Technologie de filtration magnétique

Théorie de base du dispositif de filtration magnétique
Le mécanisme de filtrage du dispositif de filtrage magnétique pour les grosses particules dans le faisceau de plasma est le suivant :
En utilisant la différence entre le plasma et les grosses particules en termes de charge et de rapport charge/masse, il existe une « barrière » (soit un déflecteur, soit une paroi de tube incurvée) placée entre le substrat et la surface de la cathode, qui bloque toutes les particules se déplaçant en ligne droite entre la cathode et le substrat, tandis que les ions peuvent être déviés par le champ magnétique et traverser la « barrière » vers le substrat.

Principe de fonctionnement du dispositif de filtration magnétique

Dans le champ magnétique, Pe<

Pe et Pi sont respectivement les rayons de Larmor des électrons et des ions, et a est le diamètre intérieur du filtre magnétique. Les électrons du plasma sont affectés par la force de Lorentz et tournent axialement le long du champ magnétique. Ce dernier a moins d'effet sur le regroupement des ions en raison de la différence de rayon de Larmor entre les ions et les électrons. Cependant, lorsque les électrons se déplacent le long de l'axe du filtre magnétique, ils attirent les ions le long de l'axe pour un mouvement de rotation dû à leur focalisation et à l'intensité du champ électrique négatif. La vitesse de l'électron est supérieure à celle de l'ion, ce qui entraîne constamment l'électron vers l'avant, tandis que le plasma reste quasi-électriquement neutre. Les grosses particules sont électriquement neutres ou légèrement chargées négativement, et leur qualité est bien supérieure à celle des ions et des électrons. Elles ne sont pratiquement pas affectées par le champ magnétique et le mouvement linéaire le long de l'inertie, et sont filtrées après collision avec la paroi interne du dispositif.
Sous la fonction combinée de la courbure du champ magnétique de courbure, de la dérive du gradient et des collisions ions-électrons, le plasma peut être dévié dans le dispositif de filtration magnétique. Les modèles théoriques couramment utilisés aujourd'hui sont le modèle de flux de Morozov et le modèle de rotor rigide de Davidson, qui ont la caractéristique commune suivante : il existe un champ magnétique qui fait se déplacer les électrons de manière strictement hélicoïdale.
L'intensité du champ magnétique guidant le mouvement axial du plasma dans le dispositif de filtration magnétique doit être telle que :

Mi, Vo et Z sont respectivement la masse de l'ion, la vitesse de transport et le nombre de charges transportées. a est le diamètre intérieur du filtre magnétique et e est la charge de l'électron.
Il convient de noter que certains ions de plus haute énergie ne peuvent pas être entièrement liés par le faisceau d'électrons. Ils peuvent atteindre la paroi interne du filtre magnétique, ce qui porte celle-ci à un potentiel positif, ce qui empêche les ions de continuer à l'atteindre et réduit la perte de plasma.
Selon ce phénomène, une pression de polarisation positive appropriée peut être appliquée à la paroi du dispositif de filtre magnétique pour inhiber la collision des ions afin d'améliorer l'efficacité du transport des ions cibles.

Classification des dispositifs de filtration magnétique
(1) Structure linéaire. Le champ magnétique guide le flux du faisceau ionique, réduisant la taille du spot cathodique et la proportion d'agrégats de particules macroscopiques, tout en intensifiant les collisions au sein du plasma, favorisant la conversion des particules neutres en ions et réduisant le nombre d'agrégats de particules macroscopiques, ainsi que le nombre de grosses particules à mesure que l'intensité du champ magnétique augmente. Comparé à la méthode classique de revêtement ionique multi-arc, ce dispositif structuré compense la baisse significative d'efficacité causée par d'autres méthodes et assure un taux de dépôt de film pratiquement constant tout en réduisant le nombre de grosses particules d'environ 60 %.
(2) Structure courbe. Bien que la structure présente diverses formes, le principe de base reste le même. Le plasma se déplace sous l'action combinée d'un champ magnétique et d'un champ électrique, ce dernier servant à confiner et à contrôler le plasma sans dévier le mouvement selon les lignes de force magnétique. Les particules non chargées se déplacent linéairement et sont séparées. Les films obtenus grâce à ce dispositif structural présentent une dureté élevée, une faible rugosité de surface, une bonne densité, une granulométrie uniforme et une forte adhérence au support. L'analyse XPS montre que la dureté de surface des films de ta-C revêtus de ce type de dispositif peut atteindre 56 GPa. Ce dispositif à structure courbe est donc la méthode la plus répandue et la plus efficace pour l'élimination des grosses particules, mais l'efficacité du transport des ions cibles doit encore être améliorée. Le dispositif de filtration magnétique à courbure de 90° est l'un des dispositifs à structure courbe les plus utilisés. Des expériences sur le profil de surface des films de Ta-C montrent que le profil de surface d'un dispositif de filtration magnétique à courbure de 360° diffère peu de celui d'un dispositif de filtration magnétique à courbure de 90°. L'efficacité de la filtration magnétique à courbure de 90° est donc pratiquement assurée pour les grosses particules. Ce dispositif se compose principalement de deux types de structures : un solénoïde à courbure placé dans la chambre à vide et un autre placé hors de la chambre à vide. La pression de service du dispositif de filtration magnétique à courbure de 90° est de l'ordre de 10-2 Pa et il peut être utilisé dans une large gamme d'applications, telles que le revêtement de nitrure, d'oxyde, de carbone amorphe, de films semi-conducteurs et de films métalliques ou non métalliques.

L'efficacité du dispositif de filtration magnétique
Comme toutes les grosses particules ne perdent pas d'énergie cinétique lors de collisions continues avec la paroi, un certain nombre d'entre elles atteignent le substrat par la sortie du tube. Par conséquent, un dispositif de filtration magnétique long et étroit présente une meilleure efficacité de filtration des grosses particules, mais augmente la perte d'ions cibles et, parallèlement, la complexité de la structure. Par conséquent, garantir une excellente élimination des grosses particules et une efficacité de transport ionique élevée est une condition préalable indispensable pour que la technologie de revêtement ionique multi-arcs puisse s'appliquer largement au dépôt de couches minces hautes performances. Le fonctionnement du dispositif de filtration magnétique est influencé par l'intensité du champ magnétique, la polarisation de courbure, l'ouverture du déflecteur mécanique, le courant de la source d'arc et l'angle d'incidence des particules chargées. Un réglage judicieux des paramètres du dispositif de filtration magnétique permet d'améliorer efficacement l'efficacité de filtration des grosses particules et le transfert ionique de la cible.