Teori dasar alat filtrasi magnetik
Mekanisme penyaringan perangkat penyaringan magnetik untuk partikel besar dalam sinar plasma adalah sebagai berikut:
Dengan menggunakan perbedaan muatan antara plasma dan partikel besar serta rasio muatan terhadap massa, terdapat sebuah “penghalang” (bisa berupa penyekat atau dinding tabung melengkung) yang ditempatkan di antara substrat dan permukaan katode, yang menghalangi setiap partikel yang bergerak dalam garis lurus antara katode dan substrat, sementara ion-ion dapat dibelokkan oleh medan magnet dan melewati “penghalang” tersebut menuju substrat.
Prinsip kerja perangkat penyaringan magnetik
Dalam medan magnet, Pe<
Pe dan Pi masing-masing adalah jari-jari Larmor elektron dan ion, dan a adalah diameter dalam filter magnetik. Elektron dalam plasma dipengaruhi oleh gaya Lorentz dan berputar sepanjang medan magnet secara aksial, sedangkan medan magnet memiliki efek yang lebih kecil pada pengelompokan ion karena perbedaan antara ion dan elektron dalam jari-jari Larmor. Namun, ketika elektron bergerak sepanjang sumbu perangkat filter magnetik, ia akan menarik ion sepanjang aksial untuk gerakan rotasi karena fokusnya dan medan listrik negatif yang kuat, dan kecepatan elektron lebih besar daripada ion, sehingga elektron terus-menerus menarik ion ke depan, sementara plasma selalu tetap netral secara kuasi-listrik. Partikel besar bersifat netral secara listrik atau sedikit bermuatan negatif, dan kualitasnya jauh lebih besar daripada ion dan elektron, pada dasarnya tidak terpengaruh oleh medan magnet dan gerakan linier sepanjang inersia, dan akan disaring setelah bertabrakan dengan dinding bagian dalam perangkat.
Berdasarkan fungsi gabungan dari kelengkungan medan magnet yang tertekuk dan pergeseran gradien serta tumbukan ion-elektron, plasma dapat dibelokkan dalam perangkat penyaringan magnetik. Model teoritis umum yang digunakan saat ini adalah model fluks Morozov dan model rotor kaku Davidson, yang memiliki fitur umum berikut: terdapat medan magnet yang membuat elektron bergerak secara heliks.
Kekuatan medan magnet yang mengarahkan gerakan aksial plasma dalam perangkat penyaringan magnetik harus sedemikian rupa sehingga:
Mi, Vo, dan Z masing-masing adalah massa ion, kecepatan transpor, dan jumlah muatan yang dibawa. a adalah diameter dalam filter magnetik, dan e adalah muatan elektron.
Perlu dicatat bahwa beberapa ion berenergi tinggi tidak dapat sepenuhnya terikat oleh berkas elektron. Ion-ion tersebut dapat mencapai dinding bagian dalam filter magnetik, sehingga dinding bagian dalam memiliki potensi positif, yang pada gilirannya menghambat ion-ion untuk terus mencapai dinding bagian dalam dan mengurangi hilangnya plasma.
Menurut fenomena ini, tekanan bias positif yang tepat dapat diterapkan ke dinding perangkat filter magnetik untuk menghambat tumbukan ion guna meningkatkan efisiensi pengangkutan ion target.
Klasifikasi alat filtrasi magnetik
(1)Struktur linier. Medan magnet bertindak sebagai pemandu aliran berkas ion, mengurangi ukuran titik katode dan proporsi gugusan partikel makroskopis, sekaligus mengintensifkan tumbukan dalam plasma, mendorong konversi partikel netral menjadi ion dan mengurangi jumlah gugusan partikel makroskopis, serta mengurangi jumlah partikel besar dengan cepat seiring meningkatnya kekuatan medan magnet. Dibandingkan dengan metode pelapisan ion multi-busur konvensional, perangkat terstruktur ini mengatasi pengurangan efisiensi yang signifikan yang disebabkan oleh metode lain dan dapat memastikan laju pengendapan film yang pada dasarnya konstan sekaligus mengurangi jumlah partikel besar sekitar 60%.
(2) Struktur tipe lengkung. Meskipun strukturnya memiliki berbagai bentuk, tetapi prinsip dasarnya sama. Plasma bergerak di bawah fungsi gabungan medan magnet dan medan listrik, dan medan magnet digunakan untuk membatasi dan mengendalikan plasma tanpa membelokkan gerakan sepanjang arah garis gaya magnet. Dan partikel yang tidak bermuatan akan bergerak sepanjang garis lurus dan dipisahkan. Film yang disiapkan oleh perangkat struktural ini memiliki kekerasan tinggi, kekasaran permukaan rendah, kepadatan baik, ukuran butiran seragam, dan daya rekat dasar film yang kuat. Analisis XPS menunjukkan bahwa kekerasan permukaan film ta-C yang dilapisi dengan jenis perangkat ini dapat mencapai 56 GPa, sehingga perangkat struktur lengkung adalah metode yang paling banyak digunakan dan efektif untuk menghilangkan partikel besar, tetapi efisiensi pengangkutan ion target perlu ditingkatkan lebih lanjut. Perangkat filtrasi magnetik tikungan 90° adalah salah satu perangkat struktur lengkung yang paling banyak digunakan. Percobaan pada profil permukaan film Ta-C menunjukkan bahwa profil permukaan perangkat filtrasi magnetik tikungan 360° tidak banyak berubah dibandingkan dengan perangkat filtrasi magnetik tikungan 90°, sehingga efek filtrasi magnetik tikungan 90° untuk partikel besar pada dasarnya dapat dicapai. Perangkat filtrasi magnetik tikungan 90° terutama memiliki dua jenis struktur: satu adalah solenoida tikungan yang ditempatkan di ruang vakum, dan yang lainnya ditempatkan di luar ruang vakum, dan perbedaan di antara keduanya hanya pada strukturnya. Tekanan kerja perangkat filtrasi magnetik tikungan 90° berada pada urutan 10-2Pa, dan dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pelapisan nitrida, oksida, karbon amorf, film semikonduktor dan film logam atau non-logam.
Efisiensi perangkat penyaringan magnetik
Karena tidak semua partikel besar dapat kehilangan energi kinetik dalam tabrakan terus-menerus dengan dinding, sejumlah partikel besar akan mencapai substrat melalui outlet pipa. Oleh karena itu, perangkat filtrasi magnetik yang panjang dan sempit memiliki efisiensi filtrasi partikel besar yang lebih tinggi, tetapi pada saat ini akan meningkatkan hilangnya ion target dan pada saat yang sama meningkatkan kompleksitas struktur. Oleh karena itu, memastikan bahwa perangkat filtrasi magnetik memiliki penghilangan partikel besar yang sangat baik dan efisiensi transportasi ion yang tinggi merupakan prasyarat yang diperlukan untuk teknologi pelapisan ion multi-busur agar memiliki prospek aplikasi yang luas dalam pengendapan film tipis berkinerja tinggi. Pengoperasian perangkat filtrasi magnetik dipengaruhi oleh kekuatan medan magnet, bias tekukan, bukaan penyekat mekanis, arus sumber busur, dan sudut kejadian partikel bermuatan. Dengan menetapkan parameter yang wajar dari perangkat filtrasi magnetik, efek penyaringan partikel besar dan efisiensi transfer ion target dapat ditingkatkan secara efektif.
Waktu posting: 08-Nov-2022