เทคโนโลยีการกรองด้วยแม่เหล็ก

ทฤษฎีพื้นฐานของอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก
กลไกการกรองของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กสำหรับอนุภาคขนาดใหญ่ในลำแสงพลาสมามีดังนี้:
การใช้ความแตกต่างระหว่างพลาสมาและอนุภาคขนาดใหญ่ในอัตราส่วนประจุและประจุต่อมวล จะมี "สิ่งกีดขวาง" (อาจเป็นแผ่นกั้นหรือผนังท่อโค้งก็ได้) วางระหว่างซับสเตรตกับพื้นผิวแคโทด ซึ่งจะกั้นอนุภาคใดๆ ที่เคลื่อนที่ใน เป็นเส้นตรงระหว่างแคโทดและซับสเตรต ในขณะที่ไอออนสามารถเบี่ยงเบนโดยสนามแม่เหล็กและผ่าน "สิ่งกีดขวาง" ไปยังซับสเตรต

หลักการทำงานของเครื่องกรองแม่เหล็ก

ในสนามแม่เหล็ก Pe<

Pe และ Pi คือรัศมี Larmor ของอิเล็กตรอนและไอออนตามลำดับ และ a คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของตัวกรองแม่เหล็กอิเล็กตรอนในพลาสมาได้รับผลกระทบจากแรง Lorentz และหมุนไปตามสนามแม่เหล็กในแนวแกน ในขณะที่สนามแม่เหล็กมีผลต่อการเกาะกลุ่มของไอออนน้อยกว่าเนื่องจากความแตกต่างระหว่างไอออนและอิเล็กตรอนในรัศมีลาร์มอร์อย่างไรก็ตาม เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปตามแกนของอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก มันจะดึงดูดไอออนตามแนวแกนสำหรับการเคลื่อนที่แบบหมุนเนื่องจากการโฟกัสและสนามไฟฟ้าลบที่รุนแรง และความเร็วของอิเล็กตรอนจะมากกว่าไอออน ดังนั้นอิเล็กตรอน ดึงไอออนไปข้างหน้าอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่พลาสมายังคงเป็นกลางกึ่งไฟฟ้าอยู่เสมออนุภาคขนาดใหญ่เป็นกลางทางไฟฟ้าหรือมีประจุลบเล็กน้อย และมีคุณภาพมากกว่าไอออนและอิเล็กตรอน โดยทั่วไปจะไม่ได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กและการเคลื่อนที่เชิงเส้นตามความเฉื่อย และจะถูกกรองออกหลังจากชนกับผนังด้านในของ อุปกรณ์.
ภายใต้การทำงานร่วมกันของความโค้งงอของสนามแม่เหล็กและการเคลื่อนตัวแบบเกรเดียนต์และการชนกันของไอออน-อิเล็กตรอน พลาสมาสามารถเบี่ยงเบนในอุปกรณ์กรองแม่เหล็กได้ในแบบจำลองทางทฤษฎีทั่วไปที่ใช้ในปัจจุบันคือแบบจำลองฟลักซ์ของโมโรซอฟและแบบจำลองโรเตอร์แบบแข็งของเดวิดสัน ซึ่งมีลักษณะทั่วไปดังต่อไปนี้: มีสนามแม่เหล็กที่ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในลักษณะที่เป็นเกลียวอย่างเคร่งครัด
ความแรงของสนามแม่เหล็กที่ชี้นำการเคลื่อนที่ตามแนวแกนของพลาสมาในอุปกรณ์กรองแม่เหล็กควรเป็นดังนี้:

Mi, Vo และ Z คือมวลไอออน ความเร็วในการขนส่ง และจำนวนประจุที่บรรทุกตามลำดับa คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของตัวกรองแม่เหล็ก และ e คือประจุอิเล็กตรอน
ควรสังเกตว่าไอออนพลังงานสูงบางชนิดไม่สามารถจับกับลำอิเล็กตรอนได้อย่างสมบูรณ์พวกมันอาจไปถึงผนังด้านในของตัวกรองแม่เหล็ก ทำให้ผนังด้านในมีศักย์เป็นบวก ซึ่งจะยับยั้งไอออนไม่ให้มาถึงผนังด้านในต่อไป และลดการสูญเสียพลาสมา
จากปรากฏการณ์นี้ แรงดันไบอัสบวกที่เหมาะสมสามารถนำไปใช้กับผนังของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กเพื่อยับยั้งการชนกันของไอออนเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการขนส่งไอออนเป้าหมาย

การจำแนกประเภทของอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก
(1) โครงสร้างเชิงเส้นสนามแม่เหล็กทำหน้าที่เป็นตัวนำทางสำหรับการไหลของลำแสงไอออน ลดขนาดของจุดแคโทดและสัดส่วนของกลุ่มอนุภาคขนาดมหึมา ในขณะที่เพิ่มการชนกันภายในพลาสมา กระตุ้นการเปลี่ยนอนุภาคที่เป็นกลางเป็นไอออน และลดจำนวนของอนุภาคขนาดมหึมา กลุ่มอนุภาคและลดจำนวนอนุภาคขนาดใหญ่ลงอย่างรวดเร็วเมื่อความแรงของสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับวิธีการเคลือบด้วยไอออนแบบหลายอาร์กแบบทั่วไป อุปกรณ์ที่มีโครงสร้างนี้เอาชนะการลดประสิทธิภาพลงอย่างมากที่เกิดจากวิธีการอื่นๆ และสามารถรับประกันอัตราการสะสมฟิล์มที่คงที่เป็นหลัก ในขณะที่ลดจำนวนของอนุภาคขนาดใหญ่ลงประมาณ 60%
(2) โครงสร้างแบบโค้งแม้ว่าโครงสร้างจะมีรูปแบบต่างๆ กัน แต่หลักการพื้นฐานก็เหมือนกันพลาสมาเคลื่อนที่ภายใต้การทำงานร่วมกันของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กจะถูกใช้เพื่อจำกัดและควบคุมพลาสมาโดยไม่เบี่ยงเบนการเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของเส้นแรงแม่เหล็กและอนุภาคที่ไม่มีประจุจะเคลื่อนที่ไปตามเส้นตรงและถูกแยกออกจากกันฟิล์มที่เตรียมโดยอุปกรณ์โครงสร้างนี้มีความแข็งสูง ความหยาบผิวต่ำ ความหนาแน่นดี ขนาดเกรนสม่ำเสมอ และการยึดเกาะฐานฟิล์มที่แข็งแรงการวิเคราะห์ XPS แสดงให้เห็นว่าความแข็งผิวของฟิล์ม ta-C ที่เคลือบด้วยอุปกรณ์ประเภทนี้สามารถสูงถึง 56 GPa ดังนั้นอุปกรณ์โครงสร้างโค้งจึงเป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและมีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับการกำจัดอนุภาคขนาดใหญ่ แต่ประสิทธิภาพการขนส่งไอออนเป้าหมายจะต้องมี ดีขึ้นอุปกรณ์กรองแม่เหล็กแบบโค้งงอ 90° เป็นหนึ่งในอุปกรณ์โครงสร้างโค้งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายการทดลองเกี่ยวกับโปรไฟล์พื้นผิวของฟิล์ม Ta-C แสดงให้เห็นว่าโปรไฟล์พื้นผิวของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กแบบโค้งงอ 360° ไม่เปลี่ยนแปลงมากนักเมื่อเทียบกับอุปกรณ์กรองด้วยแม่เหล็กแบบโค้งงอ 90° ดังนั้นผลกระทบของการกรองด้วยแม่เหล็กแบบโค้งงอ 90° สำหรับอนุภาคขนาดใหญ่จึงสามารถเป็นพื้นๆ ได้ ประสบความสำเร็จอุปกรณ์กรองแม่เหล็กแบบโค้งงอ 90° ส่วนใหญ่มีโครงสร้าง 2 ประเภท: ประเภทหนึ่งคือโซลินอยด์แบบโค้งที่วางอยู่ในห้องสุญญากาศ และอีกประเภทหนึ่งวางอยู่นอกห้องสุญญากาศ และความแตกต่างระหว่างพวกมันจะอยู่ที่โครงสร้างเท่านั้นแรงดันใช้งานของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กแบบโค้งงอ 90° อยู่ที่ 10-2Pa และสามารถใช้งานได้หลากหลาย เช่น การเคลือบไนไตรด์ ออกไซด์ คาร์บอนอสัณฐาน ฟิล์มเซมิคอนดักเตอร์ และฟิล์มโลหะหรืออโลหะ .

ประสิทธิภาพของเครื่องกรองแม่เหล็ก
เนื่องจากไม่ใช่อนุภาคขนาดใหญ่ทั้งหมดที่สามารถสูญเสียพลังงานจลน์ในการชนกับผนังอย่างต่อเนื่อง อนุภาคขนาดใหญ่จำนวนหนึ่งจะเข้าถึงพื้นผิวผ่านทางออกของท่อดังนั้นอุปกรณ์กรองแม่เหล็กที่ยาวและแคบจึงมีประสิทธิภาพในการกรองอนุภาคขนาดใหญ่สูงกว่า แต่ในเวลานี้จะเพิ่มการสูญเสียไอออนเป้าหมายและในขณะเดียวกันก็เพิ่มความซับซ้อนของโครงสร้างดังนั้น การตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุปกรณ์กรองด้วยแม่เหล็กมีการกำจัดอนุภาคขนาดใหญ่ที่ยอดเยี่ยมและการขนส่งไอออนที่มีประสิทธิภาพสูง จึงเป็นสิ่งที่จำเป็นเบื้องต้นสำหรับเทคโนโลยีการเคลือบไอออนแบบหลายอาร์ค เพื่อให้มีโอกาสในการใช้งานที่หลากหลายในการฝากฟิล์มบางที่มีประสิทธิภาพสูงการทำงานของอุปกรณ์กรองแม่เหล็กได้รับผลกระทบจากความแรงของสนามแม่เหล็ก ไบอัสแบบโค้ง รูรับแสงเชิงกล กระแสจากแหล่งอาร์ค และมุมตกกระทบของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าด้วยการตั้งค่าพารามิเตอร์ที่เหมาะสมของอุปกรณ์กรองแม่เหล็ก ผลการกรองของอนุภาคขนาดใหญ่และประสิทธิภาพการถ่ายโอนไอออนของชิ้นงานสามารถปรับปรุงได้อย่างมีประสิทธิภาพ