Tecnologia di filtrazione magnetica

Teoria di base del dispositivo di filtrazione magnetica
Il meccanismo di filtraggio del dispositivo di filtraggio magnetico per particelle di grandi dimensioni nel raggio di plasma è il seguente:
Usando la differenza tra il plasma e le particelle di grandi dimensioni in carica e il rapporto carica-massa, c'è una "barriera" (o un deflettore o una parete curva del tubo) posta tra il substrato e la superficie del catodo, che blocca qualsiasi particella che si muove in un linea retta tra il catodo e il substrato, mentre gli ioni possono essere deviati dal campo magnetico e passare attraverso la "barriera" al substrato.

Principio di funzionamento del dispositivo di filtrazione magnetica

Nel campo magnetico, Pe<

Pe e Pi sono rispettivamente i raggi di Larmor di elettroni e ioni e a è il diametro interno del filtro magnetico.Gli elettroni nel plasma sono influenzati dalla forza di Lorentz e ruotano assialmente lungo il campo magnetico, mentre il campo magnetico ha un effetto minore sul raggruppamento degli ioni a causa della differenza tra gli ioni e gli elettroni nel raggio di Larmor.Tuttavia, quando il movimento dell'elettrone lungo l'asse del dispositivo di filtro magnetico, attirerà gli ioni lungo l'assiale per il movimento rotatorio a causa della sua messa a fuoco e del forte campo elettrico negativo, e la velocità dell'elettrone è maggiore dello ione, quindi l'elettrone spinge costantemente lo ione in avanti, mentre il plasma rimane sempre quasi elettricamente neutro.Le particelle grandi sono elettricamente neutre o leggermente caricate negativamente e la qualità è molto più grande degli ioni e degli elettroni, sostanzialmente non influenzata dal campo magnetico e dal movimento lineare lungo l'inerzia, e verrà filtrata dopo la collisione con la parete interna del dispositivo.
Sotto la funzione combinata della curvatura del campo magnetico di flessione e della deriva del gradiente e delle collisioni ione-elettrone, il plasma può essere deviato nel dispositivo di filtrazione magnetica.In I comuni modelli teorici utilizzati oggi sono il modello di flusso di Morozov e il modello di rotore rigido di Davidson, che hanno la seguente caratteristica comune: c'è un campo magnetico che fa muovere gli elettroni in modo strettamente elicoidale.
L'intensità del campo magnetico che guida il movimento assiale del plasma nel dispositivo di filtrazione magnetica dovrebbe essere tale che:

Mi, Vo e Z sono rispettivamente la massa dello ione, la velocità di trasporto e il numero di cariche trasportate.a è il diametro interno del filtro magnetico ed e è la carica dell'elettrone.
Va notato che alcuni ioni di energia più elevata non possono essere completamente vincolati dal fascio di elettroni.Possono raggiungere la parete interna del filtro magnetico, portando la parete interna a un potenziale positivo, che a sua volta impedisce agli ioni di continuare a raggiungere la parete interna e riduce la perdita di plasma.
Secondo questo fenomeno, un'appropriata pressione di polarizzazione positiva può essere applicata alla parete del dispositivo di filtro magnetico per inibire la collisione di ioni per migliorare l'efficienza del trasporto di ioni bersaglio.

Classificazione del dispositivo di filtrazione magnetica
(1)Struttura lineare.Il campo magnetico funge da guida per il flusso del fascio ionico, riducendo la dimensione dello spot catodico e la proporzione di ammassi macroscopici di particelle, mentre intensifica le collisioni all'interno del plasma, provocando la conversione di particelle neutre in ioni e riducendo il numero di particelle macroscopiche ammassi di particelle e riducendo rapidamente il numero di particelle grandi all'aumentare dell'intensità del campo magnetico.Rispetto al metodo di rivestimento ionico multi-arco convenzionale, questo dispositivo strutturato supera la significativa riduzione di efficienza causata da altri metodi e può garantire una velocità di deposizione del film sostanzialmente costante riducendo il numero di particelle grandi di circa il 60%.
(2) Struttura a curva.Sebbene la struttura abbia varie forme, ma il principio di base è lo stesso.Il plasma si muove sotto la funzione combinata del campo magnetico e del campo elettrico e il campo magnetico viene utilizzato per confinare e controllare il plasma senza deviare il movimento lungo la direzione delle linee di forza magnetica.E le particelle scariche si sposteranno lungo il lineare e saranno separate.I film preparati da questo dispositivo strutturale hanno elevata durezza, bassa rugosità superficiale, buona densità, granulometria uniforme e forte adesione alla base del film.L'analisi XPS mostra che la durezza superficiale dei film ta-C rivestiti con questo tipo di dispositivo può raggiungere i 56 GPa, quindi il dispositivo a struttura curva è il metodo più utilizzato ed efficace per la rimozione di particelle di grandi dimensioni, ma l'efficienza del trasporto ionico target deve essere ulteriormente migliorata.Il dispositivo di filtrazione magnetica curva a 90° è uno dei dispositivi a struttura curva più utilizzati.Gli esperimenti sul profilo superficiale dei film Ta-C mostrano che il profilo superficiale del dispositivo di filtrazione magnetica con curvatura a 360° non cambia molto rispetto al dispositivo di filtrazione magnetica con curvatura a 90°, quindi l'effetto della filtrazione magnetica con curvatura a 90° per particelle di grandi dimensioni può essere sostanzialmente raggiunto.Il dispositivo di filtrazione magnetica con curva a 90° ha principalmente due tipi di strutture: una è un solenoide piegato posizionato nella camera del vuoto e l'altro è posizionato fuori dalla camera del vuoto e la differenza tra loro è solo nella struttura.La pressione di esercizio del dispositivo di filtraggio magnetico con curvatura a 90° è dell'ordine di 10-2Pa e può essere utilizzata in un'ampia gamma di applicazioni, come il rivestimento di nitruro, ossido, carbonio amorfo, film semiconduttore e film metallici o non metallici .

L'efficienza del dispositivo di filtrazione magnetica
Poiché non tutte le particelle di grandi dimensioni possono perdere energia cinetica in continue collisioni con la parete, un certo numero di particelle di grandi dimensioni raggiungerà il substrato attraverso l'uscita del tubo.Pertanto, un dispositivo di filtrazione magnetica lungo e stretto ha una maggiore efficienza di filtrazione di particelle grandi, ma in questo momento aumenterà la perdita di ioni target e allo stesso tempo aumenterà la complessità della struttura.Pertanto, garantire che il dispositivo di filtrazione magnetica abbia un'eccellente rimozione di particelle di grandi dimensioni e un'elevata efficienza di trasporto di ioni è un prerequisito necessario affinché la tecnologia di rivestimento ionico multi-arco abbia un'ampia prospettiva di applicazione nel deposito di film sottili ad alte prestazioni.Il funzionamento del dispositivo di filtraggio magnetico è influenzato dall'intensità del campo magnetico, dalla polarizzazione della curvatura, dall'apertura del deflettore meccanico, dalla corrente della sorgente dell'arco e dall'angolo di incidenza delle particelle cariche.Impostando parametri ragionevoli del dispositivo di filtraggio magnetico, è possibile migliorare efficacemente l'effetto filtrante di particelle grandi e l'efficienza di trasferimento ionico del bersaglio.