Teknologi filtrasi magnetik

Teori dasar perangkat filtrasi magnetik
Mekanisme penyaringan perangkat penyaringan magnetik untuk partikel besar dalam berkas plasma adalah sebagai berikut:
Dengan memanfaatkan perbedaan muatan dan rasio muatan terhadap massa antara plasma dan partikel besar, ditempatkan sebuah "penghalang" (baik berupa sekat atau dinding tabung melengkung) di antara substrat dan permukaan katoda, yang menghalangi partikel apa pun yang bergerak dalam garis lurus antara katoda dan substrat, sementara ion dapat dibelokkan oleh medan magnet dan melewati "penghalang" menuju substrat.

Prinsip kerja perangkat filtrasi 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 searah dengan medan magnet, sedangkan medan magnet kurang berpengaruh pada pengelompokan ion karena perbedaan jari-jari Larmor antara ion dan elektron. Namun, ketika elektron bergerak sepanjang sumbu perangkat filter magnetik, ia akan menarik ion sepanjang sumbu karena gerakan rotasi akibat 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-elektrik. Partikel besar bersifat netral secara elektrik atau bermuatan negatif sedikit, dan ukurannya jauh lebih besar daripada ion dan elektron, pada dasarnya tidak terpengaruh oleh medan magnet dan gerakan linier sepanjang inersia, dan akan tersaring setelah bertabrakan dengan dinding bagian dalam perangkat.
Di bawah fungsi gabungan dari kelengkungan medan magnet dan pergeseran gradien serta tumbukan ion-elektron, plasma dapat dibelokkan dalam perangkat filtrasi 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 memandu gerakan aksial plasma dalam perangkat filtrasi magnetik harus sedemikian rupa sehingga:

Mi, Vo, dan Z masing-masing adalah massa ion, kecepatan transport, 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 membuat dinding bagian dalam memiliki potensial positif, yang pada gilirannya menghambat ion untuk terus mencapai dinding bagian dalam dan mengurangi kehilangan plasma.
Berdasarkan fenomena ini, tekanan bias positif yang sesuai dapat diterapkan pada dinding perangkat filter magnetik untuk menghambat tumbukan ion dan meningkatkan efisiensi transportasi ion target.

Klasifikasi perangkat filtrasi magnetik
(1) Struktur linier. Medan magnet bertindak sebagai pemandu aliran berkas ion, mengurangi ukuran titik katoda dan proporsi gugus partikel makroskopis, sekaligus mengintensifkan tumbukan di dalam plasma, mendorong konversi partikel netral menjadi ion dan mengurangi jumlah gugus partikel makroskopis, serta dengan cepat mengurangi jumlah partikel besar seiring peningkatan kekuatan medan magnet. Dibandingkan dengan metode pelapisan ion multi-busur konvensional, perangkat terstruktur ini mengatasi penurunan efisiensi yang signifikan yang disebabkan oleh metode lain dan dapat memastikan laju deposisi film yang pada dasarnya konstan sambil mengurangi jumlah partikel besar sekitar 60%.
(2) Struktur tipe lengkung. Meskipun strukturnya memiliki berbagai bentuk, prinsip dasarnya tetap 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. Partikel yang tidak bermuatan akan bergerak sepanjang garis lurus dan terpisah. Film yang dibuat dengan perangkat struktur ini memiliki kekerasan tinggi, kekasaran permukaan rendah, kepadatan yang baik, ukuran butir yang seragam, dan adhesi dasar film yang kuat. Analisis XPS menunjukkan bahwa kekerasan permukaan film ta-C yang dilapisi dengan perangkat tipe ini dapat mencapai 56 GPa, sehingga perangkat struktur lengkung adalah metode yang paling banyak digunakan dan efektif untuk penghilangan partikel besar, tetapi efisiensi transportasi ion target perlu ditingkatkan lebih lanjut. Perangkat filtrasi magnetik lengkung 90° adalah salah satu perangkat struktur lengkung yang paling banyak digunakan. Eksperimen pada profil permukaan film Ta-C menunjukkan bahwa profil permukaan perangkat filtrasi magnetik bengkok 360° tidak banyak berubah dibandingkan dengan perangkat filtrasi magnetik bengkok 90°, sehingga efek filtrasi magnetik bengkok 90° untuk partikel besar pada dasarnya dapat dicapai. Perangkat filtrasi magnetik bengkok 90° terutama memiliki dua jenis struktur: satu adalah solenoida bengkok yang ditempatkan di dalam ruang vakum, dan yang lainnya ditempatkan di luar ruang vakum, dan perbedaan di antara keduanya hanya terletak pada strukturnya. Tekanan kerja perangkat filtrasi magnetik bengkok 90° berada dalam orde 10-2 Pa, dan dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pelapisan nitrida, oksida, karbon amorf, film semikonduktor, dan film logam atau non-logam.

Efisiensi perangkat filtrasi magnetik
Karena tidak semua partikel besar dapat kehilangan energi kinetik dalam tumbukan terus-menerus dengan dinding, sejumlah partikel besar akan mencapai substrat melalui saluran keluar 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 kehilangan ion target dan pada saat yang sama meningkatkan kompleksitas struktur. Oleh karena itu, memastikan bahwa perangkat filtrasi magnetik memiliki kemampuan penghilangan partikel besar yang sangat baik dan efisiensi transfer ion yang tinggi merupakan prasyarat yang diperlukan agar teknologi pelapisan ion multi-busur 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 datang partikel bermuatan. Dengan menetapkan parameter perangkat filtrasi magnetik yang wajar, efek penyaringan partikel besar dan efisiensi transfer ion target dapat ditingkatkan secara efektif.