Teoria de bază a dispozitivului de filtrare magnetică
Mecanismul de filtrare al dispozitivului de filtrare magnetică pentru particulele mari din fasciculul de plasmă este următorul:
Folosind diferența dintre sarcină și particule mari și raportul sarcină-masă, există o „barieră” (fie un deflector, fie un perete curbat al tubului) plasată între substrat și suprafața catodului, care blochează orice particule care se mișcă în linie dreaptă între catod și substrat, în timp ce ionii pot fi deviați de câmpul magnetic și pot trece prin „barieră” către substrat.
Principiul de funcționare al dispozitivului de filtrare magnetică
În câmpul magnetic, Pe<
Pe și Pi sunt razele Larmor ale electronilor și respectiv ionilor, iar a este diametrul interior al filtrului magnetic. Electronii din plasmă sunt afectați de forța Lorentz și se rotesc axial de-a lungul câmpului magnetic, în timp ce câmpul magnetic are un efect mai mic asupra aglomerării ionilor datorită diferenței dintre ioni și electroni în raza Larmor. Cu toate acestea, atunci când electronii se mișcă de-a lungul axei dispozitivului de filtrare magnetică, acesta va atrage ioni de-a lungul axialului pentru mișcarea de rotație datorită focalizării sale și câmpului electric negativ puternic, iar viteza electronului este mai mare decât cea a ionului, astfel încât electronul trage constant ionul înainte, în timp ce plasma rămâne întotdeauna cvasi-neutră electric. Particulele mari sunt neutre electric sau ușor încărcate negativ, iar calitatea lor este mult mai mare decât cea a ionilor și electronilor, practic nefiind afectați de câmpul magnetic și de mișcarea liniară de-a lungul inerției și vor fi filtrate după coliziunea cu peretele interior al dispozitivului.
Sub funcția combinată a curburii câmpului magnetic de îndoire și a derivei gradientului și a coliziunilor ion-electron, plasma poate fi deviată în dispozitivul de filtrare magnetică. Modelele teoretice comune utilizate astăzi sunt modelul fluxului Morozov și modelul rotorului rigid Davidson, care au următoarea caracteristică comună: există un câmp magnetic care face ca electronii să se miște într-o manieră strict elicoidală.
Intensitatea câmpului magnetic care ghidează mișcarea axială a plasmei în dispozitivul de filtrare magnetică trebuie să fie astfel încât:
Mi, Vo și Z sunt masa ionului, viteza de transport și, respectiv, numărul de sarcini transportate. a este diametrul interior al filtrului magnetic, iar e este sarcina electronului.
Trebuie menționat că unii ioni de energie mai mare nu pot fi complet legați de fasciculul de electroni. Aceștia pot ajunge la peretele interior al filtrului magnetic, aducând peretele interior la un potențial pozitiv, ceea ce, la rândul său, inhibă ionii să continue să ajungă la peretele interior și reduce pierderea de plasmă.
Conform acestui fenomen, o presiune de polarizare pozitivă adecvată poate fi aplicată pe peretele dispozitivului de filtrare magnetică pentru a inhiba coliziunea ionilor și a îmbunătăți eficiența transportului ionilor țintă.
Clasificarea dispozitivelor de filtrare magnetică
(1) Structură liniară. Câmpul magnetic acționează ca un ghid pentru fluxul fasciculului de ioni, reducând dimensiunea spotului catodic și proporția de clustere de particule macroscopice, intensificând în același timp coliziunile din plasmă, determinând conversia particulelor neutre în ioni și reducând numărul de clustere de particule macroscopice și reducând rapid numărul de particule mari pe măsură ce intensitatea câmpului magnetic crește. Comparativ cu metoda convențională de acoperire cu ioni multi-arc, acest dispozitiv structurat depășește reducerea semnificativă a eficienței cauzată de alte metode și poate asigura o rată de depunere a peliculei practic constantă, reducând în același timp numărul de particule mari cu aproximativ 60%.
(2) Structură de tip curbă. Deși structura are diverse forme, principiul de bază este același. Plasma se mișcă sub funcția combinată a câmpului magnetic și a câmpului electric, iar câmpul magnetic este utilizat pentru a limita și controla plasma fără a devia mișcarea de-a lungul direcției liniilor de forță magnetică. Particulele neîncărcate se vor mișca de-a lungul direcției liniare și vor fi separate. Filmele preparate cu acest dispozitiv structural au o duritate ridicată, o rugozitate superficială redusă, o densitate bună, o dimensiune uniformă a granulelor și o aderență puternică la baza filmului. Analiza XPS arată că duritatea suprafeței filmelor de ta-C acoperite cu acest tip de dispozitiv poate ajunge la 56 GPa, astfel încât dispozitivul cu structură curbă este cea mai utilizată și eficientă metodă pentru îndepărtarea particulelor mari, dar eficiența transportului ionilor țintă trebuie îmbunătățită în continuare. Dispozitivul de filtrare magnetică cu îndoire la 90° este unul dintre cele mai utilizate dispozitive cu structură curbă. Experimentele asupra profilului de suprafață al filmelor de Ta-C arată că profilul de suprafață al dispozitivului de filtrare magnetică cu îndoire la 360° nu se modifică prea mult în comparație cu dispozitivul de filtrare magnetică cu îndoire la 90°, astfel încât efectul filtrării magnetice cu îndoire la 90° pentru particulele mari poate fi practic atins. Dispozitivul de filtrare magnetică cu curbură la 90° are în principal două tipuri de structuri: unul este un solenoid curbat plasat în camera de vid, iar celălalt este plasat în afara camerei de vid, iar diferența dintre ele constă doar în structură. Presiunea de lucru a dispozitivului de filtrare magnetică cu curbură la 90° este de ordinul a 10-2 Pa și poate fi utilizat într-o gamă largă de aplicații, cum ar fi acoperirea cu nitrură, oxid, carbon amorf, pelicule semiconductoare și pelicule metalice sau nemetalice.
Eficiența dispozitivului de filtrare magnetică
Întrucât nu toate particulele mari pot pierde energie cinetică în coliziuni continue cu peretele, un anumit număr de particule mari vor ajunge la substrat prin ieșirea țevii. Prin urmare, un dispozitiv de filtrare magnetică lung și îngust are o eficiență mai mare de filtrare a particulelor mari, dar în acest moment va crește pierderea ionilor țintă și, în același timp, va crește complexitatea structurii. Prin urmare, asigurarea unei îndepărtări excelente a particulelor mari și a unei eficiențe ridicate a transportului ionilor de către dispozitivul de filtrare magnetică este o condiție prealabilă necesară pentru ca tehnologia de acoperire cu ioni multi-arc să aibă o perspectivă largă de aplicare în depunerea de pelicule subțiri de înaltă performanță. Funcționarea dispozitivului de filtrare magnetică este afectată de intensitatea câmpului magnetic, polarizarea de îndoire, diafragma mecanică a deflectorului, curentul sursei de arc și unghiul de incidență a particulelor încărcate. Prin stabilirea unor parametri rezonabili ai dispozitivului de filtrare magnetică, efectul de filtrare a particulelor mari și eficiența transferului de ioni ai țintei pot fi îmbunătățite eficient.
Data publicării: 08 noiembrie 2022