Tecnologia de filtragem magnética

Teoria básica do dispositivo de filtragem magnética
O mecanismo de filtragem do dispositivo de filtragem magnética para partículas grandes no feixe de plasma é o seguinte:
Usando a diferença entre o plasma e as partículas grandes na carga e na relação carga/massa, existe uma “barreira” (seja um defletor ou uma parede curva do tubo) colocada entre o substrato e a superfície do cátodo, que bloqueia qualquer partícula que se mova em um linha reta entre o cátodo e o substrato, enquanto os íons podem ser desviados pelo campo magnético e passar pela “barreira” para o substrato.

Princípio de funcionamento do dispositivo de filtragem magnética

No campo magnético, Pe<

Pe e Pi são os raios de Larmor de elétrons e íons, respectivamente, e a é o diâmetro interno do filtro magnético.Os elétrons no plasma são afetados pela força de Lorentz e giram ao longo do campo magnético axialmente, enquanto o campo magnético tem menos efeito no agrupamento de íons devido à diferença entre os íons e elétrons no raio de Larmor.No entanto, quando o movimento do elétron ao longo do eixo do dispositivo de filtro magnético, ele atrairá íons ao longo do axial para o movimento rotacional devido ao seu foco e ao forte campo elétrico negativo, e a velocidade do elétron é maior que o íon, de modo que o elétron puxa constantemente o íon para frente, enquanto o plasma sempre permanece quase eletricamente neutro.As partículas grandes são eletricamente neutras ou ligeiramente carregadas negativamente, e a qualidade é muito maior do que os íons e elétrons, basicamente não afetados pelo campo magnético e pelo movimento linear ao longo da inércia, e serão filtrados após a colisão com a parede interna do dispositivo.
Sob a função combinada da curvatura do campo magnético de flexão e desvio de gradiente e colisões de íon-elétron, o plasma pode ser desviado no dispositivo de filtragem magnética.Em Os modelos teóricos comuns usados ​​hoje são o modelo de fluxo de Morozov e o modelo de rotor rígido de Davidson, que têm a seguinte característica comum: existe um campo magnético que faz os elétrons se moverem de maneira estritamente helicoidal.
A intensidade do campo magnético que orienta o movimento axial do plasma no dispositivo de filtragem magnética deve ser tal que:

Mi, Vo e Z são a massa do íon, a velocidade de transporte e o número de cargas transportadas, respectivamente.a é o diâmetro interno do filtro magnético e e é a carga do elétron.
Deve-se notar que alguns íons de energia mais alta não podem ser totalmente ligados pelo feixe de elétrons.Eles podem atingir a parede interna do filtro magnético, tornando a parede interna em um potencial positivo, o que por sua vez inibe os íons de continuarem a atingir a parede interna e reduz a perda de plasma.
De acordo com esse fenômeno, uma pressão de polarização positiva apropriada pode ser aplicada à parede do dispositivo de filtro magnético para inibir a colisão de íons para melhorar a eficiência de transporte de íons alvo.

Classificação do dispositivo de filtragem magnética
(1) Estrutura linear.O campo magnético atua como um guia para o fluxo do feixe de íons, reduzindo o tamanho do spot catódico e a proporção de aglomerados de partículas macroscópicas, ao mesmo tempo em que intensifica as colisões dentro do plasma, provocando a conversão de partículas neutras em íons e reduzindo o número de partículas macroscópicas aglomerados de partículas e reduzindo rapidamente o número de partículas grandes à medida que a força do campo magnético aumenta.Comparado com o método convencional de revestimento iônico multi-arco, este dispositivo estruturado supera a redução significativa na eficiência causada por outros métodos e pode garantir uma taxa de deposição de filme essencialmente constante, reduzindo o número de partículas grandes em cerca de 60%.
(2) Estrutura do tipo curva.Embora a estrutura tenha várias formas, o princípio básico é o mesmo.O plasma se move sob a função combinada de campo magnético e campo elétrico, e o campo magnético é usado para confinar e controlar o plasma sem desviar o movimento ao longo da direção das linhas de força magnética.E as partículas não carregadas se moverão ao longo do linear e serão separadas.Os filmes preparados por este dispositivo estrutural têm alta dureza, baixa rugosidade superficial, boa densidade, tamanho de grão uniforme e forte adesão à base do filme.A análise XPS mostra que a dureza superficial dos filmes ta-C revestidos com este tipo de dispositivo pode chegar a 56 GPa, portanto, o dispositivo de estrutura curva é o método mais amplamente utilizado e eficaz para remoção de partículas grandes, mas a eficiência de transporte de íons alvo precisa ser melhorado ainda mais.O dispositivo de filtragem magnética de curvatura de 90° é um dos dispositivos de estrutura curvada mais amplamente utilizados.Experimentos no perfil de superfície de filmes Ta-C mostram que o perfil de superfície do dispositivo de filtragem magnética de curvatura de 360° não muda muito em comparação com o dispositivo de filtração magnética de curvatura de 90°, então o efeito da filtração magnética de curvatura de 90° para partículas grandes pode ser basicamente alcançou.O dispositivo de filtragem magnética de curvatura de 90 ° tem principalmente dois tipos de estruturas: um é um solenóide de curvatura colocado na câmara de vácuo e o outro é colocado fora da câmara de vácuo, e a diferença entre eles está apenas na estrutura.A pressão de trabalho do dispositivo de filtragem magnética de curvatura de 90° é da ordem de 10-2Pa e pode ser usada em uma ampla gama de aplicações, como revestimento de nitreto, óxido, carbono amorfo, filme semicondutor e filme metálico ou não metálico .

A eficiência do dispositivo de filtragem magnética
Como nem todas as partículas grandes podem perder energia cinética em colisões contínuas com a parede, um certo número de partículas grandes atingirá o substrato através da saída do tubo.Portanto, um dispositivo de filtragem magnética longo e estreito tem maior eficiência de filtragem de partículas grandes, mas neste momento aumentará a perda de íons alvo e, ao mesmo tempo, aumentará a complexidade da estrutura.Portanto, garantir que o dispositivo de filtragem magnética tenha excelente remoção de partículas grandes e alta eficiência de transporte de íons é um pré-requisito necessário para que a tecnologia de revestimento iônico multi-arco tenha uma ampla perspectiva de aplicação na deposição de filmes finos de alto desempenho.A operação do dispositivo de filtragem magnética é afetada pela intensidade do campo magnético, viés de curvatura, abertura do defletor mecânico, corrente da fonte do arco e ângulo de incidência da partícula carregada.Ao definir parâmetros razoáveis ​​do dispositivo de filtragem magnética, o efeito de filtragem de partículas grandes e a eficiência de transferência de íons do alvo podem ser efetivamente melhorados.