Асноўная тэорыя прылады магнітнай фільтрацыі
Механізм фільтрацыі магнітнай фільтруючай прылады для буйных часціц у плазменным пучку выглядае наступным чынам:
Выкарыстоўваючы розніцу паміж плазмай і буйнымі часціцамі ў зарадзе і суадносінах зарада да масы, паміж падкладкай і паверхняй катода размяшчаецца «бар'ер» (перагародка або выгнутая сценка трубкі), які блакуе любыя часціцы, якія рухаюцца па прамой лініі паміж катодам і падкладкай, у той час як іёны могуць адхіляцца магнітным полем і праходзіць праз «бар'ер» да падкладкі.
Прынцып працы магнітнай фільтруючай прылады
У магнітным полі Pe<
Pe і Pi — адпаведна лармараўскія радыусы электронаў і іонаў, а a — унутраны дыяметр магнітнага фільтра. Электроны ў плазме знаходзяцца пад уздзеяннем сілы Лорэнца і круцяцца ўздоўж магнітнага поля ўздоўж восі, у той час як магнітнае поле менш уплывае на кластарызацыю іонаў з-за розніцы паміж іонамі і электронамі ў лармараўскім радыусе. Аднак, калі электрон рухаецца ўздоўж восі магнітнага фільтра, ён прыцягвае іоны ўздоўж восі для вярчальнага руху з-за сваёй факусоўкі і моцнага адмоўнага электрычнага поля, і хуткасць электрона большая за хуткасць іонаў, таму электрон пастаянна цягне іон наперад, у той час як плазма заўсёды застаецца квазіэлектрычна нейтральнай. Буйныя часціцы электрычна нейтральныя або маюць злёгку адмоўны зарад, і якасць значна большая, чым у іонаў і электронаў, практычна не залежаць ад магнітнага поля і лінейнага руху ўздоўж інэрцыі, і будуць адфільтраваны пасля сутыкнення з унутранай сценкай прылады.
Пад уздзеяннем сумесных дзеянняў крывізны згінальнага магнітнага поля, градыентнага дрэйфу і іённа-электронных сутыкненняў плазма можа адхіляцца ў прыладзе магнітнай фільтрацыі. Сёння выкарыстоўваюцца распаўсюджаныя тэарэтычныя мадэлі: мадэль патоку Марозава і мадэль цвёрдага ротара Дэвідсана, якія маюць наступную агульную рысу: існуе магнітнае поле, якое прымушае электроны рухацца строга спіральна.
Сіла магнітнага поля, якое накіроўвае восевы рух плазмы ў прыладзе магнітнай фільтрацыі, павінна быць такой, каб:
Mi, Vo і Z — адпаведна маса іона, хуткасць пераносу і колькасць пераносных зарадаў. a — унутраны дыяметр магнітнага фільтра, а e — зарад электрона.
Варта адзначыць, што некаторыя іёны з больш высокай энергіяй не могуць быць цалкам звязаны электронным пучком. Яны могуць дасягнуць унутранай сценкі магнітнага фільтра, ствараючы на ўнутранай сценцы станоўчы патэнцыял, што, у сваю чаргу, перашкаджае іёнам далейшаму дасягненню ўнутранай сценкі і памяншае страты плазмы.
Згодна з гэтай з'явай, да сценкі магнітнага фільтра можна прыкласці адпаведны станоўчы ціск зрушэння, каб перашкодзіць сутыкненню іонаў і палепшыць эфектыўнасць транспарту мэтавых іонаў.
Класіфікацыя прылад магнітнай фільтрацыі
(1) Лінейная структура. Магнітнае поле дзейнічае як накіроўвальнік для патоку іоннага пучка, памяншаючы памер катоднай плямы і долю макраскапічных кластараў часціц, адначасова ўзмацняючы сутыкненні ў плазме, стымулюючы пераўтварэнне нейтральных часціц у іоны і памяншаючы колькасць макраскапічных кластараў часціц, а таксама хутка змяншаючы колькасць буйных часціц па меры павелічэння напружанасці магнітнага поля. У параўнанні з традыцыйным метадам шматдугавога іённага пакрыцця, гэтая структураваная прылада пераадольвае значнае зніжэнне эфектыўнасці, выкліканае іншымі метадамі, і можа забяспечыць практычна пастаянную хуткасць нанясення плёнкі, памяншаючы пры гэтым колькасць буйных часціц прыкладна на 60%.
(2) Крывая структура. Нягледзячы на розныя формы структуры, асноўны прынцып адзін і той жа. Плазма рухаецца пад уздзеяннем магнітнага і электрычнага поля, якое выкарыстоўваецца для ўтрымання і кантролю плазмы без адхілення руху ўздоўж кірунку сілавых ліній магнітнага поля. Незараджаныя часціцы рухаюцца ўздоўж лініі і аддзяляюцца. Плёнкі, атрыманыя з дапамогай гэтай структурнай прылады, маюць высокую цвёрдасць, нізкую шурпатасць паверхні, добрую шчыльнасць, аднастайны памер зерня і моцную адгезію да асновы плёнкі. Рэнтгенафатаэлектронны спектраскапія (РФЭС) паказвае, што павярхоўная цвёрдасць плёнак Ta-C, пакрытых гэтым тыпам прылады, можа дасягаць 56 ГПа, таму прылада з крывалінейнай структурай з'яўляецца найбольш шырока выкарыстоўваным і эфектыўным метадам выдалення буйных часціц, але эфектыўнасць транспарту мэтавых іонаў патрабуе далейшага паляпшэння. Прылада магнітнай фільтрацыі з выгібам на 90° з'яўляецца адной з найбольш шырока выкарыстоўваных прылад з крывалінейнай структурай. Эксперыменты з профілем паверхні плёнак Ta-C паказваюць, што профіль паверхні прылады магнітнай фільтрацыі з выгібам на 360° не моцна змяняецца ў параўнанні з прыладай магнітнай фільтрацыі з выгібам на 90°, таму эфект магнітнай фільтрацыі з выгібам на 90° для буйных часціц у цэлым можа быць дасягнуты. Прылада магнітнай фільтрацыі з выгібам 90° у асноўным мае два тыпы канструкцый: адна - гэта выгінаючы саленоід, размешчаны ў вакуумнай камеры, а другая - па-за вакуумнай камерай, і розніца паміж імі толькі ў канструкцыі. Працоўны ціск прылады магнітнай фільтрацыі з выгібам 90° складае каля 10⁻² Па, і яна можа выкарыстоўвацца ў шырокім дыяпазоне прымянення, такіх як пакрыццё нітрыдам, аксідам, аморфным вугляродам, паўправадніковай плёнкай і металічнай або неметалічнай плёнкай.
Эфектыўнасць прылады магнітнай фільтрацыі
Паколькі не ўсе буйныя часціцы могуць губляць кінетычную энергію пры бесперапынных сутыкненнях са сценкай, пэўная колькасць буйных часціц дасягне падкладкі праз выхад трубы. Такім чынам, доўгая і вузкая магнітная фільтруючая прылада мае больш высокую эфектыўнасць фільтрацыі буйных часціц, але ў гэты час яна павялічвае страты іонаў мішэні і адначасова павялічвае складанасць канструкцыі. Такім чынам, забеспячэнне выдатнага выдалення буйных часціц магнітнай фільтруючай прыладай і высокай эфектыўнасці пераносу іонаў з'яўляецца неабходнай перадумовай для шырокага прымянення тэхналогіі шматдугавога іённага пакрыцця пры нанясенні высокапрадукцыйных тонкіх плёнак. На працу магнітнай фільтруючай прылады ўплываюць напружанасць магнітнага поля, зрушэнне выгібу, адтуліна механічнай перагародкі, ток крыніцы дугі і вугал падзення зараджаных часціц. Усталёўваючы разумныя параметры магнітнай фільтруючай прылады, можна эфектыўна палепшыць эфект фільтрацыі буйных часціц і эфектыўнасць пераносу іонаў мішэні.
Час публікацыі: 08 лістапада 2022 г.