Công nghệ lọc từ tính

Lý thuyết cơ bản về thiết bị lọc từ
Cơ chế lọc của thiết bị lọc từ đối với các hạt lớn trong chùm tia plasma như sau:
Sử dụng sự khác biệt giữa plasma và các hạt lớn về điện tích và tỷ lệ điện tích trên khối lượng, có một “rào cản” (có thể là vách ngăn hoặc thành ống cong) đặt giữa đế và bề mặt cực âm, ngăn chặn bất kỳ hạt nào di chuyển trong một đường thẳng giữa cực âm và đế, trong khi các ion có thể bị từ trường làm lệch hướng và đi qua “rào cản” để đến đế.

Nguyên lý làm việc của thiết bị lọc từ tính

Trong từ trường, Pe<

Pe và Pi lần lượt là bán kính Larmor của các electron và ion, và a là đường kính trong của bộ lọc từ tính.Các electron trong plasma bị ảnh hưởng bởi lực Lorentz và quay dọc theo trục của từ trường, trong khi từ trường ít ảnh hưởng đến sự phân cụm của các ion do sự khác biệt giữa các ion và electron trong bán kính Larmor.Tuy nhiên, khi chuyển động của electron dọc theo trục của thiết bị lọc từ, nó sẽ hút các ion dọc theo trục để chuyển động quay do tiêu điểm và điện trường âm mạnh, và tốc độ của electron lớn hơn ion, vì vậy electron liên tục kéo ion về phía trước, trong khi plasma luôn giữ trạng thái gần như trung hòa về điện.Các hạt lớn trung hòa về điện hoặc hơi tích điện âm, chất lượng lớn hơn nhiều so với các ion và electron, về cơ bản không bị ảnh hưởng bởi từ trường và chuyển động tuyến tính theo quán tính, và sẽ bị lọc ra sau khi va chạm với thành trong của thiết bị.
Dưới chức năng kết hợp của độ cong từ trường uốn và độ lệch gradient và va chạm ion-electron, plasma có thể bị lệch trong thiết bị lọc từ tính.Trong Các mô hình lý thuyết phổ biến được sử dụng ngày nay là mô hình từ thông Morozov và mô hình rôto cứng Davidson, chúng có đặc điểm chung sau: có một từ trường làm cho các electron chuyển động theo đường xoắn ốc nghiêm ngặt.
Cường độ của từ trường hướng dẫn chuyển động dọc trục của plasma trong thiết bị lọc từ tính phải sao cho:

Mi, Vo và Z lần lượt là khối lượng ion, vận tốc truyền và số điện tích mang theo.a là đường kính trong của bộ lọc từ tính và e là điện tích của electron.
Cần lưu ý rằng một số ion năng lượng cao hơn không thể bị chùm điện tử liên kết hoàn toàn.Chúng có thể chạm tới thành trong của bộ lọc từ tính, làm cho thành trong có điện thế dương, từ đó ngăn cản các ion tiếp tục đi tới thành trong và giảm sự thất thoát plasma.
Theo hiện tượng này, áp suất phân cực dương thích hợp có thể được áp dụng cho thành của thiết bị lọc từ tính để ức chế sự va chạm của các ion nhằm cải thiện hiệu quả vận chuyển ion mục tiêu.

Phân loại thiết bị lọc từ tính
(1)Cấu trúc tuyến tính.Từ trường hoạt động như một hướng dẫn cho dòng chùm ion, làm giảm kích thước của điểm cực âm và tỷ lệ các cụm hạt vĩ mô, đồng thời tăng cường các va chạm trong plasma, thúc đẩy quá trình chuyển đổi các hạt trung tính thành ion và giảm số lượng các hạt vĩ mô. các cụm hạt và giảm nhanh số lượng các hạt lớn khi cường độ từ trường tăng lên.So với phương pháp phủ ion đa hồ quang thông thường, thiết bị có cấu trúc này khắc phục được tình trạng giảm đáng kể hiệu quả do các phương pháp khác gây ra và có thể đảm bảo tốc độ lắng đọng màng về cơ bản không đổi trong khi giảm khoảng 60% số lượng hạt lớn.
(2) Cấu trúc kiểu đường cong.Mặc dù cấu trúc có nhiều hình thức khác nhau, nhưng nguyên tắc cơ bản là giống nhau.Plasma di chuyển dưới chức năng kết hợp của từ trường và điện trường, và từ trường được sử dụng để hạn chế và kiểm soát plasma mà không làm lệch hướng chuyển động dọc theo hướng của các đường sức từ.Còn các hạt không mang điện sẽ chuyển động thẳng và bị tách ra.Các màng được chuẩn bị bởi thiết bị kết cấu này có độ cứng cao, độ nhám bề mặt thấp, mật độ tốt, kích thước hạt đồng đều và độ bám dính nền màng mạnh.Phân tích XPS cho thấy độ cứng bề mặt của màng ta-C được phủ bằng loại thiết bị này có thể đạt tới 56 GPa, do đó thiết bị cấu trúc cong là phương pháp hiệu quả và được sử dụng rộng rãi nhất để loại bỏ hạt lớn, nhưng hiệu quả vận chuyển ion mục tiêu cần phải được được cải thiện hơn nữa.Thiết bị lọc từ tính uốn cong 90° là một trong những thiết bị cấu trúc cong được sử dụng rộng rãi nhất.Các thí nghiệm về cấu hình bề mặt của màng Ta-C cho thấy cấu hình bề mặt của thiết bị lọc từ tính uốn cong 360 ° không thay đổi nhiều so với thiết bị lọc từ tính uốn cong 90 °, vì vậy về cơ bản hiệu quả của lọc từ tính uốn cong 90 ° đối với các hạt lớn đạt được.Thiết bị lọc từ tính uốn cong 90° chủ yếu có hai loại cấu trúc: một loại là cuộn điện từ uốn cong được đặt trong buồng chân không, loại còn lại được đặt ngoài buồng chân không và sự khác biệt giữa chúng chỉ nằm ở cấu trúc.Áp suất làm việc của thiết bị lọc từ tính uốn cong 90° theo thứ tự 10-2Pa, và nó có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như lớp phủ nitrua, oxit, cacbon vô định hình, màng bán dẫn và màng kim loại hoặc phi kim loại .

Hiệu quả của thiết bị lọc từ tính
Vì không phải tất cả các hạt lớn đều có thể mất động năng khi va chạm liên tục với tường, nên một số hạt lớn nhất định sẽ chạm tới chất nền thông qua đầu ra của đường ống.Vì vậy, thiết bị lọc từ dài và hẹp thì hiệu suất lọc các hạt lớn cao hơn, nhưng lúc này sẽ làm tăng sự mất mát các ion mục tiêu, đồng thời làm tăng độ phức tạp của kết cấu.Do đó, đảm bảo rằng thiết bị lọc từ tính có khả năng loại bỏ hạt lớn tuyệt vời và hiệu quả vận chuyển ion cao là điều kiện tiên quyết cần thiết để công nghệ phủ ion đa cung có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong việc lắng đọng màng mỏng hiệu suất cao.Hoạt động của thiết bị lọc từ bị ảnh hưởng bởi cường độ từ trường, độ lệch uốn cong, khẩu độ vách ngăn cơ học, dòng điện nguồn hồ quang và góc tới của hạt tích điện.Bằng cách thiết lập các thông số hợp lý của thiết bị lọc từ tính, hiệu quả lọc của các hạt lớn và hiệu quả truyền ion của mục tiêu có thể được cải thiện một cách hiệu quả.