Basistheorie van het magnetische filtratieapparaat
Het filtermechanisme van het magnetische filterapparaat voor grote deeltjes in de plasmabundel is als volgt:
Door gebruik te maken van het verschil in lading en lading-massaverhouding tussen plasma en grote deeltjes, wordt er een "barrière" (een afschermplaat of een gebogen buiswand) tussen het substraat en het kathodeoppervlak geplaatst. Deze barrière blokkeert deeltjes die in een rechte lijn tussen de kathode en het substraat bewegen. De ionen kunnen echter wel door het magnetische veld worden afgebogen en door de "barrière" naar het substraat stromen.
Werkingsprincipe van het magnetische filtratieapparaat
In het magnetische veld is Pe<
Pe en Pi zijn respectievelijk de Larmor-stralen van elektronen en ionen, en a is de binnendiameter van het magnetische filter. De elektronen in het plasma worden beïnvloed door de Lorentzkracht en roteren axiaal langs het magnetische veld, terwijl het magnetische veld minder effect heeft op de clustering van de ionen vanwege het verschil tussen de ionen en elektronen in de Larmor-straal. Wanneer de elektronen echter langs de as van het magnetische filter bewegen, trekt het ionen aan langs de axiale as voor de rotatiebeweging vanwege zijn focus en het sterke negatieve elektrische veld, en de elektronensnelheid is groter dan die van het ion, dus het elektron trekt het ion constant naar voren, terwijl het plasma altijd quasi-elektrisch neutraal blijft. De grote deeltjes zijn elektrisch neutraal of licht negatief geladen en de kwaliteit is veel beter dan die van de ionen en elektronen, in principe niet beïnvloed door het magnetische veld en de lineaire beweging langs de traagheid, en zullen worden uitgefilterd na een botsing met de binnenwand van het apparaat.
Onder de gecombineerde functie van de kromming van het magnetische veld, de gradiëntdrift en de botsingen tussen ionen en elektronen, kan het plasma in het magnetische filter worden afgebogen. De meest gebruikte theoretische modellen zijn tegenwoordig het Morozov-fluxmodel en het Davidson-model met stijve rotoren, die de volgende gemeenschappelijke eigenschap hebben: er is een magnetisch veld dat de elektronen strikt spiraalvormig laat bewegen.
De sterkte van het magnetische veld dat de axiale beweging van het plasma in het magnetische filtratieapparaat begeleidt, moet zodanig zijn dat:
Mi, Vo en Z zijn respectievelijk de ionmassa, de transportsnelheid en het aantal meegevoerde ladingen. a is de binnendiameter van het magnetische filter en e is de lading van het elektron.
Opgemerkt moet worden dat sommige ionen met hogere energie niet volledig door de elektronenbundel kunnen worden gebonden. Ze kunnen de binnenwand van het magneetfilter bereiken, waardoor de binnenwand een positief potentiaal krijgt. Dit verhindert dat de ionen de binnenwand verder bereiken en vermindert het plasmaverlies.
Op basis van dit fenomeen kan een geschikte positieve voorspanning op de wand van het magnetische filter worden toegepast om botsingen van ionen te voorkomen en zo de efficiëntie van het doelionentransport te verbeteren.
Classificatie van magnetische filtratie-apparaten
(1) Lineaire structuur. Het magnetische veld fungeert als geleider voor de ionenbundelstroom, waardoor de grootte van de kathodevlek en het aandeel macroscopische deeltjesclusters worden verkleind, terwijl de botsingen in het plasma worden geïntensiveerd, waardoor neutrale deeltjes in ionen worden omgezet en het aantal macroscopische deeltjesclusters afneemt, en het aantal grote deeltjes snel afneemt naarmate de magnetische veldsterkte toeneemt. Vergeleken met de conventionele multi-arc ioncoatingmethode overwint dit gestructureerde apparaat de aanzienlijke efficiëntievermindering die wordt veroorzaakt door andere methoden en kan het een vrijwel constante filmdepositiesnelheid garanderen, terwijl het aantal grote deeltjes met ongeveer 60% wordt verminderd.
(2) Kromme structuur. Hoewel de structuur verschillende vormen kent, is het basisprincipe hetzelfde. Het plasma beweegt onder de gecombineerde werking van een magnetisch en elektrisch veld, en het magnetische veld wordt gebruikt om het plasma te beperken en te controleren zonder de beweging langs de richting van de magnetische krachtlijnen af te buigen. De ongeladen deeltjes zullen zich langs de lineaire lijn bewegen en worden gescheiden. De films die met dit structurele apparaat worden vervaardigd, hebben een hoge hardheid, een lage oppervlakteruwheid, een goede dichtheid, een uniforme korrelgrootte en een sterke hechting aan de filmbasis. XPS-analyse toont aan dat de oppervlaktehardheid van ta-C-films die met dit type apparaat zijn gecoat, 56 GPa kan bereiken. Daarom is het apparaat met gebogen structuur de meest gebruikte en effectieve methode voor het verwijderen van grote deeltjes, maar de efficiëntie van het doelionentransport moet verder worden verbeterd. Het magnetische filtratieapparaat met een bocht van 90° is een van de meest gebruikte apparaten met gebogen structuur. Experimenten met het oppervlakteprofiel van Ta-C-films tonen aan dat het oppervlakteprofiel van een 360°-gebogen magnetisch filtratiesysteem niet veel verandert in vergelijking met een 90°-gebogen magnetisch filtratiesysteem. Het effect van een 90°-gebogen magnetisch filtratiesysteem op grote deeltjes kan dus in principe worden bereikt. Een 90°-gebogen magnetisch filtratiesysteem heeft hoofdzakelijk twee soorten structuren: de ene is een solenoïde die in de vacuümkamer wordt geplaatst en de andere is buiten de vacuümkamer geplaatst. Het verschil tussen beide is alleen te wijten aan de structuur. De werkdruk van een 90°-gebogen magnetisch filtratiesysteem ligt in de orde van 10-2 Pa en kan worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, zoals het coaten van nitride, oxide, amorfe koolstof, halfgeleiderfilm en metaal- of niet-metaalfilm.
De efficiëntie van magnetische filtratie-apparaten
Omdat niet alle grote deeltjes kinetische energie kunnen verliezen bij continue botsingen met de wand, zal een bepaald aantal grote deeltjes het substraat bereiken via de uitlaat van de pijp. Daarom heeft een lang en smal magnetisch filtratieapparaat een hogere filtratie-efficiëntie voor grote deeltjes, maar dit zal het verlies van doelionen verhogen en tegelijkertijd de complexiteit van de structuur vergroten. Het garanderen van een uitstekende verwijdering van grote deeltjes en een hoge efficiëntie van ionentransport is daarom een noodzakelijke voorwaarde voor een brede toepassing van multi-arc ioncoatingtechnologie bij het afzetten van hoogwaardige dunne films. De werking van het magnetisch filtratieapparaat wordt beïnvloed door de magnetische veldsterkte, buigingsvoorspanning, mechanische apertuur, boogbronstroom en invalshoek van geladen deeltjes. Door redelijke parameters van het magnetisch filtratieapparaat in te stellen, kunnen het filtereffect van grote deeltjes en de ionenoverdrachtsefficiëntie van het doel effectief worden verbeterd.
Plaatsingstijd: 8 november 2022