illuminato, circondato da una zona più scura ( figura 3)

La differenza di potenziale (Vp-Vf) rappresenta per gli elettroni una barriera, per superare la quale gli elettroni devono acquisire un potenziale pari a

V = e ( Vp-Vf)

Questo vuol dire che solo gli elettroni che riescono ad attraversare la sheat con un'energia cinetica maggiore di tale valore riescono a raggiungere le pareti di confinamento.

La funzione di distribuzione di Maxwell-Boltzamm per gli elettroni sarà

e e n n' = exp e f p KT V V e( − ) −

con Te = temperatura degli elettroni

Sostituendo i valori della densità elettronica alla fine si ottiene che il valore di questa differenza di potenziale sarà dato da

(Vp-Vf) = e KT_e 2 ln _     i e e i T m T m dove

mi = massa degli ioni

me = massa degli elettroni

Tale valore risulta essere sempre positivo, questo vuol dire che il plasma assume un carica positiva sempre, anche rispetto a tutto ciò che lo circonda (pareti di confinamento, eventuali substrati ecc).

Il potenziale necessario per attraversare la zona di sheat è inoltre direttamente influenzato dall'energia con la quale gli ioni colpiscono le pareti di confinamento. Gli ioni entrano nella sheat con energia molto bassa, vengono quindi accelerati dal potenziale di sheat e in assenza di collisioni nella zona carica, colpiscono le pareti di confinamento con un'energia cinetica pari al potenziale della sheat.

Tale valore di energia cinetica è comparabile con i valori di legame interatomico in un film sottile, quindi nell'utilizzo di una scarica al plasma per la deposizione di rivestimenti bisogna tener conto di questo effetto.

Un modo semplice per generare un plasma è attraverso una scarica elettrica, che può essere applicata attraverso generatori che lavorano a frequenze diverse. La variazione della frequenza incide sulla mobilità dei portatori di carica. Se si usano generatori che lavorano nel campo delle basse frequenze (50, 100 0 400 kHz), gli elettroni e gli ioni tenderanno a seguire istantaneamente le variazioni del campo elettrico. Generatori che lavorano nel campo della radiofrequenza (13.56 MHz) hanno come effetto quello di mantenere pressoché immobili gli ioni, mentre solo gli elettroni tendono a seguire le variazioni del campo alternato. Infine, se si utilizzano generatori con frequenze nelle microonde (2.45 GHz) l’effetto sarà quello che sia gli ioni che gli elettroni saranno pressoché immobili rispetto al campo elettrico.

Questo perché la forza che il campo elettrico prodotto tra gli elettrodi esercita sugli ioni e sugli elettroni che costituiscono il plasma della scarica è diretta durante un semiperiodo in una direzione e nel semiperiodo successivo nella direzione opposta.

Aumentando la frequenza, gli ioni, a causa della loro massa molto maggiore, non riescono ad acquistare in ciascun semiperiodo una significativa energia cinetica e tenderanno a muoversi di meno, rimando a temperature prossime alla temperatura ambiente.

Gli elettroni invece (almeno 20.000 volte più leggeri) acquistano in ciascun semiperiodo energia sufficiente a ionizzare per urto nuove molecole di gas (sostenendo con ciò la scarica) e a generare, sempre per urto, grandi quantità di specie eccitate che costituiscono i precursori del rivestimento da realizzare. Quindi, se si aumenta la frequenza a cui si innesca il plasma fino ad arrivare alle microonde, si otterrà di conseguenza un aumento progressivo della densità elettronica e un aumento della pulsazione del movimento sinusoidale delle specie cariche, fino a renderle “congelate”.

La tensione minima per innescare la scarica dipende dalla concentrazione del gas ( e quindi dalla pressione in camera) e dalla distanza tra gli elettrodi. Per una

configurazione standard, in genere la pressione di processo risulta ottimale in un range tra 1 mbarr e 10-3 _mbarr.

Generalmente, il plasma viene eccitato usando un campo elettrico a radio frequenza, a 13.56 Mhz. Questa è infatti la frequenza autorizzata dalle autorità internazionali, in quanto non produce interferenze con i segnali di comunicazione.

E’ possibile accendere la scarica tra gli elettrodi oltre che con la radio frequenza, anche in corrente continua (DC o DC pulsed), risparmiando pertanto considerevolmente sul costo degli alimentatori. Vengono tuttavia a mancare, in questo caso, i particolari effetti dovuti alla differenza di massa tra ioni ed elettroni sopra descritti: in particolare la generazione di ioni e di specie eccitate risulta molto meno efficiente. In conseguenza di ciò molti processi RF risultano impossibili con scariche DC e anche quelli possibili producono, in genere, rivestimenti di qualità inferiore.

Il plasma può dividersi in due categorie, a seconda della pressione alla quale viene generato.

Se la scarica elettrica viene effettuata a pressioni maggiori della pressione atmosferica, si ottiene quello che viene definito un plasma termico.

In questo caso, il fatto di avere un’alta pressione, vuol dire che la densità elettronica è molto alta, il cammino libero medio degli elettroni è ridotto e quindi la possibilità di collisioni elettroniche aumenta. L’energia cinetica degli elettroni, generata dal campo elettrico applicato per ottenere la scarica, viene quasi interamente trasformata in energia termica. Il calore così sviluppato è in grado di decomporre termicamente una grande quantità di precursori. Questa configurazione è usata tipicamente nelle torce al plasma.

Se la pressione di innesco del plasma risulta invece inferiore alla pressione atmosferica, si parla allora di plasma freddo, per cui la bassa pressione di lavoro si traduce in una bassa densità elettronica, con un alto valore di cammino libero medio degli elettroni e quindi con una bassa probabilità di collisione. In un plasma di questo tipo gli elettroni conservano internamente la loro energia, riuscendo a trasferirla nella collisione con molecole di precursore, causando la rottura di legami chimici, anche molto forti. Questo è il principio di funzionamento dei reattori Glow Discharge ( sia in DC che in RF).

Un plasma freddo ha il vantaggio di essere auto-sostenente; una volta innescato, il processo di sostentamento della scarica procede in modo autonomo poiché le particelle cariche, accelerate dal campo e per mezzo degli urti anelastici possono generare altre coppie elettrone/ione. Il bagliore della scarica si ottiene lavorando a bassi valori di potenziale, ma con alti valori di corrente passante. Bisogna però prestare attenzione a non aumentare troppo la corrente, in qual caso, se il catodo non è raffreddato, possono innescarsi delle scariche ad arco sull’elettrodo, che, oltre a compromettere il processo in corso, possono danneggiare il generatore stesso.