fonte ajustável para plasmas dc

5/23/2018 Fonte Ajust vel para Plasmas DC

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ANDR A. SILVACLUDIO S. FERREIRA

Fonte de PotnciaAjustvel paraPlasmas DC

So Paulo, 02 de fevereiro de 2004


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ANDR ALEXANDRE DA SILVACLUDIO DOS SANTOS FERREIRAorientador: Prof. Dr. RONALDO DOMINGUES MANSANO

FONTE DE POTNCIA AJUSTVEL PARA PLASMAS DC

Trabalho de concluso do curso deMateriais Processos e Componentes Eletrnicos da

Faculdade de Tecnologia de So Paulo (FATEC-SP)

So Paulo, 2004.


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SUMRIOResumo..............................................................................................................................................3CAPTULO I. PROCESSAMENTO POR PLASMA...........................................................................41.1 Introduo..............................................................................................................................5

1.1.1 Estado de plasma ..............................................................................................................51.1.2 Livre caminho mdio ..........................................................................................................51.1.3 Densidade do plasma.........................................................................................................61.1.4 Gerao de plasmas ..........................................................................................................71.1.5 Regimes de descarga ........................................................................................................7

1.2 Aplicaes..............................................................................................................................81.3 Sistemas de plasma ...............................................................................................................9

1.3.1 Sistemas Industriais ...........................................................................................................91.3.2 Sistemas utilizando descarga luminosa com fonte DC......................................................12

CAPTULO II. FONTE DC VARIVEL DE ALTA TENSO .........................................................162.1 Mtodos de controle da potncia..........................................................................................17

2.1.1 Mtodos de controle por reatncia varivel.......................................................................172.1.2 Mtodos de controle por chaveamento.............................................................................18

2.2 Dispositivos tiristores............................................................................................................192.2.1 Caractersticas .................................................................................................................192.2.2 Parmetros de operao ..................................................................................................20

2.3 Potncia controlada por disparo defasado............................................................................232.4 Circuitos de controle do disparo............................................................................................24

2.4.1 Rede defasadora como circuito oscilador .........................................................................242.4.2 DIAC como circuito de disparo .........................................................................................252.4.3 Defasagem e ngulo de disparo .......................................................................................252.4.4 Malha RC.........................................................................................................................262.4.5

Histerese do capacitor......................................................................................................28

2.4.6 Circuito de controle ..........................................................................................................282.4.7 Sada DC de alta tenso ..................................................................................................28

CAPTULO III. PROCEDIMENTOS E RESULTADOS.................................................................293.1 Limites de funcionamento.....................................................................................................30

3.1.1 Condio 1: Funcionamento em plasma de oxignio........................................................303.1.2 Condio 2: Funcionamento em plasma de metano .........................................................313.1.3 Impedncia dos plasmas..................................................................................................32

3.2 Processo de corroso...........................................................................................................333.3 Processo de deposio ........................................................................................................34CAPTULO IV. DISCUSSO DOS RESULTADOS ......................................................................354.1

Funcionamento da fonte.......................................................................................................36

4.2 Aplicao em corroso .........................................................................................................37

4.2.1 Uniformidade da corroso ................................................................................................374.3 Aplicao em deposio.......................................................................................................38CAPTULO V. CONCLUSO......................................................................................................39Concluso ........................................................................................................................................40Anexo A: Preparao das amostras para corroso............................................................................41Anexo B: Sistema do canho de plasma. ..........................................................................................42Anexo C: Terminologias adicionais ...................................................................................................43Referncias bibliogrficas .................................................................................................................44


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RESUMO

O interesse pelo uso de plasmas para o desenvolvimento de materiais tem apresentado um grandecrescimento devido s vantagens de se utilizar este processo ao invs dos mtodos convencionais.Neste trabalho, citamos brevemente equipamentos e aplicaes que fazem uso de plasma,enfatizando as mais utilizadas em microeletrnica.

O objetivo deste trabalho apresentar um projeto para construo de fontes de corrente contnua deaplicao didtica ou em pesquisas de processos envolvendo reatores de plasmas. O baixo custo detais fontes de alimentao importante pois facilita a aquisio das mesmas por instituies depesquisa, aumentando o nmero de grupos ou instituies que realizam avanos significativos narea de plasma.

O projeto da fonte de corrente contnua (DC) teve como ponto de partida a escolha e testes dotransformador elevador de tenso, o qual do tipo utilizado em fornos de microondas domsticos.Para controlar a potncia demandada por um reator de plasma, o mtodo escolhido foi o controle defase por tiristor, pois permite um ajuste de potncia muito mais eficaz que qualquer outro mtodo,sendo muito mais eficiente. Alm disso, este o mais popular mtodo de controle de potnciavarivel, devido baixa complexidade de seus circuitos e ao baixo custo dos seus componenteseletrnicos. Neste trabalho, esto descritos diferentes dispositivos e mtodos de controle de potncia,comparando-os para demonstrar como se obteve o projeto final.

O tiristor utilizado como elemento de controle foi o TRIAC, porm, para uma melhor compreenso doseu funcionamento, feita uma breve descrio do SCR. Ambos so tiristores e, em geral, estes tiposde dispositivos apresentam propriedades muito semelhantes.

A fonte desenvolvida foi testada em um reator do tipo Reactive Ion Etching (RIE) em processos decorroso e deposio por plasma ambos utilizados em microeletrnica.


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CAPTULO I. PROCESSAMENTO POR PLASMA


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1.1 INTRODUO

1.1.1 ESTADO DE PLASMA

O termo plasma[7]aplica-se a um estado fsico de uma substncia neutra macroscpica qualquer,cujas partculas (eltrons livres, molculas neutras ou ionizadas, tomos, etc.) interagindo atravs deforas eletromagnticas, eletrostticas ou trmicas exibem um comportamento coletivo de longoalcance. Essa interao de longo alcance (macroscpica) diferencia o estado de plasma (ouplasmtico) dos estados slido, lquido ou gasoso, definindo-o como sendo o quarto estado damatria, no qual algumas de suas partculas liberam eltrons, que passam a coexistir no mesmomaterial. Entretanto, o material se mantm macroscopicamente neutro, significando que, emboraparte de suas partculas esteja ionizada, h tantos ons quanto eltrons no volume em que o plasmaest confinado.

Na natureza, o estado de plasma representa 99,99% da matria visvel do Universo. A chama de umavela, a luminescncia da lmpada de luz fria, um arco eltrico, uma descarga eltrica, um jato de fogoque sai dum motor de reao do foguete, o rastro que deixa o relmpago, o brilho das estrelas, soalguns dos fenmenos relacionados com este quarto estado da matria. Na prtica, a forma maisusual de se obter um plasma atravs de uma descarga eltrica, ou seja, aplicando-se uma diferenade potencial eltrico entre dois eletrodos num sistema fechado contendo um gs de material neutro.

1.1.2 LIVRE CAMINHO MDIO

O principal fator que implica na dificuldade de se obter eletricamente um plasma na superfcieterrestre a presso atmosfrica, um meio demasiadamente denso, considerado como alta pressopara a gerao de plasmas, pois a distncia entre as partculas suficientemente pequena a pontode permitir a recombinao de cargas, fazendo com que os ons sejam facilmente neutralizados, nohavendo tempo suficiente para existir o plasma. Logo, o plasma ocorre naturalmente no espao (novcuo), ou na alta atmosfera ( exceo das chamas e dos raios).

A maior distncia que uma partcula pode percorrer, sem que haja qualquer tipo de interao(colises mecnicas ou eltricas) com outras partculas do meio definida como livre caminho mdio.Assim, a interao entre as partculas define-se como sendo aseo de choque , dada por:

2r =

Eq. 1.1-1

que trata as partculas do gs como sendo esferas de raio r. No caso das partculas neutras, este raio dado pelo prprio dimetro molecular (ou atmico), e nas partculas ionizadas o raio dado pelaatuao de seus campos eltricos. Desta forma, o livre caminho mdio dado por:

n

1=

Eq. 1.1-2

Onde n a densidade de partculas (nmero de partculas por metro cbico).

A diferena de potencial necessria para produzir a descarga eltrica que d incio ao plasma proporcional presso do sistema. Para produzir plasma pode-se reduzir esta presso, o que podeser obtido em cmaras (reatores) atravs do uso de sistemas de vcuo. Como o valor de dependedo material, ento o livre caminho mdio depende ainda do tipo de material do qual composto o gsa ser ionizado e tambm da presso pdo sistema:

p

cT=

Eq. 1.1-3

Onde cTdepende das caractersticas do material ionizado.


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1.1.3 DENSIDADE DO PLASMA

Ao ser parcialmente ionizado, um gs passa a ser composto por diferentes quantidades e tipos departculas carregadas (ons e eltrons) e neutras (radicais, tomos e molculas) as quais coexistemnum mesmo sistema. Define-se espciecomo sendo um grupo de indivduos que apresentam uma

caracterstica em comum, neste caso se esto ionizados ou no. Desta forma, as espciescomumente encontradas num plasma podem ser classificadas como neutras ou como inicas. Ocomportamento do plasma causado pelas espcies inicas (partculas carregadas), sendo aquantidade destas espcies dentro do gs ionizado definida como densidade do plasmae um dosparmetros que caracterizam o plasma.

O parmetro que define a densidade do plasma o grau de ionizao, definido pela razo entre adensidade de partculas ionizadasnipela densidade de partculas neutrasn:

n

ni

=

Eq. 1.1-4

Para plasmas gerados em baixas presses, o grau de ionizao tipicamente 10-6

a 10-3

, porm emsistemas de alta densidade podem ser obtidos graus de ionizao da ordem de 10

-2. Dependendo da

aplicao do processo, utilizam-se plasmas com diferentes graus de ionizao.


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1.1.4 GERAO DE PLASMAS

Dentre os diversos modos existentes de se gerar um plasma frio, descreveremos aqui aquela que foiutilizada em nosso trabalho, ou seja, descargas excitadas por campo eltrico contnuo (DC glowDischarges). Geram-se plasmas por fontes de corrente contnua ou pulsadas com frequncias

menores que 100 Hz. A descarga DC produzida ao aplicar-se tenso contnua entre dois eletrodosem um sistema de baixa presso. Para ter incio a descarga so necessrios eltrons semente, queso gerados por raios csmicos ou por efeito fotoeltrico, gerado pela luz ambiente.

1.1.5 REGIMES DE DESCARGA

Ajustando-se o valor da tenso aplicados aoseletrodos do sistema de plasma, podem serobtidas vrias condies conhecidos porregimes de descarga, as quais sorepresentadas por uma curva IV dedistribuio de potencial em funo dacorrente fornecida pela fonte, como visto na

Figura 1.1-1.

Figura 1.1-1: Regimes de uma descarga de plasma[7].

Descarga escura: Com o aumento inicial de tenso, ocorre a chamada ionizao de fundo domaterial, no qual a corrente eltrica aumenta, no ocorrendo emisso visvel, sendo perceptvelapenas atravs dos medidores de tenso e corrente, pois a ionizao causa um aumento nacondutividade eltrica do material. Aumentando-se ainda mais a corrente ocorre a saturao natenso do material, que passa a um valor constante mesmo que seja aumentada a corrente da fonte.Esta situao persiste at um certo com o aumento valor da corrente, no qual ocorre a rupturaeltrica, permitindo a descarga luminosa (brilhante).

Descarga Luminosa: A tenso no plasma cai estabilizando-se num patamar. Neste ponto ocorreuma emisso luminosa. Ao aumentar-se a corrente eltrica, o potencial no plasma permanece omesmo com a luminosidade aumentando de acordo com a corrente numa emisso chamada denormal. Aps certo valor de corrente, ocorre um aumento abrupto na tenso do plasma, iniciando adescarga anormal.

Arco Voltaico: Aps atingir o valor mximo de tenso fornecido pela fonte, a corrente cria umcaminho dentro do plasma causando um arco eltrico, o que pode destruir a fonte de tenso, poisocorre um consumo alto de corrente.


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1.2 APLICAES

Na histria da metalurgia e do processamento de materiais, novas tecnologias vm sendodescobertas, nas quais surgem novas perspectivas para pesquisas e desenvolvimento de novos emais avanados materiais. O processamento por plasma uma tecnologia relativamente recente quepermite produzir tais materiais.

As caractersticas dos plasmas permitem utiliz-los em aquecimento, iluminao, corroso e paraacelerar, promover e melhorar as reaes qumicas, pois seus ons e eltrons livres possuempotenciais qumicos muito mais altos do que os materiais em seus estados originais. Estes aspectostornam os processos mais rpidos, utilizando menores quantidades de energia e reagentes qumicos,evitando desperdcios, o que torna menor o custo dos processos.

As primeiras aplicaes de plasma datam da dcada de 1920. Em 1950 passaram ao campo daspesquisas espaciais e em 1970 para a indstria metalrgica. Em seguida, foi a vez do setor comercialdesenvolver processos com plasmas nas dcadas de 1970 a 80, quando ocorreram os maioresavanos nesta rea. Na dcada de 1990 houve um tremendo crescimento no mercado,principalmente em aplicaes de deposio por plasma, gerando um negcio em torno de US$ 2bilhes s nos Estados Unidos[2]. Dentre as aplicaes tpicas atuais podemos resumidamente citar:

Aplicaes industriais: Endurecimento de ferramentas de corte e nitretao de aos; Cobertura com camadas anticorrosivas, semi-reflexivas, refratrias, etc.; Corte de metais; Tratamento de efluentes txicos (lquidos e gasosos) Sntese de materiais.

Aplicaes em microeletrnica: Deposio ou corroso de dieltricos, metais, polmeros, etc.; Modificao estrutural de polmeros;

Sntese e desenvolvimento de novos materiais.

A indstria metalrgica de base utiliza plasmas como fontes de calor de alta entalpia[3]

, capazes degerar temperaturas de 3000 a 6000 K para o aquecimento de particulados injetados em gases oupara fuso de camadas. A funo primria de tais plasmas elevar a temperatura de reagentes atque o potencial qumico da reao desejada seja negativo e a temperatura alta o suficiente paraassegurar rpidas taxas de reao e produtos com melhores propriedades metalrgicas mesmoutilizando materiais de custo menor, o que nem sempre possvel em processos convencionais.

Ambientes de baixa presso utilizados em sistemas de plasma permitem que deposies de camadasde materiais diversos possam ser realizadas de forma rpida se comparados com processos presso ambiente. Isto possibilitou grandes avanos na qualidade da adeso entre os filmesdepositados e seus substratos, pois permitem a unio de elementos tipicamente imiscveis, criando

novos compostos e novas estruturas. Outro fator a eliminao do oxignio durante o aquecimento,acelerando as reaes qumicas entre o substrato e os gases reagentes, o que permitiu um grandeavano na qualidade e desempenho dos processos.

Processos por plasmas proporcionam com facilidade corroses anisotrpicas, permitindo obtersuperfcies uniformes em tratamentos superficiais de peas (metlicas ou cermicas), mesmo emsuperfcies de formas demasiadamente irregulares ou complexas para os processos convencionais

[7].

Isto permite um melhor acabamento durante o tratamento eliminando ou minimizando-se o re-trabalhoaps a fabricao.

Finalmente, processos por plasmas possuem um baixo risco de contaminao ambiental. Isto porqueutilizam pequenas e controladas quantidades de gases neutros como reagentes, tornando este tipode processo extremamente limpo, enquanto que os processos convencionais usam, muitas vezes,grandes quantidades de sais ou gases txicos, gerando quase sempre dejeitos que contribuem paraa contaminao ambiental.


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1.3 SISTEMAS DE PLASMA

1.3.1 SISTEMAS INDUSTRIAIS

Sistema tipo RIE(Reactive Ion Etching)

Visto na Figura 1.3-1, trata-se de um reator simples noqual um gs encerrado e aplicado potencial entre oeletrodo e a carcaa para gerar plasmas. um dossistemas mais utilizado na indstria de microeletrnicapois possibilita o controle da anisotropia na corroso.

Figura 1.3-1: Sistema tipo RIE[7].

Sistemas tipo PE(Plasma Etching).

Estes sistemas s possibilitam corroses isotrpicas enormalmente, aplicam-se na retirada (stripping) defotorresiste ou de xido de silcio em processoslitogrficos.

Classificam-se pelo formato do reator, podendo serplanares ( ), ou cilndricos do tipo barril (Figura 1.3-2).

Figura 1.3-2: Sistema PE barril[7].

Figura 1.3-3: Sistema PE planar[7].

Sistema tipo ICP(Inductively Coupled Plasmas)

Neste sistema, visto na Figura 1.3-4, utiliza-se umacoplamento capacitivo associado a um acoplamentoindutivo, para possibilitar a obteno de plasmas de altadensidade.

Figura 1.3-4: Sistema tipo ICP[7].


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Sistema tipo ECR(Electron Ciclotron Resonance).

Este um sistema que gera plasmas dealta densidade, sendo muito utilizado em

corroses de alta anisotropia, poistrabalha com presses relativamentemuito baixas. Seu esquema pode ser vistona Figura 1.3-5.

Figura 1.3-5: Sistema tipo ECR[7]

.

Sistema tipo Sputtering

Este sistema, mostrado na Figura 1.3-6, utilizado em deposio de camadasuniformes de diversos materiais (metais, ligase dieltricos). Suas principais aplicaesesto em microeletrnica, sendo tambmempregado nas indstrias metalrgica, pticae automobilstica, porm em menor escala.

Sputtering um termo ingls que significaespirrar e se refere forma como estatcnica realiza deposio: um gs ionizado(plasma) direcionado sobre um alvocontendo o material a ser depositado,causando a remoo fsica de partculasdeste, ou seja, so espirradas do alvo e sedepositam num substrato.

Figura 1.3-6: Sistema tipo Sputtering[7]

.

Sistema tipo PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapour

Deposition).

Um sistema de PECVD utilizando reator deplacas paralelas mostrado na Figura 1.3-7.O objetivo principal desta tcnica, adeposio de camadas uniformes (metais,ligas ou dieltricos). Aplica-se emmicroeletrnica, porm, indstrias como aptica e a automobilstica j esto investindoem novos processos, para acompanharem odesenvolvimento tecnolgico.

Figura 1.3-7: Sistema tipo PECVD[7]

.


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Canho de Plasma: Visto na Figura 1.3-8,este sistema foi desenvolvidoespecificamente para a etapa de deposioneste trabalho, formado por um tubo oco de

material isolante, possuindo numa dasextremidades uma entrada de gs junto aoanodo e na outra uma sada para espciesinicas formadas dentro da descarga doplasma junto ao catodo.

A descarga se forma aplicando-se umpotencial elevado em seus eletrodos (anodo ecatodo). As espcies so transportadas at aamostra pelo sistema de vcuo, aceleradaspelo campo eltrico.

Figura 1.3-8:: Sistema de deposio utilizando canho deplasma. [Fonte prpria]


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1.3.2 SISTEMAS UTILIZANDO DESCARGA LUMINOSA COM FONTE DC

H provavelmente seis tipos de configuraes de reatores de plasma utilizando descarga DCluminosa para mais de 90% das aplicaes industriais. Segue resumidamente uma descrio destasconfiguraes.

Reator Cilndrico de Plasma deDescarga Luminosa

A Figura 1.3-9 ilustra um reatorcilndrico de descarga luminosa, noqual um cilindro de quartzo preenchido com gs rarefeito.

Esta configurao utilizada emdispositivos de iluminao, comolmpadas f luorescentes.

Figura 1.3-9: O tubo cilndrico de descarga luminosa normal [9].

Reator de Plasma de Placas Paralelas[9]

Reatores de placas paralelas so amplamente utilizados em processamento e aplicaes qumicaspor plasma. A Figura 1.3-10(a) mostra um sistema com as colunas positiva e negativa bem definidase brilhantes. Esta configurao til para estudos qumicos do plasma, devido ao grande volume dacoluna positiva. O sistema da Figura 1.3-10(b) utilizado em processamento por plasma devido saltas energias dos ons que bombardeiam o catodo. Podem ser empregados campos magnticos aolongo do eixo, para aumentar a eficincia da potncia e evitar perdas laterais.

a)

b)

Figura 1.3-10: Reator de placas paralelas de descarga DC brilhante normal[9]

: (a) coluna positiva de plasma com operaodesobstruda; (b) operao obstruda com somente uma coluna brilhante negativa e um grande potencial no catodo.


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Reatores de Plasma por Feixes

a)

b)

Figura 1.3-11: Plasmas gerados por feixes[9]: (a) por feixe de eltrons;(b) por feixe de laser.

Descargas por feixe de plasma so sistemas que utilizam feixes para gerar plasmas de altadensidade. Estes sistemas so utilizados em fontes de ons (como canhes de implantao inicai.e.). A Figura 1.3-11(a) mostra um sistema que fornece um plasma constitudo por espcies inicasdesejadas. Nesta configurao, a densidade de eltrons maior do que em outras descargasbrilhantes normais. Na configurao da Figura 1.3-11(b), um plasma de alta densidade gerado por

um feixe de laser, fornecendo as espcies inicas desejadas. Pode-se aplicar um campo magnticoaxial para melhorar o confinamento do plasma.

Reator de Plasma por Bombardeio Eletrnico

Um reator de plasma porbombardeio eletrnico mostrado na Figura 1.3-12.Este tipo de reator foidesenvolvido para uma altaeficincia, fornecendo umadescarga brilhante

cilindricamente simtrica, comeltrons magnetizados por umcampo magntico divergentede magnitude entre 5 a 15 mT.Esta tecnologia demonstraeficincia de potncia acimade 90%, muito superior maioria dos reatores dedescarga brilhanteconvencionais e utilizadopara gerar plasmas em baixaspresses, geralmente abaixode 10mTorr.

Figura 1.3-12: Reator de plasma por bombardeamento de eltron[9]

.


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Reator de Plasma por Descarga Penning

Descargas Penning so utilizadas para produzir ons energticos ou descargas de plasma emqualquer material que possa ser gaseificado, produzindo um plasma denso a presses de 10

-6a 10

-2

Torr, bem abaixo que outros tipos de descargas luminosas. Este sistema no tem sido muito util izado

em aplicaes industriais, devido falta de familiaridade industrial com suas caractersticas e emparte, tambm devido a seus pr-requisitos, pois necessita de um campo magntico axial de 0,05 a0,20T, considerado alto.

Na configurao clssica dadescarga Penning (ondeclssica neste contexto implicano uso de um campo magnticouniforme) mostrada na Figura1.3-13, ons energticos colidemnos catodos, alcanandodezenas de eltronvolts e pode-se alcanar vrios quilo-

eltronvolts repetidamente,causando grande sputtering. Ofluxo inico no catodo pode sertil para aplicaes emprocessos de corroso demateriais.

Figura 1.3-13: Descarga Penning clssica com induo magntica uniforme ecaptura eletrosttica dos eltrons

[9].

Na Figura 1.3-14 so mostradas configuraes alternativas descarga Penning clssica:

a) b)

c) d) Figura 1.3-14: Configuraes derivadas da descarga Penning clssica [9]: (a) anodo em anel a meio plano da descarga,refrigerado com gua, campo magntico uniforme; (b) anodo em anis separados a uma curta distncia do catodo em cadaextremo da coluna, grande regio de plasma uniforme no meio da descarga; (c) catodos em anis com sada para feixes deons; (d) anodo cilndrico, catodo terminico esquerda, catodo em anel direita com feixe inico saindo axialmente.


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A Figura 1.3-15 mostra adescarga Penningmodificada, utilizandolentes magnticas, em

ambos os lados doanodo.

Desta forma possvelarmadilhar ons queiriam de alguma formase perder ao longo doeixo at o catodo,tornando possvelaumentar o efeito deconfinamento do plasmana coluna de potencialeletrosttico.

Magnetizando-se osons, pode-se aumentarsuas energias at aordem de quilovolts (103V).

Figura 1.3-15: Descarga Penning modificada[9]operando em uma geometria de lente

magntica. ons e eltrons so confinados ao redor do meio plano, evitando-se perdaslaterais.

Reator de Plasma tipo Magnetron

Na Figura 1.3-16 mostrado um magnetron com geometria de placas paralelas numa configuraoutilizada em aplicaes de deposio por sputtering de plasma. Com tenso aplicada entre asplacas paralelas, surge uma descarga brilhante de plasma negativo, ficando retida nas lentes.Campos eltricos relativamente altos existiro entre o plasma formado e o catodo, acelerando onsque causaro o sputtering (remoo) do material do catodo. As partculas removidas cobrirosubstratos localizados sobre o anodo aterrado.

Figura 1.3-16: Formao de descarga brilhante de plasma no magnetron de placas paralelas[9]O plasma brilhante negativo(formado por eltrons) capturado na lente magntica formada pelos ims acima do catodo.

Baseando-se no princpio acima descrito, so possveis diversas outras configuraes geomtricaspara um reator magnetron, dependendo apenas da necessidade e viabilidade de uso. As aplicaes

objetivam sempre a deposio por sputtering.


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CAPTULO II. FONTE DC VARIVEL DE ALTA TENSO


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2.1 MTODOS DE CONTROLE DA POTNCIA

Inserindo-se elementos em srie com uma carga, pode se controlar sua potncia desdeaproximadamente zero at a mxima, atravs da corrente que flui para a mesma. Os mtodos decontrole classificam-se quanto ao tipo de elemento que inserido em srie: se reatncia varivel ouchave manual.

2.1.1 MTODOS DE CONTROLE POR REATNCIA VARIVEL

Aplicam-se em circuitos de baixa potncia, como controles de velocidade, aquecimento ou volumesonoro. Uma das desvantagens o fato de consumirem potncia para funcionarem, desperdiandoenergia. Os elementos de reatncia varivel so: reostato, indutncia varivel, e autotransformador.

Reostato: Trata-se de um fio resistivo enrolado,apresentando dois terminais para a resistncia total e umterceiro terminal mvel, chamado cursorque faz contatocom uma das espiras do fio. Ao variar-se a posio do

cursor, faz-se variar o comprimento do fio e assim aresistncia entre o cursor e um dos terminais.

A Figura 2.1-1 mostra o esquema eltrico de controle depotncia por reostato. Neste dispositivo, a perda deenergia por aquecimento tanto maior quanto maior for apotncia da carga a ser controlada. Isto faz com que odispositivo necessite ser fisicamente grande para dissiparenormes quantidades de calor, tornando-o pesado e difcilde instalar e manusear.

Figura 2.1-1: Carga controlada por reostato: ao variara posio do cursor faz-se variar a corrente entregue carga[6].

Indutncia varivel: selecionando-sequantidades diferentes de espiras num

indutor, como visto no esquema da Figura2.1-2, pode-se variar a reatncia indutiva econseqentemente a corrente na carga.

So muito utilizados para controlar avelocidade em motores de baixa potncia,como furadeiras, liquidificadores oubatedeiras. Uma desvantagem possuiralguns valores predefinidos de indutnciadada pelas derivaes, alm de no trabalharcom cargas de potncias relativamentemaiores, pois representam grandesimpedncias para correntes altas.

Figura 2.1-2: : Indutor com derivaes controlando uma carga[6]. Naposio 0 a carga est desligada. Na posio 1, a corrente passapor toda a indutncia, entregando o mnimo de potncia carga.Nas posies 2 e 3 a potncia entregue aumenta pois o nmero deespiras menor. Na posio 4 a potncia entregue carga

mxima.


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Mquina Rotativa ou Autotransformador: umabobina de fio enrolado num ncleo em forma decilindro oco, no qual faz-se deslizar pelo seu centroum eletrodo (cursor) em contato com qualquer

espira. Um esquema de ligao pode ser visto naFigura 2.1-3. Variando-se a posio do cursor altera-se a sua indutncia e conseqentemente tambm atenso de sada.

O autotransformador consome pouca potncia,porm representa grandes impedncias paracorrentes altas, necessitando de grandes ncleos demateriais especiais para evitar perdas, tornando ocusto destes dispositivos muito elevado quando senecessitam controlar cargas de alta potncia.

Figura 2.1-3: Transformador varivel (Variac)controlando carga[6].

2.1.2 MTODOS DE CONTROLE POR CHAVEAMENTO.

A classe de mtodos chaveados aquela que se baseia no mtodo por chaveamento manual, noqual uma chave inserida em srie com a carga. Uma chave possui somente duas posies e noconsome nenhuma potncia em ambas, no podendo assumir posies intermedirias entretotalmente ligada ou desligada como num reostato. Porm, obtm-se o mesmo efeito ao ser ligada edesligada alternadamente. Assim, a potncia mdia entregue depender da quantidade de tempo quea chave permanece aberta ou fechada.

Chaveamento manual: Conforme o esquema da Figura 2.1-4,uma chave inserida em srie com a carga.

Quando a chave est ligada, no h queda de tenso sobreela e a potncia entregue carga mxima. Na posiodesligada no h corrente atravs da chave, portanto no hconsumo de potncia pela carga.

Figura 2.1-4: Uma chave controlandocarga[6].

Chaveamento eletrnico: Inicialmente as vlvulase depois os dispositivos semicondutoressubstituram a chave manual, como mostra a Figura2.1-5, com a vantagem de serem mais rpidos,acionando centenas ou milhares de vezes por

segundo, o que permite um controle eficaz dapotncia com perdas desprezveis.

Tiristoresso dispositivos que podem ser utilizadoscomo chaves eletrnicas: dois terminais funcionamcomo chave, controlando a corrente na carga e umterceiro terminal, chamado de porta, serve paraaplicar um sinal para o acionamento desta chave. Figura 2.1-5: Chave eletrnica controlando carga[6].

Este dispositivo pode controlar grandes potncias apartir de um circuito de acionamento de baixo sinal.


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2.2 DISPOSITIVOS TIRISTORES

Tiristores so dispositivos de estrutura pnpnutilizados como chaves eletrnicas. Permitem acionarcargas de grandes potncias utilizando circuitos de baixa potncia para acion-los. Chamamos dedisparodo dispositivo o evento em que, induzido por um sinal externo, o tiristor acionado, entrandoem conduo. Esse sinal conhecido por sinal de disparo. Num tiristor ideal, antes do disparo, noh conduo de corrente entre anodo e catodo.

2.2.1 CARACTERSTICAS

DIAC: um diodo bidirecional que opera como dois diodos, do tipo aorpida, ligados em oposio, podendo inclusive operar com seus terminaistrocados. No possui terminal de porta, sendo seu disparo realizadoatravs da tenso aplicada a seus terminais. Alguns smbolos para o DIACpodem ser vistos na Figura 2.2-1.

A caracterstica mais importante deste dispositivo o fato de no conduzir

at uma tenso relativamente alta, tipicamente de 20V, conhecida comotenso de ruptura direta ou VBO, aps a qual apresenta tenso muitoreduzida, tipicamente 2V. Isto porque o dispositivo conduzindo apresentagerao de portadores por aquecimento, o que reduz a tenso de rupturadireta[6].

Figura 2.2-1:

Simbologias para o DIAC[6].

SCR:(abreviao do termo ingls Silicon Controlled Rectifier retificador controlado de silcio) umtiristor que opera como dois transistores bipolares, a Figura 2.2-2 mostra como a estrutura do SCRpode ser pode ser comparada com a de de dois transistores (Figura 2.2-2 b-c), um pnp com o emissorligado no anodo (A) e outro npn com emissor ligado no catodo (K), ambos realimentados em suasbases um pela corrente de coletor do outro. Na base do transistor npn, o terminal porta (G) serve parainjetar eltrons, o que causa o disparodo dispositivo.

Aumentando-se o potencial na porta VG(positivo em relao ao catodo), a tenso VAKnecessria paraa conduo do SCR exponencialmente reduzida, causando o disparo do tiristor em valores cadavez menores de VAK.

Figura 2.2-2: Dispositivo SCR[6]: a) Estrutura p-n; b) analogia com a estrutura bipolar; c) circuitodescritivo equivalente; d) smbolo eltrico.

O SCR apenas conduz no sentido direto, ou seja, com potencial maior no anodo em relao aocatodo, apresentando para tenso reversa apenas uma corrente de fuga e alto valor de tenso deruptura reversa VRRM, como num diodo comum. A tenso de porta deve ser positiva em relao aocatodo.


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20

TRIAC: (Triode for AC) um tiristor bidirecionalutilizado para substituir o SCR em aplicaes decontrole de corrente alternada. Pode ser acionado tanto por tenso positiva quanto negativa em suaporta.

Apresenta um controle de potncias baixas se comparado ao SCR, sendo tipicamente utilizado em

controle de corrente de cargas at 100A para tenses at 1000V. Podem ser vistos na Figura 2.2-3 osmbolo do TRIAC e o circuito equivalente, essa configurao serve apenas para demonstrar que oTRIAC funciona como se fosse composto por dois SCRs, conduzindo em ambas as direes. Narealidade, dois SCRs no podem ser ligados como mostrado exceto se suas portas operaremindependentemente.

a) b)

Figura 2.2-3: Dispositivo TRIAC[6]: a) Smbolo eltrico; b) Circuito equivalente.

2.2.2 PARMETROS DE OPERAO

Os parmetros de operao do tiristor so valores fornecidos pelo fabricante em suas notas deaplicao

[8](datasheets).

a. Mxima tenso de ruptura direta (VDRM):Aumentando-se o valor de VAKa partir de zero, sem

aplicar tenso na porta (VG=0), o tiristor no conduz at que VAKassuma um valor, conhecidocomo mxima tenso de ruptura diretaouVDRM, no qual ocorre o disparo. No dispositivo DIAC,este parmetro equivalente a VBO.

b. Mxima tenso de ruptura reversa (VRRM): a tenso reversa mxima que um SCR suportaantes de entrar em ruptura. Trata-se de um parmetro monodirecional e se aplica somente aoSCR.

c. Tenso em conduo (VT): Sempre que um tiristor disparado, a resistncia anodo-catodo cai aalguns ohms, o que causa reduo da tenso VAKpara valores menores que 2V, sendo este valorconhecido por tenso em conduoouVT, um valor tpico 1,6V.

d. Corrente de sustentao (IH): Uma vez acionado, um tiristor somente desligado quando a

corrente atravs deste cair prximo a zero, o que no depende do dispositivo, mas da prpriacarga ou da fonte externa de energia. O valor mnimo para que o tiristor continue conduzindo acorrente de sustentao(do ingls holding), possuindo um valor tpico de 10mA.

e. Tenso de limiar (VGT): Num TRIAC, para valores de VG0, a tenso VAK necessria para odisparo menor do que VDRM. O mnimo valor de VG necessrio para causar o disparo dodispositivo, chamado tenso de limiar na porta ou VGT (do ingls gate-trigger voltage), sendotipicamente entre 0,5V e 2,0V, tanto para o pico positivo quanto para o negativo.

f. Mximo pico repetitivo de corrente de porta em disparo (IGM): A partir do disparo, aresistncia de porta cai a valores relativamente baixos. Neste ponto, a corrente de porta IGTdeveser limitada na mxima corrente de pico repetitivo IGT(MAX)ou IGM, para no danificar o dispositivo.Por exemplo, para uma IGM =100mA, com uma tenso de porta igual de entrada VG=VAC, oresistor de porta RGT dado por:


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21

== 3103,112

GT

ACGT

I

VR

Eq. 2.2-1

onde este valor pode ser obtido atravs de associao de resistores.

g. Mxima taxa de variao da corrente (di/dt|MAX): Aps o disparo, se a corrente no tiristor ITaumentar muito rapidamente, ento a taxa de variao da corrente ou di/dt, poder destruir odispositivo por superaquecimento. Para minimizar-se este efeito, associa-se um indutor LS emsrie com a carga, sendo obtido por:

MAX

pp

S

dt

di

VL

= 8,0

Eq. 2.2-2

ondeVpp a tenso de pico-a-pico, obtida a partir da tenso nominal VACatravs da relao:

2ACpp VV =

Eq. 2.2-3

Por exemplo, para uma tenso VAC=220V, e uma taxa di/dt=50A/stemos queLS=5mH.

h. Mxima taxa de variao da tenso anodo-catodo (dv/dt|MAX): Uma rpida variao da tensoanodo-catodo ou dv/dt, pode ocasionar um alto gradiente interno de tenso, superando o valorVDRMe causando disparos indesejados. Para minimizar-se este efeito, utiliza-se uma capacitnciaem paralelo ao tiristor devido caracterstica de oposio s variaes de tenso, sendo seuvalor dado por:

L

SZ

C = ,

Eq. 2.2-4

onde a constante de mnimo tempo, obtida por:

MAX

DRM

dt

dv

V

=

Eq. 2.2-5

ZL a impedncia estimada da carga, cujo valor pode ser estimado atravs da potncia Pque seespera consumir:

P

VZ

AC

L

2

=

Eq. 2.2-6

Assim, por exemplo, numa rede de tenso VAC=220V a uma potncia P=1000W, a carga possui

aproximadamente 50. Para um tiristor com VDRM=800Vdado dv/dtMAX=250V/s, temos CS=66nF, o qualno necessita ser um valor exato, pois espera-se sempre que a impedncia da carga varie.


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22

i. Circuito amortecedor: Um capacitor colocado em paralelo ao tiristor, como citado no itemanterior, carrega-se enquanto o dispositivo estiver desligado. Ento, quando ocorre o disparo ocapacitor se descarregar adicionando uma parcela di/dt j existente. Para evitar que istoocorra, associada em srie com o capacitor uma pequena resistncia RS. dada por:

MAX

DRM

S

dt

di

VR

=

Eq. 2.2-7

Por exemplo, para um di/dt=50A/se um VDRM=800V, temos RS=4.

Este procedimento protege o tiristor, pormatrasa a descarga do capacitor edependendo do caso, essa resistncia podeser omitida e em seu lugar pode ser utilizada

a reatncia do indutor descrito no itemanterior, criando o circuito amortecedor ousnubber mostrado na Figura 2.2-4.

Dessa forma possvel evitar disparosimprevistos enquanto protege-se odispositivo contra superaquecimento.

Figura 2.2-4: Circuito amortecedor ou snubber protegendo umtiristor.

Ao substituir a resistncia por uma impedncia indutiva equivalente faz-se XL=RS, pode-se estimar ovalor da indutncia por:

L

S

X

L =

Eq. 2.2-8

Assim, para o exemplo anterior, temos que LS=10mH, que um valor prximo ao obtido pela Eq.2.2-2, permitindo que a resistncia seja substituda pela indutncia.


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2.3 POTNCIA CONTROLADA POR DISPARO DEFASADO.

Numa linha de corrente alternada, o acionamento da chave (ou disparo do tiristor) pode sersincronizado com a fase da tenso de entrada a fim de causar o acionamento em pontos diferentesdo semiciclo. Com isto, a potncia mdia consumida pela carga depender da poro do semicicloentregue. O circuito que realiza esta funo tambm chamado de oscilador, pois gera pulsossincronizados para controlar a chave, ou para a porta de um dispositivo tiristor.

A fase da tenso alternada representada em ngulos em relao ao tempo, assim cada ciclocompleto constitui um perodo Te possui 360 ou 2rad. O valor Tdo perodo pode ser obtido atravsda freqncia fda rede por:

fT

1=

Eq. 2.3-1

Numa linha de tenso alternada senoidal com freqncia f= 60Hz a corrente vai a zero 120 vezes porsegundo, causado o desligamento do tiristor a cada semiciclo. Se o acionamento ocorrer no incio decada semiciclo, prximo ao ngulo 0 para o primeiro semiciclo e 180 para o segundo, ento apotncia entregue mxima. Se o disparo correr prximo a 180 para o primeiro semiciclo e 360para o segundo, ento a potncia entregue ser mnima ou nula.

Tenses na carga em funo do ngulo de acionamento da chave

-60

-40

-20

0

20

40

60

0 90 180 270 360

ngulo [graus]

Tenso[V]

Tenso de Entrada

Tenso na carga para acionamento em 20 e 200

Tenso na carga para acionamento em 160 e 340

Figura 2.3-1: Formas de onda da tenso na carga em funo do ngulo de acionamento da chave.

Conforme pode ser visto na Figura 2.3-1, atravs deste mtodo, a tenso mdia na carga pode servariada de acordo com o perodo que a chave permanece ligada.


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2.4 CIRCUITOS DE CONTROLE DO DISPARO

2.4.1 REDE DEFASADORA COMO CIRCUITO OSCILADOR

A rede defasadora forma pulsos para o disparo do tiristor utilizando os picos da tenso de entrada,atrasando-os antes de envi-los porta, causando uma defasagem sincronizada.

Utilizada como circuito oscilador, a rede defasadora pode ser formada por uma malha RC srie[10]

,

como mostra a Figura 2.4-1(a), nela o sinal da tenso de sada VCpode ser atrasado no tempo de em relao ao sinal da tenso de entrada VAC, como pode ser visto na Figura 2.4-1(b).

-VAC(t) -VC(t)

Figura 2.4-1: Malha RC[6]

: a) Esquema eltrico; b) Exemplo simulado de defasagem produzida em grficoVt.

Com o aumento da tenso de entrada, o resistorRlimita a corrente de carga do capacitor CD. Quandoa carga no capacitor atingir um valor VD suficiente para o disparo, o tiristor ser acionado e aresistncia de porta cair, causando uma rpida descarga do capacitor at que a carga na porta sejanula, o tiristor porm continuar ativado at o fim do semiciclo, quando ento ser desativado e aporta apresentar alta resistncia novamente, recomeando o processo no prximo semiciclo,reiniciando o oscilador e sincronizando o disparo do tiristor com sua corrente de carga.

Como o resistor e o capacitor esto em srie, a corrente que os atravessa a mesma. Porm, atenso do capacitor est atrasada em 90 em relao tenso do resistor, fazendo com que a tensode entrada seja igual soma vetorial das tenses no capacitor e no resistor. Obtm-se assim, aseguinte relao trigonomtrica

[10]:

cosACC VV = Eq. 2.4-1

onde o ngulo de defasagem (medido em graus), ou seja, o atraso na tenso VCdo capacitor em

relao tenso de entrada VAC. Idealmente o ngulo mximo deveria ser 90, entretanto, estevalor no deve ser util izado nos clculos por uma questo de limite numrico (cos90=0). Utiliza-se aoinvs um valor menor prximo.

O tempo de carga, a partir da defasagem , at que o valor de VDseja atingido conhecido como

ngulo de disparo , como mostra a Figura 2.4-1(b). Assim, o ngulo de defasagem total , desde oincio do semiciclo da tenso de entrada at o disparo, dado por

[1]:

+=

Eq. 2.4-2


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2.4.2 DIAC COMO CIRCUITO DE DISPARO

Num circuito real, enquanto o capacitor CDse carrega, parte de sua carga perdida por correntes defuga na porta do SCR ou do TRIAC, atrasando a carga do capacitor e conseqentemente, o disparo.Outro problema a carga residual no capacitor, aumentando um pouco a cada semiciclo e alterando

os pontos de disparo, o que causa o efeito de variao descontrolada ou cintilao de corrente nacarga

[1].Para minimizar este efeito, coloca-se em srie com a porta um circuito de disparo, o qual deveimpedir a corrente de fuga na porta e a completa carga do capacitor.

O DIAC freqentemente utilizado como circuito de disparo. Devido sua alta tenso VBO deacionamento, pode garantir que o capacitor CDpossuir carga suficiente para a corrente de disparo.Alm disso, quando entra em conduo cria um caminho de baixa impedncia para a descargacompleta do capacitor sem que sejam necessrios componentes adicionais, o que mantm aregularidade do disparo.

Assim, o pico VCMda tenso fornecida pelo capacitor, deve ser no mnimo igual tenso de disparo

do circuito VDdada pela soma da tenso de limiar de porta VGTdo TRIAC e da tenso de ruptura VBOdo DIAC:

GTBODCM VVVV +=

Eq. 2.4-3

Por exemplo: Para um DIAC com VBO=36Ve um TRIAC com VGT=1Vtemos VD=37V.A tenso eficaz total VCsobre o capacitor deve ser no mnimo de

[10]:

2

CM

C

VV =

Eq. 2.4-4

Desta forma temos que VC

26,16Vpara que ocorra o disparo.

2.4.3 DEFASAGEM E NGULO DE DISPARO

Atravs dos valores obtidos na Eq. 2.4-4, determina-se[10]o mximo valor de :

=

AC

C

V

Varccos

Eq. 2.4-5

Para os dados fornecidos nos exemplos anteriores obtm-se que o mximo valor da defasagem damalha RC =83,2, a partir da qual o capacitor iniciar a sua carga.

Como depende do tempo que o capacitor necessita para atingir a tenso VD, ento:

=

CM

D

V

Varcsen

Eq. 2.4-6

Assim, para um valor de VCM=VD, temos que =90para o mnimo valor possvel de VCM. O que levariaa = 180. Como ser visto mais adiante, difcil se obter VCM=VD, portanto levado para um valortipicamente de 170. Se aumentarmos a tenso VC sobre o capacitor, ento diminuir. Por outrolado, se reduzirmos o valor de VCpara aumentar o ngulo o circuito no disparar pois ter VCM


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2.4.4 MALHA RC

para um dado valor de R, a corrente de carga fluir sempre no mesmo instante em todos ossemiciclos, porque o tempo de carga e o instante do disparo assumem valores constantes o quepermite na carga uma parcela constante dos semiciclos, entregando uma potncia constante para a

carga. Se o valor de R for alterado, as tenses sobre o capacitor e resistor tambm sero. Destaforma, pode-se alterar o ngulo da defasagem e conseqentemente a potncia entregue cargautilizando-se um resistor varivel do tipo potencimetro.

O valor mximo de Rpode ser obtido atravs das relaes trigonomtricas[10]

que regem este tipo decircuito, as quais valem tambm para as impedncias XC do capacitor e R do resistor, ou seja,tambm esto defasadas de 90entre si:

22

CXZR = Eq. 2.4-7

sendo que estas impedncias so proporcionais s tenses sobre seus respectivos componentes.Assim, a impedncia Ztotal da malha

[10]pode ser obtida por:

C

CAC

V

XVZ =

Eq. 2.4-8

A impedncia XCdo capacitor obtida por:

D

C

C

XD

1=

Eq. 2.4-9

onde a velocidade angular e fT

==

22

Eq. 2.4-10

Por exemplo, se fixarmos a capacitncia em CD=0,1F, ento para uma freqncia de rede f=60Hz

temos que XC=26,53103. Assim, para uma tenso de entrada VAC=220V, temos Z=223,0510

3,

levando a R=221,47103.Na prtica, este valor obtido atravs de associao de resistores numaponte de controle.

Na ponte, deve ser considerada a mxima corrente de porta IGM, devendo estar presente umaresistnciaRGTa fim de limitar a corrente de porta IGTquando Rfor ajustado na resistncia mnima.

Para o exemplo dado por Eq. 2.2-1, temos que RGT=3,11103.Se tomarmos o valor comercial mais

prximo obteramos RG1=3,3k,o qual no um valor suficientemente prximo, sendo mais alto queo necessrio, pode-se ento colocar um resistor RG2 em paralelo a este para diminuir seu valor,aproximando o valor de RGT:

21

111

GGGT RRR+=

Eq. 2.4-11


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27

Assim, =

= 3

1

2 105411

1

GGT

G

RR

R

Eq. 2.4-12

Novamente, tomando-se um valor comercial prximo, pode-se utilizar RG2=47k, o que tornaRGT=3,0810

3, e a corrente IGT=101mA, muito prxima recomendada pelo fabricante. A

defasagem inicial produzida se a associao RGT for ligada diretamente porta e ao capacitor =6,6 sendo na prtica considerado um valor pequeno e portanto pode ser fixado como ngulomnimo de defasagem.

A associao deve possuir ainda duas resistncias variveis, sendo RVdo tipo potencimetro parapermitir o controle sobre a carga, e a outra Rq,do tipo trim-pot para o ajuste de MAX. Aproveitam-seos resistores RG1e RG2como ramos da associao como mostra a figura Figura 2.4-2(a).

Para nossos exemplos anteriores, temos que, na malha RC, para um capacitor CD=0,1F, o valor de

R=221,47103,o qual pode ser obtido numa associao em paralelo dos resistores RVe Rq,

qV RRR

111+=

Eq. 2.4-13

se tomarmos para RV=Rq,ento:

VVV RRRR

2111=+=

Eq. 2.4-14

assim, RRV 2= , e para nosso exemplo RV=Rq=442,94103,os quais podem ser encontrados num

valor comercial de 470kpara ambos. Recalcula-se ento o valor dessa associao:

21

111

GqGV RRRRR ++

+=

Eq. 2.4-15

assim R=247,1103, o qual um valor um pouco superior ao inicialmente calculado, o que pormpode ser ajustado por Rq.Conforme descrito no item anterior, quandoRfor mxima, a tenso VCsobreo capacitor deve ser superior tenso VD (ou VBO+VGT) necessria para a conduo do circuito.

difcil estimar o valor de VGT com preciso, pois a mesma diminui com o aumento da tenso deentrada numa faixa fornecida pelo fabricante. Conseqentemente o valor de VDir aumentar, o quepode causar o desligamento da corrente de carga para um grande ngulo de acionamento, quando apotncia mdia na carga for baixa. Torna-se necessria a presena de Rq,o qual ir permitir o ajustede Rpara um valor exato de VD, obtendo o mximo ngulo .


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2.4.5 HISTERESE DO CAPACITOR

Para baixos valores do ngulo de conduo, o capacitor CD no possui tempo suficiente paracarregar-se, ocasionando o limiar de disparo em pontos diferentes de um semiciclo para outro. Istocausa grandes variaes de corrente na carga para pequenos ajustes de RV, num efeito chamado de

histerese do capacitor[6

]. Para eliminar-se este efeito, utiliza-se o circuito de dupla constante de tempoRC

[1], acrescentando-se uma segunda malha RCformada por um resistor R2e um capacitor C2, cujosvalores no devem causar variao sensvel defasagem j calculada. Na prtica, o valor de R2 umdcimo de Re o capacitor C2um dcimo (podendo chegar metade) do valor de CD.

O objetivo economizar parte da carga do capacitor CDutilizando a carga do segundo capacitor parainiciar o disparo do circuito. Desta forma, em cada semiciclo haver sempre uma mesma cargaresidual em CD.

2.4.6 CIRCUITO DE CONTROLE

O circuito que permite controle de potncia sobre uma carga conhecido comercialmente comodimmer e est esquematizado na Figura 2.4-2(a). Nota-se na Figura 2.4-2(b) que este circuito

associa-se em srie com a carga, em concordncia com o item 2.1.

a)

b)

Figura 2.4-2: Carga controlada[6]: a) por circuito chaveado por disparo defasado; b) por Dimmer equivalente.

2.4.7 SADA DC DE ALTA TENSO

Utilizando-se um transformador elevador de tenso, possvel elevar-se a tenso de uma rede deenergia eltrica domstica at valores suficientes para produzir plasmas. Para fazer variar a potnciade sada no secundrio do transformador aplica-se uma tenso varivel no primrio do transformadorutilizando-se o dimmer visto na Figura 2.4-2. Para uso em plasmas DC, a tenso alternada na sadado transformador deve ser convertida em contnua atravs de retificadores, como por exemplo umaponte retificadora a diodos como mostra a Figura 2.4-3. Nela podemos observar o primrio dotransformador T1 no lugar da carga apresentada na Figura 2.4-2.

Figura 2.4-3: Fonte varivel de tenso contnua (DC) pulsante.

Deve-se atentar tenso reversa mxima (VRRM) que cada diodo suporta.


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CAPTULO III. PROCEDIMENTOS E RESULTADOS


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3.1 LIMITES DE FUNCIONAMENTO

Para a verificao do comportamento IV da fonte, esta foi submetida a alimentar durante tempoindeterminado um reator do tipo RIE, com plasmas gerados sob diferentes presses em duascondies. Na primeira condio utilizou-se o gs oxignio (O2) para obteno do plasma. Nasegunda condio foi util izado gs metano (CH4).

Notou-se em ambas as condies um aumento na intensidade luminosa do plasma ao aumentar-se acorrente. Alm disso, observou-se um centelhamento em pontos aleatrios no interior do reator,aumentando a ocorrncia com o aumento da potncia. Foi includo um filtro capacitivo na sada detenso da fonte, presumindo-se que o efeito de centelhamento ocorra devido aos picos pulsantessenoidais da tenso de entrada, os quais, atingindo o valor de tenso necessria sustentao doplasma continuam subindo at o mximo do semiciclo, provocando o fenmeno. O resultado que ocentelhamento foi consideravelmente reduzido.

3.1.1 CONDIO 1: FUNCIONAMENTO EM PLASMA DE OXIGNIO

Comportamento do Plasma de O2

150

170

190

210

230

250

270

290

310

0 200 400 600 800 1000 1200

Corrente [mA]

Tenso

desadaDC[

V]

25 mTorr Escura 50 mTorr Escura

Figura 3.1-1: Curvas de comportamento do plasma de O2em funo da presso aplicada.

No plasma de O2, conforme mostra a Figura 3.1-1, para uma presso de 25 mTorr, o consumo decorrente inicia-se numa tenso de 250V a 100mA (25W), porm sem a ocorrncia de plasmabrilhante, tratando-se portanto de uma descarga escura. A descarga luminosa iniciou-se em 300V a400mA (120W), a partir da qual nota-se que ocorre um efeito de ruptura eltrica permanecendo atenso no plasma a fixa em 300V ainda que a tenso nominal da fonte aumente.

A uma presso de 50 mTorr, inicia-se um consumo repentino de corrente a 100mA quando a tensoatinge 200V (20W), sem se observar descarga luminosa, a qual ocorreu somente a partir de 300V a300mA (90W), portanto numa potncia menor que para a presso de 25 mTorr. Ainda na Figura3.1-1, nota-se que aps atingir 500mA (150W) a tenso do plasma comea a diminuir mesmo comaumento da potncia da fonte, chegando a 240V para uma corrente de 1054mA (253W).


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3.1.2 CONDIO 2: FUNCIONAMENTO EM PLASMA DE METANO

Na segunda condio, sob plasma de CH4, nota-se na Figura 3.1-2 um comportamento muito distintoao apresentado pelo plasma de O2.

Comportamento do Plasma de CH4

300

350

400

450

500

550

600

0 100 200 300 400 500 600 700

Tenso [V]

Corrente[mA]

70mTorr Escura 100mTorr Escura 200mTorr Escura

Figura 3.1-2 Curvas de comportamento do plasma de CH4em funo da presso aplicada.

Em ambas as trs curvas, observa-se que depois de iniciado o consumo de corrente em descargaescura (em torno de 50mA), a tenso da fonte aumenta at que se forme a descarga luminosa (emtorno de 100mA). Neste ponto ocorre o incio da descarga normal, com a tenso no plasma caindobruscamente e ocorre um aumento brusco no consumo de corrente. Aps este ponto, ocorre novoaumento da tenso em funo da potncia at que o plasma mude da cor azul para a violeta,tornando a tenso no plasma constante para um aumento de corrente, a qual aumentando, permiteem determinado valor uma nova mudana na cor do plasma de violeta para branco, permitindo oaumento da tenso at o limite da fonte.

Nota-se entretanto certa periodicidade nas curvas e durante as variaes de colorao, observou-sealm do centelhamento, certa instabilidade do plasma gerado, apresentando nos pontos crticos umarpida oscilao entre descarga brilhante e escura.


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3.1.3 IMPEDNCIA DOS PLASMAS

As variaes de tenso observadas ocorreram devido a uma ruptura eltrica dos materiais, causandovariao na impedncia do plasma. Assim, traaram-se grficos da impedncia em funo dapotncia resultando nas curvas mostradas nas Figuras 3.1-3 e 3.1-4. Como as curvas apresentaram

aspecto exponencial, foram ento plotadas sobre eixos logartmicos (di-log).

Impedncia em Funo da Potncia Fornecida

Plasma de O2

100

1000

10000

10 100 1000

LOG Potncia [W]

LOGIm

pedncia[]

25 mTorr

50 mTorr

Impedncia em Funo da Potncia Fornecida

Plasma de CH4

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000

LOG Potncia [W]

LOG

Impedncia[]

5mTorr

100mTorr

200mTorr

Figuras 3.1-3 e 3.1-4: Impedncia dos plasmas de O2(acima) e CH4(abaixo) em funo da potncia fornecida.


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3.2 PROCESSO DE CORROSO

Como aplicao prtica da fonte, realizou-se num reator do tipo RIE um processo de corroso porplasma de gs oxignio (O2) em camada de xido silcio (SiO2) sobre lminas de silcio (Si [100])utilizadas como amostras. A preparao das amostras A e B com camada de xido e filme defotorresiste ocorreu conforme indicado no Anexo A

Com as amostras posicionadas, uma por vez, no centro do reator na posio horizontal, o processode corroso utilizou um tempo de 4 minutos para cada amostra, sob a presso de 25mTorr (Vazo =20sccm), com a potncia na fonte controlada da seguinte forma:Amostra 1 = 400 W (460V 870mA);Amostra 2 = 275 W (450V 610mA).

Corroendo-se a mscara de xido exposta, foram gerados em cada lmina 3 degraus nas reas sobos padres de fotorresiste. Para a obteno da altura H dos degraus utilizou-se o equipamentoperfilmetro (Sloan Dektak 3030). Sendo a taxa T(x)da corroso dada por:

t

H

dt

dxT

==

Eq. 3.2-1

onde t o tempo do processo e H a altura mdia dos degraus dada por:

n

H

H i

i=

Eq. 3.2-2

os valores obtidos para as amostras A e B esto na Tabela 1:

Altura dos degraus [m]AMOSTRA H1 H2 H3 MDIA

Tempo[min]

Corroso T(x)[m/min]

A 103,9E-9 106,3E-9 109,5E-9 106,6E-9 4 26,6E-9

B 76,4E-9 75,3E-9 80,9E-9 77,5E-9 4 19,4E-9

Tabela 1: Valores obtidos para o processo de corroso.

Corroso

26,6E-9

19,4E-9

15,0E-9

20,0E-9

25,0E-9

30,0E-9

270 290 310 330 350 370 390 410

Potncia [W]

TaxadeCorroso[m/min]

Figura 3.2-1: Taxa de corroso do xido em funo da potncia aplicada ao plasma de O 2.


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3.3 PROCESSO DE DEPOSIO

A fonte tambm foi submetida a um processo de deposio de filme de carbono por plasma de gsmetano (CH4), em reator do tipo RIE, sobre lminas de silcio (Si[100]), utilizadas como amostras. Paraeste processo foi desenvolvido um canho de plasma como descrito no Anexo B . Cada lmina foiposicionada na vertical com a superfcie perpendicularmente voltada para a sada do canho, a umadistncia de 3cm e tiveram parte de suas superfcies protegidas a fim de produzir um degrau entre osubstrato e o filme.

O processo ocorreu para grupos de amostras sob trs presses diferentes, sob potncias diversas,conforme mostra a Tabela 2, na qual algumas medidas foram descartadas por diversos motivos,principalmente devido instabilidade do plasma gerado sob as presses de 50 e 100 mTorr. Parauma presso de 200 mTorr o plasma se mostrou mais estvel e mais pontos puderam ser medidos,resultando no grfico da Figura 3.3-1. As espessuras Hdos degraus foram obtidas por perfilometria,sendo a taxa T(x) de deposio dada pela razo entre espessura e o tempo do processo,analogamente Eq. 3.2-1.

Amostra Presso Tempo [min] Potncia [W] Espessura H[m] Deposio T(x)[m/min]

1 17,4 539E-10 10,78E-9

350 mTorr 5

56 1829E-10 36,58E-9

5 20 1580E-10 31,60E-9

7100 mTorr 5

48 3114E-10 62,28E-9

8 34,3 430E-10 8,60E-9

95

105 1351E-10 27,02E-9

10 2 344,5 4351E-10 217,55E-9

11

200 mTorr

1 483,6 1841E-10 184,10E-9

Tabela 2: Valores obtidos para o processo de deposio.

Deposio de Filme de carbono por Plasma de gs metano (CH4)

36,58E-9

62,28E-9

10,78E-9

31,60E-9

217,55E-9

184,10E-9

27,02E-9

8,60E-9000,00E+0

50,00E-9

100,00E-9

150,00E-9

200,00E-9

250,00E-9

0 100 200 300 400 500

Potncia [W]

Taxade

Deposio[m/min]

50 mTorr

100 mTorr

200 mTorr

Figura 3.3-1: Taxa de deposio em funo da potncia.

Notou-se um fluxo turbulento no plasma dentro do tubo de quartzo sob potncias maiores que 350W,

com formao de descarga luminosa na cor branca, observando-se deposio de filme nas paredesinternas do tubo. Alm disso, observa-se pelo grfico da Figura 3.3-1 um decaimento na taxa dedeposio apesar da potncia ter sido aumentada.


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CAPTULO IV. DISCUSSO DOS RESULTADOS


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4.1 FUNCIONAMENTO DA FONTE

Observou-se no item 3.1 (Limites de funcionamento), um comportamento totalmente adverso entre osplasmas gerados sob as condies 1 e 2. Enquanto que a presso mnima necessria para incio doplasma de O2 foi de 25mTorr, para o plasma de CH4 foi de 70 mTorr. Outro fato a variao natenso: enquanto no plasma de O2 ela permanece constante ou decresce, no plasma de CH4elapossui certa periodicidade, apresentando pontos de decrescimento ou crescimento com a potnciaem curvas que possuem comportamento semelhante, como visto na Figura 3.1-2.

Em ambas as condies, a partir da formao da descarga luminosa, o efeito de ruptura eltrica dosmateriais fez com que a tenso nos plasmas fosse menor que aquela fornecida, causando umsuperaquecimento no transformador da fonte em testes mais longos com durao de at 10 minutos.Devido a esse fato, foi includo no projeto um ventilador montado num dissipador de calor numconjunto fixado sobre o transformador. O que permitiu testes com a durao de mais de 15 minutossem superaquecimento.

Apesar das variaes de tenso e do centelhamento observados nos plasmas gerados sob ascondies 1 e 2, no se observa em nenhum momento diminuio na potncia fornecida, levando acrer que a capacidade de transferncia de potncia da fonte[10] no possui relao com estesfenmenos.

No item 3.1.3 (Impedncia dos plasmas) observa-se que realmente ocorre uma diminuio daimpedncia dos plasmas em ambas as condies. Nota-se ainda, que as curvas de presso estomuito prximas ou sobrepostas, sugerindo que o fenmeno no depende tanto da presso, sendofuno muito mais do material de plasma e da potncia aplicada.


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4.2 APLICAO EM CORROSO

Como mostrado no item 3.2 (Processo de corroso), com o aumento da potncia aplicada noprocesso de corroso da amostra A obteve-se uma profundidade mdia maior, devido a uma taxa decorroso maior do que na amostra B.

4.2.1 UNIFORMIDADE DA CORROSO

A uniformidade um valor que nos informa quanto o processo se aproxima do ideal, ou seja, oquanto uma superfcie uniforme, mantendo a mesma espessura em qualquer ponto.

Seu valor pode ser obtido atravs de um tratamento estatstico conhecido por desuniformidade[4]dU,sendo relativa a um par de pontos escolhidos para a anlise conforme mostra a Eq. 4.2-1:

min

min

HH

HHdU

MAX

MAX

+

=

Eq. 4.2-1

Onde os ndicesMAX eminse referem respectivamente ao maior e ao menor valor de Hdos pontosescolhidos. Por exemplo, para a amostra Atemos os seguintes valores de dU:

((1063-1039) / (1063 + 1039)) x 100 = 1,1%((1095-1063) / (1095 + 1063)) x 100 = 1,5%((1095-1039) / (1095 + 1039)) x 100 = 2,6%

Clculo da uniformidade da corroso para amostra B:((764-753) / (764 + 753)) x 100 = 1%((809-764) / (809+ 764)) x 100 = 2,9%((809-753) / (809+ 753)) x 100 = 3,6%

Observa-se pelos clculos acima que os valores dos degraus das amostras apresentam entre si certauniformidade.


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4.3 APLICAO EM DEPOSIO

Conforme observa-se na Figura 3.3-1 (item 3.3-Processo de deposio), sob a presso de 200 mTorr,com o aumento de potncia de 100 para 340 Watts a taxa de deposio aumenta de 27 para 220nm/min. Na prtica, uma ordem de grandeza pode ser controlada variando-se algumas vezes apotncia fornecida.

Apesar do decaimento na taxa de deposio para potncias maiores que 350W, acredita-senovamente que essa queda no possui qualquer relao com a capacidade de transferncia depotncia da fonte

[10], pois no se observou reduo na potncia fornecida. Entretanto, observou-se

um fluxo turbulento e uma pequena deposio no interior do tubo de quartzo, o que provavelmenteacarreta a diminuio na taxa de deposio sobre a amostra devido perda de material.


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CAPTULO V. CONCLUSO


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5.1 CONCLUSO

Apesar de ter sido inicialmente concebida para fins didticos, a fonte projetada foi aplicada emprocessos num reator de uso industrial, apresentando um desempenho bem sucedido para o objetivoinicial. A util izao da fonte nos processos comprovou sua capacidade para aplicao didtica ou emprocessos de pesquisa que requeiram potncias inferiores a 400W.

Para atingir maiores potncias possvel substituir-se o transformador elevador de tenso por outrocom maior capacidade de corrente (redimensionando-se devidamente os componentes), elevando umpouco o custo de projeto, porm permitindo sua aplicao em uso industrial e em uma gama maior deprocessos. Testes de funcionamento como os realizados no item 3.1 (Limites de funcionamento) sode grande importncia, pois comprovam a capacidade em formar plasma do transformador elevadorde tenso, componente principal da fonte.

Um aumento na presso dos processos tende a formar plasma em tenses menores, requerendomenos potncia da fonte, porm podem ocorrer alguns fenmenos, como a instabilidade observadano plasma de O2para uma presso de 50 mTorr como visto no grfico da Figura 3.1-1.

De uma forma geral, as variaes observadas nas tenses dos plasmas ocorreram possivelmentedevido a uma ruptura eltrica dos materiais, tendo sido comprovada atravs da variao naimpedncia do plasma. Alm disso, o plasma de CH4 apresentou certa periodicidade no que dizrespeito s variaes, sendo um fato tipicamente observado em materiais.

No item 4.2.1 (Uniformidade da corroso), observa-se uma boa uniformidade do processo decorroso, pois os degraus obtidos apresentam baixa desuniformidade entre si, apresentandoespessuras muito prximas. Isto indica que o uso da fonte neste processo de corroso foi bemsucedido.

O controle da fonte sobre o processo de deposio se mostrou eficaz, pois uma ordem de grandezana taxa de deposio pde ser controlada aumentando-se apenas algumas vezes a potncia

fornecida pela fonte, demonstrando que a fonte realizou com linearidade o controle sobre a taxa decorroso.


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Anexo A Preparao das amostras para corroso.

Tratamento dado s lminas de silcio (Si[100]) para crescimento de mscara de xido utilizada naformao posterior de degraus sob o processo de corroso.

1) LIMPEZAa. INICIAL (PIRANHA): Banho inicial em gua DI (de-ionizada) durante 5 minutos, para

remoo de particulados das amostras. Imerso durante 10 minutos em soluo1:H2O2+ 4:H2SO4, para remoo de partculas orgnicas e crescimento da camadade xido nativo. Banho em gua DI durante 5 minutos, para remoo da soluoanterior. Imerso em soluo com concentraes: 20:H2O + 1:HF durante algunssegundos para remoo do xido nativo. Banho em gua DI durante 5 minutos pararemoo da soluo anterior.

b. FINA (RCA): Imerso durante 10 minutos em soluo com concentraes: 5:H2O +7/20:H2O2 + 33/20:NH4OH para remoo de contaminao metlica e eventualcontaminao orgnica. A soluo anterior foi removida submetendo as amostras aum banho em gua DI durante 5 minutos. Imerso em soluo durante 10 minutoscom concentraes: 4:H2O + 6/20:H2O2+ 34/20:HCL para remoo de contaminaometlica residual. ltimo banho em gua DI durante 5 minutos, para remoo dasoluo anterior. Secagem das lminas com jato de nitrognio.

2) CRESCIMENTO DA MSCARA DE XIDO:O processo de crescimento da camada de xidodeu-se em forno de oxidao trmica a uma temperatura de 1050C durante 45min, sob fluxoconstante de N2a 2L/min.

3) LITOGRAFIA:a. APLICAO DE FOTORRESISTE: Utilizando-se uma seringa de vidro, aplicou-se

fotorresiste (OFPR 5000) em quantidade suficiente para cobrir aproximadamente70% das superfcies das lminas, devidamente presas ao suporte (chuck). Auniformizao do filme ocorreu ativando-se um prato giratrio (spinner) sob o chuck

a uma rotao de 3000 rpm durante o tempo de 30 segundos.b. PR-CURA: logo aps a etapa de aplicao, o excesso de solvente do fotorresiste foiremovido numa etapa de pr-cura posicionando-se as lminas sobre uma chapaquente a 105C durante 1,5 minutos.

c. EXPOSIO: A sensibilizao do filme depositado ocorreu numa alinhadora porproximidade, expondo o mesmo a uma radiao U.V. durante 35 segundos atravsde mscaras de quartzo contendo os padres.

d. REVELAO: A definio dos padres ocorreu com imerso durante 20 segundosem soluo reveladora (revelador) nas propores 2:H2O + 1:KOH. Para remoo dorevelador, as lminas foram lavadas em gua DI e em seguida secas com jato denitrognio.

e. PS-CURA: Para o endurecimento e estabilizao dos padres no filme defotorresiste, as lminas foram submetidas a um processo de cura sobre uma chapa

quente a 130C durante 5 minutos.


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Anexo B Sistema do canho de plasma.

O dispositivo desenvolvido pode ser visto na Fig. B.1. Trata-se de um tubo de quartzo encerradonuma cpsula cermica, a qual possui a funo de isolar o anodo e servir de suporte para asentradas de gs e da fonte de tenso. Um tubo de PVC foi utilizado para a entrada de gases,colocado afastado do anel de anodo devido ao aquecimento deste durante a formao do plasma. Naregio central do tubo do lado externo, est fixado o anel de catodo que, alm do potencial dereferencial, fornece vedao para o vcuo no reator. Uma fotografia do canho de plasma acoplado aum reator do tipo RIE pode ser visto na Fig. B.2.

Fig. B.1: Canho de plasma.

Fig. B.2: Fotografia do canho acoplado a um reator tipo RIE.


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Anexo C Terminologias adicionais

TAXA DE CORROSO:A taxa com a qual o material removido de um filme sendo corrodo. As unidades mais comunspodem ser expressas em A/s, m/min, etc. Se a remoo do material ocorre tanto na direo vertical,como na horizontal, torna-se necessrio se estabelecer uma relao entre a taxa de corrosohorizontal com a taxa de corroso vertical. A razo de corroso lateral, LR, definida como a razoentre a taxa de corroso na direo horizontal pela taxa na direo vertical, dada por:

( )( )verticalTaxahorizontalTaxa

LR =

ANISOTROPIA:Quando a corroso ocorre em todas as direes com a mesma taxa, ele chamada de corrosoisotrpica. Por definio, qualquer corroso no-isotrpica chamada de anisotrpica. Se a corrosoocorrer somente em uma direo (por exemplo vertical), o processo dito ser completamenteanisotrpico. Como a maioria dos processos de corroso esto no extremo entre completamenteanisotrpico e isotrpico, define-se o grau de anisotropia A como sendo:

RLA =1

assim sendo, quando o perfil formado for totalmente vertical, a taxa de corroso ser zero, o quetorna LR=0 e A=1, correspondendo esta condio a uma corroso completamente anisotrpica navertical. Por outro lado, quando LR=1significar que a taxa de corroso horizontal igual vertical,tornando A=0, o que corresponde a uma condio de corroso isotrpica.


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REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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fonte ajustável para plasmas dc

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