Processo de FCVA (Filtered Cathodic Vacuum Arc)

O vácuo é um meio isolante, portanto para transportar corrente elétrica entre dois eletrodos próximos, mas sem contato físico entre eles, é necessário aplicar uma alta tensão. Desta forma, quanto maior a distância entre os eletrodos maior deve ser a diferença de potencial entre eles para que haja uma descarga elétrica. Esta descarga elétrica, que se apresenta na forma de um arco (assim como as descargas elétricas observadas entre as nuvens e a terra), se concentra em pequenas imperfeições geradas na superfície do catodo (chamadas de spots) devido a um processo de emissão explosiva, atingindo altas temperaturas durante este processo. Assim, o catodo emite parte de seu material tanto em forma de partículas neutras (átomos e macropartículas) como partículas carregadas (íons atômicos ou macropartículas ionizadas e elétrons), dando origem a um plasma quase neutro [1-6]. Como o plasma é um meio condutor, agora localizado entre o catodo e o anodo, é possível estabelecer uma troca de carga entre os eletrodos de alta corrente e baixa tensão. Esta descarga de plasma de alta-corrente e baixa tensão realizada entre dois eletrodos em vácuo recebe o nome de arco catódico, comumente citado na literatura em inglês sob a forma de Cathodic Arc, Cathodic Vacuum Arc ou Vacuum Arc [1,2]. Com menos frequência, mas devido ao seu processo de formação, também costuma ser chamado de

Metal Vapor Vacuum Arc [2].

A pressão de plasma no spot do catodo é alta e, o alto gradiente de pressão, assim como o campo elétrico local, faz com que as partículas emitidas saiam com alta energia cinética. A maioria das macropartículas neutras é emitida em direções laterais e, a maioria dos íons positivos e átomos neutros têem trajetórias perpendiculares à superfície do catodo

[7] conforme mostrado na figura 3.1. Graças a esta propriedade esta técnica vem sendo utilizada na deposição de materiais na forma de filmes finos. Como para gerar o plasma é necessário que o catodo seja condutor, esta técnica, que recebe o nome de Cathodic

Vacuum Arc Deposition ou simplesmente deposição por CVA, é utilizada na deposição de

metais, carbono (utilizando como fonte de átomos de C o grafite) ou alguns semicondutores, utilizando para esse fim um semicondutor altamente dopado como catodo. Entretanto, filmes depositados por CVA não possuem boas propriedades eletrônicas e apresentam muitos defeitos, uma vez que são resultantes da deposição não somente de átomos e íons, mas também de macropartículas, embora em menor número.

Figura 3.1 – Esquema ilustrativo da emissão de partículas do catodo em um processo de

geração de plasma por arco catódico, figura extraída da referência [7].

Para resolver o problema da incidência de partículas indesejadas sobre o filme em crescimento foram criados vários tipos de filtros de partículas, alguns utilizando campos elétricos e outros campos magnéticos para selecionar apenas os íons [1,2,8], dando origem ao nome Filtered Cathodic Vacuum Arc Deposition, ou simplesmente deposição por FCVA. O tipo de filtro mais comumente empregado nesta técnica é um filtro magnético, que consiste em um solenóide na forma de ¼ de toróide que quando conduz uma corrente elétrica gera um campo magnético no seu interior na forma de ¼ de circunferência. Ao entrarem por esse solenóide os elétrons interagem com o campo magnético e passam a descrever um trajetório solenoidal em torno das linhas de campo, acompanhando a curvatura do filtro magnético, figura 3.2. Devido à interação eletrostática existente entre esses elétrons e os íons do plasma, esses íons seguem a trajetória dos elétrons. Portanto, o

transporte de plasma por esse tipo de filtro é magnético (elétrons) e eletrostático (íons) [5]. Desta forma, filmes crescidos por FCVA são formados pela deposição de apenas íons positivos e elétrons. A corrente necessária para gerar um campo que consiga transportar o plasma depende do elemento químico envolvido no processo, pois cada espécie tem uma massa diferente, uma energia cinética média diferente ao abandonar o catodo e uma carga de ionização diferente. Uma das desvantagens dessa técnica é a baixa eficiência (inferior a 2,5%) quanto ao consumo do material do catodo, mas, por outro lado, fornece um feixe praticamente 100% íonizado. A corrente de íons produzida no catodo é de cerca de 10% da corrente de arco, para correntes de arco de até 300A [9], sendo que somente 25% da corrente de íons é conduzida pelo filtro magnético ao longo da curva de 90º. Portanto, a corrente iônica incidente no porta-substrato é equivalente apenas a 2,5% da corrente de arco.

Figura 3.2 – Esquema simplificado de um sistema de FCVA com um filtro magnético

formado por um solenóide dobrado em um quarto de toróide. Figura baseada na referência [2].

Em um trabalho publicado por Byon e Anders [10] foi realizado um estudo sobre a distribuição de velocidades dos íons para uma série de elementos químicos distintos. Considerando, de acordo com dados da literatura [11-13], que a zona de aceleração dos íons a partir do spot tem no máximo 1mm de raio e que, conseqüentemente, os íons possuem

velocidade para os íons de carbono no processo de arco catódico a curva mostrada na figura 3.3 (a). Esta distribuição, embora assimétrica, possui apenas um pico, sendo desta forma característica de um plasma constituído de íons com a mesma carga, estando assim, de acordo com os resultados de Anders e Yushlov [6] e Brown [3], que afirmam que o carbono se ioniza completamente na forma C+. Ao contrário do carbono, a distribuição de velocidade para o alumínio (figura 3.3 (b)) possui três picos, indicando que o plasma deste elemento é constituído por íons com três valores distintos de carga. De acordo com Brown [3] o plasma de alumínio possui 38% de Al+, 51% Al2+ e 11% Al3+. Esta diferença na velocidade mais provável para cada valor de carga ocorre devido ao fato de na região do

spot do catodo (zona de aceleração) haver não apenas um grande gradiente de pressão, mas

também um campo elétrico. Como a aceleração devido ao campo elétrico é proporcional à carga do íon, os íons com cargas superiores possuem um máximo na distribuição de velocidades em velocidades mais elevadas.

Figura 3.3 – Distribuição de velocidades dos íons (a) de carbono e (b) de alumínio em

um plasma gerado porarco voltáico. Figura extraída da referência [10].

As distribuições de velocidades dos íons são independentes da corrente de arco utilizada, dependendo apenas da derivada desta em relação ao tempo conforme demonstrado por Byon e Anders [10]. A partir da figura 3.3(a) obtemos que a velocidade

mais provável para o C+ ao abandonar o catodo é de 20,6x103m/s (26eV) e a velocidade média 22,7x103m/s (32eV).

Como o um dos pricipais objetivos deste trabalho é a implementação de um sistema de deposição de filmes finos por FCVA, nas seções seguintes são descritos em detalhes todos os procedimentos de instrumentação envolvidos na construção deste sistema, desde a câmara de vácuo até o canhão, filtro magnético e a eletrônica.