磁気濾過技術

磁気濾過装置の基礎理論
プラズマビーム中の大きな粒子に対する磁気フィルタリング装置のフィルタリング機構は次のとおりです。
プラズマと大きな粒子の電荷および電荷対質量比の違いを利用して、基板と陰極表面の間に「障壁」（バッフルまたは湾曲した管壁のいずれか）を配置し、粒子が内部を移動するのをブロックします。カソードと基板の間は直線になりますが、イオンは磁場によって偏向され、「バリア」を通過して基板に到達する可能性があります。

磁気濾過装置の動作原理

磁場中では、Pe<

Pe と Pi はそれぞれ電子とイオンのラーモア半径、a は磁気フィルターの内径です。プラズマ内の電子はローレンツ力の影響を受け、磁場に沿って軸方向に回転しますが、ラーモア半径におけるイオンと電子の差により、磁場はイオンのクラスター化にはほとんど影響しません。しかし、電子が磁気フィルターデバイスの軸に沿って移動すると、その焦点と強い負の電場により回転運動のために軸に沿ってイオンを引きつけ、電子の速度はイオンよりも速いため、電子は常にイオンを前方に引っ張り、プラズマは常に準電気的に中性を保ちます。大きな粒子は電気的に中性またはわずかにマイナスに帯電しており、その性質はイオンや電子よりもはるかに大きく、基本的に磁場や慣性に沿った直線運動の影響を受けず、粒子の内壁に衝突した後に濾過されて除去されます。デバイス。
偏向磁場の曲率と勾配ドリフト、およびイオンと電子の衝突の組み合わせ機能により、磁気濾過装置内でプラズマを偏向させることができます。現在使用されている一般的な理論モデルは、モロゾフ磁束モデルとデイビッドソン剛体ローター モデルです。これらには次の共通の特徴があります。電子を厳密に螺旋状に移動させる磁場が存在するということです。
磁気濾過装置内でプラズマの軸方向の動きを導く磁場の強さは、次のとおりである必要があります。

Mi、Vo、Z はそれぞれイオン質量、輸送速度、運ばれる電荷の数です。a は磁気フィルターの内径、e は電子の電荷です。
一部の高エネルギーイオンは電子ビームによって完全に結合できないことに注意してください。それらは磁気フィルターの内壁に到達し、内壁が正の電位になる可能性があり、その結果、イオンが内壁に到達し続けることが妨げられ、プラズマの損失が減少します。
この現象により、磁気フィルタ装置の壁に適切な正のバイアス圧力を加えることができ、イオンの衝突を抑制し、目的イオンの輸送効率を向上させることができる。

磁気濾過装置の分類
(1)線状構造。磁場はイオンビームの流れのガイドとして機能し、陰極点のサイズと巨視的な粒子クラスターの割合を減少させると同時に、プラズマ内の衝突を強化して中性粒子のイオンへの変換を促進し、巨視的な粒子の数を減らします。粒子クラスターが生成され、磁場の強度が増加するにつれて大きな粒子の数が急速に減少します。この構造のデバイスは、従来のマルチアークイオンコーティング法と比較して、他の方法による大幅な効率の低下を克服し、実質的に一定の成膜速度を確保しつつ、大きな粒子の数を約60％削減することができます。
(2) カーブ型構造。構造にはさまざまな形がありますが、基本的な原理は同じです。プラズマは磁場と電場の組み合わせた機能の下で移動し、磁場は磁力線の方向に沿って動きを偏らせることなくプラズマを閉じ込めて制御するために使用されます。そして、帯電していない粒子は直線に沿って移動し、分離されます。この構造デバイスによって作成されたフィルムは、高い硬度、低い表面粗さ、良好な密度、均一な粒子サイズ、および強力なフィルムベース接着力を備えています。XPS 分析によると、このタイプのデバイスでコーティングされた ta-C フィルムの表面硬度は 56 GPa に達する可能性があるため、曲面構造のデバイスは大きな粒子を除去するために最も広く使用されており効果的な方法ですが、目標のイオン輸送効率を高める必要があります。さらに改良されました。90°曲げ磁気濾過装置は、最も広く使用されている曲面構造装置の 1 つです。Ta-C フィルムの表面プロファイルに関する実験では、360° 屈曲磁気濾過装置の表面プロファイルは 90° 屈曲磁気濾過装置と比較してあまり変化しないことが示されており、したがって、大きな粒子に対する 90° 屈曲磁気濾過の効果は基本的には維持できることがわかります。達成。90°屈曲磁気濾過装置には主に真空チャンバー内にベンドソレノイドを設置するタイプと真空チャンバー外に設置するタイプの2種類の構造があり、両者の違いは構造のみです。90°曲げ磁気濾過装置の使用圧力は10-2Pa程度であり、窒化物、酸化物、アモルファスカーボン、半導体膜、金属・非金属膜のコーティングなど幅広い用途に使用できます。 。

磁気濾過装置の効率
すべての大きな粒子が壁との継続的な衝突で運動エネルギーを失うわけではないため、一定数の大きな粒子がパイプの出口を通って基板に到達します。したがって、細長い磁気濾過装置は大きな粒子の濾過効率は高くなりますが、その際、目的イオンの損失が大きくなり、同時に構造が複雑になります。したがって、磁気濾過装置が優れた大きな粒子の除去と高いイオン輸送効率を確保することは、マルチアークイオンコーティング技術が高性能薄膜の堆積において幅広い応用の可能性を得るために必要な前提条件です。磁気濾過装置の動作は、磁場の強さ、曲げバイアス、機械的バッフル開口、アーク源電流、および荷電粒子の入射角の影響を受けます。磁気濾過装置の適切なパラメータを設定することにより、大きな粒子の濾過効果とターゲットのイオン移動効率を効果的に向上させることができます。