Neste trabalho são apresentados os estudos de formação de diversas especies de ions positivos e negativos de hidrogenio feitos a maquina de plasma quiescente (PQUI-I) do Laboratorio Associado de Plasma do INPE (LAP-INPE) utilizando-se dois metodos para medidas das concentracoes de ions nos plasmas. O metodo das pressões parciais utiliza uma sonda eletrostática de Langmuir e um medidor de pressão por ionização fornecendo resultados relativos dasconcentrações ionicas; o segundo destina-se as medidas de densidadee temperaturas de ions negativos utilizando-se uma sonda sensivel aions negativos construida no LAP-INPE. Também e apresentado o sistema de aquisição e analise de dados por computador instalado naPQUI-I como parte deste trabalho.

Os plasmas frios tem sido largamente utilizados em processosde corrosao e deposicao de materiais em diversas areas tecnologicas. O entendimento dos mecanismos fisico-quimicos determinantes desses processos e sempre procurado para melhorar a qualidade e eficiencia dos mesmos. Esses mecanismos sao fortemente dependentes das propriedades dos plasmas utilizados, sendo portanto, sempre necessario proceder-se uma caracterizacao das propriedades macroscopicas e microscopicas com vistas a oferecer uma descricao mais clara do processo de interacao do plasma com a superficie material sob processo. Neste trabalho uma camara dupla foi especialmente construida para formacao simultanea de dois plasmas. Em uma delas - em pirex - foi produzido um plasma excitado por acoplamento indutivo de radio fraquencia (plasma fonte) de maneira a operar tanto no modo E quanto no modo H. Este plasma difunde-se para o interior de uma segunda camara, metalica, a qual possui imas permanentes distribuidos na superficie, dando origem a um plasma quiescente sob confinamento multidipolo magnetico (plasma alvo). Estudaremos os parametros basicos destes plasmas, como exemplo, potencial de plasma, temperatura e densidade de eletrons. O comportamento destes parametros com a pressao de trabalho, posicao da sonda no interior da camara e potencia eletrica sera investigado e interpretacoes serao apresentadas com base nos mecanismos de descarga RF. Tais parametros serao determinados atraves da tecnica de sonda de Langmuir autocompensada.Atraves de valores experimentaisdas variaveis eletricas da bobina de inducao (tensao, corrente e defasagem entre as mesmas) foi possivel determinar os parametros eletromagneticos (campo eletrico, campo magnetico, densidade de corrente, densidade de potencia e condutividade) da descarga utilizando-se o metodo sugerido por J.W. Denneman. Neste modelo a descarga e considerada um transformador cujo primario e a bobina de inducao (5 voltas) da descarga, e o secundario e o plasma produzido,o qual e equivalente a uma bobina de apenas uma volta. Posteriormente, foi feita uma analise espectral do plasma atraves de uma sonda magnetica (bobina de Rogowski).

Neste trabalho foi produzido um plasma através da focalização da radiação de um laser CO2-TEA pulsado sobre um alvo sólido de ferro, colocado no interior deuma câmara de vácuo. Apresentamos resultados experimentais referentes às medidas de temperatura de íons, temperatura de elétrons, densidade de elétrons e velocidade de expansão do plasma. Utilizou-se a técnica de sonda de Langmuir para medida da densidade e temperatura de elétrons. Um analisador eletrostático multi-grade foi especialmente construído para a medida da função de distribuição de energia de íons. A velocidade de expansão do plasma foi inferida a partir do tempo de vôo do plasma. É mostrado que os resultados experimentais são consistentes com um modelo de expansão livre de um plasma em vácuo.

Descargas de catodo oco (DCO) são capazes de gerar plasmas densos e são empregadas para o desenvolvimento de reatores a plasma em baixa pressão, com taxas elevadas de produção de partículas reativas e alta eficiência de processamento de materiais. A característica geométrica de uma DCO promove oscilações de elétrons de alta energia dentro do catodo, intensificando a ionização, o bombardeio de íons nas paredes internas e outros processos subseqüentes. O objetivo do presente estudo foi investigar sobre as características principais de uma descarga de catodo oco em corrente contínua a fim avaliar sua capacidade de gerar compostos no volume de plasma, pela reação entre as espécies pulverizadas do catodo e os radicais formados na descarga. A DCO foi operada com os gases argônio, nitrogênio e oxigênio em pressões variando na faixa de (9 - 50) Pa e fluxo na faixa de (1 - 100) sccm. A tensão de operação da descarga variou entre (300 - 900) V que corresponde à corrente de descarga entre (10 - 1000) mA. Uma bobina de Helmholtz foi empregada para produzir um campo magnético de baixa intensidade e uniforme ao longo do eixo da descarga variando entre (0 - 10)10-3 T. Os efeitos destes parâmetros, configurações do eletrodo e materiais do catodo (Al, C, Ti), foram investigados nos modos de descarga escura e descarga luminescente a fim de melhorar a eficiência de ionização da descarga e conseqüentemente, produzir plasmas com alta reatividade para a formação de determinados compostos. Os parâmetros do plasma foram inferidos da característica corrente-tensão de uma sonda cilíndrica simples (sonda de Langmuir) posicionada entre os catodos considerando a influência da distância inter-catódica e do campo magnético. Os valores obtidos para a densidade e temperatura de elétrons estão entre (1016 - 1017) m-3 e (2 - 5) eV, respectivamente. Com a técnica de espectrometria de massa algumas espécies na fase gasosa do plasma foram monitoradas para várias condições de operação da descarga. Esta análise de massa complementada com as medidas de sonda fornece uma orientação para otimização da geração dos compostos na descarga e conseqüentemente, para a deposição de filmes finos destes compostos. Interesse especial foi focado na formação de carbono (C), nitreto de alumínio (AlN), dióxido de titânio (TiO2), óxido de titânio (TiO) e nitreto de titânio (TiN) na descarga.

Neste trabalho foram desenvolvidos estudos sobre um jato de plasma com o objetivo de aperfeiçoar seu emprego para corrosão (plasma etching) de materiais eletrônicos. Foi investigado um novo tipo de reator, recentemente desenvolvido, no qual um jato de plasma é gerado em alto vácuo a fim de proceder à corrosão dos materiais. Com o intuito de determinar as condições características de corrosão adequadas a processos de microeletrônica, foram realizados diversos experimentos a fim de avaliar a influência dos parâmetros de controle tais como corrente elétrica da descarga, tensão aplicada, pressão de operação, e influência de campo magnético. Os materiais utilizados, especificamente, filmes de Carbono tipo Diamante são fabricados por técnicas de deposição por sputtering. As taxas de corrosão em função dos parâmetros de controle constituíram o conjunto de condições de operação avaliadas no sentido de se caracterizar a nova técnica de corrosão por plasma para processos de microeletrônica. Os resultados indicam que o processo em alto vácuo na presença de campos magnéticos moderados oferecem algumas vantagens potenciais em relação a outras técnicas de processamento por plasma utilizadas na microeletrônica. A corrosão em ambiente de baixa pressão reduz a presença de impurezas sendo que a direcionalidade do jato de plasma favorece a anisotropia da corrosão.

Neste trabalho foram realizados estudos experimentais com objetivo de caracterizar um jato de plasma gerado pelo processo de ablação a laser de vapor de cobre em amostras metálicas (alumínio, cobre e tungstênio). Apesar de poucas referências citarem o laser de vapor de cobre no processo de evaporação de metais, verificou-se que sua utilização no processo de ablação é interessante, por apresentar alta taxa de repetição (kHz). Nos experimentos para esta caracterização utilizou-se uma sonda de Langmuir na configuração cilíndrica, e os parâmetros medidos do jato de plasma foram: temperatura e densidade de elétrons, densidade de íons e velocidade de expansão das partículas do plasma. Os resultados destes parâmetros foram obtidos em função do tempo, da intensidade do laser de vapor de cobre e da distância entre o alvo e a sonda. O limiar de intensidade do laser no processo de ablação dos metais também foi inferido, de forma teórica e experimental. A análise dos resultados deste estudo foi embasada pela Teoria de Sonda de Langmuir juntamente com aproximações da Teoria de Expansão Hidrodinâmica, adequada para tratamento de plasmas em expansão. Os valores típicos de temperatura de elétrons foram da ordem de 15 eV, de densidade de elétrons e íons foram da ordem de 108-109/cm3 e de 109-1010/cm3, respectivamente. O valor de velocidade de expansão do plasma, foi da ordem de 10 km/s para todas as amostras evaporadas.

Efeitos da polarização eletrostática de eletrodos na periferia de tokamaks têm sido investigados em pequenos tokamaks e mesmo em alguns tokamaks de grande porte. Em geral as experiências são realizadas em condições em que bifurcação do campo elétrico radial é obtida, processo este identificado como modo H de polarização. No Tokamak TCABR, as experiências indicam que o confinamento aumenta para tensões aplicadas até +300 volts, atingindo um máximo de duas vezes o tempo de confinamento do modo L, mas sem bifurcação. Indícios de bifurcação foram notados com +400 V de polarização, mas a descarga termina devido à excitação da atividade MHD, ainda sob investigação. No presente trabalho, a pesquisa é aprofundada com a utilização de uma sonda de Langmuir com 18 pinos dispostos em duas fileiras sob a forma de um ancinho (rake probe) o que permite a medição da temperatura, densidade e flutuação de potencial ao longo do raio menor na periferia do Tokamak. A resolução temporal desse sistema é de cerca de 0,5 ms, para a temperatura, e 5 microssegundos para densidade e potencial flutuante do plasma. Outra sonda eletrostática com 5-pinos na mesma posição radial, mas em diferentes posições poloidal e toroidal foi usada para medições de turbulência e transporte de partículas. Os efeitos da polarização foram investigados e indicam que os níveis de turbulência e transporte começam a diminuir entre +150 e +200 V e para +300 V chegam a atingir uma quase supressão. Nesse mesmo intervalo de tensão a densidade começa a aumentar e para +300 V chega a ser um fator de aproximadamente 2. Quanto ao perfil de temperatura a variação é pouco significativa, mas as incertezas das medidas são maiores. Esses dados são compatíveis com a criação de uma barreira de transporte na região entre o eletrodo em r = 17 cm e o limitador em a = 18 cm. Além disso, o campo elétrico radial mostra forte cisalhamento nessa região. Tomando o início da subida do potencial flutuante como origem de uma escala de tempo, o atraso temporal do início da subida da densidade de elétrons e o atraso do início do decréscimo do transporte de partículas foram medidos. Os resultados são 50 microssegundos para a densidade de elétrons e 60 microssegundos para o transporte de partículas. A questão dos limiares de potência é discutida no texto. Os dados desta experiência indicam que o campo elétrico radial desempenha o papel principal para a melhoria do confinamento. / Electrode biasing effects in the periphery of tokamaks have been investigated in small tokamaks and in a few large tokamaks. Usually the experiments are performed in conditions were bifurcation of the radial electric field is achieved, identified as biased H mode. In the tokamak TCABR, the biasing experiments indicate that the confinement increases for applied voltages up to +300 Volts, reaching a maximum of twice the confinement time of the L mode, but without bifurcation. Indications of bifurcation were detected with +400 V biasing, but the discharge terminates due to excitation of MHD activity, still under investigation. In the present work, the research is improved with the use of a rake shaped 18-pins Langmuir probe, allowing the measurement of electron temperature, density and potential fluctuations along the minor radius near the edge of the tokamak with time resolution of about 0.5 ms, for the temperature and 5 microseconds for density and floating potential. Another electrostatic probe with 5-pins all in the same radial position, but in different poloidal and toroidal position was used for turbulence and particle transport measurements. The effects of biasing indicate that the levels of turbulence and transport begin to decrease between +150 and +200 V and for +300 V reaches an almost suppression. In that same voltage interval the density, begin to increase and for 300 V reach a factor of about 2. The temperature profile does not change significantly but the uncertainty of the measurements is larger. These data are compatible with the creation of a barrier between the position of the electrode at r = 17 cm and the limiter of the tokamak at a = 18 cm. In addition, the radial electric field data show strong shear in this region. Taking the start of the increasing of the fluctuation potential as the origin of a time scale, the temporal delay of the start of the edge electron density increase and transport decrease were measured. The results are 50 microseconds for the electron density and 60 microseconds for the particle transport. The power threshold for the confinement improvement is discussed in the text. The data obtained in this experiment confirm that the shear of the electric field has the stronger role for the confinement improvement with biasing in TCABR tokamak.

Efeitos da polarização eletrostática de eletrodos na periferia de tokamaks têm sido investigados em pequenos tokamaks e mesmo em alguns tokamaks de grande porte. Em geral as experiências são realizadas em condições em que bifurcação do campo elétrico radial é obtida, processo este identificado como modo H de polarização. No Tokamak TCABR, as experiências indicam que o confinamento aumenta para tensões aplicadas até +300 volts, atingindo um máximo de duas vezes o tempo de confinamento do modo L, mas sem bifurcação. Indícios de bifurcação foram notados com +400 V de polarização, mas a descarga termina devido à excitação da atividade MHD, ainda sob investigação. No presente trabalho, a pesquisa é aprofundada com a utilização de uma sonda de Langmuir com 18 pinos dispostos em duas fileiras sob a forma de um ancinho (rake probe) o que permite a medição da temperatura, densidade e flutuação de potencial ao longo do raio menor na periferia do Tokamak. A resolução temporal desse sistema é de cerca de 0,5 ms, para a temperatura, e 5 microssegundos para densidade e potencial flutuante do plasma. Outra sonda eletrostática com 5-pinos na mesma posição radial, mas em diferentes posições poloidal e toroidal foi usada para medições de turbulência e transporte de partículas. Os efeitos da polarização foram investigados e indicam que os níveis de turbulência e transporte começam a diminuir entre +150 e +200 V e para +300 V chegam a atingir uma quase supressão. Nesse mesmo intervalo de tensão a densidade começa a aumentar e para +300 V chega a ser um fator de aproximadamente 2. Quanto ao perfil de temperatura a variação é pouco significativa, mas as incertezas das medidas são maiores. Esses dados são compatíveis com a criação de uma barreira de transporte na região entre o eletrodo em r = 17 cm e o limitador em a = 18 cm. Além disso, o campo elétrico radial mostra forte cisalhamento nessa região. Tomando o início da subida do potencial flutuante como origem de uma escala de tempo, o atraso temporal do início da subida da densidade de elétrons e o atraso do início do decréscimo do transporte de partículas foram medidos. Os resultados são 50 microssegundos para a densidade de elétrons e 60 microssegundos para o transporte de partículas. A questão dos limiares de potência é discutida no texto. Os dados desta experiência indicam que o campo elétrico radial desempenha o papel principal para a melhoria do confinamento. / Electrode biasing effects in the periphery of tokamaks have been investigated in small tokamaks and in a few large tokamaks. Usually the experiments are performed in conditions were bifurcation of the radial electric field is achieved, identified as biased H mode. In the tokamak TCABR, the biasing experiments indicate that the confinement increases for applied voltages up to +300 Volts, reaching a maximum of twice the confinement time of the L mode, but without bifurcation. Indications of bifurcation were detected with +400 V biasing, but the discharge terminates due to excitation of MHD activity, still under investigation. In the present work, the research is improved with the use of a rake shaped 18-pins Langmuir probe, allowing the measurement of electron temperature, density and potential fluctuations along the minor radius near the edge of the tokamak with time resolution of about 0.5 ms, for the temperature and 5 microseconds for density and floating potential. Another electrostatic probe with 5-pins all in the same radial position, but in different poloidal and toroidal position was used for turbulence and particle transport measurements. The effects of biasing indicate that the levels of turbulence and transport begin to decrease between +150 and +200 V and for +300 V reaches an almost suppression. In that same voltage interval the density, begin to increase and for 300 V reach a factor of about 2. The temperature profile does not change significantly but the uncertainty of the measurements is larger. These data are compatible with the creation of a barrier between the position of the electrode at r = 17 cm and the limiter of the tokamak at a = 18 cm. In addition, the radial electric field data show strong shear in this region. Taking the start of the increasing of the fluctuation potential as the origin of a time scale, the temporal delay of the start of the edge electron density increase and transport decrease were measured. The results are 50 microseconds for the electron density and 60 microseconds for the particle transport. The power threshold for the confinement improvement is discussed in the text. The data obtained in this experiment confirm that the shear of the electric field has the stronger role for the confinement improvement with biasing in TCABR tokamak.

O nitreto de alumínio (AlN) tem atraído muito interesse pelas suas notáveis propriedades físicas: dureza, alta condutividade térmica, resistência para altas temperaturas. Uma fonte de catodo oco DC foi adicionada a um sistema de sputtering magnetron. Isto leva a uma ionização na região do catodo e habilita a descarga a operar a pressões significativamente mais baixas do que um catodo magnetron plano típico. Como uma conseqüência, átomos ejetados do catodo podem alcançar um substrato com uma perda de energia mínima devido às colisões com os átomos do gás. O catodo oco magnetron consiste em dois eletrodos planos e paralelos de alumínio como alvos e uma mistura de gases argônio e nitrogênio variando a pressão de (0,05 a 0,5) Pa para uma variação de fluxo de (1 a 12)sccm. A tensão de descarga variou de (250 a 400)V correspondendo a uma corrente de descarga de (10 a 500) mA. As propriedades de plasma foram obtidas através da espectroscopia de massa e da técnica das Sondas de Langmuir para diferentes distâncias inter-catódicas. A densidade de elétrons do plasma é da ordem de 1018 m-3 e a temperatura de elétrons varia de (3 a 6) eV, medidos ao longo de uma linha reta ao longo da região de evaporação. Devido ao bombardeamento de íons e uma temperatura realçada do catodo, átomos de alumínio são arrancados do catodo e reagem com o radical nitrogênio para formar AlN+ no plasma. Filmes finos de AlN crescem em substratos de silício a temperatura ambiente; foram caracterizados com respeito a estrutura e morfologia por análises de DRX e AFM, respectivamente.

Com o uso de uma sonda de Langmuir e modelos numéricos se investigou uma descarga de oxigênio num reator acoplado capacitivamente a uma fonte de radiofrequência, com o propósito de se estudar os parâmetros intrínsecos do plasma, como densidade eletrônica e iônica, potencial flutuante, potencial do plasma, temperatura eletrônica, potencial da bainha catódica - VDC, em relação aos parâmetros de processo: potência e pressão. Dentre os resultados apresentados neste trabalho destacamos a boa concordância da densidade eletrônica calculada pelo Modelo Global - MG, e medida pela sonda de Langmuir. Além disso, tanto o método partícula-na-célula - PIC quanto o MG apresentaram uma boa concordância em relação a temperatura eletrônica simulada e medida experimentalmente. Foi observado experimentalmente que a temperatura eletrônica - Te, é intensificada para pressões abaixo de 30 mTorr, embora a densidade eletrônica seja baixa, como é característico do reator de corrosão a plasma por íons reativos - RIE. Aumentando-se a potência consegue-se um aumento da densidade eletrônica e iônica, embora a temperatura tenda a se manter em torno de 2 eV, para potências acima de 50 W. Um aumento da temperatura eletrônica apenas é substancial para potências menores que 30 W, para qualquer valor de pressão, embora para essa faixa de potência a densidade eletrônica seja baixa. Uma anomalia no perfil da densidade eletrônica em função da pressão foi encontrada para a região em torno de 85 mTorr. Estudos complementares serão conduzidos com o objetivo de melhor esclarecer essa anomalia. Por último, a FDEE se mostrou bi-Maxwelliana para pressões abaixo de 20 mTorr para todos os valores de potência investigados.