Основна теория на устройството за магнитна филтрация
Механизмът на филтриране на магнитното филтриращо устройство за големи частици в плазмения лъч е следният:
Използвайки разликата между плазмата и големите частици в заряда и съотношението заряд-маса, между субстрата и повърхността на катода се поставя „бариера“ (преграда или извита тръбна стена), която блокира всякакви частици, движещи се по права линия между катода и субстрата, докато йоните могат да бъдат отклонени от магнитното поле и да преминат през „бариерата“ към субстрата.
Принцип на работа на магнитно филтриращо устройство
В магнитното поле, Pe<
Pe и Pi са съответно Ларморовите радиуси на електроните и йоните, а a е вътрешният диаметър на магнитния филтър. Електроните в плазмата са повлияни от силата на Лоренц и се въртят аксиално по магнитното поле, докато магнитното поле има по-малък ефект върху групирането на йони поради разликата между йоните и електроните в Ларморовия радиус. Въпреки това, когато електронът се движи по оста на магнитния филтър, той ще привлича йони по оста си за въртеливо движение поради фокуса си и силното отрицателно електрическо поле, а скоростта на електрона е по-голяма от тази на йона, така че електронът постоянно дърпа йона напред, докато плазмата винаги остава квазиелектрически неутрална. Големите частици са електрически неутрални или леко отрицателно заредени и качеството им е много по-голямо от това на йоните и електроните, те по принцип не се влияят от магнитното поле и линейното движение по инерцията и ще бъдат филтрирани след сблъсък с вътрешната стена на устройството.
Под комбинираното действие на кривината на огъващото магнитно поле, градиентния дрейф и йонно-електронните сблъсъци, плазмата може да бъде отклонена в устройството за магнитна филтрация. Най-често използваните теоретични модели днес са моделът на потока на Морозов и моделът на твърдия ротор на Дейвидсън, които имат следната обща характеристика: съществува магнитно поле, което кара електроните да се движат по строго спираловиден начин.
Силата на магнитното поле, насочващо аксиалното движение на плазмата в устройството за магнитна филтрация, трябва да бъде такава, че:
Mi, Vo и Z са съответно йонната маса, скоростта на пренасяне и броят на пренасяните заряди. a е вътрешният диаметър на магнитния филтър, а e е зарядът на електрона.
Трябва да се отбележи, че някои йони с по-висока енергия не могат да бъдат напълно свързани от електронния лъч. Те могат да достигнат вътрешната стена на магнитния филтър, създавайки положителен потенциал във вътрешната стена, което от своя страна възпрепятства йоните да продължат да достигат до вътрешната стена и намалява загубата на плазма.
Съгласно това явление, към стената на магнитното филтърно устройство може да се приложи подходящо положително налягане на отклонение, за да се предотврати сблъсъкът на йони и да се подобри ефективността на транспорта на целевите йони.
Класификация на устройството за магнитна филтрация
(1) Линейна структура. Магнитното поле действа като водач за потока на йонния лъч, намалявайки размера на катодното петно и дела на макроскопичните клъстери от частици, като същевременно засилва сблъсъците в плазмата, предизвиквайки превръщането на неутралните частици в йони и намалявайки броя на макроскопичните клъстери от частици, и бързо намалявайки броя на големите частици с увеличаване на силата на магнитното поле. В сравнение с конвенционалния метод за многодъгово йонно покритие, това структурирано устройство преодолява значителното намаляване на ефективността, причинено от други методи, и може да осигури по същество постоянна скорост на отлагане на филма, като същевременно намалява броя на големите частици с около 60%.
(2) Криволинейна структура. Въпреки че структурата има различни форми, основният принцип е един и същ. Плазмата се движи под въздействието на комбинираната функция на магнитно и електрическо поле, а магнитното поле се използва за ограничаване и контрол на плазмата, без да отклонява движението ѝ по посока на магнитните силови линии. Незаредените частици ще се движат по линията и ще се разделят. Филмите, получени с това структурно устройство, имат висока твърдост, ниска грапавост на повърхността, добра плътност, равномерен размер на зърната и силна адхезия към основата на филма. XPS анализът показва, че повърхностната твърдост на ta-C филмите, покрити с този тип устройство, може да достигне 56 GPa, следователно устройството с криволинейна структура е най-широко използваният и ефективен метод за отстраняване на големи частици, но ефективността на транспорта на целеви йони се нуждае от допълнително подобрение. Устройството за магнитна филтрация с 90° огъване е едно от най-широко използваните устройства с криволинейна структура. Експерименти върху профила на повърхността на Ta-C филмите показват, че профилът на повърхността на устройството за магнитна филтрация с 360° огъване не се променя много в сравнение с устройството за магнитна филтрация с 90° огъване, така че ефектът на магнитна филтрация с 90° огъване за големи частици може да бъде постигнат по същество. Устройството за магнитна филтрация с 90° огъване има основно два вида конструкции: едната е огъващ се соленоид, поставен във вакуумната камера, а другата е поставена извън вакуумната камера, като разликата между тях е само в структурата. Работното налягане на устройството за магнитна филтрация с 90° огъване е от порядъка на 10-2Pa и може да се използва в широк спектър от приложения, като например покритие на нитриди, оксиди, аморфен въглерод, полупроводникови филми и метални или неметални филми.
Ефективността на устройството за магнитна филтрация
Тъй като не всички големи частици могат да губят кинетична енергия при непрекъснати сблъсъци със стената, определен брой големи частици ще достигнат субстрата през изхода на тръбата. Следователно, дългото и тясно магнитно филтриращо устройство има по-висока ефективност на филтриране на големи частици, но в същото време ще увеличи загубата на целеви йони и същевременно ще увеличи сложността на структурата. Следователно, осигуряването на отлично отстраняване на големи частици от магнитното филтриращо устройство и висока ефективност на йонния транспорт е необходима предпоставка за широко приложение на технологията за многодъгово йонно покритие при отлагането на високоефективни тънки филми. Работата на магнитното филтриращо устройство се влияе от силата на магнитното поле, отклонението на огъването, апертурата на механичната преграда, тока на дъговия източник и ъгъла на падане на заредените частици. Чрез задаване на разумни параметри на магнитното филтриращо устройство, филтриращият ефект на големите частици и ефективността на йонния трансфер на мишената могат да бъдат ефективно подобрени.
Време на публикуване: 08 ноември 2022 г.