technologie de filtration magnétique

Théorie de base d'un 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, une « barrière » (soit un déflecteur, soit une paroi de tube incurvée) est placée entre le substrat et la surface de la cathode, bloquant ainsi le passage de 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 » pour atteindre le substrat.

Principe de fonctionnement d'un 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 soumis à la force de Lorentz et leur rotation s'effectue axialement le long du champ magnétique. En revanche, le champ magnétique a moins d'influence sur l'agrégation des ions, du fait 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 par rotation axiale, du fait de leur focalisation et du champ électrique négatif intense. La vitesse des électrons étant supérieure à celle des ions, ils entraînent constamment les ions vers l'avant, tandis que le plasma reste quasi électriquement neutre. Les particules de grande taille sont électriquement neutres ou légèrement chargées négativement. Leur masse est bien supérieure à celle des ions et des électrons ; elles ne sont donc pratiquement pas affectées par le champ magnétique ni par leur mouvement linéaire d'inertie et sont filtrées après collision avec la paroi interne du dispositif.
Sous l'effet combiné de la courbure du champ magnétique, de la dérive par gradient et des collisions ion-électron, 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 du rotor rigide de Davidson, qui ont en commun la présence d'un champ magnétique contraignant les électrons à se déplacer selon une trajectoire 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 représentent respectivement la masse de l'ion, sa 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 haute énergie ne peuvent être entièrement capturés par le faisceau d'électrons. Ils peuvent atteindre la paroi interne du filtre magnétique, créant ainsi un potentiel positif sur cette paroi. Ce potentiel positif empêche les ions de poursuivre leur progression vers la paroi interne et réduit les pertes 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 et améliorer ainsi l'efficacité du transport des ions cibles.

Classification des dispositifs de filtration magnétique
(1) Structure linéaire. Le champ magnétique guide le faisceau d'ions, réduisant la taille de la tache cathodique et la proportion d'amas de particules macroscopiques, tout en intensifiant les collisions au sein du plasma. Ceci favorise la conversion des particules neutres en ions et diminue le nombre d'amas de particules macroscopiques, ainsi que le nombre de grosses particules, à mesure que l'intensité du champ magnétique augmente. Comparé à la méthode conventionnelle de revêtement ionique multi-arcs, ce dispositif structuré surmonte la perte d'efficacité significative induite par d'autres méthodes et garantit un taux de dépôt de film quasi constant, tout en réduisant d'environ 60 % le nombre de grosses particules.
(2) Structure incurvée. Bien que cette structure présente diverses formes, son principe de base reste le même. Le plasma se déplace sous l'effet combiné d'un champ magnétique et d'un champ électrique. Le champ magnétique permet de confiner et de contrôler le plasma sans dévier son mouvement le long des lignes de force magnétique. Les particules non chargées se déplacent alors linéairement et sont séparées. Les films obtenus grâce à ce dispositif 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 superficielle des films de Ta-C revêtus de ce type de dispositif peut atteindre 56 GPa. Ainsi, le dispositif à structure incurvée est 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 coude à 90° est l'un des dispositifs à structure incurvée les plus utilisés. Des expériences sur le profil de surface des films de Ta-C montrent que celui du dispositif à coude à 360° est très proche de celui du dispositif à coude à 90°. L'efficacité de la filtration magnétique à coude à 90° pour les grosses particules est donc globalement atteinte. Le dispositif de filtration magnétique à coude à 90° présente principalement deux configurations : l’une avec un solénoïde coudé placé dans la chambre à vide, l’autre avec un solénoïde placé à l’extérieur de celle-ci. La différence entre les deux réside uniquement dans leur structure. Ce dispositif fonctionne sous une pression de l’ordre de 10⁻² Pa et trouve des applications dans de nombreux domaines, tels que le dépôt de nitrures, d’oxydes, 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 leur énergie cinétique lors de collisions répétées avec la paroi, certaines atteignent le substrat par la sortie du tube. Par conséquent, un dispositif de filtration magnétique long et étroit offre une meilleure efficacité de filtration des grosses particules, mais augmente la perte d'ions cibles et la complexité de la structure. Ainsi, garantir une excellente élimination des grosses particules et un transport ionique efficace est une condition essentielle pour que la technologie de revêtement ionique multi-arc puisse être largement utilisée dans le 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. En paramétrant correctement le dispositif de filtration magnétique, il est possible d'améliorer efficacement la filtration des grosses particules et le transfert d'ions vers la cible.