Magnetische Filtrationstechnologie

Grundlagen der magnetischen Filtrationsvorrichtung
Der Filtermechanismus der magnetischen Filtervorrichtung für große Partikel im Plasmastrahl ist wie folgt:
Ausgehend von dem Unterschied zwischen Plasma und großen Partikeln hinsichtlich Ladung und Ladungs-Masse-Verhältnis wird eine „Barriere“ (entweder eine Prallplatte oder eine gekrümmte Rohrwand) zwischen dem Substrat und der Kathodenoberfläche platziert, die verhindert, dass sich Partikel geradlinig zwischen Kathode und Substrat bewegen, während die Ionen durch das Magnetfeld abgelenkt werden und die „Barriere“ zum Substrat passieren können.

Funktionsprinzip des Magnetfiltrationsgeräts

Im Magnetfeld, Pe<

Pe und Pi sind die Larmorradien von Elektronen bzw. Ionen, und a ist der Innendurchmesser des Magnetfilters. Die Elektronen im Plasma werden von der Lorentzkraft beeinflusst und rotieren axial entlang des Magnetfelds. Das Magnetfeld hat hingegen aufgrund des Unterschieds im Larmorradius zwischen Ionen und Elektronen einen geringeren Einfluss auf die Clusterbildung der Ionen. Bewegen sich die Elektronen jedoch entlang der Achse des Magnetfilters, ziehen sie aufgrund ihrer Fokussierung und des starken negativen elektrischen Felds Ionen axial an und versetzen sie in Rotationsbewegung. Da die Elektronengeschwindigkeit höher ist als die der Ionen, ziehen die Elektronen die Ionen kontinuierlich mit. Das Plasma bleibt dabei stets quasi-elektrisch neutral. Die großen Partikel sind elektrisch neutral oder leicht negativ geladen und deutlich größer als die Ionen- und Elektronenmasse. Sie werden vom Magnetfeld praktisch nicht beeinflusst und bewegen sich aufgrund ihrer Trägheit linear. Nach dem Aufprall auf die Innenwand des Filters werden sie herausgefiltert.
Durch die kombinierte Wirkung der Krümmung des Magnetfelds, der Gradientendrift und der Ion-Elektron-Kollisionen kann das Plasma in der Magnetfiltervorrichtung abgelenkt werden. Die heute gebräuchlichen theoretischen Modelle sind das Morozov-Flussmodell und das Davidson-Rotormodell, die folgende Gemeinsamkeit aufweisen: Es existiert ein Magnetfeld, das die Elektronen in eine streng spiralförmige Bewegung versetzt.
Die Stärke des Magnetfelds, das die axiale Bewegung des Plasmas in der Magnetfiltrationsvorrichtung steuert, sollte so beschaffen sein, dass:

Mi, Vo und Z bezeichnen die Ionenmasse, die Transportgeschwindigkeit bzw. die Anzahl der transportierten Ladungen. a ist der Innendurchmesser des Magnetfilters und e die Elementarladung.
Es ist zu beachten, dass einige hochenergetische Ionen nicht vollständig vom Elektronenstrahl gebunden werden können. Sie können die Innenwand des Magnetfilters erreichen und diese dadurch positiv geladen machen. Dies wiederum verhindert, dass weitere Ionen die Innenwand erreichen, und reduziert den Plasmaverlust.
Gemäß diesem Phänomen kann ein geeigneter positiver Vorspannungsdruck an die Wand der Magnetfiltervorrichtung angelegt werden, um die Kollision von Ionen zu hemmen und so die Effizienz des Zielionentransports zu verbessern.

Klassifizierung von Magnetfiltrationsgeräten
(1) Lineare Struktur. Das Magnetfeld lenkt den Ionenstrahl und reduziert so die Größe des Kathodenflecks und den Anteil makroskopischer Partikelcluster. Gleichzeitig werden die Kollisionen im Plasma verstärkt, was die Umwandlung neutraler Teilchen in Ionen fördert und die Anzahl makroskopischer Partikelcluster verringert. Mit zunehmender Magnetfeldstärke sinkt die Anzahl großer Partikel rapide. Im Vergleich zum herkömmlichen Mehrbogen-Ionenbeschichtungsverfahren überwindet diese strukturierte Vorrichtung die durch andere Methoden verursachte deutliche Effizienzminderung und gewährleistet eine nahezu konstante Schichtabscheidungsrate bei gleichzeitiger Reduzierung der Anzahl großer Partikel um etwa 60 %.
(2) Gebogene Struktur. Obwohl diese Struktur verschiedene Formen annehmen kann, bleibt das Grundprinzip gleich. Das Plasma bewegt sich unter dem Einfluss eines kombinierten Magnet- und elektrischen Feldes. Das Magnetfeld dient dazu, das Plasma einzuschließen und zu steuern, ohne seine Bewegung entlang der magnetischen Feldlinien abzulenken. Ungeladene Partikel bewegen sich geradlinig und werden abgetrennt. Die mit dieser Struktur hergestellten Schichten weisen eine hohe Härte, geringe Oberflächenrauheit, gute Dichte, einheitliche Korngröße und starke Haftung auf dem Trägermaterial auf. XPS-Analysen zeigen, dass die Oberflächenhärte von mit dieser Struktur beschichteten ta-C-Schichten 56 GPa erreichen kann. Daher ist die gebogene Struktur die am weitesten verbreitete und effektivste Methode zur Entfernung großer Partikel. Die Effizienz des Ionentransports muss jedoch weiter verbessert werden. Die 90°-Magnetfiltrationsvorrichtung ist eine der am häufigsten verwendeten gebogenen Strukturen. Experimente zur Oberflächenstruktur von Ta-C-Filmen zeigen, dass sich die Oberflächenstruktur einer 360°-Magnetfiltrationsvorrichtung im Vergleich zu einer 90°-Magnetfiltrationsvorrichtung kaum verändert. Daher kann die Wirkung der 90°-Magnetfiltration für große Partikel im Wesentlichen erreicht werden. Die 90°-Magnetfiltrationsvorrichtung existiert im Wesentlichen in zwei Bauformen: einer mit einer in der Vakuumkammer platzierten gebogenen Spule und einer außerhalb der Vakuumkammer. Der Unterschied zwischen den beiden Bauformen liegt lediglich in der Struktur. Der Betriebsdruck der 90°-Magnetfiltrationsvorrichtung liegt in der Größenordnung von 10⁻² Pa. Sie eignet sich für ein breites Anwendungsgebiet, beispielsweise zum Beschichten von Nitrid-, Oxid-, amorphem Kohlenstoff-, Halbleiter- sowie Metall- und Nichtmetallfilmen.

Die Effizienz des Magnetfiltrationsgeräts
Da nicht alle großen Partikel bei kontinuierlichen Kollisionen mit der Wand kinetische Energie verlieren, gelangt eine gewisse Anzahl großer Partikel durch den Rohrauslass auf das Substrat. Daher bietet eine lange und schmale Magnetfiltrationsvorrichtung zwar eine höhere Filtrationseffizienz für große Partikel, erhöht aber gleichzeitig den Verlust an Zielionen und die Komplexität der Struktur. Eine exzellente Abscheidung großer Partikel und eine hohe Ionentransporteffizienz der Magnetfiltrationsvorrichtung sind daher notwendige Voraussetzungen für ein breites Anwendungsspektrum der Multi-Arc-Ionenbeschichtungstechnologie zur Abscheidung von Hochleistungsdünnschichten. Die Funktion der Magnetfiltrationsvorrichtung wird durch die Magnetfeldstärke, die Biegevorspannung, die Öffnungsweite der mechanischen Blende, den Lichtbogenstrom und den Einfallswinkel der geladenen Partikel beeinflusst. Durch die Einstellung geeigneter Parameter der Magnetfiltrationsvorrichtung lassen sich die Filterwirkung großer Partikel und die Ionentransporteffizienz zum Target effektiv verbessern.