Tecnología de filtración magnética

Teoría básica del dispositivo de filtración magnética.
El mecanismo de filtrado del dispositivo de filtrado magnético para partículas grandes en el haz de plasma es el siguiente:
Usando la diferencia entre el plasma y las partículas grandes en la carga y la relación carga-masa, hay una "barrera" (ya sea un deflector o una pared de tubo curva) colocada entre el sustrato y la superficie del cátodo, que bloquea cualquier partícula que se mueva en un línea recta entre el cátodo y el sustrato, mientras que los iones pueden ser desviados por el campo magnético y pasar a través de la "barrera" al sustrato.

Principio de funcionamiento del dispositivo de filtración magnética

En el campo magnético, Pe<

Pe y Pi son los radios de Larmor de electrones e iones respectivamente, y a es el diámetro interior del filtro magnético.Los electrones en el plasma se ven afectados por la fuerza de Lorentz y giran axialmente a lo largo del campo magnético, mientras que el campo magnético tiene menos efecto en la agrupación de iones debido a la diferencia entre los iones y los electrones en el radio de Larmor.Sin embargo, cuando el electrón se mueve a lo largo del eje del dispositivo de filtro magnético, atraerá iones a lo largo del eje para el movimiento de rotación debido a su enfoque y al fuerte campo eléctrico negativo, y la velocidad del electrón es mayor que la del ion, por lo que el electrón empuja constantemente el ion hacia adelante, mientras que el plasma siempre permanece casi eléctricamente neutro.Las partículas grandes son eléctricamente neutras o ligeramente cargadas negativamente, y la calidad es mucho mayor que la de los iones y electrones, básicamente no se ven afectadas por el campo magnético y el movimiento lineal a lo largo de la inercia, y se filtrarán después de la colisión con la pared interna del dispositivo.
Bajo la función combinada de la curvatura del campo magnético de flexión y la deriva del gradiente y las colisiones de iones y electrones, el plasma se puede desviar en el dispositivo de filtración magnética.Los modelos teóricos comunes utilizados en la actualidad son el modelo de flujo de Morozov y el modelo de rotor rígido de Davidson, que tienen la siguiente característica común: existe un campo magnético que hace que los electrones se muevan de forma estrictamente helicoidal.
La fuerza del campo magnético que guía el movimiento axial del plasma en el dispositivo de filtración magnética debe ser tal que:

Mi, Vo y Z son la masa de iones, la velocidad de transporte y el número de cargas transportadas, respectivamente.a es el diámetro interior del filtro magnético y e es la carga del electrón.
Cabe señalar que algunos iones de mayor energía no pueden unirse por completo al haz de electrones.Pueden llegar a la pared interna del filtro magnético, haciendo que la pared interna tenga un potencial positivo, lo que a su vez inhibe que los iones continúen llegando a la pared interna y reduce la pérdida de plasma.
De acuerdo con este fenómeno, se puede aplicar una presión de polarización positiva apropiada a la pared del dispositivo de filtro magnético para inhibir la colisión de iones para mejorar la eficiencia de transporte de iones objetivo.

Clasificación del dispositivo de filtración magnética.
(1) Estructura lineal.El campo magnético actúa como guía para el flujo del haz de iones, reduciendo el tamaño del punto del cátodo y la proporción de cúmulos de partículas macroscópicas, al mismo tiempo que intensifica las colisiones dentro del plasma, provocando la conversión de partículas neutras en iones y reduciendo el número de partículas macroscópicas. cúmulos de partículas, y reduciendo rápidamente el número de partículas grandes a medida que aumenta la fuerza del campo magnético.En comparación con el método convencional de recubrimiento de iones de arco múltiple, este dispositivo estructurado supera la reducción significativa en la eficiencia causada por otros métodos y puede garantizar una tasa de deposición de película esencialmente constante mientras reduce la cantidad de partículas grandes en aproximadamente un 60%.
(2) Estructura tipo curva.Aunque la estructura tiene varias formas, pero el principio básico es el mismo.El plasma se mueve bajo la función combinada de campo magnético y campo eléctrico, y el campo magnético se usa para confinar y controlar el plasma sin desviar el movimiento a lo largo de la dirección de las líneas de fuerza magnética.Y las partículas sin carga se moverán a lo largo de la línea y se separarán.Las películas preparadas por este dispositivo estructural tienen alta dureza, baja rugosidad superficial, buena densidad, tamaño de grano uniforme y fuerte adhesión a la base de la película.El análisis XPS muestra que la dureza de la superficie de las películas ta-C recubiertas con este tipo de dispositivo puede alcanzar los 56 GPa, por lo que el dispositivo de estructura curva es el método más utilizado y efectivo para la eliminación de partículas grandes, pero la eficiencia de transporte de iones objetivo debe ser mejorado aún más.El dispositivo de filtración magnética con curvatura de 90° es uno de los dispositivos de estructura curva más utilizados.Los experimentos sobre el perfil de la superficie de las películas Ta-C muestran que el perfil de la superficie del dispositivo de filtración magnética con curvatura de 360° no cambia mucho en comparación con el dispositivo de filtración magnética con curvatura de 90°, por lo que el efecto de la filtración magnética con curvatura de 90° para partículas grandes puede ser básicamente logrado.El dispositivo de filtración magnética de curvatura de 90° tiene principalmente dos tipos de estructuras: una es un solenoide de curvatura colocado en la cámara de vacío y el otro se coloca fuera de la cámara de vacío, y la diferencia entre ellos está solo en la estructura.La presión de trabajo del dispositivo de filtración magnética con curvatura de 90° es del orden de 10-2 Pa, y se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones, como recubrimiento de nitruro, óxido, carbono amorfo, película semiconductora y película metálica o no metálica. .

La eficiencia del dispositivo de filtración magnética.
Dado que no todas las partículas grandes pueden perder energía cinética en colisiones continuas con la pared, un cierto número de partículas grandes llegarán al sustrato a través de la salida de la tubería.Por lo tanto, un dispositivo de filtración magnética largo y angosto tiene una mayor eficiencia de filtración de partículas grandes, pero en este momento aumentará la pérdida de iones objetivo y al mismo tiempo aumentará la complejidad de la estructura.Por lo tanto, garantizar que el dispositivo de filtración magnética tenga una excelente eliminación de partículas grandes y una alta eficiencia de transporte de iones es un requisito previo necesario para que la tecnología de revestimiento de iones de arco múltiple tenga una amplia perspectiva de aplicación en el depósito de películas delgadas de alto rendimiento.El funcionamiento del dispositivo de filtración magnética se ve afectado por la intensidad del campo magnético, el sesgo de curvatura, la apertura del deflector mecánico, la corriente de la fuente del arco y el ángulo de incidencia de las partículas cargadas.Al establecer parámetros razonables del dispositivo de filtración magnética, el efecto de filtrado de partículas grandes y la eficiencia de transferencia de iones del objetivo se pueden mejorar de manera efectiva.