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Scarica ac

In genere i processi di scarica a plasma sono ottenuti sempre da alimentazione ad alta frequenza, di solito nel range del MHz. Mentre per frequenze inferiori alla frequenza di plasma degli ioni (centinaia di kHz) non vi è differenza tra anodo o catodo poiché essi si alternano con l’alternarsi del verso della corrente, per frequenze più elevate si ha che, a causa della diversa frequenza di plasma degli ioni e degli elettroni, l'elettrodo isolato si carica negativamente diventando di fatto un catodo. L'uso della rf nei processi tecnologici diventa una necessità quando gli elettrodi sono ricoperti di materiale isolante, in quanto in questo caso la scarica nel gas viene inibita dall'elevato campo di breakdown del dielettrico.

schema di un circuito di scarica ad alta frequenza

Ora si consideri il circuito mostrato in figura, dove $C$ è una capacità di isolamento, $V_a$ è l’alimentazione alternata e $V_b$ la tensione sulla superficie del target, poniamoci nel caso di target conduttore. Per semplicità consideriamo il potenziale del plasma zero e forniamo una onda quadra di $2kV$ pp come si vede in figura.

Forme d'onda di tensione e corrente con circuito eccitato da un'onda quadra

caratteristiche tensione e corrente con eccitazione sinusoidale

$V_b$ tenderà a seguire $V_a$, ma non istantaneamente, e quando quest’ultimo arriva a $-1kV$ comincia la scarica e il bombardamento degli ioni, il condensatore comincia a caricarsi positivamente così che $V_b$ risale verso lo zero, ma se la frequenza è sufficientemente elevata $V_b$ non sarà cambiato di molto dopo mezzo ciclo rimanendo a circa $-800V$. In questo istante $V_a$ risale di $2kV$ e così $V_b$ che sale fino a $1200V$. Il target, adesso positivo, attrae una grande quantità di elettroni e quindi $V_b$ scende verso lo zero molto più rapidamente di quanto avevano fatto gli ioni nel precedente mezzo ciclo. Ciò mostra che a parità di differenza di potenziale la corrente di elettroni è molto maggiore di quella degli ioni. Sempre nell'esempio supponiamo che $V_b$ alla fine del primo ciclo abbia raggiunto i $100V$ e che $V_a$ di nuovo cambi stato così che $V_b$ arriverà a $1900V$ ricominciando a salire, ma di poco, poiché la corrente degli ioni è piccola; questo processo diventerà poi ripetitivo e manifesta come sia più piccolo il potenziale da dare agli elettroni per trasportare una corrente data. L’onda quadra è stata utilizzata solo per spiegare il meccanismo, un’onda sinusoidale porta a risultati analoghi.

$V_b$ ha forma sinusoidale spostata verso il basso di un valore conosciuto come dc offset voltage. Il target ha acquisito una self-bias, in contrasto con l'eccitazione ad onda quadra, $V_b$ ora è positivo solo per una frazione molto breve di ogni ciclo, e il bombardamento di ioni del target è quasi continuo.