تقنية الترشيح المغناطيسي

النظرية الأساسية لجهاز الترشيح المغناطيسي
آلية الترشيح لجهاز الترشيح المغناطيسي للجسيمات الكبيرة في شعاع البلازما هي كما يلي:
باستخدام الفرق بين البلازما والجسيمات الكبيرة في الشحنة ونسبة الشحنة إلى الكتلة، يوجد "حاجز" (إما حاجز أو جدار أنبوب منحني) يوضع بين الركيزة وسطح الكاثود، والذي يمنع أي جزيئات تتحرك في خط مستقيم بين الكاثود والركيزة، بينما يمكن انحراف الأيونات بواسطة المجال المغناطيسي والمرور عبر "الحاجز" إلى الركيزة.

مبدأ عمل جهاز الترشيح المغناطيسي

في المجال المغناطيسي، Pe<

Pe وPi هما نصفا قطر لارمور للإلكترونات والأيونات على التوالي، وa هو القطر الداخلي للمرشح المغناطيسي. تتأثر الإلكترونات في البلازما بقوة لورنتز وتدور على طول المجال المغناطيسي محوريًا، بينما يكون للمجال المغناطيسي تأثير أقل على تجمع الأيونات نظرًا لاختلاف الأيونات والإلكترونات في نصف قطر لارمور. ومع ذلك، عندما تتحرك الإلكترونات على طول محور جهاز المرشح المغناطيسي، فإنها ستجذب الأيونات على طول المحور للحركة الدورانية بسبب تركيزها والمجال الكهربائي السالب القوي، وتكون سرعتها أكبر من سرعة الأيون، لذلك يسحب الإلكترون الأيون باستمرار إلى الأمام، بينما تظل البلازما دائمًا شبه متعادلة كهربائيًا. الجسيمات الكبيرة متعادلة كهربائيًا أو مشحونة سالبًا قليلاً، ونوعيتها أكبر بكثير من الأيونات والإلكترونات، ولا تتأثر أساسًا بالمجال المغناطيسي والحركة الخطية على طول القصور الذاتي، ويتم ترشيحها بعد الاصطدام بالجدار الداخلي للجهاز.
بفضل الوظيفة المشتركة لانحناء المجال المغناطيسي المنحني وانجراف التدرج وتصادمات الأيونات والإلكترونات، يمكن انحراف البلازما في جهاز الترشيح المغناطيسي. النماذج النظرية الشائعة الاستخدام اليوم هي نموذج تدفق موروزوف ونموذج الدوار الصلب ديفيدسون، واللذان يشتركان في السمة التالية: وجود مجال مغناطيسي يُحرك الإلكترونات بشكل حلزوني بحت.
يجب أن تكون قوة المجال المغناطيسي الموجه للحركة المحورية للبلازما في جهاز الترشيح المغناطيسي بحيث:

Mi وVo وZ هي كتلة الأيونات وسرعة النقل وعدد الشحنات المحمولة على التوالي. a هو القطر الداخلي للمرشح المغناطيسي، وe هي شحنة الإلكترون.
تجدر الإشارة إلى أن بعض الأيونات ذات الطاقة العالية لا يمكن ربطها بالكامل بشعاع الإلكترونات. قد تصل إلى الجدار الداخلي للمرشح المغناطيسي، مما يجعل الجدار الداخلي ذا جهد موجب، مما يمنع الأيونات من الاستمرار في الوصول إليه ويقلل من فقدان البلازما.
وفقًا لهذه الظاهرة، يمكن تطبيق ضغط تحيز إيجابي مناسب على جدار جهاز الفلتر المغناطيسي لمنع تصادم الأيونات لتحسين كفاءة نقل الأيونات المستهدفة.

تصنيف جهاز الترشيح المغناطيسي
(1) بنية خطية. يعمل المجال المغناطيسي كدليل لتدفق حزمة الأيونات، مما يقلل من حجم بقعة الكاثود ونسبة تجمعات الجسيمات العيانية، ويزيد من شدة التصادمات داخل البلازما، مما يحفز تحويل الجسيمات المحايدة إلى أيونات، ويقلل عدد تجمعات الجسيمات العيانية، ويخفض بسرعة عدد الجسيمات الكبيرة مع زيادة شدة المجال المغناطيسي. بالمقارنة مع طريقة طلاء الأيونات متعددة الأقواس التقليدية، يتغلب هذا الجهاز الهيكلي على الانخفاض الكبير في الكفاءة الناتج عن الطرق الأخرى، ويضمن معدل ترسيب غشاء ثابتًا تقريبًا، مع تقليل عدد الجسيمات الكبيرة بنحو 60%.
(2) هيكل من النوع المنحني. على الرغم من أن الهيكل له أشكال مختلفة، إلا أن المبدأ الأساسي هو نفسه. تتحرك البلازما تحت الوظيفة المشتركة للحقل المغناطيسي والحقل الكهربائي، ويُستخدم المجال المغناطيسي لحصر البلازما والتحكم فيها دون انحراف الحركة على طول اتجاه خطوط القوة المغناطيسية. وستتحرك الجسيمات غير المشحونة على طول الخط ويتم فصلها. تتميز الأغشية المحضرة بواسطة هذا الجهاز الهيكلي بصلابة عالية، وخشونة سطح منخفضة، وكثافة جيدة، وحجم حبيبات موحد، وقوة التصاق قاعدة الفيلم. يُظهر تحليل XPS أن صلابة سطح أغشية ta-C المطلية بهذا النوع من الأجهزة يمكن أن تصل إلى 56 جيجاباسكال، وبالتالي فإن جهاز الهيكل المنحني هو الطريقة الأكثر استخدامًا وفعالية لإزالة الجسيمات الكبيرة، ولكن كفاءة نقل الأيونات المستهدفة تحتاج إلى مزيد من التحسين. يُعد جهاز الترشيح المغناطيسي المنحني بزاوية 90 درجة أحد أكثر أجهزة الهيكل المنحني استخدامًا. أظهرت التجارب على ملف تعريف سطح أغشية Ta-C أن ملف تعريف سطح جهاز الترشيح المغناطيسي المنحني بزاوية 360 درجة لا يتغير كثيرًا مقارنةً بجهاز الترشيح المغناطيسي المنحني بزاوية 90 درجة، وبالتالي يمكن تحقيق تأثير الترشيح المغناطيسي المنحني بزاوية 90 درجة للجسيمات الكبيرة بشكل أساسي. يحتوي جهاز الترشيح المغناطيسي المنحني بزاوية 90 درجة بشكل أساسي على نوعين من الهياكل: أحدهما عبارة عن ملف لولبي منحني يوضع في غرفة التفريغ، والآخر يوضع خارج غرفة التفريغ، والفرق بينهما هو فقط في الهيكل. يبلغ ضغط تشغيل جهاز الترشيح المغناطيسي المنحني بزاوية 90 درجة حوالي 10-2 باسكال، ويمكن استخدامه في مجموعة واسعة من التطبيقات، مثل طلاء النيتريد والأكسيد والكربون غير المتبلور وأغشية أشباه الموصلات والأغشية المعدنية أو غير المعدنية.

كفاءة جهاز الترشيح المغناطيسي
نظرًا لأن الجسيمات الكبيرة لا تفقد طاقتها الحركية في التصادمات المستمرة مع الجدار، فإن عددًا معينًا منها سيصل إلى الركيزة عبر مخرج الأنبوب. لذلك، يتمتع جهاز الترشيح المغناطيسي الطويل والضيق بكفاءة ترشيح أعلى للجسيمات الكبيرة، ولكنه في هذا الوقت سيزيد من فقدان الأيونات المستهدفة وفي الوقت نفسه يزيد من تعقيد الهيكل. لذلك، فإن ضمان إزالة ممتازة للجسيمات الكبيرة وكفاءة عالية لنقل الأيونات في جهاز الترشيح المغناطيسي هو شرط أساسي ضروري لتقنية طلاء الأيونات متعدد الأقواس ليكون لها آفاق تطبيق واسعة في ترسيب الأغشية الرقيقة عالية الأداء. يتأثر تشغيل جهاز الترشيح المغناطيسي بقوة المجال المغناطيسي، وانحياز الانحناء، وفتحة الحاجز الميكانيكية، وتيار مصدر القوس، وزاوية سقوط الجسيمات المشحونة. من خلال ضبط معلمات معقولة لجهاز الترشيح المغناطيسي، يمكن تحسين تأثير ترشيح الجسيمات الكبيرة وكفاءة نقل الأيونات للهدف بشكل فعال.