Tecnologia di filtrazione magnetica

Principi 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:
Sfruttando la differenza di carica e di rapporto carica/massa tra il plasma e le particelle di grandi dimensioni, si interpone una "barriera" (un deflettore o la parete curva di un tubo) tra il substrato e la superficie del catodo, che blocca le particelle che si muovono in linea retta tra il catodo e il substrato, mentre gli ioni possono essere deviati dal campo magnetico e attraversare la "barriera" per raggiungere il substrato.

Principio di funzionamento del dispositivo di filtrazione magnetica

Nel campo magnetico, Pe<

Pe e Pi sono rispettivamente i raggi di Larmor degli elettroni e degli ioni, e a è il diametro interno del filtro magnetico. Gli elettroni nel plasma sono influenzati dalla forza di Lorentz e ruotano lungo l'asse del campo magnetico, mentre il campo magnetico ha un effetto minore sull'aggregazione degli ioni a causa della differenza tra i raggi di Larmor degli ioni e degli elettroni. Tuttavia, quando gli elettroni si muovono lungo l'asse del dispositivo di filtraggio magnetico, attraggono gli ioni lungo l'asse per un moto rotatorio dovuto alla loro focalizzazione e al forte campo elettrico negativo, e la velocità degli elettroni è maggiore di quella degli ioni, quindi gli elettroni trascinano costantemente gli ioni in avanti, mentre il plasma rimane sempre quasi elettricamente neutro. Le particelle di grandi dimensioni sono elettricamente neutre o leggermente caricate negativamente, e la loro massa è molto maggiore di quella degli ioni e degli elettroni, non sono sostanzialmente influenzate dal campo magnetico e dal moto lineare lungo l'inerzia, e vengono filtrate dopo la collisione con la parete interna del dispositivo.
Sotto l'azione combinata della curvatura del campo magnetico, della deriva di gradiente e delle collisioni ione-elettrone, il plasma può essere deviato nel dispositivo di filtrazione magnetica. I modelli teorici comunemente utilizzati oggi sono il modello di flusso di Morozov e il modello a rotore rigido di Davidson, che hanno la seguente caratteristica comune: esiste 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 rappresentano 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.
Va notato che alcuni ioni ad alta energia non possono essere completamente legati dal fascio di elettroni. Possono raggiungere la parete interna del filtro magnetico, creando un potenziale positivo su quest'ultima, il che a sua volta impedisce agli ioni di proseguire verso la parete interna e riduce la perdita di plasma.
In base a questo fenomeno, è possibile applicare un'opportuna pressione di polarizzazione positiva alla parete del dispositivo di filtraggio magnetico per inibire la collisione degli ioni e migliorare l'efficienza del trasporto degli ioni target.

Classificazione dei dispositivi di filtrazione magnetica
(1) Struttura lineare. Il campo magnetico agisce da guida per il flusso del fascio ionico, riducendo le dimensioni del punto catodico e la proporzione di cluster di particelle macroscopiche, intensificando al contempo le collisioni all'interno del plasma, favorendo la conversione delle 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 a curva. 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 magnetica. E le particelle non cariche si muoveranno lungo la linea e verranno separate. I film preparati con questo dispositivo strutturale hanno elevata durezza, bassa rugosità superficiale, buona densità, dimensione uniforme dei grani 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, quindi 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 90° è uno dei dispositivi a struttura curva più ampiamente utilizzati. Esperimenti sul profilo superficiale di film di Ta-C mostrano che il profilo superficiale del dispositivo di filtrazione magnetica a 360° non cambia molto rispetto al dispositivo di filtrazione magnetica a 90°, quindi l'effetto della filtrazione magnetica a 90° per particelle di grandi dimensioni può essere sostanzialmente ottenuto. Il dispositivo di filtrazione magnetica a 90° ha principalmente due tipi di struttura: uno è un solenoide curvo posizionato nella camera a vuoto e l'altro è posizionato all'esterno della camera a vuoto, la differenza tra i due è solo nella struttura. La pressione di lavoro del dispositivo di filtrazione magnetica a 90° è dell'ordine di 10⁻² Pa e può essere utilizzato in una vasta gamma di applicazioni, come il rivestimento di nitruri, ossidi, 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 nelle continue collisioni 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 presenta una maggiore efficienza di filtrazione delle particelle di grandi dimensioni, ma in questo caso aumenterà la perdita di ioni target e allo stesso tempo la complessità della struttura. Di conseguenza, 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 ampie prospettive 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 ad arco e dall'angolo di incidenza delle particelle cariche. Impostando parametri appropriati del dispositivo di filtrazione magnetica, è possibile migliorare efficacemente l'effetto di filtraggio delle particelle di grandi dimensioni e l'efficienza di trasferimento ionico del target.