טכנולוגיית סינון מגנטי

תיאוריה בסיסית של מכשיר סינון מגנטי
מנגנון הסינון של מכשיר הסינון המגנטי עבור חלקיקים גדולים בקרן הפלזמה הוא כדלקמן:
באמצעות ההבדל בין פלזמה לחלקיקים גדולים במטען וביחס מטען למסה, קיים "מחסום" (או מגן או דופן צינור מעוקל) בין המצע למשטח הקתודה, החוסם את כל החלקיקים הנעים ב קו ישר בין הקתודה למצע, בעוד שהיונים ניתנים להסטה על ידי השדה המגנטי ולעבור דרך ה"מחסום" למצע.

עקרון העבודה של מכשיר סינון מגנטי

בשדה המגנטי, Pe<

Pe ו-Pi הם רדיוסי לרמור של אלקטרונים ויונים בהתאמה, ו-a הוא הקוטר הפנימי של המסנן המגנטי.האלקטרונים בפלזמה מושפעים מכוח לורנץ ומסתובבים לאורך השדה המגנטי בציר, בעוד שלשדה המגנטי יש פחות השפעה על התקבצות היונים בגלל ההבדל בין היונים והאלקטרונים ברדיוס לרמור.עם זאת, כאשר תנועת האלקטרון לאורך הציר של מכשיר המסנן המגנטי, היא תמשוך יונים לאורך הציר לתנועה הסיבובית בשל המיקוד שלו והשדה החשמלי השלילי החזק, ומהירות האלקטרון גדולה מהיון, כך שהאלקטרון כל הזמן למשוך את היון קדימה, בעוד שהפלזמה תמיד נשארת כמעט נייטרלית מבחינה חשמלית.החלקיקים הגדולים הם ניטרליים חשמלית או בעלי מטען שלילי מעט, והאיכות גדולה בהרבה מהיונים והאלקטרונים, בעצם לא מושפעים מהשדה המגנטי ומהתנועה הלינארית לאורך האינרציה, ויסוננו לאחר התנגשות עם הקיר הפנימי של התקן.
תחת הפונקציה המשולבת של עקמומיות השדה המגנטי וסחפת שיפוע והתנגשויות יונים-אלקטרונים, ניתן להסיט את הפלזמה במכשיר הסינון המגנטי.בשנת המודלים התיאורטיים הנפוצים כיום הם מודל השטף של מורוזוב ומודל הרוטור הקשיח של דוידסון, בעלי התכונה המשותפת הבאה: קיים שדה מגנטי שגורם לאלקטרונים לנוע בצורה סלילנית לחלוטין.
חוזק השדה המגנטי המנחה את התנועה הצירית של הפלזמה במכשיר הסינון המגנטי צריך להיות כזה ש:

Mi, Vo ו-Z הם מסת היונים, מהירות ההובלה ומספר המטענים הנישאים בהתאמה.a הוא הקוטר הפנימי של המסנן המגנטי, ו-e הוא מטען האלקטרונים.
יש לציין שיונים באנרגיה גבוהה יותר אינם יכולים להיות קשורים במלואם על ידי קרן האלקטרונים.הם עלולים להגיע לדופן הפנימית של המסנן המגנטי, מה שהופך את הדופן הפנימית לפוטנציאל חיובי, אשר בתורו מונע מהיונים להמשיך להגיע לדופן הפנימית ומפחית את אובדן הפלזמה.
על פי תופעה זו, ניתן להפעיל לחץ הטיה חיובי מתאים על דופן מכשיר המסנן המגנטי כדי למנוע התנגשות של יונים כדי לשפר את יעילות הובלת יונים.

סיווג מכשיר סינון מגנטי
(1) מבנה לינארי.השדה המגנטי משמש כמדריך לזרימת אלומת היונים, מקטין את גודל נקודת הקתודה ואת חלקם של צבירי חלקיקים מקרוסקופיים, תוך הגברת ההתנגשויות בתוך הפלזמה, גורם להמרה של חלקיקים ניטרליים ליונים והפחתת מספר המקרוסקופיים. צבירי חלקיקים, וצמצום מהיר של מספר החלקיקים הגדולים ככל שעוצמת השדה המגנטי עולה.בהשוואה לשיטת ציפוי יונים רב-קשתית הקונבנציונלית, מכשיר מובנה זה מתגבר על הירידה המשמעותית ביעילות הנגרמת על ידי שיטות אחרות ויכול להבטיח למעשה קצב שקיעת סרט קבוע תוך הפחתת מספר החלקיקים הגדולים בכ-60%.
(2) מבנה מסוג עקומה.אמנם למבנה יש צורות שונות, אבל העיקרון הבסיסי זהה.הפלזמה נעה תחת הפונקציה המשולבת של שדה מגנטי ושדה חשמלי, והשדה המגנטי משמש כדי להגביל ולבקר את הפלזמה מבלי להסיט את התנועה לאורך כיוון קווי הכוח המגנטי.והחלקיקים הלא טעונים ינועו לאורך הליניארי ויופרדו.לסרטים שהוכנו על ידי מכשיר מבני זה יש קשיות גבוהה, חספוס משטח נמוך, צפיפות טובה, גודל גרגיר אחיד והיצמדות חזקה לבסיס הסרט.ניתוח XPS מראה כי קשיות פני השטח של סרטי ta-C המצופים במכשיר מסוג זה יכולה להגיע ל-56 GPa, ולכן התקן המבנה המעוגל הוא השיטה הנפוצה והיעילה ביותר להסרת חלקיקים גדולים, אך יעילות הובלת יונים צריכה להיות השתפר עוד יותר.מכשיר הסינון המגנטי בכיפוף 90 מעלות הוא אחד ממכשירי המבנה המעוקל הנפוצים ביותר.ניסויים על פרופיל פני השטח של סרטי Ta-C מראים שפרופיל פני השטח של מכשיר סינון מגנטי בכיפוף 360° אינו משתנה הרבה בהשוואה למכשיר סינון מגנטי בכיפוף 90°, כך שההשפעה של סינון מגנטי בכיפוף 90 מעלות עבור חלקיקים גדולים יכולה להיות בעצם. הושג.למכשיר סינון מגנטי ב-90° Bend יש בעיקר שני סוגי מבנים: האחד הוא סולנואיד עיקול המוצב בתא הוואקום, והשני ממוקם מחוץ לתא הוואקום, וההבדל ביניהם הוא רק במבנה.לחץ העבודה של מכשיר סינון מגנטי בכיפוף 90° הוא בסדר גודל של 10-2Pa, וניתן להשתמש בו במגוון רחב של יישומים, כגון ציפוי ניטריד, תחמוצת, פחמן אמורפי, סרט מוליכים למחצה וסרט מתכת או שאינו מתכת. .

היעילות של מכשיר סינון מגנטי
מכיוון שלא כל החלקיקים הגדולים יכולים לאבד אנרגיה קינטית בהתנגשויות מתמשכות עם הקיר, מספר מסוים של חלקיקים גדולים יגיע למצע דרך מוצא הצינור.לכן, למכשיר סינון מגנטי ארוך וצר יש יעילות סינון גבוהה יותר של חלקיקים גדולים, אך בשלב זה הוא יגביר את איבוד יוני המטרה ובמקביל יגדיל את מורכבות המבנה.לכן, הבטחה שלמכשיר הסינון המגנטי יש הסרת חלקיקים גדולים ויעילות גבוהה של הובלת יונים היא תנאי הכרחי לטכנולוגיית ציפוי יונים רב-קשתות כדי שתהיה לו סיכוי יישום רחב בהפקדת סרטים דקים בעלי ביצועים גבוהים.פעולתו של מכשיר הסינון המגנטי מושפעת מעוצמת השדה המגנטי, הטיית עיקול, צמצם מוביל מכני, זרם מקור הקשת וזווית כניסת החלקיקים הטעונים.על ידי קביעת פרמטרים סבירים של מכשיר הסינון המגנטי, ניתן לשפר ביעילות את אפקט הסינון של חלקיקים גדולים ואת יעילות העברת היונים של המטרה.