Tecnologia de filtragem magnética

Teoria básica do dispositivo de filtragem magnética
O mecanismo de filtragem do dispositivo de filtragem magnética para partículas grandes no feixe de plasma é o seguinte:
Usando a diferença entre o plasma e as partículas grandes em carga e na razão carga-massa, há uma “barreira” (um defletor ou uma parede de tubo curva) colocada entre o substrato e a superfície do cátodo, que bloqueia quaisquer partículas que se movam em linha reta entre o cátodo e o substrato, enquanto os íons podem ser desviados pelo campo magnético e passar pela “barreira” para o substrato.

Princípio de funcionamento do dispositivo de filtragem magnética

No campo magnético, Pe<

Pe e Pi são os raios de Larmor dos elétrons e íons, respectivamente, e a é o diâmetro interno do filtro magnético. Os elétrons no plasma são afetados pela força de Lorentz e giram axialmente ao longo do campo magnético, enquanto o campo magnético tem menos efeito no agrupamento dos íons devido à diferença entre os íons e os elétrons no raio de Larmor. No entanto, quando o elétron se move ao longo do eixo do dispositivo de filtro magnético, ele atrairá íons ao longo do eixo para o movimento rotacional devido ao seu foco e ao forte campo elétrico negativo, e a velocidade do elétron é maior que a do íon, de modo que o elétron puxa constantemente o íon para frente, enquanto o plasma sempre permanece quase eletricamente neutro. As partículas grandes são eletricamente neutras ou ligeiramente carregadas negativamente, e a qualidade é muito maior do que a dos íons e elétrons, basicamente não afetadas pelo campo magnético e pelo movimento linear ao longo da inércia, e serão filtradas após a colisão com a parede interna do dispositivo.
Sob a função combinada da curvatura do campo magnético de flexão, da deriva do gradiente e das colisões íon-elétron, o plasma pode ser desviado no dispositivo de filtragem magnética. Os modelos teóricos comuns utilizados atualmente são o modelo de fluxo de Morozov e o modelo de rotor rígido de Davidson, que apresentam a seguinte característica em comum: existe um campo magnético que faz com que os elétrons se movam de forma estritamente helicoidal.
A intensidade do campo magnético que guia o movimento axial do plasma no dispositivo de filtragem magnética deve ser tal que:

Mi, Vo e Z são a massa do íon, a velocidade de transporte e o número de cargas transportadas, respectivamente. a é o diâmetro interno do filtro magnético e e é a carga do elétron.
Deve-se notar que alguns íons de energia mais alta não podem ser totalmente retido pelo feixe de elétrons. Eles podem atingir a parede interna do filtro magnético, deixando-a com um potencial positivo, o que, por sua vez, impede que os íons continuem a atingir a parede interna e reduz a perda de plasma.
De acordo com esse fenômeno, uma pressão de polarização positiva apropriada pode ser aplicada à parede do dispositivo de filtro magnético para inibir a colisão de íons e melhorar a eficiência do transporte de íons alvo.

Classificação do dispositivo de filtragem magnética
(1) Estrutura linear. O campo magnético atua como um guia para o fluxo do feixe de íons, reduzindo o tamanho do ponto catódico e a proporção de aglomerados de partículas macroscópicas, ao mesmo tempo em que intensifica as colisões dentro do plasma, promovendo a conversão de partículas neutras em íons e reduzindo o número de aglomerados de partículas macroscópicas, reduzindo rapidamente o número de partículas grandes à medida que a intensidade do campo magnético aumenta. Comparado ao método convencional de revestimento iônico multiarco, este dispositivo estruturado supera a redução significativa na eficiência causada por outros métodos e pode garantir uma taxa de deposição de filme essencialmente constante, reduzindo o número de partículas grandes em cerca de 60%.
(2) Estrutura do tipo curva. Embora a estrutura tenha várias formas, o princípio básico é o mesmo. O plasma se move sob a função combinada de campo magnético e campo elétrico, e o campo magnético é usado para confinar e controlar o plasma sem desviar o movimento ao longo da direção das linhas de força magnética. E as partículas sem carga se moverão ao longo da linha e serão separadas. Os filmes preparados por este dispositivo estrutural têm alta dureza, baixa rugosidade superficial, boa densidade, tamanho de grão uniforme e forte adesão à base do filme. A análise XPS mostra que a dureza superficial dos filmes de ta-C revestidos com este tipo de dispositivo pode chegar a 56 GPa, portanto, o dispositivo de estrutura curva é o método mais amplamente utilizado e eficaz para a remoção de partículas grandes, mas a eficiência do transporte de íons alvo precisa ser ainda mais aprimorada. O dispositivo de filtragem magnética com curva de 90° é um dos dispositivos de estrutura curva mais amplamente utilizados. Experimentos sobre o perfil de superfície de filmes de Ta-C mostram que o perfil de superfície do dispositivo de filtragem magnética de curvatura de 360° não muda muito em comparação com o dispositivo de filtragem magnética de curvatura de 90°, portanto, o efeito da filtragem magnética de curvatura de 90° para partículas grandes pode ser basicamente alcançado. O dispositivo de filtragem magnética de curvatura de 90° possui principalmente dois tipos de estrutura: um é um solenoide de curvatura colocado na câmara de vácuo e o outro é colocado fora da câmara de vácuo, e a diferença entre eles está apenas na estrutura. A pressão de trabalho do dispositivo de filtragem magnética de curvatura de 90° é da ordem de 10-2 Pa, e pode ser usado em uma ampla gama de aplicações, como revestimento de nitreto, óxido, carbono amorfo, filmes semicondutores e filmes metálicos ou não metálicos.

A eficiência do dispositivo de filtragem magnética
Como nem todas as partículas grandes perdem energia cinética em colisões contínuas com a parede, um certo número de partículas grandes atingirá o substrato através da saída do tubo. Portanto, um dispositivo de filtragem magnética longo e estreito tem uma maior eficiência de filtragem de partículas grandes, mas, nesse momento, aumentará a perda de íons alvo e, ao mesmo tempo, aumentará a complexidade da estrutura. Portanto, garantir que o dispositivo de filtragem magnética tenha excelente remoção de partículas grandes e alta eficiência de transporte de íons é um pré-requisito necessário para que a tecnologia de revestimento iônico multiarco tenha ampla perspectiva de aplicação na deposição de filmes finos de alto desempenho. A operação do dispositivo de filtragem magnética é afetada pela intensidade do campo magnético, polarização de curvatura, abertura do defletor mecânico, corrente da fonte de arco e ângulo de incidência de partículas carregadas. Ao definir parâmetros razoáveis ​​do dispositivo de filtragem magnética, o efeito de filtragem de partículas grandes e a eficiência de transferência de íons do alvo podem ser efetivamente melhorados.