Технология магнитной фильтрации

Основы теории магнитного фильтрационного устройства
Механизм фильтрации магнитного фильтрующего устройства для крупных частиц в плазменном пучке следующий:
Используя разницу между плазмой и крупными частицами в заряде и отношении заряда к массе, между подложкой и поверхностью катода располагается «барьер» (либо перегородка, либо изогнутая стенка трубки), который блокирует любые частицы, движущиеся по прямой линии между катодом и подложкой, в то время как ионы могут отклоняться магнитным полем и проходить через «барьер» к подложке.

Принцип работы магнитного фильтрующего устройства

В магнитном поле Pe<

Pe и Pi — радиусы Лармора электронов и ионов соответственно, а a — внутренний диаметр магнитного фильтра. Электроны в плазме подвержены влиянию силы Лоренца и вращаются вдоль магнитного поля аксиально, в то время как магнитное поле оказывает меньшее влияние на кластеризацию ионов из-за разницы между ионами и электронами в радиусе Лармора. Однако, когда электроны движутся вдоль оси устройства магнитного фильтра, они будут притягивать ионы вдоль аксиального для вращательного движения из-за своего фокуса и сильного отрицательного электрического поля, а скорость электронов больше, чем у ионов, поэтому электрон постоянно тянет ион вперед, в то время как плазма всегда остается квазиэлектрически нейтральной. Крупные частицы электрически нейтральны или слегка отрицательно заряжены, и качество намного больше, чем у ионов и электронов, в основном не подвержены влиянию магнитного поля и линейного движения по инерции и будут отфильтрованы после столкновения с внутренней стенкой устройства.
Под действием комбинированной функции изгибающего магнитного поля, кривизны и градиентного дрейфа, а также ионно-электронных столкновений плазма может отклоняться в устройстве магнитной фильтрации. В Распространенными теоретическими моделями, используемыми сегодня, являются модель потока Морозова и модель жесткого ротора Дэвидсона, которые имеют следующую общую черту: существует магнитное поле, которое заставляет электроны двигаться строго по спирали.
Напряженность магнитного поля, направляющего аксиальное движение плазмы в устройстве магнитной фильтрации, должна быть такой, чтобы:

Mi, Vo и Z — масса иона, скорость переноса и количество переносимых зарядов соответственно. a — внутренний диаметр магнитного фильтра, e — заряд электрона.
Следует отметить, что некоторые ионы с более высокой энергией не могут быть полностью связаны электронным пучком. Они могут достичь внутренней стенки магнитного фильтра, создавая на внутренней стенке положительный потенциал, что в свою очередь препятствует ионам продолжать достигать внутренней стенки и снижает потери плазмы.
Согласно этому явлению, к стенке магнитного фильтрующего устройства можно приложить соответствующее положительное смещающее давление, чтобы предотвратить столкновение ионов и повысить эффективность переноса целевых ионов.

Классификация устройств магнитной фильтрации
(1)Линейная структура. Магнитное поле действует как направляющее для потока ионного пучка, уменьшая размер катодного пятна и долю макроскопических скоплений частиц, одновременно усиливая столкновения внутри плазмы, вызывая преобразование нейтральных частиц в ионы и уменьшая количество макроскопических скоплений частиц, а также быстро уменьшая количество крупных частиц по мере увеличения напряженности магнитного поля. По сравнению с обычным методом многодугового ионного покрытия это структурированное устройство преодолевает значительное снижение эффективности, вызванное другими методами, и может обеспечить по существу постоянную скорость осаждения пленки, одновременно уменьшая количество крупных частиц примерно на 60%.
(2) Структура криволинейного типа. Хотя структура имеет различные формы, но основной принцип один и тот же. Плазма движется под комбинированной функцией магнитного поля и электрического поля, а магнитное поле используется для ограничения и управления плазмой, не отклоняя движение вдоль направления магнитных силовых линий. А незаряженные частицы будут двигаться вдоль линейного и разделяться. Пленки, полученные с помощью этого структурного устройства, имеют высокую твердость, низкую шероховатость поверхности, хорошую плотность, равномерный размер зерна и сильную адгезию к основе пленки. Анализ XPS показывает, что твердость поверхности пленок ta-C, покрытых этим типом устройства, может достигать 56 ГПа, таким образом, устройство с криволинейной структурой является наиболее широко используемым и эффективным методом для удаления крупных частиц, но эффективность переноса целевых ионов требует дальнейшего улучшения. Устройство магнитной фильтрации с изгибом 90° является одним из наиболее широко используемых устройств с криволинейной структурой. Эксперименты по профилю поверхности пленок Ta-C показывают, что профиль поверхности устройства магнитной фильтрации с изгибом 360° не сильно меняется по сравнению с устройством магнитной фильтрации с изгибом 90°, поэтому эффект магнитной фильтрации с изгибом 90° для крупных частиц может быть в основном достигнут. Устройство магнитной фильтрации с изгибом 90° в основном имеет два типа структур: одна представляет собой изогнутый соленоид, помещенный в вакуумную камеру, а другая помещена вне вакуумной камеры, и разница между ними заключается только в структуре. Рабочее давление устройства магнитной фильтрации с изгибом 90° составляет порядка 10-2 Па, и его можно использовать в широком диапазоне применений, таких как покрытие нитридом, оксидом, аморфным углеродом, полупроводниковой пленкой и металлической или неметаллической пленкой.

Эффективность магнитного фильтрующего устройства
Поскольку не все крупные частицы могут терять кинетическую энергию при непрерывных столкновениях со стенкой, определенное количество крупных частиц достигнет подложки через выпускное отверстие трубы. Поэтому длинное и узкое устройство магнитной фильтрации имеет более высокую эффективность фильтрации крупных частиц, но в это время оно увеличит потерю целевых ионов и в то же время увеличит сложность структуры. Поэтому обеспечение того, чтобы устройство магнитной фильтрации имело превосходное удаление крупных частиц и высокую эффективность переноса ионов, является необходимой предпосылкой для того, чтобы технология многодугового ионного покрытия имела широкие перспективы применения при нанесении высокопроизводительных тонких пленок. На работу устройства магнитной фильтрации влияют напряженность магнитного поля, смещение изгиба, апертура механической перегородки, ток источника дуги и угол падения заряженных частиц. Установив разумные параметры устройства магнитной фильтрации, можно эффективно улучшить эффект фильтрации крупных частиц и эффективность переноса ионов мишени.