Τεχνολογία μαγνητικής διήθησης

Βασική θεωρία της συσκευής μαγνητικής διήθησης
Ο μηχανισμός φιλτραρίσματος της μαγνητικής συσκευής φιλτραρίσματος για μεγάλα σωματίδια στη δέσμη πλάσματος έχει ως εξής:
Χρησιμοποιώντας τη διαφορά μεταξύ του πλάσματος και των μεγάλων σωματιδίων σε φορτίο και την αναλογία φορτίου προς μάζα, υπάρχει ένα «φράγμα» (είτε ένα διάφραγμα είτε ένα καμπύλο τοίχωμα σωλήνα) που τοποθετείται μεταξύ του υποστρώματος και της επιφάνειας της καθόδου, το οποίο εμποδίζει τυχόν σωματίδια που κινούνται σε ευθεία γραμμή μεταξύ της καθόδου και του υποστρώματος, ενώ τα ιόντα μπορούν να εκτραπούν από το μαγνητικό πεδίο και να περάσουν μέσα από το «φράγμα» στο υπόστρωμα.

Αρχή λειτουργίας της συσκευής μαγνητικής διήθησης

Στο μαγνητικό πεδίο, Pe<

Τα Pe και Pi είναι οι ακτίνες Larmor των ηλεκτρονίων και των ιόντων αντίστοιχα, και a είναι η εσωτερική διάμετρος του μαγνητικού φίλτρου. Τα ηλεκτρόνια στο πλάσμα επηρεάζονται από τη δύναμη Lorentz και περιστρέφονται αξονικά κατά μήκος του μαγνητικού πεδίου, ενώ το μαγνητικό πεδίο έχει μικρότερη επίδραση στη συσσωμάτωση των ιόντων λόγω της διαφοράς μεταξύ των ιόντων και των ηλεκτρονίων στην ακτίνα Larmor. Ωστόσο, όταν τα ηλεκτρόνια κινούνται κατά μήκος του άξονα της συσκευής μαγνητικού φίλτρου, θα προσελκύσουν ιόντα κατά μήκος του άξονα για περιστροφική κίνηση λόγω της εστίας τους και του ισχυρού αρνητικού ηλεκτρικού πεδίου, και η ταχύτητα των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερη από το ιόν, έτσι ώστε το ηλεκτρόνιο να τραβάει συνεχώς το ιόν προς τα εμπρός, ενώ το πλάσμα παραμένει πάντα σχεδόν ηλεκτρικά ουδέτερο. Τα μεγάλα σωματίδια είναι ηλεκτρικά ουδέτερα ή ελαφρώς αρνητικά φορτισμένα και η ποιότητά τους είναι πολύ μεγαλύτερη από τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια, ουσιαστικά δεν επηρεάζονται από το μαγνητικό πεδίο και την γραμμική κίνηση κατά μήκος της αδράνειας και θα φιλτραριστούν μετά από σύγκρουση με το εσωτερικό τοίχωμα της συσκευής.
Υπό τη συνδυασμένη λειτουργία της καμπυλότητας του μαγνητικού πεδίου κάμψης και της μετατόπισης κλίσης και των συγκρούσεων ιόντων-ηλεκτρονίων, το πλάσμα μπορεί να εκτραπεί στη συσκευή μαγνητικού φιλτραρίσματος. Τα συνηθισμένα θεωρητικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι το μοντέλο ροής Morozov και το μοντέλο άκαμπτου ρότορα Davidson, τα οποία έχουν το ακόλουθο κοινό χαρακτηριστικό: υπάρχει ένα μαγνητικό πεδίο που κάνει τα ηλεκτρόνια να κινούνται με αυστηρά ελικοειδή τρόπο.
Η ισχύς του μαγνητικού πεδίου που καθοδηγεί την αξονική κίνηση του πλάσματος στη συσκευή μαγνητικής διήθησης θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε:

Τα Mi, Vo και Z είναι η μάζα ιόντων, η ταχύτητα μεταφοράς και ο αριθμός των φορτίων που μεταφέρονται αντίστοιχα. Το a είναι η εσωτερική διάμετρος του μαγνητικού φίλτρου και το e είναι το φορτίο ηλεκτρονίων.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ορισμένα ιόντα υψηλότερης ενέργειας δεν μπορούν να δεσμευτούν πλήρως από τη δέσμη ηλεκτρονίων. Μπορεί να φτάσουν στο εσωτερικό τοίχωμα του μαγνητικού φίλτρου, με αποτέλεσμα το εσωτερικό τοίχωμα να έχει θετικό δυναμικό, το οποίο με τη σειρά του εμποδίζει τα ιόντα να συνεχίσουν να φτάνουν στο εσωτερικό τοίχωμα και μειώνει την απώλεια πλάσματος.
Σύμφωνα με αυτό το φαινόμενο, μπορεί να εφαρμοστεί κατάλληλη θετική πίεση πόλωσης στο τοίχωμα της μαγνητικής διάταξης φίλτρου για να ανασταλεί η σύγκρουση ιόντων και να βελτιωθεί η απόδοση μεταφοράς ιόντων-στόχων.

Ταξινόμηση συσκευής μαγνητικής διήθησης
(1) Γραμμική δομή. Το μαγνητικό πεδίο λειτουργεί ως οδηγός για τη ροή της δέσμης ιόντων, μειώνοντας το μέγεθος της κηλίδας καθόδου και την αναλογία των μακροσκοπικών συστάδων σωματιδίων, ενώ παράλληλα εντείνει τις συγκρούσεις εντός του πλάσματος, προκαλώντας τη μετατροπή των ουδέτερων σωματιδίων σε ιόντα και μειώνοντας τον αριθμό των μακροσκοπικών συστάδων σωματιδίων, και μειώνοντας γρήγορα τον αριθμό των μεγάλων σωματιδίων καθώς αυξάνεται η ένταση του μαγνητικού πεδίου. Σε σύγκριση με τη συμβατική μέθοδο επικάλυψης ιόντων πολλαπλών τόξων, αυτή η δομημένη συσκευή ξεπερνά τη σημαντική μείωση της απόδοσης που προκαλείται από άλλες μεθόδους και μπορεί να εξασφαλίσει ουσιαστικά σταθερό ρυθμό εναπόθεσης φιλμ, μειώνοντας παράλληλα τον αριθμό των μεγάλων σωματιδίων κατά περίπου 60%.
(2) Δομή τύπου καμπύλης. Αν και η δομή έχει διάφορες μορφές, η βασική αρχή είναι η ίδια. Το πλάσμα κινείται υπό τη συνδυασμένη λειτουργία μαγνητικού πεδίου και ηλεκτρικού πεδίου, και το μαγνητικό πεδίο χρησιμοποιείται για να περιορίσει και να ελέγξει το πλάσμα χωρίς να εκτρέψει την κίνηση κατά μήκος της κατεύθυνσης των μαγνητικών γραμμών δύναμης. Και τα αφόρτιστα σωματίδια θα κινηθούν κατά μήκος της γραμμικής και θα διαχωριστούν. Οι μεμβράνες που παρασκευάζονται από αυτή τη δομική συσκευή έχουν υψηλή σκληρότητα, χαμηλή τραχύτητα επιφάνειας, καλή πυκνότητα, ομοιόμορφο μέγεθος κόκκων και ισχυρή πρόσφυση στη βάση της μεμβράνης. Η ανάλυση XPS δείχνει ότι η επιφανειακή σκληρότητα των μεμβρανών ta-C που επικαλύπτονται με αυτόν τον τύπο συσκευής μπορεί να φτάσει τα 56 GPa, επομένως η συσκευή καμπύλης δομής είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη και αποτελεσματική μέθοδος για την απομάκρυνση μεγάλων σωματιδίων, αλλά η απόδοση μεταφοράς ιόντων-στόχων πρέπει να βελτιωθεί περαιτέρω. Η συσκευή μαγνητικής διήθησης κάμψης 90° είναι μια από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες συσκευές καμπύλης δομής. Πειράματα στο προφίλ επιφάνειας των μεμβρανών Ta-C δείχνουν ότι το προφίλ επιφάνειας της συσκευής μαγνητικής διήθησης κάμψης 360° δεν αλλάζει πολύ σε σύγκριση με τη συσκευή μαγνητικής διήθησης κάμψης 90°, επομένως το αποτέλεσμα της μαγνητικής διήθησης κάμψης 90° για μεγάλα σωματίδια μπορεί ουσιαστικά να επιτευχθεί. Η συσκευή μαγνητικής διήθησης κάμψης 90° έχει κυρίως δύο τύπους δομών: η μία είναι ένα σωληνοειδές κάμψης τοποθετημένο στον θάλαμο κενού και η άλλη τοποθετείται έξω από τον θάλαμο κενού, και η διαφορά μεταξύ τους έγκειται μόνο στη δομή. Η πίεση λειτουργίας της συσκευής μαγνητικής διήθησης κάμψης 90° είναι της τάξης των 10-2Pa και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως η επικάλυψη νιτριδίων, οξειδίων, άμορφου άνθρακα, ημιαγωγικής μεμβράνης και μεταλλικής ή μη μεταλλικής μεμβράνης.

Η αποτελεσματικότητα της συσκευής μαγνητικής διήθησης
Δεδομένου ότι δεν μπορούν όλα τα μεγάλα σωματίδια να χάσουν κινητική ενέργεια σε συνεχείς συγκρούσεις με το τοίχωμα, ένας ορισμένος αριθμός μεγάλων σωματιδίων θα φτάσει στο υπόστρωμα μέσω της εξόδου του σωλήνα. Επομένως, μια μακριά και στενή συσκευή μαγνητικής διήθησης έχει υψηλότερη απόδοση διήθησης μεγάλων σωματιδίων, αλλά σε αυτή τη φάση θα αυξήσει την απώλεια ιόντων-στόχων και ταυτόχρονα θα αυξήσει την πολυπλοκότητα της δομής. Επομένως, η διασφάλιση ότι η συσκευή μαγνητικής διήθησης έχει εξαιρετική απομάκρυνση μεγάλων σωματιδίων και υψηλή απόδοση μεταφοράς ιόντων είναι απαραίτητη προϋπόθεση για να έχει η τεχνολογία επίστρωσης ιόντων πολλαπλών τόξων μια ευρεία προοπτική εφαρμογής στην εναπόθεση λεπτών μεμβρανών υψηλής απόδοσης. Η λειτουργία της συσκευής μαγνητικής διήθησης επηρεάζεται από την ένταση του μαγνητικού πεδίου, την πόλωση κάμψης, το άνοιγμα του μηχανικού διαφράγματος, το ρεύμα πηγής τόξου και τη γωνία πρόσπτωσης των φορτισμένων σωματιδίων. Με τον καθορισμό εύλογων παραμέτρων της συσκευής μαγνητικής διήθησης, το αποτέλεσμα φιλτραρίσματος των μεγάλων σωματιδίων και η απόδοση μεταφοράς ιόντων του στόχου μπορούν να βελτιωθούν αποτελεσματικά.