Magnetfiltrationstechnologie

Grundlegende Theorie des magnetischen Filtergeräts
Der Filtermechanismus der magnetischen Filtervorrichtung für große Partikel im Plasmastrahl ist wie folgt:
Durch Ausnutzung der Unterschiede zwischen Plasma und großen Partikeln hinsichtlich Ladung und Ladung-Masse-Verhältnis wird zwischen dem Substrat und der Kathodenoberfläche eine „Barriere“ (entweder eine Blende oder eine gekrümmte Rohrwand) platziert, die alle Partikel blockiert, die sich in einer geraden Linie zwischen der Kathode und dem Substrat bewegen, während die Ionen durch das Magnetfeld abgelenkt werden und durch die „Barriere“ zum Substrat gelangen können.

Funktionsprinzip des Magnetfiltrationsgeräts

Im Magnetfeld ist Pe<

Pe und Pi sind die Larmorradien von Elektronen bzw. Ionen, und a ist der Innendurchmesser des Magnetfilters. Die Elektronen im Plasma werden durch die Lorentzkraft beeinflusst und rotieren axial entlang des Magnetfelds, während das Magnetfeld aufgrund des Unterschieds im Larmorradius zwischen Ionen und Elektronen weniger Einfluss auf die Ionenclusterung hat. Wenn sich jedoch die Elektronen entlang der Achse des Magnetfiltergeräts bewegen, werden sie aufgrund ihrer Fokussierung und des starken negativen elektrischen Felds Ionen entlang der Achse für die Rotationsbewegung anziehen. Da die Elektronengeschwindigkeit größer ist als die der Ionen, ziehen die Elektronen die Ionen ständig nach vorne, während das Plasma immer quasi-elektrisch neutral bleibt. Die großen Partikel sind elektrisch neutral oder leicht negativ geladen und ihre Qualität ist wesentlich höher als die von Ionen und Elektronen. Sie werden grundsätzlich nicht durch das Magnetfeld und die lineare Bewegung entlang der Trägheit beeinflusst und nach der Kollision mit der Innenwand des Geräts herausgefiltert.
Durch die kombinierte Wirkung der Krümmung des magnetischen Felds, der Gradientendrift und der Ionen-Elektronen-Kollisionen kann das Plasma in der magnetischen Filtervorrichtung abgelenkt werden. Die heute gebräuchlichen theoretischen Modelle sind das Morozov-Flussmodell und das Davidson-Modell des starren Rotors, die folgendes gemeinsames Merkmal aufweisen: Es gibt ein Magnetfeld, das die Elektronen streng spiralförmig bewegt.
Die Stärke des Magnetfelds, das die axiale Bewegung des Plasmas im Magnetfiltrationsgerät steuert, sollte so bemessen sein, dass:

Mi, Vo und Z sind die Ionenmasse, die Transportgeschwindigkeit und die Anzahl der transportierten Ladungen. a ist der Innendurchmesser des Magnetfilters und e ist die Elektronenladung.
Es ist zu beachten, dass einige Ionen mit höherer Energie nicht vollständig vom Elektronenstrahl gebunden werden können. Sie können die Innenwand des Magnetfilters erreichen und so ein positives Potenzial an der Innenwand erzeugen. Dies wiederum verhindert, dass die Ionen weiter zur Innenwand vordringen, und verringert den Plasmaverlust.
Aufgrund dieses Phänomens kann ein entsprechender positiver Vordruck auf die Wand des Magnetfiltergeräts ausgeübt werden, um die Kollision von Ionen zu verhindern und so die Effizienz des Zielionentransports zu verbessern.

Klassifizierung von Magnetfiltrationsgeräten
(1) Lineare Struktur. Das Magnetfeld dient als Leitsystem für den Ionenstrahl. Dadurch werden die Größe des Kathodenflecks und der Anteil makroskopischer Partikelcluster reduziert. Gleichzeitig werden die Kollisionen im Plasma intensiviert, wodurch neutrale Teilchen in Ionen umgewandelt werden und die Anzahl makroskopischer Partikelcluster reduziert wird. Mit zunehmender Magnetfeldstärke nimmt auch die Anzahl großer Partikel rapide ab. Im Vergleich zur herkömmlichen Mehrbogen-Ionenbeschichtung überwindet dieses strukturierte Gerät die erheblichen Effizienzverluste anderer Verfahren und ermöglicht eine nahezu konstante Filmabscheidungsrate bei gleichzeitiger Reduzierung der Anzahl großer Partikel um etwa 60 %.
(2) Gebogene Struktur. Obwohl die Struktur verschiedene Formen annehmen kann, ist das Grundprinzip dasselbe. Das Plasma bewegt sich unter der kombinierten Wirkung von magnetischem und elektrischem Feld, und das Magnetfeld wird verwendet, um das Plasma einzuschließen und zu steuern, ohne die Bewegung entlang der Richtung der magnetischen Kraftlinien abzulenken. Die ungeladenen Teilchen bewegen sich linear und werden getrennt. Die mit dieser Strukturvorrichtung hergestellten Filme haben eine hohe Härte, geringe Oberflächenrauheit, gute Dichte, gleichmäßige Korngröße und eine starke Filmgrundhaftung. XPS-Analysen zeigen, dass die Oberflächenhärte von mit dieser Art von Vorrichtung beschichteten ta-C-Filmen 56 GPa erreichen kann. Somit ist die Vorrichtung mit gebogener Struktur die am weitesten verbreitete und effektivste Methode zur Entfernung großer Partikel, die Effizienz des Zielionentransports muss jedoch noch verbessert werden. Die um 90° gebogene Magnetfiltrationsvorrichtung ist eine der am weitesten verbreiteten Vorrichtungen mit gebogener Struktur. Experimente mit dem Oberflächenprofil von Ta-C-Filmen haben gezeigt, dass sich das Oberflächenprofil eines um 360° gebogenen Magnetfilters im Vergleich zu einem um 90° gebogenen Magnetfilter nicht wesentlich ändert. Daher kann der Effekt einer um 90° gebogenen Magnetfiltration für große Partikel grundsätzlich erreicht werden. Ein um 90° gebogener Magnetfilter weist im Wesentlichen zwei Arten von Strukturen auf: eine ist ein gebogener Solenoid, der in der Vakuumkammer platziert ist, und die andere befindet sich außerhalb der Vakuumkammer. Der Unterschied zwischen ihnen besteht lediglich in der Struktur. Der Arbeitsdruck eines um 90° gebogenen Magnetfilters liegt in der Größenordnung von 10-2 Pa und er kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise zum Beschichten von Nitrid, Oxid, amorphem Kohlenstoff, Halbleiterfilmen und Metall- oder Nichtmetallfilmen.

Die Effizienz des magnetischen Filtergeräts
Da nicht alle großen Partikel bei kontinuierlichen Kollisionen mit der Wand kinetische Energie verlieren, gelangt eine bestimmte Anzahl großer Partikel durch den Rohrauslass auf das Substrat. Deshalb hat ein langes und schmales Magnetfiltergerät eine höhere Filtereffizienz für große Partikel, gleichzeitig erhöht es jedoch den Verlust an Zielionen und erhöht gleichzeitig die Komplexität der Struktur. Daher ist eine ausgezeichnete Entfernung großer Partikel durch das Magnetfiltergerät und eine hohe Effizienz des Ionentransports eine notwendige Voraussetzung für die Mehrfachbogen-Ionenbeschichtungstechnologie, um breite Anwendungsaussichten bei der Abscheidung von Hochleistungsdünnschichten zu haben. Die Funktionsweise des Magnetfilters wird durch die magnetische Feldstärke, die Biegevorspannung, die mechanische Blendenöffnung, den Lichtbogenquellenstrom und den Einfallswinkel geladener Partikel beeinflusst. Durch die Einstellung geeigneter Parameter des Magnetfilters können die Filterwirkung großer Partikel und die Ionentransfereffizienz des Ziels wirksam verbessert werden.