Teoría básica de los dispositivos de filtración magnética
El mecanismo de filtrado del dispositivo de filtrado magnético para partículas grandes en el haz de plasma es el siguiente:
Aprovechando la diferencia de carga y relación carga-masa entre el plasma y las partículas grandes, se coloca una "barrera" (ya sea un deflector o la pared curva de un tubo) 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 de un 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 interno 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 este tiene menor efecto sobre la agrupación de iones debido a la diferencia en el radio de Larmor entre iones y electrones. Sin embargo, cuando el electrón se mueve a lo largo del eje del dispositivo de filtro magnético, atrae a los iones a lo largo del eje para su movimiento rotacional debido a su enfoque y al fuerte campo eléctrico negativo. La velocidad del electrón es mayor que la del ion, por lo que el electrón tira constantemente del ion hacia adelante, mientras que el plasma permanece siempre cuasi-eléctricamente neutro. Las partículas grandes son eléctricamente neutras o ligeramente cargadas negativamente, y su masa es mucho mayor que la de los iones y electrones, por lo que básicamente no se ven afectadas por el campo magnético y el movimiento lineal a lo largo de la inercia, y serán filtradas después de colisionar con la pared interna del dispositivo.
Bajo la función combinada de la curvatura del campo magnético y la deriva del gradiente, junto con las colisiones ión-electrón, el plasma puede desviarse en el dispositivo de filtración magnética. Los modelos teóricos comunes utilizados hoy en día 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 manera 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 representan, respectivamente, la masa del ion, la velocidad de transporte y el número de cargas transportadas. 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 ser completamente capturados por el haz de electrones. Pueden alcanzar la pared interna del filtro magnético, creando un potencial positivo en dicha pared, lo que a su vez impide que los iones continúen llegando a ella y reduce la pérdida de plasma.
Según este fenómeno, se puede aplicar una presión de polarización positiva adecuada 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 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, al tiempo que intensifica las colisiones dentro del plasma, impulsando la conversión de partículas neutras en iones y reduciendo la cantidad de cúmulos de partículas macroscópicas, y disminuyendo rápidamente la cantidad de partículas grandes a medida que aumenta la intensidad del campo magnético. En comparación con el método convencional de recubrimiento iónico de arco múltiple, este dispositivo estructurado supera la importante reducción de eficiencia causada por otros métodos y puede garantizar una tasa de deposición de película prácticamente constante, al tiempo que reduce la cantidad de partículas grandes en aproximadamente un 60 %.
(2) Estructura de tipo curvo. Aunque la estructura tiene varias formas, el principio básico es el mismo. El plasma se mueve bajo la función combinada del campo magnético y el 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. Y las partículas sin carga se moverán a lo largo de la línea y se separarán. Las películas preparadas con este dispositivo estructural tienen alta dureza, baja rugosidad superficial, buena densidad, tamaño de grano uniforme y fuerte adhesión de 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 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 necesita mejorarse aún más. El dispositivo de filtración magnética de 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 360° no varía mucho en comparación con el de 90°, por lo que se puede lograr básicamente el efecto de la filtración magnética de 90° para partículas grandes. El dispositivo de filtración magnética de 90° tiene principalmente dos tipos de estructuras: una es un solenoide de flexión ubicado en la cámara de vacío, y la otra se ubica fuera de la cámara de vacío, y la diferencia entre ellas radica únicamente en la estructura. La presión de trabajo del dispositivo de filtración magnética de 90° es del orden de 10⁻² Pa, y puede utilizarse 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 pierden energía cinética en colisiones continuas con la pared, una cierta cantidad de ellas llegará al sustrato a través de la salida del tubo. Por lo tanto, un dispositivo de filtración magnética largo y estrecho presenta una mayor eficiencia de filtración de partículas grandes, pero a su vez aumenta la pérdida de iones objetivo y la complejidad de la estructura. En consecuencia, 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 indispensable para que la tecnología de recubrimiento iónico de arco múltiple tenga una amplia 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 establecer parámetros adecuados para el dispositivo de filtración magnética, se puede mejorar eficazmente el efecto de filtrado de partículas grandes y la eficiencia de transferencia de iones del objetivo.
Fecha de publicación: 8 de noviembre de 2022