Magneettinen suodatustekniikka

Magneettisen suodatuslaitteen perusteoria
Plasmasäteen suurten hiukkasten magneettisuodatuslaitteen suodatusmekanismi on seuraava:
Käyttämällä plasman ja suurten hiukkasten välistä eroa sekä varaus-massasuhdetta, substraatin ja katodin pinnan väliin asetetaan "este" (joko ohjainlevy tai kaareva putkiseinä), joka estää hiukkasia liikkumasta suorassa linjassa katodin ja substraatin välillä. Ionit voivat taipua magneettikentän avulla ja kulkea "esteen" läpi substraattiin.

Magneettisen suodatuslaitteen toimintaperiaate

Magneettikentässä Pe<

Pe ja Pi ovat elektronien ja ionien Larmorin säteet, ja a on magneettisuodattimen sisähalkaisija. Plasman elektronit ovat Lorentzin voiman vaikutuksen alaisia ​​ja pyörivät magneettikentän suuntaisesti aksiaalisesti, kun taas magneettikentällä on vähemmän vaikutusta ionien kasautumiseen ionien ja elektronien välisen Larmorin säteen eron vuoksi. Kuitenkin, kun elektroni liikkuu magneettisuodattimen akselia pitkin, se vetää puoleensa ioneja aksiaalisesti pyörimisliikkeen vuoksi fokuksensa ja voimakkaan negatiivisen sähkökentän vuoksi, ja elektronin nopeus on suurempi kuin ionin, joten elektroni vetää ionia jatkuvasti eteenpäin, kun taas plasma pysyy aina lähes sähköisesti neutraalina. Suuret hiukkaset ovat sähköisesti neutraaleja tai hieman negatiivisesti varautuneita, ja niiden laatu on paljon suurempi kuin ionien ja elektronien, eivätkä magneettikenttä vaikuta niihin, vaan ne liikkuvat lineaarisesti inertian suuntaisesti, ja ne suodattuvat pois törmäyksen jälkeen laitteen sisäseinämään.
Taivuttavan magneettikentän kaarevuuden, gradientin ajautumisen ja ioni-elektroni-törmäysten yhteisvaikutuksesta plasma voi taipua magneettisuodatuslaitteessa. Nykyään yleisesti käytettyjä teoreettisia malleja ovat Morozovin vuomalli ja Davidsonin jäykän roottorin malli, joilla on seuraava yhteinen piirre: magneettikenttä saa elektronit liikkumaan tiukasti kierteisesti.
Magneettisuodatuslaitteessa plasman aksiaalista liikettä ohjaavan magneettikentän voimakkuuden tulisi olla sellainen, että:

Mi, Vo ja Z ovat vastaavasti ionin massa, kuljetusnopeus ja kuljetettujen varausten lukumäärä. a on magneettisuodattimen sisähalkaisija ja e on elektronin varaus.
On huomattava, että jotkut korkeamman energian ionit eivät pysty sitoutumaan täysin elektronisuihkuun. Ne voivat päästä magneettisuodattimen sisäseinään, jolloin sisäseinämän potentiaali on positiivinen. Tämä puolestaan ​​estää ioneja pääsemästä sisäseinään ja vähentää plasman hävikkiä.
Tämän ilmiön mukaan magneettisuodattimen seinämään voidaan kohdistaa sopiva positiivinen esijännite ionien törmäyksen estämiseksi ja kohdeionien kuljetustehokkuuden parantamiseksi.

Magneettisen suodatuslaitteen luokittelu
(1) Lineaarinen rakenne. Magneettikenttä toimii ionisuihkun virtauksen ohjaimena, mikä pienentää katodipisteen kokoa ja makroskooppisten hiukkasryppäiden osuutta ja samalla voimistaa plasman törmäyksiä, mikä puolestaan ​​edistää neutraalien hiukkasten muuntumista ioneiksi ja vähentää makroskooppisten hiukkasryppäiden määrää sekä vähentää nopeasti suurten hiukkasten määrää magneettikentän voimakkuuden kasvaessa. Verrattuna perinteiseen monikaari-ionipinnoitusmenetelmään tämä strukturoitu laite voittaa muiden menetelmien aiheuttaman merkittävän tehokkuuden laskun ja voi varmistaa olennaisesti vakion kalvonmuodostusnopeuden samalla, kun suurten hiukkasten määrä vähenee noin 60 %.
(2) Käyrätyyppinen rakenne. Vaikka rakenteella on erilaisia ​​muotoja, perusperiaate on sama. Plasma liikkuu magneettikentän ja sähkökentän yhdistetyn vaikutuksen alaisena, ja magneettikenttää käytetään plasman rajoittamiseen ja ohjaamiseen ilman, että liikettä ohjataan magneettisten voimaviivojen suuntaan. Ja varauksettomat hiukkaset liikkuvat lineaarisesti ja erottuvat. Tällä rakennelaitteella valmistetuilla kalvoilla on korkea kovuus, alhainen pinnan karheus, hyvä tiheys, tasainen raekoko ja vahva tarttuvuus kalvon pohjaan. XPS-analyysi osoittaa, että tällä laitteella päällystettyjen ta-C-kalvojen pinnan kovuus voi olla 56 GPa, joten kaareva rakennelaite on yleisimmin käytetty ja tehokkain menetelmä suurten hiukkasten poistamiseen, mutta kohdeionien kuljetustehokkuutta on parannettava edelleen. 90° taivuttava magneettisuodatuslaite on yksi yleisimmin käytetyistä kaarevarakenteisista laitteista. Ta-C-kalvojen pintaprofiilikokeet osoittavat, että 360° taivuttavan magneettisuodatuslaitteen pintaprofiili ei juurikaan muutu 90° taivuttavaan magneettisuodatuslaitteeseen verrattuna, joten 90° taivuttavan magneettisuodatuksen vaikutus suuriin hiukkasiin voidaan saavuttaa käytännössä. 90° taivutetulla magneettisuodattimella on pääasiassa kahdenlaisia ​​rakenteita: toinen on tyhjiökammioon sijoitettu taivutussolenoidi ja toinen tyhjiökammion ulkopuolelle sijoitettu taivutussolenoidi, ja niiden välinen ero on vain rakenteessa. 90° taivutetun magneettisuodattimen käyttöpaine on luokkaa 10⁻⁸Pa, ja sitä voidaan käyttää monenlaisissa sovelluksissa, kuten nitridin, oksidin, amorfisen hiilen, puolijohdekalvon ja metalli- tai ei-metallikalvon pinnoittamiseen.

Magneettisen suodatuslaitteen tehokkuus
Koska kaikki suuret hiukkaset eivät voi menettää kineettistä energiaa jatkuvissa törmäyksissä seinämän kanssa, tietty määrä suuria hiukkasia pääsee substraattiin putken ulostulon kautta. Siksi pitkällä ja kapealla magneettisuodatuslaitteella on suurempi suurten hiukkasten suodatustehokkuus, mutta tällä kertaa se lisää kohdeionien hävikkiä ja samalla lisää rakenteen monimutkaisuutta. Siksi on varmistettava, että magneettisuodatuslaitteella on erinomainen suurten hiukkasten poistokyky ja korkea ionien kuljetustehokkuus, jotta monikaari-ionipinnoitustekniikalla olisi laaja sovellusmahdollisuus korkean suorituskyvyn omaavien ohutkalvojen kerrostamisessa. Magneettisen suodatuslaitteen toimintaan vaikuttavat magneettikentän voimakkuus, taivutusjännite, mekaanisen ohjauslevyn aukko, kaarilähdevirta ja varattujen hiukkasten tulokulma. Asettamalla magneettisen suodatuslaitteen kohtuulliset parametrit voidaan tehokkaasti parantaa suurten hiukkasten suodatustehoa ja kohteen ionien siirtotehokkuutta.