Mágneses szűrőtechnológia

A mágneses szűrőberendezés alapvető elmélete
A plazmasugárban lévő nagy részecskék mágneses szűrőberendezésének szűrőmechanizmusa a következő:
A plazma és a töltésben lévő nagy részecskék közötti különbség, valamint a töltés-tömeg arány felhasználásával egy „gát” (vagy egy terelőlemez, vagy egy ívelt csőfal) helyezkedik el a szubsztrátum és a katód felülete között, amely megakadályozza a részecskék egyenes vonalban történő mozgását a katód és a szubsztrátum között, miközben az ionokat a mágneses mező eltérítheti, és átjuthatnak a „gáton” a szubsztrátumra.

A mágneses szűrőberendezés működési elve

A mágneses térben Pe<

Pe és Pi rendre az elektronok és ionok Larmor-sugarai, a pedig a mágneses szűrő belső átmérője. A plazmában lévő elektronokat a Lorentz-erő befolyásolja, és a mágneses mező mentén forognak axiálisan, míg a mágneses mezőnek kisebb hatása van az ionok csoportosulására a Larmor-sugárban lévő ionok és elektronok közötti különbség miatt. Azonban, amikor az elektron a mágneses szűrőberendezés tengelye mentén mozog, a fókusza és az erős negatív elektromos mező miatt vonzza az ionokat axiális irányú forgás érdekében, és az elektron sebessége nagyobb, mint az ion sebessége, így az elektron folyamatosan húzza az iont előre, míg a plazma mindig kvázi-elektromos semleges marad. A nagy részecskék elektromosan semlegesek vagy enyhén negatív töltésűek, és a minőségük sokkal nagyobb, mint az ionok és az elektronoké, alapvetően nem befolyásolja őket a mágneses mező, és a tehetetlenség mentén lineárisan mozognak, és az eszköz belső falával való ütközés után kiszűrődnek.
A hajlító mágneses tér görbületének, a gradiens eltolódásának és az ion-elektron ütközéseknek az együttes hatásaként a plazma eltéríthető a mágneses szűrőberendezésben. A ma használt általános elméleti modellek a Morozov-fluxusmodell és a Davidson-féle merevrotor-modell, amelyeknek a következő közös vonása van: van egy mágneses tér, amely az elektronokat szigorúan spirális módon mozgatja.
A plazma axiális mozgását a mágneses szűrőberendezésben irányító mágneses tér erősségének olyannak kell lennie, hogy:

Az Mi, Vo és Z rendre az iontömeget, a szállítási sebességet és a hordozott töltések számát jelöli. Az a mágneses szűrő belső átmérője, az e pedig az elektron töltése.
Meg kell jegyezni, hogy egyes nagyobb energiájú ionokat az elektronsugár nem tud teljesen megkötni. Elérhetik a mágneses szűrő belső falát, ami pozitív potenciált eredményez, ami viszont megakadályozza, hogy az ionok tovább érjék a belső falat, és csökkenti a plazmaveszteséget.
E jelenség szerint megfelelő pozitív előfeszítő nyomás alkalmazható a mágneses szűrőberendezés falára, hogy gátolja az ionok ütközését és ezáltal javítsa a célion-szállítás hatékonyságát.

A mágneses szűrőberendezés osztályozása
(1) Lineáris szerkezet. A mágneses tér az ionnyaláb áramlását irányítja, csökkenti a katódfolt méretét és a makroszkopikus részecskecsoportok arányát, miközben fokozza a plazmán belüli ütközéseket, elősegíti a semleges részecskék ionokká alakulását és csökkenti a makroszkopikus részecskecsoportok számát, valamint a mágneses térerősség növekedésével gyorsan csökkenti a nagy részecskék számát. A hagyományos többíves ionbevonati módszerhez képest ez a strukturált eszköz kiküszöböli a más módszerek által okozott jelentős hatékonyságcsökkenést, és lényegében állandó filmlerakódási sebességet biztosít, miközben a nagy részecskék számát körülbelül 60%-kal csökkenti.
(2) Íves szerkezet. Bár a szerkezetnek többféle formája létezik, az alapelv ugyanaz. A plazma a mágneses és az elektromos tér együttes hatására mozog, a mágneses tér pedig a plazma korlátozására és szabályozására szolgál anélkül, hogy a mozgás a mágneses erővonalak irányába eltérne. A töltetlen részecskék pedig a vonal mentén mozognak és elválnak. Az ezzel a szerkezeti eszközzel előállított filmek nagy keménységgel, alacsony felületi érdességgel, jó sűrűséggel, egyenletes szemcsemérettel és erős filmalap-tapadásúak. Az XPS-analízis azt mutatja, hogy az ilyen típusú eszközzel bevont ta-C filmek felületi keménysége elérheti az 56 GPa-t, így az íves szerkezetű eszköz a legszélesebb körben használt és leghatékonyabb módszer a nagy részecskék eltávolítására, de a célion-szállítás hatékonyságát tovább kell javítani. A 90°-os hajlítású mágneses szűrőberendezés az egyik legszélesebb körben használt íves szerkezetű eszköz. A Ta-C filmek felületi profilján végzett kísérletek azt mutatják, hogy a 360°-os hajlítású mágneses szűrőberendezés felületi profilja nem változik jelentősen a 90°-os hajlítású mágneses szűrőberendezéshez képest, így a 90°-os hajlítású mágneses szűrés hatása nagy részecskék esetén alapvetően elérhető. A 90°-os hajlítású mágneses szűrőberendezések főként kétféle szerkezettel rendelkeznek: az egyik egy hajlító mágnesszelep, amelyet a vákuumkamrában, a másik pedig a vákuumkamrán kívül helyeznek el, és a különbség közöttük csak a szerkezetben van. A 90°-os hajlítású mágneses szűrőberendezés üzemi nyomása 10⁻⁸Pa nagyságrendű, és széles körben alkalmazható, például nitridek, oxidok, amorf szén, félvezető filmek, valamint fém- vagy nemfémes filmek bevonására.

A mágneses szűrőberendezés hatékonysága
Mivel nem minden nagy részecske veszít mozgási energiát a fallal való folyamatos ütközések során, bizonyos számú nagy részecske eléri az aljzatot a cső kimenetén keresztül. Ezért egy hosszú és keskeny mágneses szűrőberendezés nagyobb szűrési hatékonysággal rendelkezik a nagy részecskék esetében, de ugyanakkor növeli a célionok veszteségét, és egyúttal növeli a szerkezet bonyolultságát. Ezért a mágneses szűrőberendezés kiváló nagy részecskék eltávolításával és nagy hatékonyságú ionszállítással való ellátásával kapcsolatos előfeltétele annak, hogy a többíves ionbevonatolási technológia széles körben alkalmazható legyen a nagy teljesítményű vékonyrétegek leválasztásában. A mágneses szűrőberendezés működését befolyásolja a mágneses térerősség, a hajlítási torzítás, a mechanikus terelőlemez nyílása, az ívforrás árama és a töltött részecskék beesési szöge. A mágneses szűrőberendezés ésszerű paramétereinek beállításával hatékonyan javítható a nagy részecskék szűrési hatása és a célpont ionátviteli hatékonysága.