Tehnologija magnetske filtracije

Osnovna teorija uređaja za magnetsku filtraciju
Mehanizam filtriranja magnetskog uređaja za filtriranje velikih čestica u plazma snopu je sljedeći:
Koristeći razliku između plazme i velikih čestica u naboju i odnosu naboja i mase, postoji "barijera" (ili pregrada ili zakrivljeni zid cijevi) koja se postavlja između supstrata i površine katode, koja blokira sve čestice koje se kreću pravolinijski između katode i supstrata, dok ioni mogu biti skrenuti magnetskim poljem i proći kroz "barijeru" do supstrata.

Princip rada uređaja za magnetsku filtraciju

U magnetskom polju, Pe<

Pe i Pi su Larmorovi radijusi elektrona i iona, respektivno, a a je unutrašnji prečnik magnetnog filtera. Elektroni u plazmi su pod uticajem Lorentzove sile i okreću se aksijalno duž magnetnog polja, dok magnetno polje ima manji uticaj na grupisanje iona zbog razlike između iona i elektrona u Larmorovom radijusu. Međutim, kada se elektron kreće duž ose magnetnog filtera, on će privući ione duž ose radi rotacionog kretanja zbog svog fokusa i jakog negativnog električnog polja, a brzina elektrona je veća od brzine iona, tako da elektron stalno vuče ion naprijed, dok plazma uvijek ostaje kvazi-električno neutralna. Velike čestice su električno neutralne ili blago negativno naelektrisane, a kvalitet je mnogo veći od kvaliteta iona i elektrona, u osnovi nisu pod uticajem magnetnog polja i linearnog kretanja duž inercije, i biće filtrirane nakon sudara sa unutrašnjim zidom uređaja.
Pod kombinovanim djelovanjem zakrivljenosti magnetskog polja koje se savija, gradijentnog drifta i sudara jona i elektrona, plazma se može skrenuti u uređaju za magnetsku filtraciju. Uobičajeni teorijski modeli koji se danas koriste su Morozovljev model fluksa i Davidsonov model krutog rotora, koji imaju sljedeću zajedničku karakteristiku: postoji magnetsko polje koje uzrokuje da se elektroni kreću strogo spiralno.
Jačina magnetskog polja koje vodi aksijalno kretanje plazme u uređaju za magnetsku filtraciju treba biti takva da:

Mi, Vo i Z predstavljaju masu iona, brzinu transporta i broj prenesenih naboja, respektivno. a je unutrašnji promjer magnetskog filtera, a e je naboj elektrona.
Treba napomenuti da neki ioni više energije ne mogu biti u potpunosti vezani elektronskim snopom. Oni mogu doći do unutrašnjeg zida magnetnog filtera, stvarajući na unutrašnjem zidu pozitivan potencijal, što zauzvrat sprečava ione da nastave da dosežu unutrašnji zid i smanjuje gubitak plazme.
Prema ovom fenomenu, odgovarajući pozitivni prednaponski pritisak može se primijeniti na zid magnetskog filtera kako bi se spriječio sudar iona i poboljšala efikasnost transporta ciljnih iona.

Klasifikacija uređaja za magnetsku filtraciju
(1) Linearna struktura. Magnetsko polje djeluje kao vodič za tok ionskog snopa, smanjujući veličinu katodne mrlje i udio makroskopskih klastera čestica, dok istovremeno intenzivira sudare unutar plazme, potičući pretvorbu neutralnih čestica u ione i smanjujući broj makroskopskih klastera čestica, te brzo smanjujući broj velikih čestica kako se jačina magnetskog polja povećava. U poređenju s konvencionalnom metodom višelučnog ionskog premazivanja, ovaj strukturirani uređaj prevazilazi značajno smanjenje efikasnosti uzrokovano drugim metodama i može osigurati u suštini konstantnu brzinu taloženja filma uz smanjenje broja velikih čestica za oko 60%.
(2) Struktura krivuljastog tipa. Iako struktura ima različite oblike, osnovni princip je isti. Plazma se kreće pod kombinovanom funkcijom magnetnog i električnog polja, a magnetno polje se koristi za ograničavanje i kontrolu plazme bez skretanja kretanja duž smjera linija magnetne sile. Nenabijene čestice će se kretati duž linearne linije i biti odvojive. Filmovi pripremljeni ovim strukturnim uređajem imaju visoku tvrdoću, nisku hrapavost površine, dobru gustoću, ujednačenu veličinu zrna i snažno prianjanje na bazu filma. XPS analiza pokazuje da površinska tvrdoća ta-C filmova presvučenih ovom vrstom uređaja može doseći 56 GPa, stoga je uređaj sa zakrivljenom strukturom najšire korištena i najefikasnija metoda za uklanjanje velikih čestica, ali efikasnost transporta ciljnih jona treba dodatno poboljšati. Uređaj za magnetnu filtraciju sa savijanjem od 90° jedan je od najčešće korištenih uređaja sa zakrivljenom strukturom. Eksperimenti na površinskom profilu Ta-C filmova pokazuju da se površinski profil uređaja za magnetnu filtraciju sa savijanjem od 360° ne mijenja mnogo u poređenju sa uređajem za magnetnu filtraciju sa savijanjem od 90°, tako da se efekat magnetne filtracije sa savijanjem od 90° za velike čestice u osnovi može postići. Uređaj za magnetsku filtraciju sa savijanjem od 90° uglavnom ima dvije vrste struktura: jedna je savijeni solenoid smješten u vakuumskoj komori, a druga je smještena izvan vakuumske komore, a razlika između njih je samo u strukturi. Radni pritisak uređaja za magnetsku filtraciju sa savijanjem od 90° je reda veličine 10-2Pa, a može se koristiti u širokom rasponu primjena, kao što je premazivanje nitrida, oksida, amorfnog ugljika, poluprovodničkih filmova i metalnih ili nemetalnih filmova.

Efikasnost uređaja za magnetnu filtraciju
Budući da ne mogu sve velike čestice izgubiti kinetičku energiju u kontinuiranim sudarima sa zidom, određeni broj velikih čestica će dospjeti do podloge kroz izlaz cijevi. Stoga, dugačak i uski uređaj za magnetsku filtraciju ima veću efikasnost filtracije velikih čestica, ali će u ovom trenutku povećati gubitak ciljanih iona i istovremeno povećati složenost strukture. Stoga je osiguranje da uređaj za magnetsku filtraciju ima odlično uklanjanje velikih čestica i visoku efikasnost transporta iona neophodan preduvjet da tehnologija višelučnog ionskog premazivanja ima široku primjenu u nanošenju tankih filmova visokih performansi. Na rad uređaja za magnetsku filtraciju utječu jačina magnetskog polja, pristranost savijanja, otvor mehaničke pregrade, struja izvora luka i ugao upada nabijenih čestica. Postavljanjem razumnih parametara uređaja za magnetsku filtraciju, efekat filtriranja velikih čestica i efikasnost prijenosa iona na metu mogu se efikasno poboljšati.