Teknologi filtrasi magnetik

Teori dasar perangkat filtrasi magnetik
Mekanisme penyaringan perangkat penyaringan magnetik untuk partikel besar dalam berkas plasma adalah sebagai berikut:
Dengan menggunakan perbedaan antara plasma dan partikel besar dalam muatan dan rasio muatan terhadap massa, ada "penghalang" (baik penyekat atau dinding tabung melengkung) yang ditempatkan di antara substrat dan permukaan katoda, yang menghalangi partikel apa pun yang bergerak dalam a garis lurus antara katoda dan substrat, sedangkan ion dapat dibelokkan oleh medan magnet dan melewati "penghalang" ke substrat.

Prinsip kerja perangkat filtrasi magnetik

Di medan magnet, Pe <

Pe dan Pi masing-masing adalah jari-jari Larmor elektron dan ion, dan a adalah diameter dalam filter magnetik.Elektron dalam plasma dipengaruhi oleh gaya Lorentz dan berputar di sepanjang medan magnet secara aksial, sedangkan medan magnet kurang berpengaruh pada pengelompokan ion karena perbedaan antara ion dan elektron dalam radius Larmor.Namun, ketika elektron bergerak di sepanjang sumbu perangkat filter magnetik, itu akan menarik ion di sepanjang aksial untuk gerakan rotasi karena fokusnya dan medan listrik negatif yang kuat, dan kecepatan elektron lebih besar dari ion, sehingga elektron terus-menerus menarik ion ke depan, sedangkan plasma selalu tetap semi-netral secara elektrik.Partikel besar secara elektrik netral atau sedikit bermuatan negatif, dan kualitasnya jauh lebih besar daripada ion dan elektron, pada dasarnya tidak terpengaruh oleh medan magnet dan gerakan linier sepanjang inersia, dan akan disaring setelah bertabrakan dengan dinding bagian dalam. perangkat.
Di bawah fungsi gabungan dari kelengkungan medan magnet lentur dan pergeseran gradien dan tumbukan ion-elektron, plasma dapat dibelokkan dalam perangkat filtrasi magnetik.Dalam Model teoretis umum yang digunakan saat ini adalah model fluks Morozov dan model rotor kaku Davidson, yang memiliki ciri umum berikut: terdapat medan magnet yang membuat elektron bergerak secara heliks ketat.
Kekuatan medan magnet yang memandu gerakan aksial plasma dalam perangkat filtrasi magnetik harus sedemikian rupa sehingga:

Mi, Vo, dan Z masing-masing adalah massa ion, kecepatan transpor, dan jumlah muatan yang dibawa.a adalah diameter bagian dalam filter magnetik, dan e adalah muatan elektron.
Perlu dicatat bahwa beberapa ion berenergi lebih tinggi tidak dapat sepenuhnya terikat oleh berkas elektron.Mereka dapat mencapai dinding bagian dalam filter magnetik, membuat dinding bagian dalam menjadi potensial positif, yang pada gilirannya menghambat ion untuk terus mencapai dinding bagian dalam dan mengurangi hilangnya plasma.
Menurut fenomena ini, tekanan bias positif yang sesuai dapat diterapkan pada dinding perangkat filter magnetik untuk menghambat tumbukan ion guna meningkatkan efisiensi transpor ion target.

Klasifikasi perangkat filtrasi magnetik
(1) Struktur linier.Medan magnet bertindak sebagai panduan untuk aliran berkas ion, mengurangi ukuran tempat katoda dan proporsi kelompok partikel makroskopik, sementara mengintensifkan tumbukan dalam plasma, mendorong konversi partikel netral menjadi ion dan mengurangi jumlah partikel makroskopik. cluster partikel, dan dengan cepat mengurangi jumlah partikel besar seiring dengan meningkatnya kekuatan medan magnet.Dibandingkan dengan metode pelapisan ion multi-arc konvensional, perangkat terstruktur ini mengatasi penurunan efisiensi yang signifikan yang disebabkan oleh metode lain dan dapat memastikan tingkat pengendapan film yang konstan sekaligus mengurangi jumlah partikel besar sekitar 60%.
(2) Struktur tipe kurva.Meskipun strukturnya memiliki berbagai bentuk, namun prinsip dasarnya sama.Plasma bergerak di bawah fungsi gabungan medan magnet dan medan listrik, dan medan magnet digunakan untuk membatasi dan mengontrol plasma tanpa membelokkan gerakan sepanjang arah garis gaya magnet.Dan partikel yang tidak bermuatan akan bergerak sepanjang garis lurus dan dipisahkan.Film yang disiapkan oleh perangkat struktural ini memiliki kekerasan tinggi, kekasaran permukaan yang rendah, kerapatan yang baik, ukuran butir yang seragam, dan daya rekat dasar film yang kuat.Analisis XPS menunjukkan bahwa kekerasan permukaan film ta-C yang dilapisi dengan perangkat jenis ini dapat mencapai 56 GPa, sehingga perangkat struktur melengkung adalah metode yang paling banyak digunakan dan efektif untuk menghilangkan partikel besar, tetapi efisiensi transpor ion target perlu ditingkatkan. lebih ditingkatkan.Perangkat filtrasi magnetik tikungan 90 ° adalah salah satu perangkat struktur melengkung yang paling banyak digunakan.Eksperimen pada profil permukaan film Ta-C menunjukkan bahwa profil permukaan perangkat filtrasi magnetik tikungan 360 ° tidak banyak berubah dibandingkan dengan perangkat filtrasi magnetik tikungan 90 °, sehingga efek filtrasi magnetik tikungan 90 ° untuk partikel besar pada dasarnya dapat tercapai.Perangkat filtrasi magnetik tikungan 90 ° terutama memiliki dua jenis struktur: satu adalah solenoida tikungan yang ditempatkan di ruang vakum, dan yang lainnya ditempatkan di luar ruang vakum, dan perbedaan di antara keduanya hanya pada strukturnya.Tekanan kerja perangkat filtrasi magnetik tikungan 90 ° berada di urutan 10-2Pa, dan dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti lapisan nitrida, oksida, karbon amorf, film semikonduktor dan film logam atau non-logam .

Efisiensi perangkat filtrasi magnetik
Karena tidak semua partikel besar dapat kehilangan energi kinetik dalam tumbukan terus menerus dengan dinding, sejumlah partikel besar tertentu akan mencapai substrat melalui saluran keluar pipa.Oleh karena itu, perangkat filtrasi magnetik yang panjang dan sempit memiliki efisiensi filtrasi partikel besar yang lebih tinggi, tetapi saat ini akan meningkatkan hilangnya ion target dan pada saat yang sama meningkatkan kompleksitas struktur.Oleh karena itu, memastikan bahwa perangkat filtrasi magnetik memiliki penghilangan partikel besar yang sangat baik dan efisiensi transportasi ion yang tinggi merupakan prasyarat yang diperlukan untuk teknologi pelapisan ion multi-arc untuk memiliki prospek aplikasi yang luas dalam menyimpan film tipis kinerja tinggi.Pengoperasian perangkat filtrasi magnetik dipengaruhi oleh kekuatan medan magnet, bias tikungan, bukaan baffle mekanis, arus sumber busur, dan sudut datang partikel bermuatan.Dengan menetapkan parameter yang masuk akal dari perangkat filtrasi magnetik, efek penyaringan partikel besar dan efisiensi transfer ion target dapat ditingkatkan secara efektif.