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:
Utilizando la diferencia entre el plasma y las partículas grandes en 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 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” hacia el sustrato.

Principio de funcionamiento del dispositivo de filtración magnética.

En el campo magnético, Pe<

Pe y Pi son los radios de Larmor de los 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 a lo largo del campo magnético axialmente, mientras que el campo magnético tiene menos efecto en la agrupación de los 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 atrae 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, la deriva del gradiente y las colisiones ion-electrón, el plasma puede desviarse en el dispositivo de filtración magnética. Los modelos teóricos comunes utilizados actualmente son el modelo de flujo de Morozov y el modelo de rotor rígido de Davidson, que comparten la siguiente característica: existe un campo magnético que hace que los electrones se muevan de forma estrictamente helicoidal.
La intensidad 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 del ion, la velocidad de transporte y el número de cargas transportadas respectivamente. a es el diámetro interno del filtro magnético y e es la carga del electrón.
Cabe señalar que algunos iones de mayor energía no pueden ser completamente absorbidos por el haz de electrones. Pueden alcanzar la pared interna del filtro magnético, lo que crea un potencial positivo en esta. Esto, a su vez, impide que los iones sigan llegando a la pared interna y reduce la pérdida de plasma.
Según 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 y mejorar la eficiencia del transporte de iones objetivo.

Clasificación de los dispositivos de filtración magnética
(1) Estructura lineal. El campo magnético actúa como guía para el flujo del haz de iones, reduciendo el tamaño del punto catódico y la proporción de cúmulos de partículas macroscópicas. A la vez, intensifica las colisiones dentro del plasma, lo que facilita la conversión de partículas neutras en iones y reduce el número de cúmulos de partículas macroscópicas, y reduce rápidamente el número de partículas grandes a medida que aumenta la intensidad del campo magnético. En comparación con el método convencional de recubrimiento iónico multiarco, este dispositivo estructurado supera la significativa reducción de eficiencia causada por otros métodos y puede garantizar una velocidad de deposición de película prácticamente constante, a la vez que reduce el número de partículas grandes en aproximadamente un 60 %.
(2) Estructura de tipo curva. Si bien la estructura presenta diversas formas, 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 utiliza para confinar y controlar el plasma sin desviar el movimiento a lo largo de la dirección de las líneas de fuerza magnética. Las partículas sin carga se moverán linealmente y se separarán. Las películas preparadas con este dispositivo estructural presentan alta dureza, baja rugosidad superficial, buena densidad, tamaño de grano uniforme y una fuerte adhesión a la base de la película. El análisis XPS muestra que la dureza superficial de las películas de ta-C recubiertas con este tipo de dispositivo puede alcanzar los 56 GPa. Por lo tanto, el dispositivo de estructura curva es el método más utilizado y efectivo para la eliminación de partículas grandes, pero la eficiencia del transporte de iones objetivo debe mejorarse aún más. El dispositivo de filtración magnética con curva de 90° es uno de los dispositivos de estructura curva más utilizados. Los experimentos sobre el perfil superficial de las películas de Ta-C muestran que el perfil superficial del dispositivo de filtración magnética de curva de 360° no cambia mucho en comparación con el dispositivo de filtración magnética de curva de 90°, por lo que el efecto de la filtración magnética de curva de 90° para partículas grandes se puede lograr básicamente. El dispositivo de filtración magnética de curva de 90° tiene principalmente dos tipos de estructuras: una es un solenoide de curva ubicado en la cámara de vacío, y el otro se coloca fuera de la cámara de vacío, y la diferencia entre ellos es solo en la estructura. La presión de trabajo del dispositivo de filtración magnética de curva de 90° es del orden de 10-2 Pa, y se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones, como el 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 alcanzará el sustrato a través de la salida de la tubería. Por lo tanto, un dispositivo de filtración magnética largo y estrecho 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 prerrequisito necesario para que la tecnología de recubrimiento iónico multiarco tenga un amplio potencial de aplicación en la deposición de películas delgadas de alto rendimiento. El funcionamiento del dispositivo de filtración magnética se ve afectado por la intensidad del campo magnético, la polarización de flexión, la apertura del deflector mecánico, la corriente de la fuente de arco y el ángulo de incidencia de las partículas cargadas. Al configurar parámetros razonables del dispositivo de filtración magnética, se puede mejorar efectivamente el efecto de filtrado de partículas grandes y la eficiencia de transferencia de iones del objetivo.