تقنية الترشيح المغناطيسي

النظرية الأساسية لجهاز الترشيح المغناطيسي
تتمثل آلية ترشيح جهاز الترشيح المغناطيسي للجسيمات الكبيرة في حزمة البلازما فيما يلي:
باستخدام الفرق بين البلازما والجسيمات الكبيرة في الشحنة ونسبة الشحنة إلى الكتلة، يوجد "حاجز" (إما حاجز أو جدار أنبوب منحني) موضوع بين الركيزة وسطح الكاثود، والذي يمنع أي جسيمات 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<

يمثل Pe و Pi نصف قطر لارمور للإلكترونات والأيونات على التوالي، بينما يمثل a القطر الداخلي للمرشح المغناطيسي. تتأثر الإلكترونات في البلازما بقوة لورنتز وتدور على طول محور المجال المغناطيسي، في حين أن تأثير المجال المغناطيسي على تكتل الأيونات أقل نظرًا لاختلاف نصف قطر لارمور بين الأيونات والإلكترونات. مع ذلك، عندما تتحرك الإلكترونات على طول محور جهاز المرشح المغناطيسي، فإنها تجذب الأيونات على طول المحور بفعل حركتها الدورانية نتيجة تركيزها والمجال الكهربائي السالب القوي، ونظرًا لأن سرعة الإلكترونات أكبر من سرعة الأيونات، فإنها تسحب الأيونات باستمرار إلى الأمام، بينما تبقى البلازما متعادلة كهربائيًا تقريبًا. تكون الجسيمات الكبيرة متعادلة كهربائيًا أو مشحونة بشحنة سالبة طفيفة، وحجمها أكبر بكثير من حجم الأيونات والإلكترونات، وبالتالي لا تتأثر أساسًا بالمجال المغناطيسي وتتحرك خطيًا وفقًا لمركز قصورها الذاتي، ويتم ترشيحها بعد اصطدامها بالجدار الداخلي للجهاز.
بفضل التأثير المشترك لانحناء المجال المغناطيسي وانجراف التدرج وتصادمات الأيونات والإلكترونات، يمكن توجيه البلازما في جهاز الترشيح المغناطيسي. ومن النماذج النظرية الشائعة المستخدمة اليوم نموذج تدفق موروزوف ونموذج الدوار الصلب لديفيدسون، واللذان يشتركان في خاصية واحدة: وجود مجال مغناطيسي يجعل الإلكترونات تتحرك بطريقة حلزونية تمامًا.
يجب أن تكون قوة المجال المغناطيسي الذي يوجه الحركة المحورية للبلازما في جهاز الترشيح المغناطيسي على النحو التالي:

تمثل Mi و Vo و Z على التوالي كتلة الأيون وسرعة النقل وعدد الشحنات المحمولة. أما a فهو القطر الداخلي للمرشح المغناطيسي، و e هي شحنة الإلكترون.
تجدر الإشارة إلى أن بعض الأيونات ذات الطاقة العالية لا يمكن ربطها بالكامل بحزمة الإلكترونات. قد تصل هذه الأيونات إلى الجدار الداخلي للمرشح المغناطيسي، مما يجعل الجدار الداخلي ذا جهد موجب، وهو ما يمنع الأيونات من مواصلة الوصول إلى الجدار الداخلي ويقلل من فقدان البلازما.
وفقًا لهذه الظاهرة، يمكن تطبيق ضغط انحياز إيجابي مناسب على جدار جهاز الترشيح المغناطيسي لمنع تصادم الأيونات من أجل تحسين كفاءة نقل الأيونات المستهدفة.

تصنيف أجهزة الترشيح المغناطيسي
(1) بنية خطية. يعمل المجال المغناطيسي كدليل لتدفق حزمة الأيونات، مما يقلل من حجم بقعة الكاثود ونسبة تجمعات الجسيمات الكبيرة، بينما يُكثّف التصادمات داخل البلازما، مما يُحفّز تحويل الجسيمات المتعادلة إلى أيونات ويقلل من عدد تجمعات الجسيمات الكبيرة، ويقلل بسرعة من عدد الجسيمات الكبيرة مع زيادة شدة المجال المغناطيسي. بالمقارنة مع طريقة طلاء الأيونات التقليدية متعددة الأقواس، يتغلب هذا الجهاز المُهيكل على الانخفاض الكبير في الكفاءة الناتج عن الطرق الأخرى، ويمكنه ضمان معدل ترسيب طبقة ثابت تقريبًا مع تقليل عدد الجسيمات الكبيرة بنحو 60%.
(2) البنية المنحنية. على الرغم من تنوع أشكال هذه البنية، إلا أن مبدأها الأساسي واحد. تتحرك البلازما تحت تأثير المجالين المغناطيسي والكهربائي، حيث يُستخدم المجال المغناطيسي لحصر البلازما والتحكم بها دون تغيير اتجاه حركتها على طول خطوط القوة المغناطيسية. أما الجسيمات غير المشحونة فتتحرك على طول الخطوط المستقيمة وتنفصل. تتميز الأغشية المُحضّرة باستخدام هذه البنية بصلابة عالية، وخشونة سطح منخفضة، وكثافة جيدة، وحجم حبيبات منتظم، وتماسك قوي بين الغشاء وقاعدته. يُظهر تحليل XPS أن صلابة سطح أغشية الكربون غير المتبلور (ta-C) المطلية بهذه البنية تصل إلى 56 جيجا باسكال، مما يجعل البنية المنحنية الطريقة الأكثر استخدامًا وفعالية لإزالة الجسيمات الكبيرة، إلا أن كفاءة نقل الأيونات المستهدفة لا تزال بحاجة إلى مزيد من التحسين. يُعد جهاز الترشيح المغناطيسي بزاوية 90 درجة أحد أكثر أنواع البنى المنحنية استخدامًا. أظهرت التجارب التي أُجريت على المظهر السطحي لأغشية التنتالوم والكربون أن المظهر السطحي لجهاز الترشيح المغناطيسي ذي الانحناء 360 درجة لا يتغير كثيرًا مقارنةً بجهاز الترشيح المغناطيسي ذي الانحناء 90 درجة، مما يعني إمكانية تحقيق فعالية الترشيح المغناطيسي ذي الانحناء 90 درجة للجسيمات الكبيرة بشكل أساسي. يتوفر جهاز الترشيح المغناطيسي ذو الانحناء 90 درجة بنوعين رئيسيين من الهياكل: أحدهما عبارة عن ملف لولبي منحني موضوع داخل حجرة مفرغة من الهواء، والآخر موضوع خارجها، والفرق بينهما يكمن فقط في التركيب. يبلغ ضغط التشغيل لجهاز الترشيح المغناطيسي ذي الانحناء 90 درجة حوالي 10⁻² باسكال، ويمكن استخدامه في نطاق واسع من التطبيقات، مثل طلاء النيتريد، والأكسيد، والكربون غير المتبلور، وأغشية أشباه الموصلات، والأغشية المعدنية وغير المعدنية.

كفاءة جهاز الترشيح المغناطيسي
بما أن بعض الجسيمات الكبيرة لا تفقد طاقتها الحركية بالكامل عند اصطدامها المستمر بالجدار، فإن عددًا منها يصل إلى الركيزة عبر مخرج الأنبوب. لذا، يتميز جهاز الترشيح المغناطيسي الطويل والضيق بكفاءة ترشيح أعلى للجسيمات الكبيرة، ولكنه في الوقت نفسه يزيد من فقدان أيونات الهدف ويزيد من تعقيد بنيته. لذلك، يُعد ضمان كفاءة جهاز الترشيح المغناطيسي في إزالة الجسيمات الكبيرة ونقل الأيونات بكفاءة عالية شرطًا أساسيًا لتقنية طلاء الأيونات متعددة الأقواس، وذلك لضمان آفاق تطبيق واسعة في ترسيب الأغشية الرقيقة عالية الأداء. يتأثر أداء جهاز الترشيح المغناطيسي بشدة المجال المغناطيسي، وانحناء الانحياز، وفتحة الحاجز الميكانيكي، وتيار مصدر القوس، وزاوية سقوط الجسيمات المشحونة. ومن خلال ضبط معايير جهاز الترشيح المغناطيسي بشكل مناسب، يمكن تحسين فعالية ترشيح الجسيمات الكبيرة وكفاءة نقل أيونات الهدف بشكل فعال.