Tecnologia di filtrazione magnetica

Teoria di base del dispositivo di filtrazione magnetica
Il meccanismo di filtraggio del dispositivo di filtraggio magnetico per particelle di grandi dimensioni nel fascio di plasma è il seguente:
Utilizzando la differenza tra plasma e particelle di grandi dimensioni in termini di carica e rapporto carica/massa, si crea una "barriera" (un deflettore o una parete curva del tubo) tra il substrato e la superficie del catodo, che blocca tutte le particelle che si muovono in linea retta tra il catodo e il substrato, mentre gli ioni possono essere deviati dal campo magnetico e passare attraverso la "barriera" fino al substrato.

Principio di funzionamento del dispositivo di filtrazione magnetica

Nel campo magnetico, Pe<

Pe e Pi sono rispettivamente i raggi di Larmor di elettroni e ioni, mentre a è il diametro interno del filtro magnetico. Gli elettroni nel plasma sono influenzati dalla forza di Lorentz e ruotano lungo il campo magnetico assialmente, mentre il campo magnetico ha un effetto minore sull'aggregazione degli ioni a causa della differenza tra ioni ed elettroni nel raggio di Larmor. Tuttavia, quando gli elettroni si muovono lungo l'asse del dispositivo di filtro magnetico, attrarranno gli ioni lungo l'asse per il moto rotatorio a causa del suo fuoco e del forte campo elettrico negativo, e la velocità degli elettroni è maggiore di quella degli ioni, quindi l'elettrone trascina costantemente lo ione in avanti, mentre il plasma rimane sempre quasi elettricamente neutro. Le particelle più grandi sono elettricamente neutre o leggermente cariche negativamente, e la loro qualità è molto maggiore rispetto a quella degli ioni e degli elettroni, sostanzialmente non influenzate dal campo magnetico e dal moto lineare lungo l'inerzia, e verranno filtrate dopo la collisione con la parete interna del dispositivo.
Grazie alla funzione combinata della curvatura del campo magnetico, della deriva del gradiente e delle collisioni ioni-elettroni, il plasma può essere deviato nel dispositivo di filtrazione magnetica. I modelli teorici più comunemente utilizzati oggi sono il modello di flusso di Morozov e il modello di rotore rigido di Davidson, che hanno la seguente caratteristica comune: la presenza di un campo magnetico che fa muovere gli elettroni in modo strettamente elicoidale.
L'intensità del campo magnetico che guida il movimento assiale del plasma nel dispositivo di filtrazione magnetica deve essere tale che:

Mi, Vo e Z sono rispettivamente la massa dello ione, la velocità di trasporto e il numero di cariche trasportate. a è il diametro interno del filtro magnetico ed e è la carica dell'elettrone.
È importante notare che alcuni ioni ad alta energia non possono essere completamente trattenuti dal fascio di elettroni. Possono raggiungere la parete interna del filtro magnetico, portandola a un potenziale positivo, che a sua volta impedisce agli ioni di continuare a raggiungerla e riduce la perdita di plasma.
Grazie a questo fenomeno, è possibile applicare un'adeguata pressione di polarizzazione positiva alla parete del dispositivo del filtro magnetico per inibire la collisione degli ioni e migliorare l'efficienza del trasporto degli ioni bersaglio.

Classificazione del dispositivo di filtrazione magnetica
(1) Struttura lineare. Il campo magnetico funge da guida per il flusso del fascio ionico, riducendo le dimensioni del catodo e la proporzione di cluster di particelle macroscopiche, intensificando al contempo le collisioni all'interno del plasma, inducendo la conversione di particelle neutre in ioni e riducendo il numero di cluster di particelle macroscopiche, e riducendo rapidamente il numero di particelle di grandi dimensioni all'aumentare dell'intensità del campo magnetico. Rispetto al metodo convenzionale di rivestimento ionico multi-arco, questo dispositivo strutturato supera la significativa riduzione di efficienza causata da altri metodi e può garantire una velocità di deposizione del film sostanzialmente costante, riducendo al contempo il numero di particelle di grandi dimensioni di circa il 60%.
(2) Struttura di tipo curvo. Sebbene la struttura abbia varie forme, il principio di base è lo stesso. Il plasma si muove sotto la funzione combinata del campo magnetico e del campo elettrico, e il campo magnetico viene utilizzato per confinare e controllare il plasma senza deviare il movimento lungo la direzione delle linee di forza magnetiche. Le particelle non cariche si muoveranno lungo la linea e saranno separate. I film preparati con questo dispositivo strutturale presentano elevata durezza, bassa rugosità superficiale, buona densità, granulometria uniforme e forte adesione alla base del film. L'analisi XPS mostra che la durezza superficiale dei film di ta-C rivestiti con questo tipo di dispositivo può raggiungere 56 GPa, pertanto il dispositivo a struttura curva è il metodo più ampiamente utilizzato ed efficace per la rimozione di particelle di grandi dimensioni, ma l'efficienza del trasporto ionico target deve essere ulteriormente migliorata. Il dispositivo di filtrazione magnetica a curvatura di 90° è uno dei dispositivi a struttura curva più utilizzati. Esperimenti sul profilo superficiale dei film di Ta-C mostrano che il profilo superficiale del dispositivo di filtrazione magnetica a curvatura a 360° non varia di molto rispetto a quello del dispositivo di filtrazione magnetica a curvatura a 90°, quindi l'effetto della filtrazione magnetica a curvatura a 90° per particelle di grandi dimensioni può essere sostanzialmente ottenuto. Il dispositivo di filtrazione magnetica a curvatura a 90° presenta principalmente due tipi di strutture: una è un solenoide a curvatura posizionato nella camera a vuoto e l'altra è posizionata all'esterno della camera a vuoto, e la differenza tra i due risiede solo nella struttura. La pressione di esercizio del dispositivo di filtrazione magnetica a curvatura a 90° è dell'ordine di 10-2 Pa e può essere utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni, come il rivestimento di nitruro, ossido, carbonio amorfo, film semiconduttori e film metallici o non metallici.

L'efficienza del dispositivo di filtrazione magnetica
Poiché non tutte le particelle di grandi dimensioni possono perdere energia cinetica in collisioni continue con la parete, un certo numero di particelle di grandi dimensioni raggiungerà il substrato attraverso l'uscita del tubo. Pertanto, un dispositivo di filtrazione magnetica lungo e stretto ha una maggiore efficienza di filtrazione delle particelle di grandi dimensioni, ma aumenterà la perdita di ioni target e allo stesso tempo aumenterà la complessità della struttura. Pertanto, garantire che il dispositivo di filtrazione magnetica abbia un'eccellente rimozione delle particelle di grandi dimensioni e un'elevata efficienza di trasporto ionico è un prerequisito necessario affinché la tecnologia di rivestimento ionico multi-arco abbia un'ampia prospettiva di applicazione nella deposizione di film sottili ad alte prestazioni. Il funzionamento del dispositivo di filtrazione magnetica è influenzato dall'intensità del campo magnetico, dalla polarizzazione di curvatura, dall'apertura del deflettore meccanico, dalla corrente della sorgente d'arco e dall'angolo di incidenza delle particelle cariche. Impostando parametri ragionevoli del dispositivo di filtrazione magnetica, l'effetto di filtrazione delle particelle di grandi dimensioni e l'efficienza di trasferimento ionico del target possono essere efficacemente migliorati.