Základní teorie magnetického filtračního zařízení
Filtrační mechanismus magnetického filtračního zařízení pro velké částice v plazmovém paprsku je následující:
Využitím rozdílu mezi plazmatem a velkými částicemi v náboji a poměru náboje k hmotnosti se mezi substrátem a povrchem katody umisťuje „bariéra“ (buď přepážka, nebo zakřivená stěna trubice), která blokuje jakékoli částice pohybující se v přímce mezi katodou a substrátem, zatímco ionty mohou být magnetickým polem vychýleny a procházet „bariérou“ k substrátu.
Princip fungování magnetického filtračního zařízení
V magnetickém poli Pe<
Pe a Pi jsou Larmorovy poloměry elektronů a iontů a a je vnitřní průměr magnetického filtru. Elektrony v plazmatu jsou ovlivněny Lorentzovou silou a rotují podél magnetického pole axiálně, zatímco magnetické pole má menší vliv na shlukování iontů kvůli rozdílu mezi ionty a elektrony v Larmorově poloměru. Když se však elektron pohybuje podél osy magnetického filtru, přitahuje ionty podél osy a vyvíjí rotační pohyb v důsledku svého ohniska a silného záporného elektrického pole. Rychlost elektronů je větší než rychlost iontů, takže elektrony neustále táhnou ionty dopředu, zatímco plazma zůstává vždy kvazielektricky neutrální. Velké částice jsou elektricky neutrální nebo mají mírně záporný náboj a jejich kvalita je mnohem větší než u iontů a elektronů, v podstatě nejsou ovlivněny magnetickým polem a lineárním pohybem podél setrvačnosti a po srážce s vnitřní stěnou zařízení jsou odfiltrovány.
V důsledku kombinované funkce zakřivení ohybového magnetického pole, gradientního driftu a srážek iontů s elektrony může být plazma v magnetickém filtračním zařízení vychýlena. Běžnými teoretickými modely používanými dnes jsou Morozovův model toku a Davidsonův model tuhého rotoru, které mají následující společný rys: existuje magnetické pole, které způsobuje, že se elektrony pohybují striktně spirálovitě.
Síla magnetického pole řídícího axiální pohyb plazmatu v magnetickém filtračním zařízení by měla být taková, aby:
Mi, Vo a Z jsou hmotnost iontu, transportní rychlost a počet přenášených nábojů. a je vnitřní průměr magnetického filtru a e je náboj elektronu.
Je třeba poznamenat, že některé ionty s vyšší energií nemohou být elektronovým paprskem plně vázány. Mohou dosáhnout vnitřní stěny magnetického filtru, čímž se vnitřní stěna vytvoří na kladném potenciálu, což následně brání iontům v dalším dosažení vnitřní stěny a snižuje ztrátu plazmatu.
Podle tohoto jevu lze na stěnu magnetického filtračního zařízení aplikovat vhodný kladný předpětí, aby se zabránilo srážce iontů a zlepšila se účinnost transportu cílových iontů.
Klasifikace magnetického filtračního zařízení
(1) Lineární struktura. Magnetické pole působí jako vodítko pro tok iontového paprsku, zmenšuje velikost katodové skvrny a podíl makroskopických shluků částic, přičemž zesiluje srážky v plazmatu, čímž vyvolává přeměnu neutrálních částic na ionty a snižuje počet makroskopických shluků částic a s rostoucí intenzitou magnetického pole rapidně snižuje počet velkých částic. Ve srovnání s konvenční metodou víceobloukového iontového nanášení toto strukturované zařízení překonává významné snížení účinnosti způsobené jinými metodami a dokáže zajistit v podstatě konstantní rychlost nanášení filmu a zároveň snížit počet velkých částic přibližně o 60 %.
(2) Struktura křivkového typu. Ačkoli má struktura různé tvary, základní princip je stejný. Plazma se pohybuje pod kombinovanou funkcí magnetického a elektrického pole a magnetické pole se používá k omezení a řízení plazmy bez vychylování pohybu ve směru siločar magnetických sil. Nenabité částice se pak pohybují lineárně a oddělují se. Filmy připravené tímto strukturálním zařízením mají vysokou tvrdost, nízkou drsnost povrchu, dobrou hustotu, jednotnou velikost zrna a silnou přilnavost k základu filmu. XPS analýza ukazuje, že povrchová tvrdost ta-C filmů potažených tímto typem zařízení může dosáhnout 56 GPa, takže zařízení se zakřivenou strukturou je nejrozšířenější a nejúčinnější metodou pro odstraňování velkých částic, ale účinnost transportu cílových iontů je třeba dále zlepšit. Magnetické filtrační zařízení s 90° ohybem je jedním z nejrozšířenějších zařízení se zakřivenou strukturou. Experimenty s profilem povrchu Ta-C filmů ukazují, že profil povrchu 360° ohybového magnetického filtračního zařízení se ve srovnání s 90° ohybovým magnetickým filtračním zařízením příliš nemění, takže lze v podstatě dosáhnout efektu 90° ohybové magnetické filtrace pro velké částice. Magnetické filtrační zařízení s ohybem 90° má v podstatě dva typy konstrukcí: jedna je ohybový solenoid umístěný ve vakuové komoře a druhá je umístěna mimo vakuovou komoru, přičemž rozdíl mezi nimi spočívá pouze ve struktuře. Provozní tlak magnetického filtračního zařízení s ohybem 90° je řádově 10-2 Pa a lze jej použít v široké škále aplikací, jako je povlakování nitridů, oxidů, amorfního uhlíku, polovodičových filmů a kovových nebo nekovových filmů.
Účinnost magnetického filtračního zařízení
Protože ne všechny velké částice mohou ztrácet kinetickou energii při neustálých srážkách se stěnou, určitý počet velkých částic dosáhne substrátu výstupem z trubky. Dlouhé a úzké magnetické filtrační zařízení má proto vyšší účinnost filtrace velkých částic, ale zároveň zvyšuje ztráty cílových iontů a zároveň zvyšuje složitost struktury. Proto je nezbytným předpokladem pro to, aby technologie víceobloukového iontového povlakování měla široké uplatnění při nanášení vysoce výkonných tenkých vrstev, zajištění toho, aby magnetické filtrační zařízení mělo vynikající odstraňování velkých částic a vysokou účinnost iontového transportu. Provoz magnetického filtračního zařízení je ovlivněn intenzitou magnetického pole, předpětím ohybu, clonou mechanické přepážky, proudem zdroje oblouku a úhlem dopadu nabitých částic. Nastavením rozumných parametrů magnetického filtračního zařízení lze účinně zlepšit filtrační účinek velkých částic a účinnost iontového přenosu cíle.
Čas zveřejnění: 8. listopadu 2022