Teoria básica do dispositivo de filtração magnética
O mecanismo de filtragem do dispositivo de filtragem magnética para partículas grandes no feixe de plasma é o seguinte:
Utilizando a diferença entre o plasma e as partículas grandes em termos de carga e relação carga/massa, existe uma "barreira" (seja um defletor ou a parede curva de um tubo) 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 através da "barreira" até 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 raios de Larmor dos íons e elétrons. No entanto, quando os elétrons se movem ao longo do eixo do dispositivo de filtro magnético, eles atraem os íons axialmente, exercendo movimento rotacional devido ao seu foco e ao forte campo elétrico negativo. Como a velocidade dos elétrons é maior que a dos íons, eles os puxam constantemente para frente, enquanto o plasma permanece quase eletricamente neutro. As partículas maiores são eletricamente neutras ou ligeiramente carregadas negativamente, e sua massa é muito maior que a dos íons e elétrons, praticamente não sendo afetadas pelo campo magnético e movendo-se linearmente devido à inércia, sendo filtradas após colidirem com a parede interna do dispositivo.
Sob a ação combinada da curvatura do campo magnético, da deriva do gradiente e das colisões íon-elétron, o plasma pode ser desviado no dispositivo de filtragem magnética. Os modelos teóricos mais comuns atualmente são o modelo de fluxo de Morozov e o modelo de rotor rígido de Davidson, que têm em comum a seguinte característica: a presença de um campo magnético que faz com que os elétrons se movam de maneira estritamente helicoidal.
A intensidade do campo magnético que guia o movimento axial do plasma no dispositivo de filtração magnética deve ser tal que:
Mi, Vo e Z representam, respectivamente, a massa do íon, a velocidade de transporte e o número de cargas transportadas. a é o diâmetro interno do filtro magnético e e é a carga do elétron.
Deve-se notar que alguns íons de alta energia não podem ser totalmente ligados pelo feixe de elétrons. Eles podem atingir a parede interna do filtro magnético, criando um potencial positivo nessa parede, 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 adequada pode ser aplicada à parede do dispositivo de filtro magnético para inibir a colisão de íons e, assim, melhorar a eficiência do transporte de íons no alvo.
Classificação de dispositivos de filtração 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 que intensifica as colisões dentro do plasma, promovendo a conversão de partículas neutras em íons e reduzindo o número de aglomerados de partículas macroscópicas, e reduzindo rapidamente o número de partículas grandes à medida que a intensidade do campo magnético aumenta. Comparado com o método convencional de revestimento iônico por múltiplos arcos, este dispositivo estruturado supera a significativa redução 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 apresente diversas formas, o princípio básico é o mesmo. O plasma se move sob a ação combinada de campos magnéticos e elétricos, sendo o campo magnético utilizado para confinar e controlar o plasma, evitando seu movimento de deflexão ao longo da direção das linhas de força magnética. Assim, as partículas não carregadas se movem linearmente e são separadas. Os filmes preparados por este dispositivo estrutural apresentam 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 atingir 56 GPa. Portanto, o dispositivo de estrutura curva é o método mais amplamente utilizado e eficaz para a remoção de partículas grandes, porém a eficiência do transporte de íons alvo precisa ser aprimorada. O dispositivo de filtração magnética com curvatura de 90° é um dos dispositivos de estrutura curva mais utilizados. Experimentos sobre o perfil da superfície de filmes de Ta-C mostram que o perfil da superfície do dispositivo de filtração magnética com curvatura de 360° não se altera significativamente em comparação com o dispositivo de filtração magnética com curvatura de 90°, de modo que o efeito da filtração magnética com curvatura de 90° para partículas grandes pode ser basicamente alcançado. O dispositivo de filtração magnética com curvatura de 90° possui principalmente duas estruturas: uma com um solenóide de curvatura posicionado dentro da câmara de vácuo e outra com um solenóide posicionado fora da câmara de vácuo, sendo a única diferença entre elas a estrutura. A pressão de trabalho do dispositivo de filtração magnética com curvatura de 90° é da ordem de 10⁻² Pa, podendo ser utilizado 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 filtração magnética
Como nem todas as partículas grandes conseguem perder energia cinética em colisões contínuas com a parede, uma certa quantidade delas atingirá o substrato através da saída do tubo. Portanto, um dispositivo de filtração magnética longo e estreito apresenta maior eficiência na filtragem de partículas grandes, porém, ao mesmo tempo, aumenta a perda de íons do alvo e a complexidade da estrutura. Assim, garantir que o dispositivo de filtração magnética tenha excelente remoção de partículas grandes e alta eficiência no transporte de íons é um pré-requisito necessário para que a tecnologia de revestimento iônico por arco múltiplo tenha ampla aplicação na deposição de filmes finos de alto desempenho. O funcionamento do dispositivo de filtração magnética é influenciado pela intensidade do campo magnético, pela curvatura, pela abertura do defletor mecânico, pela corrente da fonte de arco e pelo ângulo de incidência das partículas carregadas. Ao ajustar parâmetros adequados para o dispositivo de filtração magnética, é possível melhorar significativamente a filtragem de partículas grandes e a eficiência de transferência de íons do alvo.
Data da publicação: 08/11/2022