Magnetilise filtreerimise tehnoloogia

Magnetfiltratsiooniseadme põhiteooria
Plasmakiire suurte osakeste magnetilise filtreerimisseadme filtreerimismehhanism on järgmine:
Kasutades plasma ja suurte osakeste laengu erinevust ning laengu ja massi suhet, paigutatakse substraadi ja katoodi pinna vahele "barjäär" (kas deflektor või kõver torusein), mis blokeerib kõik osakesed, mis liiguvad sirgjooneliselt katoodi ja substraadi vahel, samal ajal kui ioonid saavad magnetvälja abil kõrvale kalduda ja läbida "barjääri" substraadile.

Magnetilise filtreerimisseadme tööpõhimõte

Magnetväljas Pe<

Pe ja Pi on vastavalt elektronide ja ioonide Larmori raadiused ning a on magnetfiltri sisediameeter. Plasmas olevad elektronid on Lorentzi jõu mõjul magnetvälja suhtes aksiaalselt pöörlevad, samas kui magnetväli mõjutab ioonide klastrite moodustumist vähem ioonide ja elektronide erinevuse tõttu Larmori raadiuses. Kui elektron aga liigub mööda magnetfiltri seadme telge, tõmbab see fookuse ja tugeva negatiivse elektrivälja tõttu ioone aksiaalselt pöörleva liikumise suunas ning elektroni kiirus on suurem kui ioonil, seega tõmbab elektron iooni pidevalt edasi, samal ajal kui plasma jääb alati peaaegu elektriliselt neutraalseks. Suured osakesed on elektriliselt neutraalsed või kergelt negatiivselt laetud ning nende kvaliteet on palju suurem kui ioonidel ja elektronidel, magnetväli neid põhimõtteliselt ei mõjuta ja nad liiguvad lineaarselt mööda inertsi ning filtreeritakse pärast kokkupõrget seadme siseseinaga välja.
Painutusmagnetvälja kõveruse, gradiendi triivi ja ioon-elektron kokkupõrgete koosmõjul saab plasmat magnetfiltratsiooniseadmes kõrvale suunata. Tänapäeval kasutatakse levinumaid teoreetilisi mudeleid Morozovi voo mudelit ja Davidsoni jäiga rootori mudelit, millel on järgmine ühine omadus: eksisteerib magnetväli, mis paneb elektronid liikuma rangelt spiraalselt.
Plasma aksiaalset liikumist magnetilise filtreerimisseadme sees juhtiva magnetvälja tugevus peaks olema selline, et:

Mi, Vo ja Z on vastavalt iooni mass, transpordikiirus ja kantud laengute arv. a on magnetfiltri sisediameeter ja e on elektroni laeng.
Tuleb märkida, et mõningaid kõrgema energiaga ioone ei saa elektronkiirega täielikult siduda. Need võivad jõuda magnetfiltri siseseinani, mille potentsiaal on positiivne, mis omakorda takistab ioonide edasist jõudmist siseseinani ja vähendab plasma kadu.
Selle nähtuse kohaselt saab magnetfiltri seadme seinale rakendada sobivat positiivset eelpinget, et pärssida ioonide kokkupõrget ja parandada sihtioonide transpordi efektiivsust.

Magnetfiltratsiooniseadme klassifikatsioon
(1) Lineaarne struktuur. Magnetväli toimib ioonkiire voolu juhisena, vähendades katoodilaigu suurust ja makroskoopiliste osakeste klastrite osakaalu, intensiivistades samal ajal plasmas kokkupõrkeid, mis omakorda soodustab neutraalsete osakeste muundumist ioonideks ja vähendab makroskoopiliste osakeste klastrite arvu ning vähendab kiiresti suurte osakeste arvu magnetvälja tugevuse suurenedes. Võrreldes tavapärase mitme kaarega ioonkatmismeetodiga ületab see struktureeritud seade teiste meetodite põhjustatud olulise efektiivsuse vähenemise ja suudab tagada praktiliselt konstantse kile sadestamise kiiruse, vähendades samal ajal suurte osakeste arvu umbes 60%.
(2) Kõverstruktuur. Kuigi struktuuril on erinevaid vorme, on põhiprintsiip sama. Plasma liigub magnetvälja ja elektrivälja koosmõjul ning magnetvälja kasutatakse plasma piiramiseks ja juhtimiseks, ilma et liikumist magnetjõujoonte suunas suunataks. Laengutamata osakesed liiguvad mööda lineaarset joont ja eralduvad. Selle konstruktsioonielemendi abil valmistatud kiledel on kõrge kõvadus, madal pinnakaredus, hea tihedus, ühtlane terasuurus ja tugev kilealuse adhesioon. XPS-analüüs näitab, et seda tüüpi seadmega kaetud ta-C-kilede pinnakõvadus võib ulatuda 56 GPa-ni, seega on kõverstruktuuriga seade kõige laialdasemalt kasutatav ja tõhusam meetod suurte osakeste eemaldamiseks, kuid sihtioonide transpordi efektiivsust tuleb veelgi parandada. 90° paindega magnetfiltreerimisseade on üks enimkasutatavaid kõverstruktuuriga seadmeid. Ta-C-kilede pinnaprofiiliga tehtud katsed näitavad, et 360° paindega magnetfiltreerimisseadme pinnaprofiil ei muutu palju võrreldes 90° paindega magnetfiltreerimisseadmega, seega on 90° paindega magnetfiltreerimise efekt suurte osakeste puhul põhimõtteliselt saavutatav. 90° paindega magnetfiltriseadmel on peamiselt kahte tüüpi konstruktsioone: üks on vaakumkambrisse paigutatud paindesolenoid ja teine ​​vaakumkambrist väljapoole paigutatud ning nende erinevus seisneb ainult konstruktsioonis. 90° paindega magnetfiltriseadme töörõhk on suurusjärgus 10-2Pa ja seda saab kasutada paljudes rakendustes, näiteks nitriidide, oksiidide, amorfsete süsinike, pooljuhtkilede ning metall- või mittemetallkilede katmiseks.

Magnetilise filtreerimisseadme efektiivsus
Kuna mitte kõik suured osakesed ei kaota pidevatel kokkupõrgetel seinaga kineetilist energiat, jõuab teatud arv suuri osakesi toru väljalaskeava kaudu aluspinnale. Seetõttu on pikal ja kitsal magnetfiltratsiooniseadmel suurte osakeste filtreerimise efektiivsus suurem, kuid samal ajal suurendab see sihtioonide kadu ja samal ajal suurendab struktuuri keerukust. Seetõttu on mitme kaarega ioonkatmistehnoloogia laialdase rakendamise eelduseks kõrge jõudlusega õhukeste kilede sadestamisel magnetfiltratsiooniseadme suurepärane suurte osakeste eemaldamine ja ioonide transpordi kõrge efektiivsus. Magnetfiltratsiooniseadme tööd mõjutavad magnetvälja tugevus, painutusnihe, mehaanilise deflektori ava, kaareallika vool ja laetud osakeste langemisnurk. Magnetfiltratsiooniseadme mõistlike parameetrite määramisega saab tõhusalt parandada suurte osakeste filtreerimisefekti ja sihtiooni ioonide ülekande efektiivsust.