فناوری فیلتراسیون مغناطیسی

تئوری پایه دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی
مکانیسم فیلتر کردن ذرات بزرگ در پرتو پلاسما توسط دستگاه فیلتر مغناطیسی به شرح زیر است:
با استفاده از تفاوت بین پلاسما و ذرات بزرگ در بار و نسبت بار به جرم، یک «سد» (یا یک بافل یا یک دیواره لوله خمیده) بین زیرلایه و سطح کاتد قرار می‌گیرد که هر ذره‌ای را که در یک خط مستقیم بین کاتد و زیرلایه حرکت می‌کند، مسدود می‌کند، در حالی که یون‌ها می‌توانند توسط میدان مغناطیسی منحرف شده و از طریق «سد» به زیرلایه عبور کنند.

اصول کار دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی

در میدان مغناطیسی، Pe<

Pe و Pi به ترتیب شعاع لارمور الکترون‌ها و یون‌ها هستند و a قطر داخلی فیلتر مغناطیسی است. الکترون‌های موجود در پلاسما تحت تأثیر نیروی لورنتز قرار می‌گیرند و به صورت محوری در امتداد میدان مغناطیسی می‌چرخند، در حالی که میدان مغناطیسی به دلیل تفاوت بین یون‌ها و الکترون‌ها در شعاع لارمور، تأثیر کمتری بر خوشه‌بندی یون‌ها دارد. با این حال، هنگامی که الکترون در امتداد محور دستگاه فیلتر مغناطیسی حرکت می‌کند، به دلیل تمرکز و میدان الکتریکی منفی قوی، یون‌ها را در امتداد محور برای حرکت چرخشی جذب می‌کند و سرعت الکترون بیشتر از یون است، بنابراین الکترون دائماً یون را به جلو می‌کشد، در حالی که پلاسما همیشه از نظر الکتریکی خنثی باقی می‌ماند. ذرات بزرگ از نظر الکتریکی خنثی یا کمی بار منفی دارند و کیفیت آنها بسیار بزرگتر از یون‌ها و الکترون‌ها است، اساساً تحت تأثیر میدان مغناطیسی و حرکت خطی در امتداد اینرسی قرار نمی‌گیرند و پس از برخورد با دیواره داخلی دستگاه فیلتر می‌شوند.
تحت تابع ترکیبی انحنای میدان مغناطیسی خمشی و رانش گرادیان و برخوردهای یون-الکترون، پلاسما می‌تواند در دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی منحرف شود. مدل‌های نظری رایج که امروزه استفاده می‌شوند، مدل شار موروزوف و مدل روتور صلب دیویدسون هستند که دارای ویژگی مشترک زیر هستند: یک میدان مغناطیسی وجود دارد که باعث می‌شود الکترون‌ها به صورت مارپیچی حرکت کنند.
قدرت میدان مغناطیسی که حرکت محوری پلاسما را در دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی هدایت می‌کند باید به گونه‌ای باشد که:

Mi، Vo و Z به ترتیب جرم یون، سرعت انتقال و تعداد بارهای حمل شده هستند. a قطر داخلی فیلتر مغناطیسی و e بار الکترون است.
لازم به ذکر است که برخی از یون‌های با انرژی بالاتر نمی‌توانند به طور کامل توسط پرتو الکترونی محصور شوند. آن‌ها ممکن است به دیواره داخلی فیلتر مغناطیسی برسند و دیواره داخلی را در پتانسیل مثبت قرار دهند که به نوبه خود مانع از ادامه رسیدن یون‌ها به دیواره داخلی شده و از دست دادن پلاسما را کاهش می‌دهد.
طبق این پدیده، می‌توان یک فشار بایاس مثبت مناسب را به دیواره دستگاه فیلتر مغناطیسی اعمال کرد تا از برخورد یون‌ها جلوگیری شود و راندمان انتقال یون هدف بهبود یابد.

طبقه بندی دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی
(1) ساختار خطی. میدان مغناطیسی به عنوان هدایت‌کننده جریان پرتو یونی عمل می‌کند و اندازه نقطه کاتد و نسبت خوشه‌های ذرات ماکروسکوپی را کاهش می‌دهد، در حالی که برخوردها را در داخل پلاسما تشدید می‌کند، باعث تبدیل ذرات خنثی به یون‌ها و کاهش تعداد خوشه‌های ذرات ماکروسکوپی می‌شود و با افزایش قدرت میدان مغناطیسی، تعداد ذرات بزرگ را به سرعت کاهش می‌دهد. در مقایسه با روش پوشش یونی چند قوسی مرسوم، این دستگاه ساختار یافته بر کاهش قابل توجه راندمان ناشی از سایر روش‌ها غلبه می‌کند و می‌تواند نرخ رسوب فیلم اساساً ثابت را تضمین کند و در عین حال تعداد ذرات بزرگ را حدود 60٪ کاهش دهد.
(2) ساختار منحنی. اگرچه این ساختار اشکال مختلفی دارد، اما اصل اساسی یکسان است. پلاسما تحت عملکرد ترکیبی میدان مغناطیسی و میدان الکتریکی حرکت می‌کند و از میدان مغناطیسی برای محدود کردن و کنترل پلاسما بدون انحراف حرکت در امتداد خطوط نیروی مغناطیسی استفاده می‌شود. و ذرات بدون بار در امتداد خط حرکت کرده و از هم جدا می‌شوند. فیلم‌های تهیه شده توسط این دستگاه ساختاری دارای سختی بالا، زبری سطح پایین، چگالی خوب، اندازه دانه یکنواخت و چسبندگی قوی پایه فیلم هستند. تجزیه و تحلیل XPS نشان می‌دهد که سختی سطح فیلم‌های ta-C پوشش داده شده با این نوع دستگاه می‌تواند به 56 گیگاپاسکال برسد، بنابراین دستگاه ساختار منحنی پرکاربردترین و مؤثرترین روش برای حذف ذرات بزرگ است، اما راندمان انتقال یون هدف باید بیشتر بهبود یابد. دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی با خم 90 درجه یکی از پرکاربردترین دستگاه‌های ساختار منحنی است. آزمایش‌ها روی پروفیل سطح فیلم‌های Ta-C نشان می‌دهد که پروفیل سطح دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی با خمش ۳۶۰ درجه در مقایسه با دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی با خمش ۹۰ درجه تغییر چندانی نمی‌کند، بنابراین می‌توان اساساً به تأثیر فیلتراسیون مغناطیسی با خمش ۹۰ درجه برای ذرات بزرگ دست یافت. دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی با خمش ۹۰ درجه عمدتاً دارای دو نوع ساختار است: یکی یک سلونوئید خمشی است که در محفظه خلاء قرار می‌گیرد و دیگری خارج از محفظه خلاء قرار می‌گیرد و تفاوت بین آنها فقط در ساختار است. فشار کاری دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی با خمش ۹۰ درجه در حدود ۱۰-۲ پاسکال است و می‌تواند در طیف وسیعی از کاربردها مانند پوشش نیترید، اکسید، کربن آمورف، فیلم نیمه‌هادی و فیلم فلزی یا غیرفلزی مورد استفاده قرار گیرد.

کارایی دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی
از آنجایی که همه ذرات بزرگ نمی‌توانند در برخوردهای مداوم با دیواره، انرژی جنبشی خود را از دست بدهند، تعداد مشخصی از ذرات بزرگ از طریق خروجی لوله به زیرلایه می‌رسند. بنابراین، یک دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی بلند و باریک، راندمان فیلتراسیون بالاتری برای ذرات بزرگ دارد، اما در این زمان، اتلاف یون‌های هدف را افزایش داده و در عین حال پیچیدگی ساختار را نیز افزایش می‌دهد. بنابراین، اطمینان از اینکه دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی، حذف عالی ذرات بزرگ و راندمان بالای انتقال یون را دارد، پیش‌نیاز ضروری برای فناوری پوشش یونی چند قوسی است تا چشم‌انداز کاربرد گسترده‌ای در رسوب‌دهی لایه‌های نازک با کارایی بالا داشته باشد. عملکرد دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی تحت تأثیر قدرت میدان مغناطیسی، بایاس خم، روزنه بافل مکانیکی، جریان منبع قوس و زاویه برخورد ذرات باردار قرار می‌گیرد. با تنظیم پارامترهای معقول دستگاه فیلتراسیون مغناطیسی، می‌توان اثر فیلتراسیون ذرات بزرگ و راندمان انتقال یون هدف را به طور مؤثر بهبود بخشید.