Tehnologija magnetske filtracije

Osnovna teorija uređaja za magnetsku filtraciju
Mehanizam filtriranja magnetskog uređaja za filtriranje velikih čestica u plazma snopu je sljedeći:
Koristeći razliku između plazme i velikih čestica u naboju i omjeru naboja i mase, postoji „barijera“ (ili pregrada ili zakrivljena stijenka cijevi) koja se postavlja između podloge i površine katode, koja blokira sve čestice koje se kreću u ravnoj liniji između katode i podloge, dok ioni mogu biti skrenuti magnetskim poljem i proći kroz „barijeru“ do podloge.

Princip rada magnetskog filtracijskog uređaja

U magnetskom polju, Pe<

Pe i Pi su Larmorovi radijusi elektrona i iona, a a je unutarnji promjer magnetskog filtera. Elektroni u plazmi su pod utjecajem Lorentzove sile i vrte se aksijalno duž magnetskog polja, dok magnetsko polje ima manji utjecaj na grupiranje iona zbog razlike između iona i elektrona u Larmorovom radijusu. Međutim, kada se elektron kreće duž osi magnetskog filtera, on će privući ione duž osi radi rotacijskog gibanja zbog svog fokusa i jakog negativnog električnog polja, a brzina elektrona je veća od brzine iona, tako da elektron stalno vuče ion naprijed, dok plazma uvijek ostaje kvazi-električno neutralna. Velike čestice su električno neutralne ili blago negativno nabijene, a kvaliteta je mnogo veća od kvalitete iona i elektrona, u osnovi nisu pod utjecajem magnetskog polja i linearnog gibanja duž inercije, te će se filtrirati nakon sudara s unutarnjom stijenkom uređaja.
Pod kombiniranim djelovanjem zakrivljenosti magnetskog polja savijanja i gradijentnog drifta te sudara iona i elektrona, plazma se može skrenuti u uređaju za magnetsku filtraciju. Uobičajeni teorijski modeli koji se danas koriste su Morozovljev model fluksa i Davidsonov model krutog rotora, koji imaju sljedeću zajedničku značajku: postoji magnetsko polje koje uzrokuje kretanje elektrona na strogo spiralni način.
Jačina magnetskog polja koje vodi aksijalno kretanje plazme u uređaju za magnetsku filtraciju treba biti takva da:

Mi, Vo i Z su masa iona, brzina transporta i broj prenesenih naboja. a je unutarnji promjer magnetskog filtera, a e je naboj elektrona.
Treba napomenuti da neki ioni više energije ne mogu biti u potpunosti vezani elektronskim snopom. Mogu dosegnuti unutarnju stijenku magnetskog filtera, stvarajući na unutarnjoj stijenci pozitivan potencijal, što zauzvrat sprječava ione da nastave dosezati unutarnju stijenku i smanjuje gubitak plazme.
Prema ovom fenomenu, na stijenku magnetskog filtera može se primijeniti odgovarajući pozitivni pristrasni tlak kako bi se spriječio sudar iona i poboljšala učinkovitost transporta ciljnih iona.

Klasifikacija uređaja za magnetsku filtraciju
(1) Linearna struktura. Magnetsko polje djeluje kao vodič za tok ionskog snopa, smanjujući veličinu katodne mrlje i udio makroskopskih nakupina čestica, istovremeno pojačavajući sudare unutar plazme, potičući pretvorbu neutralnih čestica u ione i smanjujući broj makroskopskih nakupina čestica, te brzo smanjujući broj velikih čestica kako se jakost magnetskog polja povećava. U usporedbi s konvencionalnom metodom višelučnog ionskog premazivanja, ovaj strukturirani uređaj prevladava značajno smanjenje učinkovitosti uzrokovano drugim metodama i može osigurati u biti konstantnu brzinu taloženja filma uz smanjenje broja velikih čestica za oko 60%.
(2) Struktura krivulje. Iako struktura ima različite oblike, osnovni princip je isti. Plazma se kreće pod kombiniranim djelovanjem magnetskog i električnog polja, a magnetsko polje se koristi za ograničavanje i kontrolu plazme bez skretanja gibanja duž smjera linija magnetske sile. Nenabijene čestice će se kretati duž linearne linije i biti odvojive. Filmovi pripremljeni ovim strukturnim uređajem imaju visoku tvrdoću, nisku hrapavost površine, dobru gustoću, ujednačenu veličinu zrna i snažno prianjanje na podlogu filma. XPS analiza pokazuje da površinska tvrdoća ta-C filmova premazanih ovom vrstom uređaja može doseći 56 GPa, stoga je uređaj sa zakrivljenom strukturom najšire korištena i najučinkovitija metoda za uklanjanje velikih čestica, ali učinkovitost transporta ciljanih iona treba dodatno poboljšati. Uređaj za magnetsku filtraciju sa zavojem od 90° jedan je od najčešće korištenih uređaja sa zakrivljenom strukturom. Eksperimenti na površinskom profilu Ta-C filmova pokazuju da se površinski profil uređaja za magnetsku filtraciju sa zavojem od 360° ne mijenja puno u usporedbi s uređajem za magnetsku filtraciju sa zavojem od 90°, tako da se u osnovi može postići učinak magnetske filtracije sa zavojem od 90° za velike čestice. Uređaj za magnetsku filtraciju sa zavojem od 90° uglavnom ima dvije vrste struktura: jedna je zavojni solenoid smješten u vakuumskoj komori, a druga je smještena izvan vakuumske komore, a razlika između njih je samo u strukturi. Radni tlak uređaja za magnetsku filtraciju sa zavojem od 90° je reda veličine 10-2Pa, a može se koristiti u širokom rasponu primjena, kao što je premazivanje nitrida, oksida, amorfnog ugljika, poluvodičkog filma i metalnog ili nemetalnog filma.

Učinkovitost uređaja za magnetsku filtraciju
Budući da ne mogu sve velike čestice izgubiti kinetičku energiju u kontinuiranim sudarima sa stijenkom, određeni broj velikih čestica doseći će podlogu kroz izlaz cijevi. Stoga, dugi i uski magnetski filtracijski uređaj ima veću učinkovitost filtracije velikih čestica, ali u ovom trenutku će povećati gubitak ciljanih iona i istovremeno povećati složenost strukture. Stoga je osiguranje da magnetski filtracijski uređaj ima izvrsno uklanjanje velikih čestica i visoku učinkovitost transporta iona nužan preduvjet za tehnologiju višelučnog ionskog premazivanja kako bi imala široku primjenu u nanošenju visokoučinkovitih tankih filmova. Na rad magnetskog filtracijskog uređaja utječu jakost magnetskog polja, pristranost savijanja, otvor mehaničke pregrade, struja izvora luka i kut upada nabijenih čestica. Postavljanjem razumnih parametara magnetskog filtracijskog uređaja može se učinkovito poboljšati učinak filtriranja velikih čestica i učinkovitost prijenosa iona cilja.