Технологія магнітної фільтрації

Основи теорії пристрою магнітної фільтрації
Механізм фільтрації магнітного фільтруючого пристрою для великих частинок у пучку плазми виглядає наступним чином:
Використовуючи різницю між плазмою та великими частинками в заряді та співвідношенні заряду до маси, між підкладкою та поверхнею катода встановлюється «бар’єр» (або перегородка, або вигнута стінка трубки), який блокує будь-які частинки, що рухаються в пряма лінія між катодом і підкладкою, тоді як іони можуть відхилятися магнітним полем і проходити через «бар'єр» до підкладки.

Принцип роботи пристрою магнітної фільтрації

У магнітному полі Pe<

Pe і Pi — ларморівські радіуси електронів і іонів відповідно, a — внутрішній діаметр магнітного фільтра.Електрони в плазмі зазнають впливу сили Лоренца і обертаються вздовж магнітного поля аксіально, тоді як магнітне поле менше впливає на кластеризацію іонів через різницю між іонами та електронами в радіусі Лармора.Однак, коли електрон рухається вздовж осі пристрою магнітного фільтра, він буде притягувати іони вздовж осі для обертального руху через його фокус і сильне негативне електричне поле, а швидкість електрона більша, ніж швидкість іона, тому електрон постійно тягнуть іон вперед, тоді як плазма завжди залишається квазіелектрично нейтральною.Великі частинки електрично нейтральні або злегка негативно заряджені, і якість набагато більша, ніж іони та електрони, в основному на них не впливає магнітне поле та лінійний рух за інерцією, і вони будуть відфільтровані після зіткнення з внутрішньою стінкою. пристрій.
Під дією комбінованої функції кривизни магнітного поля, градієнтного дрейфу та іонно-електронних зіткнень плазма може бути відхилена в пристрої магнітної фільтрації.Загальними теоретичними моделями, які використовуються сьогодні, є модель потоку Морозова та модель жорсткого ротора Девідсона, які мають наступну спільну рису: існує магнітне поле, яке змушує електрони рухатися строго гвинтовим чином.
Сила магнітного поля, що направляє осьовий рух плазми в пристрої магнітної фільтрації, повинна бути такою, щоб:

Mi, Vo і Z — маса іонів, транспортна швидкість і кількість перенесених зарядів відповідно.a — внутрішній діаметр магнітного фільтра, e — заряд електрона.
Слід зазначити, що деякі іони з більшою енергією не можуть бути повністю зв’язані пучком електронів.Вони можуть досягати внутрішньої стінки магнітного фільтра, перетворюючи внутрішню стінку на позитивний потенціал, що, у свою чергу, перешкоджає подальшому досягненню іонами внутрішньої стінки та зменшує втрату плазми.
Відповідно до цього явища до стінки пристрою магнітного фільтра можна застосувати відповідний позитивний тиск зміщення, щоб запобігти зіткненню іонів, щоб підвищити ефективність транспортування цільових іонів.

Класифікація пристроїв магнітної фільтрації
(1) Лінійна структура.Магнітне поле діє як провідник для потоку пучка іонів, зменшуючи розмір катодної плями та частку кластерів макроскопічних частинок, одночасно посилюючи зіткнення всередині плазми, сприяючи перетворенню нейтральних частинок на іони та зменшуючи кількість макроскопічних частинок. кластери частинок і швидке зменшення кількості великих частинок із збільшенням напруженості магнітного поля.У порівнянні зі звичайним методом іонного покриття з кількома дугами, цей структурований пристрій долає значне зниження ефективності, викликане іншими методами, і може забезпечити практично постійну швидкість осадження плівки, одночасно зменшуючи кількість великих частинок приблизно на 60%.
(2) Структура кривого типу.Хоча структура має різні форми, але основний принцип однаковий.Плазма рухається під дією комбінованої функції магнітного поля та електричного поля, і магнітне поле використовується для обмеження та контролю плазми без відхилення руху вздовж напрямку магнітних силових ліній.А незаряджені частинки будуть рухатися по лінійці і розділятися.Плівки, отримані цим конструкційним пристроєм, мають високу твердість, низьку шорсткість поверхні, хорошу щільність, однорідний розмір зерна та міцну адгезію до основи плівки.XPS-аналіз показує, що поверхнева твердість плівок та-С, покритих цим типом пристрою, може досягати 56 ГПа, таким чином пристрій із вигнутою структурою є найбільш широко використовуваним і ефективним методом видалення великих часток, але цільова ефективність транспортування іонів повинна бути подальше вдосконалення.Пристрій магнітної фільтрації з вигином 90° є одним із найпоширеніших пристроїв із вигнутою структурою.Експерименти з профілем поверхні плівок Ta-C показують, що профіль поверхні пристрою магнітної фільтрації з вигином 360° не сильно змінюється порівняно з пристроєм магнітної фільтрації з вигином 90°, тому ефект магнітної фільтрації з вигином 90° для великих частинок може бути в основному досягнуто.Пристрій магнітної фільтрації з вигином 90° в основному має два типи структур: один - це соленоїд згину, розміщений у вакуумній камері, а інший - поза вакуумною камерою, і різниця між ними полягає лише в структурі.Робочий тиск пристрою для магнітної фільтрації з вигином 90° становить близько 10-2 Па, і його можна використовувати в широкому діапазоні застосувань, таких як покриття з нітриду, оксиду, аморфного вуглецю, напівпровідникової плівки та металевої або неметалічної плівки. .

Ефективність пристрою магнітної фільтрації
Оскільки не всі великі частинки можуть втрачати кінетичну енергію при безперервних зіткненнях зі стінкою, певна кількість великих частинок досягне підкладки через випуск труби.Тому довгий і вузький магнітний фільтраційний пристрій має більш високу ефективність фільтрації великих частинок, але в цей час він збільшить втрати цільових іонів і в той же час збільшить складність структури.Таким чином, гарантія того, що пристрій магнітної фільтрації має відмінне видалення великих частинок і високу ефективність транспортування іонів, є необхідною передумовою для технології багатодугового іонного покриття, щоб мати широку перспективу застосування для осадження високоефективних тонких плівок.На роботу пристрою магнітної фільтрації впливають напруженість магнітного поля, зсув вигину, отвір механічної перегородки, струм джерела дуги та кут падіння заряджених частинок.Встановивши розумні параметри пристрою магнітної фільтрації, ефект фільтрації великих частинок і ефективність перенесення іонів мішені можна ефективно покращити.