Основна теорія магнітного фільтрувального пристрою
Механізм фільтрації магнітного фільтрувального пристрою для великих частинок у плазмовому пучку такий:
Використовуючи різницю між плазмою та великими частинками в заряді та співвідношенні заряду до маси, між підкладкою та поверхнею катода розташований «бар'єр» (або перегородка, або вигнута стінка трубки), який блокує будь-які частинки, що рухаються по прямій лінії між катодом та підкладкою, тоді як іони можуть відхилятися магнітним полем і проходити крізь «бар'єр» до підкладки.
Принцип роботи магнітного фільтрувального пристрою
У магнітному полі Pe<
Pe та Pi – це відповідно ларморівські радіуси електронів та іонів, а a – внутрішній діаметр магнітного фільтра. Електрони в плазмі піддаються впливу сили Лоренца та обертаються вздовж магнітного поля вздовж осі, тоді як магнітне поле має менший вплив на кластеризацію іонів через різницю між іонами та електронами в радіусі Лармора. Однак, коли електрон рухається вздовж осі магнітного фільтрувального пристрою, він притягує іони вздовж осі для обертального руху завдяки своєму фокусу та сильному негативному електричному полю, а швидкість електрона більша, ніж швидкість іона, тому електрон постійно тягне іон вперед, тоді як плазма завжди залишається квазіелектрично нейтральною. Великі частинки електрично нейтральні або мають злегка негативний заряд, а їхня якість значно більша, ніж у іонів та електронів, практично не залежать від магнітного поля та лінійного руху вздовж інерції, і будуть відфільтровані після зіткнення з внутрішньою стінкою пристрою.
Під дією комбінованої функції кривизни згинального магнітного поля, градієнтного дрейфу та іонно-електронних зіткнень плазма може відхилятися в магнітному фільтрувальному пристрої. Загальними теоретичними моделями, що використовуються сьогодні, є модель потоку Морозова та модель жорсткого ротора Девідсона, які мають таку спільну рису: існує магнітне поле, яке змушує електрони рухатися строго спірально.
Сила магнітного поля, що спрямовує осьовий рух плазми в магнітному фільтрувальному пристрої, повинна бути такою, щоб:
Mi, Vo та Z – маса іона, швидкість переносу та кількість перенесених зарядів відповідно. a – внутрішній діаметр магнітного фільтра, а e – заряд електрона.
Слід зазначити, що деякі іони з вищою енергією не можуть бути повністю зв'язані електронним пучком. Вони можуть досягати внутрішньої стінки магнітного фільтра, створюючи на внутрішній стінці позитивний потенціал, що, у свою чергу, перешкоджає подальшому досягненню іонів внутрішньої стінки та зменшує втрати плазми.
Відповідно до цього явища, до стінки магнітного фільтрувального пристрою можна застосувати відповідний позитивний тиск зміщення, щоб запобігти зіткненню іонів та покращити ефективність транспортування цільових іонів.
Класифікація магнітних фільтрувальних пристроїв
(1) Лінійна структура. Магнітне поле діє як напрямна для потоку іонного пучка, зменшуючи розмір катодної плями та частку макроскопічних кластерів частинок, одночасно посилюючи зіткнення в плазмі, стимулюючи перетворення нейтральних частинок на іони та зменшуючи кількість макроскопічних кластерів частинок, а також швидко зменшуючи кількість великих частинок зі збільшенням напруженості магнітного поля. Порівняно зі звичайним методом багатодугового іонного покриття, цей структурований пристрій долає значне зниження ефективності, спричинене іншими методами, і може забезпечити практично постійну швидкість осадження плівки, зменшуючи при цьому кількість великих частинок приблизно на 60%.
(2) Кривоподібна структура. Хоча структура має різні форми, основний принцип однаковий. Плазма рухається під дією комбінованої функції магнітного та електричного полів, а магнітне поле використовується для утримання та контролю плазми без відхилення руху вздовж напрямку силових ліній магнітного поля. А незаряджені частинки рухатимуться вздовж лінії та розділятимуться. Плівки, отримані за допомогою цього структурного пристрою, мають високу твердість, низьку шорсткість поверхні, добру щільність, однорідний розмір зерен та міцну адгезію до основи плівки. Рентгенівський фотоелектронний спектроскопічний аналіз (РФЕС) показує, що твердість поверхні плівок Ta-C, покритих цим типом пристрою, може досягати 56 ГПа, таким чином, пристрій зі криволінійною структурою є найпоширенішим та найефективнішим методом видалення великих частинок, але ефективність транспортування іонів-мішеней потребує подальшого покращення. Пристрій магнітної фільтрації з вигином 90° є одним з найпоширеніших пристроїв зі криволінійною структурою. Експерименти з профілем поверхні плівок Ta-C показують, що профіль поверхні пристрою магнітної фільтрації з вигином 360° не сильно змінюється порівняно з пристроєм магнітної фільтрації з вигином 90°, тому ефект магнітної фільтрації з вигином 90° для великих частинок можна в основному досягти. Пристрій магнітної фільтрації з вигином 90° в основному має два типи конструкцій: один - це вигнутий соленоїд, розміщений у вакуумній камері, а інший - поза вакуумною камерою, і різниця між ними полягає лише в конструкції. Робочий тиск пристрою магнітної фільтрації з вигином 90° становить близько 10-2 Па, і його можна використовувати в широкому спектрі застосувань, таких як покриття нітриду, оксиду, аморфного вуглецю, напівпровідникової плівки та металевої або неметалевої плівки.
Ефективність магнітного фільтрувального пристрою
Оскільки не всі великі частинки можуть втрачати кінетичну енергію при безперервних зіткненнях зі стінкою, певна кількість великих частинок досягне підкладки через вихід труби. Таким чином, довгий і вузький магнітний фільтрувальний пристрій має вищу ефективність фільтрації великих частинок, але водночас це збільшить втрати іонів мішені та водночас збільшить складність структури. Тому забезпечення відмінного видалення великих частинок магнітним фільтрувальним пристроєм та високої ефективності іонного транспорту є необхідною передумовою для широкого застосування технології багатодугового іонного покриття в нанесенні високопродуктивних тонких плівок. На роботу магнітного фільтрувального пристрою впливають напруженість магнітного поля, зміщення вигину, апертура механічної перегородки, струм джерела дуги та кут падіння заряджених частинок. Встановлюючи розумні параметри магнітного фільтрувального пристрою, можна ефективно покращити фільтрувальний ефект великих частинок та ефективність іонного транспорту мішені.
Час публікації: 08 листопада 2022 р.