Grundlæggende teori om magnetisk filtreringsenhed
Filtreringsmekanismen for den magnetiske filtreringsenhed til store partikler i plasmastrålen er som følger:
Ved at bruge forskellen mellem plasma og store partikler i ladning og ladning-til-masse-forhold, er der en "barriere" (enten en baffel eller en buet rørvæg) placeret mellem substratet og katodeoverfladen, som blokerer for partikler, der bevæger sig i en lige linje mellem katoden og substratet, mens ionerne kan afbøjes af magnetfeltet og passere gennem "barrieren" til substratet.
Funktionsprincip for magnetisk filtreringsenhed
I magnetfeltet, Pe<
Pe og Pi er henholdsvis Larmor-radierne for elektroner og ioner, og a er den indre diameter af det magnetiske filter. Elektronerne i plasmaet påvirkes af Lorentz-kraften og roterer aksialt langs magnetfeltet, mens magnetfeltet har mindre effekt på ionernes klyngedannelse på grund af forskellen mellem ioner og elektroner i Larmor-radius. Men når elektronerne bevæger sig langs aksen i det magnetiske filter, vil det tiltrække ioner langs aksen for at opnå rotationsbevægelse på grund af dets fokus og det stærke negative elektriske felt, og elektronhastigheden er større end ionens, så elektronen konstant trækker ionen fremad, mens plasmaet altid forbliver kvasielektrisk neutralt. De store partikler er elektrisk neutrale eller let negativt ladede, og kvaliteten er meget større end ionernes og elektronernes, og de påvirkes stort set ikke af magnetfeltet og den lineære bevægelse langs inertien, og vil blive filtreret ud efter kollision med enhedens indre væg.
Under den kombinerede funktion af det bøjende magnetfelts krumning og gradientdrift samt ion-elektronkollisioner kan plasmaet afbøjes i den magnetiske filtreringsenhed. De almindelige teoretiske modeller, der anvendes i dag, er Morozov-fluxmodellen og Davidson-modellen med den stive rotor, som har følgende fællestræk: der er et magnetfelt, der får elektronerne til at bevæge sig på en strengt spiralformet måde.
Styrken af det magnetiske felt, der styrer plasmaets aksiale bevægelse i den magnetiske filtreringsanordning, skal være således, at:
Mi, Vo og Z er henholdsvis ionmassen, transporthastigheden og antallet af ladninger. a er den indre diameter af det magnetiske filter, og e er elektronladningen.
Det skal bemærkes, at nogle ioner med højere energi ikke kan bindes fuldt ud af elektronstrålen. De kan nå den indre væg af det magnetiske filter, hvilket bringer den indre væg på et positivt potentiale, hvilket igen hæmmer ionerne i at fortsætte med at nå den indre væg og reducerer plasmatabet.
Ifølge dette fænomen kan et passende positivt biastryk påføres væggen af den magnetiske filteranordning for at hæmme kollisionen af ioner og dermed forbedre effektiviteten af måliontransporten.
Klassificering af magnetisk filtreringsenhed
(1) Lineær struktur. Magnetfeltet fungerer som en guide for ionstrålestrømmen, hvilket reducerer størrelsen af katodeplettet og andelen af makroskopiske partikelklynger, samtidig med at kollisionerne i plasmaet intensiveres, hvilket fremskynder omdannelsen af neutrale partikler til ioner og reducerer antallet af makroskopiske partikelklynger, og hurtigt reducerer antallet af store partikler, efterhånden som magnetfeltets styrke stiger. Sammenlignet med den konventionelle multi-arc ioncoatingmetode overvinder denne strukturerede enhed den betydelige reduktion i effektivitet forårsaget af andre metoder og kan sikre en stort set konstant filmaflejringshastighed, samtidig med at antallet af store partikler reduceres med ca. 60%.
(2) Kurveformet struktur. Selvom strukturen har forskellige former, er det grundlæggende princip det samme. Plasmaet bevæger sig under den kombinerede funktion af magnetfelt og elektrisk felt, og magnetfeltet bruges til at begrænse og kontrollere plasmaet uden at afbøje bevægelsen langs retningen af magnetiske kraftlinjer. Og de uladede partikler vil bevæge sig langs den lineære bane og blive adskilt. Filmene fremstillet af denne strukturelle enhed har høj hårdhed, lav overfladeruhed, god densitet, ensartet kornstørrelse og stærk filmbasevedhæftning. XPS-analyse viser, at overfladehårdheden af ta-C-film belagt med denne type enhed kan nå 56 GPa, og derfor er den kurvede strukturenhed den mest anvendte og effektive metode til fjernelse af store partikler, men effektiviteten af måliontransport skal forbedres yderligere. Den 90° bøjede magnetiske filtreringsenhed er en af de mest anvendte kurvede strukturenheder. Eksperimenter med overfladeprofilen af Ta-C-film viser, at overfladeprofilen af en 360° bøjet magnetisk filtreringsenhed ikke ændrer sig meget sammenlignet med en 90° bøjet magnetisk filtreringsenhed, så effekten af 90° bøjet magnetisk filtrering for store partikler kan stort set opnås. 90° bøjet magnetisk filtreringsenhed har hovedsageligt to typer strukturer: den ene er en bøjningssolenoid placeret i vakuumkammeret, og den anden er placeret uden for vakuumkammeret, og forskellen mellem dem er kun i strukturen. Arbejdstrykket for den 90° bøjede magnetiske filtreringsenhed er i størrelsesordenen 10-2 Pa, og den kan bruges i en bred vifte af anvendelser, såsom belægning af nitrid, oxid, amorft kulstof, halvlederfilm og metal- eller ikke-metalfilm.
Effektiviteten af magnetisk filtreringsenhed
Da ikke alle store partikler kan miste kinetisk energi i kontinuerlige kollisioner med væggen, vil et vist antal store partikler nå substratet gennem rørudløbet. Derfor har en lang og smal magnetisk filtreringsenhed en højere filtreringseffektivitet af store partikler, men på dette tidspunkt vil det øge tabet af målioner og samtidig øge strukturens kompleksitet. Derfor er det en nødvendig forudsætning for, at multi-arc ioncoatingteknologi har et bredt anvendelsesperspektiv i aflejring af højtydende tyndfilm, at sikre, at den magnetiske filtreringsenhed har fremragende fjernelse af store partikler og høj effektivitet af iontransport. Funktionen af den magnetiske filtreringsenhed påvirkes af magnetfeltstyrken, bøjningsforspændingen, den mekaniske baffelåbning, lysbuekildestrømmen og indfaldsvinkelen for ladede partikler. Ved at indstille rimelige parametre for den magnetiske filtreringsenhed kan filtreringseffekten af store partikler og ionoverføringseffektiviteten af målet forbedres effektivt.
Opslagstidspunkt: 8. november 2022