Базовая теория устройства магнитной фильтрации
Механизм фильтрации магнитного фильтрующего устройства для крупных частиц в пучке плазмы следующий:
Используя разницу между зарядом и отношением заряда к массе между плазмой и крупными частицами, между подложкой и поверхностью катода размещается «барьер» (либо перегородка, либо изогнутая стенка трубки), который блокирует любые частицы, движущиеся в прямая линия между катодом и подложкой, при этом ионы могут отклоняться магнитным полем и проходить через «барьер» к подложке.
Принцип работы устройства магнитной фильтрации
В магнитном поле Pe<
Pe и Pi — ларморовы радиусы электронов и ионов соответственно, a — внутренний диаметр магнитного фильтра.На электроны в плазме действует сила Лоренца, и они вращаются вдоль магнитного поля аксиально, при этом магнитное поле оказывает меньшее влияние на кластеризацию ионов из-за разницы между ионами и электронами в ларморовском радиусе.Однако, когда электрон движется вдоль оси устройства магнитного фильтра, он будет притягивать ионы вдоль оси для вращательного движения из-за своего фокуса и сильного отрицательного электрического поля, а скорость электрона больше, чем скорость иона, поэтому электрон постоянно тянуть ион вперед, в то время как плазма всегда остается квазиэлектрически нейтральной.Крупные частицы электрически нейтральны или слегка отрицательно заряжены, и их качество намного больше, чем у ионов и электронов, в основном не подверженных влиянию магнитного поля и линейного движения по инерции, и они будут отфильтровываться после столкновения с внутренней стенкой. устройство.
Под действием комбинированной функции искривления магнитного поля, градиентного дрейфа и ионно-электронных столкновений плазма может отклоняться в устройстве магнитной фильтрации.В настоящее время распространенными теоретическими моделями 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 осевое движение плазмы в устройстве магнитной фильтрации, должна быть такой, чтобы:
Mi, Vo и Z — масса иона, скорость переноса и количество переносимых зарядов соответственно.а — внутренний диаметр магнитного фильтра, е — заряд электрона.
Следует отметить, что некоторые ионы с большей энергией не могут быть полностью связаны электронным пучком.Они могут достигать внутренней стенки магнитного фильтра, создавая на внутренней стенке положительный потенциал, что, в свою очередь, не позволяет ионам продолжать достигать внутренней стенки и снижает потери плазмы.
В соответствии с этим явлением к стенке магнитного фильтрующего устройства может быть приложено соответствующее положительное смещающее давление, чтобы предотвратить столкновение ионов и повысить эффективность переноса ионов-мишеней.
Классификация устройств магнитной фильтрации
(1) Линейная структура.Магнитное поле действует как проводник для потока ионного пучка, уменьшая размер катодного пятна и долю макроскопических скоплений частиц, одновременно усиливая столкновения внутри плазмы, вызывая превращение нейтральных частиц в ионы и уменьшая количество макроскопических частиц. кластеры частиц и быстрое уменьшение количества 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 при уменьшении количества крупных частиц примерно на 60%.
(2) Структура криволинейного типа.Хотя структура имеет различные формы, но основной принцип тот же.Плазма движется под действием комбинированной функции магнитного поля и электрического поля, а магнитное поле используется для удержания и управления плазмой без отклонения движения вдоль направления магнитных силовых линий.А незаряженные частицы будут двигаться по линейке и разделяться.Пленки, полученные с помощью этого структурного устройства, имеют высокую твердость, низкую шероховатость поверхности, хорошую плотность, однородный размер зерна и сильную адгезию к основанию пленки.XPS-анализ показывает, что поверхностная твердость пленок ta-C, покрытых устройством этого типа, может достигать 56 ГПа, таким образом, устройство с изогнутой структурой является наиболее широко используемым и эффективным методом удаления крупных частиц, но эффективность целевого переноса ионов должна быть дальнейшее улучшение.Устройство магнитной фильтрации с изгибом 90° является одним из наиболее широко используемых устройств с изогнутой структурой.Эксперименты с профилем 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 достигнуто.Устройство магнитной фильтрации с изгибом 90° в основном имеет два типа конструкций: один представляет собой изогнутый соленоид, помещенный в вакуумную камеру, а другой размещается вне вакуумной камеры, и разница между ними заключается только в конструкции.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 устройства магнитной фильтрации
Поскольку не все крупные частицы могут терять кинетическую энергию при непрерывных столкновениях со стенкой, некоторое количество крупных частиц достигнет подложки через выходное отверстие трубы.Следовательно, длинное и узкое магнитное фильтрующее устройство имеет более высокую эффективность фильтрации крупных частиц, но в это время оно будет увеличивать потери ионов-мишеней и одновременно увеличивать сложность конструкции.Следовательно, обеспечение того, чтобы устройство магнитной фильтрации имело превосходное удаление крупных частиц и высокую эффективность переноса ионов, является необходимой предпосылкой для технологии многодугового ионного покрытия, которая имеет широкие перспективы применения для осаждения тонких пленок с высокими характеристиками.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 мишенью.
Время публикации: 08 ноября 2022 г.