Tecnologia de filtració magnètica

Teoria bàsica del dispositiu de filtració magnètica
El mecanisme de filtratge del dispositiu de filtratge magnètic per a partícules grans en el feix de plasma és el següent:
Utilitzant la diferència entre el plasma i les partícules grans en la càrrega i la relació càrrega-massa, hi ha una "barrera" (ja sigui un deflector o una paret de tub corba) que es col·loca entre el substrat i la superfície del càtode, que bloqueja qualsevol partícula que es mogui en línia recta entre el càtode i el substrat, mentre que els ions poden ser desviats pel camp magnètic i passar a través de la "barrera" fins al substrat.

Principi de funcionament del dispositiu de filtració magnètica

En el camp magnètic, Pe<

Pe i Pi són els radis de Larmor dels electrons i els ions respectivament, i a és el diàmetre interior del filtre magnètic. Els electrons del plasma es veuen afectats per la força de Lorentz i giren al llarg del camp magnètic axialment, mentre que el camp magnètic té menys efecte sobre l'agrupació dels ions a causa de la diferència entre els ions i els electrons en el radi de Larmor. Tanmateix, quan els electrons es mouen al llarg de l'eix del dispositiu de filtre magnètic, atraurà ions al llarg de l'axial per al moviment de rotació a causa del seu enfocament i del fort camp elèctric negatiu, i la velocitat dels electrons és més gran que la de l'ió, de manera que l'electró estira constantment l'ió cap endavant, mentre que el plasma sempre roman quasi-elèctricament neutre. Les partícules grans són elèctricament neutres o lleugerament carregades negativament, i la qualitat és molt més gran que la dels ions i els electrons, bàsicament no es veuen afectats pel camp magnètic i el moviment lineal al llarg de la inèrcia, i es filtraran després de la col·lisió amb la paret interior del dispositiu.
Sota la funció combinada de la curvatura del camp magnètic de flexió i la deriva del gradient i les col·lisions ió-electró, el plasma es pot desviar en el dispositiu de filtració magnètica. Els models teòrics comuns que s'utilitzen avui dia són el model de flux de Morozov i el model de rotor rígid de Davidson, que tenen la següent característica comuna: hi ha un camp magnètic que fa que els electrons es moguin de manera estrictament helicoïdal.
La intensitat del camp magnètic que guia el moviment axial del plasma en el dispositiu de filtració magnètica ha de ser tal que:

Mi, Vo i Z són la massa dels ions, la velocitat de transport i el nombre de càrregues transportades, respectivament. a és el diàmetre interior del filtre magnètic i e és la càrrega de l'electró.
Cal destacar que alguns ions d'energia més alta no poden ser completament units pel feix d'electrons. Poden arribar a la paret interior del filtre magnètic, fent que la paret interior tingui un potencial positiu, cosa que al seu torn impedeix que els ions continuïn arribant a la paret interior i redueix la pèrdua de plasma.
Segons aquest fenomen, es pot aplicar una pressió de polarització positiva adequada a la paret del dispositiu de filtre magnètic per inhibir la col·lisió d'ions per millorar l'eficiència del transport d'ions objectiu.

Classificació del dispositiu de filtració magnètica
(1) Estructura lineal. El camp magnètic actua com a guia per al flux del feix d'ions, reduint la mida del punt del càtode i la proporció de clústers de partícules macroscòpiques, alhora que intensifica les col·lisions dins del plasma, cosa que provoca la conversió de partícules neutres en ions i redueix el nombre de clústers de partícules macroscòpiques, i redueix ràpidament el nombre de partícules grans a mesura que augmenta la intensitat del camp magnètic. En comparació amb el mètode convencional de recobriment d'ions multiarc, aquest dispositiu estructurat supera la reducció significativa de l'eficiència causada per altres mètodes i pot garantir una velocitat de deposició de pel·lícula essencialment constant alhora que redueix el nombre de partícules grans en aproximadament un 60%.
(2) Estructura de tipus corba. Tot i que l'estructura té diverses formes, el principi bàsic és el mateix. El plasma es mou sota la funció combinada del camp magnètic i el camp elèctric, i el camp magnètic s'utilitza per confinar i controlar el plasma sense desviar el moviment al llarg de la direcció de les línies de força magnètica. I les partícules sense càrrega es mouran al llarg de la línia i se separaran. Les pel·lícules preparades per aquest dispositiu estructural tenen una alta duresa, baixa rugositat superficial, bona densitat, mida de gra uniforme i una forta adherència de la base de la pel·lícula. L'anàlisi XPS mostra que la duresa superficial de les pel·lícules de ta-C recobertes amb aquest tipus de dispositiu pot arribar als 56 GPa, per la qual cosa el dispositiu d'estructura corba és el mètode més utilitzat i eficaç per a l'eliminació de partícules grans, però cal millorar encara més l'eficiència del transport d'ions objectiu. El dispositiu de filtració magnètica de corba de 90° és un dels dispositius d'estructura corba més utilitzats. Els experiments sobre el perfil superficial de les pel·lícules de Ta-C mostren que el perfil superficial del dispositiu de filtració magnètica de corba de 360° no canvia gaire en comparació amb el dispositiu de filtració magnètica de corba de 90°, de manera que l'efecte de la filtració magnètica de corba de 90° per a partícules grans es pot aconseguir bàsicament. El dispositiu de filtració magnètica de corba de 90° té principalment dos tipus d'estructures: una és un solenoide de corba col·locat a la cambra de buit i l'altra es col·loca fora de la cambra de buit, i la diferència entre elles només rau en l'estructura. La pressió de treball del dispositiu de filtració magnètica de corba de 90° és de l'ordre de 10-2Pa, i es pot utilitzar en una àmplia gamma d'aplicacions, com ara recobriment de nitrid, òxid, carboni amorf, pel·lícula semiconductora i pel·lícula metàl·lica o no metàl·lica.

L'eficiència del dispositiu de filtració magnètica
Com que no totes les partícules grans poden perdre energia cinètica en col·lisions contínues amb la paret, un cert nombre de partícules grans arribaran al substrat a través de la sortida del tub. Per tant, un dispositiu de filtració magnètica llarg i estret té una major eficiència de filtració de partícules grans, però en aquest moment augmentarà la pèrdua d'ions objectiu i alhora augmentarà la complexitat de l'estructura. Per tant, garantir que el dispositiu de filtració magnètica tingui una excel·lent eliminació de partícules grans i una alta eficiència de transport d'ions és un requisit previ necessari perquè la tecnologia de recobriment d'ions multiarc tingui una àmplia perspectiva d'aplicació en el dipòsit de pel·lícules primes d'alt rendiment. El funcionament del dispositiu de filtració magnètica es veu afectat per la força del camp magnètic, el biaix de flexió, l'obertura del deflector mecànic, el corrent de la font d'arc i l'angle d'incidència de les partícules carregades. En establir paràmetres raonables del dispositiu de filtració magnètica, es pot millorar eficaçment l'efecte de filtratge de partícules grans i l'eficiència de transferència d'ions de l'objectiu.