Tecnoloxía de filtración magnética

Teoría básica do dispositivo de filtración magnética
O mecanismo de filtrado do dispositivo de filtrado magnético para partículas grandes no feixe de plasma é o seguinte:
Usando a diferenza entre o plasma e as partículas grandes na carga e na relación carga-masa, existe unha "barreira" (xa sexa un deflector ou unha parede de tubo curva) que se coloca entre o substrato e a superficie do cátodo, que bloquea calquera partícula que se mova en liña recta entre o cátodo e o substrato, mentres que os ións poden ser desviados polo campo magnético e pasar a través da "barreira" cara ao substrato.

Principio de funcionamento do dispositivo de filtración magnética

No campo magnético, Pe<

Pe e Pi son os raios de Larmor dos electróns e dos ións respectivamente, e a é o diámetro interior do filtro magnético. Os electróns do plasma vense afectados pola forza de Lorentz e xiran axialmente ao longo do campo magnético, mentres que o campo magnético ten menos efecto na agrupación dos ións debido á diferenza entre os ións e os electróns no raio de Larmor. Non obstante, cando o movemento dos electróns se produce ao longo do eixe do dispositivo de filtro magnético, este atraerá os ións ao longo do axial para o movemento de rotación debido ao seu foco e ao forte campo eléctrico negativo, e a velocidade dos electróns é maior que a do ión, polo que o electrón tira constantemente do ión cara adiante, mentres que o plasma sempre permanece cuasi-electricamente neutro. As partículas grandes son electricamente neutras ou lixeiramente cargadas negativamente, e a súa calidade é moito maior que a dos ións e electróns, basicamente non se ven afectadas polo campo magnético e o movemento lineal ao longo da inercia, e serán filtradas despois da colisión coa parede interior do dispositivo.
Baixo a función combinada da curvatura do campo magnético de flexión e a deriva do gradiente e as colisións ión-electrón, o plasma pode desviarse no dispositivo de filtración magnética. Os modelos teóricos comúns que se empregan hoxe en día son o modelo de fluxo de Morozov e o modelo de rotor ríxido de Davidson, que teñen a seguinte característica común: existe un campo magnético que fai que os electróns se movan de maneira estritamente helicoidal.
A intensidade do campo magnético que guía o movemento axial do plasma no dispositivo de filtración magnética debe ser tal que:

Mi, Vo e Z son a masa dos ións, a velocidade de transporte e o número de cargas transportadas, respectivamente. a é o diámetro interior do filtro magnético e e é a carga do electrón.
Cómpre sinalar que algúns ións de maior enerxía non poden ser completamente unidos polo feixe de electróns. Poden alcanzar a parede interior do filtro magnético, facendo que a parede interior teña un potencial positivo, o que á súa vez impide que os ións sigan chegando á parede interior e reduce a perda de plasma.
Segundo este fenómeno, pódese aplicar unha presión de polarización positiva axeitada á parede do dispositivo de filtro magnético para inhibir a colisión de ións e mellorar a eficiencia do transporte de ións obxectivo.

Clasificación dos dispositivos de filtración magnética
(1) Estrutura lineal. O campo magnético actúa como guía para o fluxo do feixe de ións, reducindo o tamaño do punto catódico e a proporción de clústeres de partículas macroscópicas, ao tempo que intensifica as colisións dentro do plasma, o que provoca a conversión de partículas neutras en ións e reduce o número de clústeres de partículas macroscópicas, e reduce rapidamente o número de partículas grandes a medida que aumenta a intensidade do campo magnético. En comparación co método convencional de revestimento de ións multiarco, este dispositivo estruturado supera a redución significativa da eficiencia causada por outros métodos e pode garantir unha taxa de deposición de película esencialmente constante, ao tempo que reduce o número de partículas grandes nun 60 % aproximadamente.
(2) Estrutura de tipo curva. Aínda que a estrutura ten varias formas, o principio básico é o mesmo. O plasma móvese baixo a función combinada do campo magnético e o campo eléctrico, e o campo magnético úsase para confinar e controlar o plasma sen desviar o movemento ao longo da dirección das liñas de forza magnética. E as partículas sen carga moveranse ao longo da liña e separaranse. As películas preparadas por este dispositivo estrutural teñen alta dureza, baixa rugosidade superficial, boa densidade, tamaño de gran uniforme e forte adhesión da base da película. A análise XPS mostra que a dureza superficial das películas de ta-C revestidas con este tipo de dispositivo pode alcanzar os 56 GPa, polo que o dispositivo de estrutura curva é o método máis utilizado e eficaz para a eliminación de partículas grandes, pero a eficiencia do transporte de ións obxectivo necesita mellorarse aínda máis. O dispositivo de filtración magnética con curva de 90° é un dos dispositivos de estrutura curva máis utilizados. Os experimentos no perfil superficial das películas de Ta-C mostran que o perfil superficial do dispositivo de filtración magnética con curva de 360° non cambia moito en comparación co dispositivo de filtración magnética con curva de 90°, polo que o efecto da filtración magnética con curva de 90° para partículas grandes pódese conseguir basicamente. O dispositivo de filtración magnética con curva de 90° ten principalmente dous tipos de estruturas: unha é un solenoide de curva colocado na cámara de baleiro e a outra colócase fóra da cámara de baleiro, e a diferenza entre elas reside só na estrutura. A presión de traballo do dispositivo de filtración magnética con curva de 90° é da orde de 10-2 Pa e pódese usar nunha ampla gama de aplicacións, como o revestimento de nitruros, óxidos, carbono amorfo, películas semicondutoras e películas metálicas ou non metálicas.

A eficiencia do dispositivo de filtración magnética
Dado que non todas as partículas grandes poden perder enerxía cinética en colisións continuas coa parede, un certo número de partículas grandes chegarán ao substrato a través da saída do tubo. Polo tanto, un dispositivo de filtración magnética longo e estreito ten unha maior eficiencia de filtración de partículas grandes, pero neste momento aumentará a perda de ións obxectivo e ao mesmo tempo aumentará a complexidade da estrutura. Polo tanto, garantir que o dispositivo de filtración magnética teña unha excelente eliminación de partículas grandes e unha alta eficiencia de transporte de ións é un requisito previo necesario para que a tecnoloxía de revestimento de ións multiarco teña unha ampla perspectiva de aplicación na deposición de películas delgadas de alto rendemento. O funcionamento do dispositivo de filtración magnética vese afectado pola intensidade do campo magnético, a polarización de curvatura, a apertura do deflector mecánico, a corrente da fonte de arco e o ángulo de incidencia das partículas cargadas. Ao establecer parámetros razoables do dispositivo de filtración magnética, o efecto de filtrado de partículas grandes e a eficiencia de transferencia de ións do obxectivo pódense mellorar eficazmente.