Технология магнитной фильтрации

Основные принципы работы магнитно-фильтрующего устройства
Механизм фильтрации крупных частиц в плазменном пучке с помощью магнитного фильтрующего устройства выглядит следующим образом:
Используя разницу в заряде и соотношении заряда к массе между плазмой и крупными частицами, между подложкой и поверхностью катода образуется «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 устройства магнитной фильтрации

В магнитном поле Pe<

Pe и Pi — радиусы Лармора электронов и ионов соответственно, а a — внутренний диаметр магнитного фильтра. Электроны в плазме подвержены воздействию силы Лоренца и вращаются вдоль магнитного поля вдоль оси, в то время как магнитное поле оказывает меньшее влияние на кластеризацию ионов из-за разницы в радиусах Лармора между ионами и электронами. Однако, когда электроны движутся вдоль оси магнитного фильтра, они будут притягивать ионы вдоль оси за счет вращательного движения благодаря фокусировке и сильному отрицательному электрическому полю, и скорость электронов будет больше скорости ионов, поэтому электроны постоянно притягивают ионы вперед, в то время как плазма всегда остается квазиэлектрически нейтральной. Крупные частицы электрически нейтральны или имеют слабый отрицательный заряд, их характеристики значительно превосходят характеристики ионов и электронов, они практически не подвержены воздействию магнитного поля и линейному движению вдоль инерции и будут отфильтрованы после столкновения с внутренней стенкой устройства.
Под воздействием комбинированного действия изгибающего магнитного поля, градиентного дрейфа и столкновений ионов и электронов плазма может отклоняться в устройстве магнитной фильтрации. В настоящее время широко используются теоретические модели Морозова и модель жесткого ротора Дэвидсона, которые имеют следующую общую особенность: существует магнитное поле, заставляющее электроны двигаться строго по спирали.
Напряженность магнитного поля, управляющего осевым движением 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, а e — заряд электрона.
Следует отметить, что некоторые ионы с более высокой энергией не могут быть полностью связаны электронным пучком. Они могут достигать внутренней стенки магнитного фильтра, создавая на ней положительный потенциал, что, в свою очередь, препятствует дальнейшему продвижению ионов к внутренней стенке и уменьшает потери плазмы.
В соответствии с этим явлением, к стенке магнитного фильтрующего устройства можно приложить соответствующее положительное смещающее давление, чтобы подавить столкновения ионов и повысить эффективность переноса целевых ионов.

Классификация устройств магнитной фильтрации
(1) Линейная структура. Магнитное поле действует как направляющая для потока ионного пучка, уменьшая размер катодного пятна и долю макроскопических кластеров частиц, одновременно усиливая столкновения внутри плазмы, способствуя превращению нейтральных частиц в ионы и уменьшая количество макроскопических кластеров частиц, а также быстро уменьшая количество крупных частиц по мере увеличения напряженности магнитного поля. По сравнению с традиционным методом многодугового ионного нанесения покрытия, это структурированное устройство преодолевает значительное снижение эффективности, вызванное другими методами, и может обеспечить практически постоянную скорость осаждения пленки, одновременно уменьшая количество крупных частиц примерно на 60%.
(2) Изогнутая структура. Хотя структура имеет различные формы, основной принцип остается тем же. Плазма движется под действием комбинированного воздействия магнитного и электрического полей, а магнитное поле используется для удержания и управления плазмой без отклонения движения вдоль направления силовых линий магнитного поля. Незаряженные частицы будут двигаться вдоль линейного направления и разделяться. Пленки, полученные с помощью этого структурного устройства, обладают высокой твердостью, низкой шероховатостью поверхности, хорошей плотностью, однородным размером зерен и прочной адгезией к основанию пленки. Анализ XPS показывает, что твердость поверхности пленок ta-C, покрытых этим типом устройства, может достигать 56 ГПа, поэтому устройство с изогнутой структурой является наиболее широко используемым и эффективным методом удаления крупных частиц, но эффективность целевого ионного транспорта нуждается в дальнейшем улучшении. Устройство магнитной фильтрации с изгибом на 90° является одним из наиболее широко используемых устройств с изогнутой структурой. Эксперименты по исследованию профиля поверхности пленок Ta-C показывают, что профиль поверхности устройства магнитной фильтрации с изгибом на 360° не сильно меняется по сравнению с устройством магнитной фильтрации с изгибом на 90°, поэтому эффект магнитной фильтрации с изгибом на 90° для крупных частиц в основном достигается. Устройство магнитной фильтрации с изгибом на 90° имеет два основных типа конструкции: один представляет собой изогнутый соленоид, расположенный в вакуумной камере, а другой — расположенный вне вакуумной камеры, и разница между ними заключается только в конструкции. Рабочее давление устройства магнитной фильтрации с изгибом на 90° составляет порядка 10⁻² Па, и оно может использоваться в широком диапазоне применений, таких как нанесение покрытий из нитридов, оксидов, аморфного углерода, полупроводниковых пленок и металлических или неметаллических пленок.

Эффективность устройства магнитной фильтрации
Поскольку не все крупные частицы теряют кинетическую энергию при непрерывных столкновениях со стенкой, определенное количество крупных частиц достигает подложки через выходное отверстие трубы. Поэтому длинное и узкое устройство магнитной фильтрации обладает более высокой эффективностью фильтрации крупных частиц, но при этом увеличивает потери целевых ионов и одновременно усложняет свою структуру. Следовательно, обеспечение превосходного удаления крупных частиц и высокой эффективности переноса ионов является необходимым условием для широкого применения технологии многодугового ионного нанесения покрытий в осаждении высокоэффективных тонких пленок. На работу устройства магнитной фильтрации влияют напряженность магнитного поля, изгибное смещение, апертура механической перегородки, ток источника дуги и угол падения заряженных частиц. Путем установки разумных параметров устройства магнитной фильтрации можно эффективно улучшить эффект фильтрации крупных частиц и эффективность переноса ионов целевого вещества.