磁気濾過技術

磁気濾過装置の基本理論
プラズマビーム内の大きな粒子を磁気フィルタリングする装置のフィルタリング機構は次のとおりです。
プラズマと大きな粒子の電荷および電荷質量比の違いを利用して、基板と陰極表面の間に「バリア」（バッフルまたは湾曲したチューブ壁）を配置します。このバリアは、陰極と基板の間を直線的に移動する粒子をブロックし、イオンは磁場によって偏向して「バリア」を通過して基板に到達します。

磁気濾過装置の動作原理

磁場では、Pe<

PeとPiはそれぞれ電子とイオンのラーモア半径であり、aは磁気フィルターの内径です。プラズマ中の電子はローレンツ力の影響を受け、磁場の軸方向に沿って回転しますが、イオンと電子のラーモア半径の差により、磁場はイオンのクラスター化にあまり影響を与えません。しかし、電子が磁気フィルター装置の軸方向に沿って運動する場合、その焦点と強い負の電界により、軸方向にイオンを引き寄せて回転運動させます。電子の速度はイオンよりも速いため、電子は常にイオンを前方に引っ張りますが、プラズマは常に準電気的に中性のままです。大きな粒子は電気的に中性またはわずかに負に帯電しており、その品質はイオンや電子よりもはるかに大きく、基本的に磁場や慣性に沿った直線運動の影響を受けず、装置の内壁に衝突した後にフィルタリングされます。
磁場の曲率と勾配ドリフト、そしてイオン電子衝突の複合作用により、プラズマは磁気濾過装置内で偏向されます。現在一般的に使用されている理論モデルは、モロゾフ磁束モデルとデイビッドソン剛体回転子モデルであり、これらのモデルには、電子を厳密に螺旋状に運動させる磁場が存在するという共通の特徴があります。
磁気濾過装置内のプラズマの軸方向の動きを誘導する磁場の強度は、次のとおりである必要があります。

Mi、Vo、Zはそれぞれイオンの質量、輸送速度、運ばれる電荷数です。aは磁気フィルターの内径、eは電子の電荷です。
高エネルギーイオンの中には、電子ビームによって完全に束縛されないものもあることに注意が必要です。これらのイオンは磁気フィルターの内壁に到達し、内壁を正電位にすることで、イオンが内壁に到達し続けるのを抑制し、プラズマの損失を低減します。
この現象を利用して、磁気フィルタ装置の壁に適切な正のバイアス圧力を加えることでイオンの衝突を抑制し、ターゲットイオンの輸送効率を向上させることができる。

磁気濾過装置の分類
(1)線形構造。磁場はイオンビームの流れをガイドする役割を果たし、陰極点のサイズとマクロ粒子クラスターの割合を減少させるとともに、プラズマ中の衝突を激化させ、中性粒子のイオン化を促進し、マクロ粒子クラスターの数を減少させます。また、磁場強度の増加に伴い、大きな粒子の数も急速に減少します。従来のマルチアークイオンコーティング法と比較して、この構造の装置は、他の方法によって引き起こされる大幅な効率低下を克服し、実質的に一定の成膜速度を確保しながら、大きな粒子の数を約60%削減できます。
（2）曲面構造。構造には様々な形態があるが、基本原理は同じである。プラズマは磁場と電場の複合作用によって運動し、磁場はプラズマを磁力線の方向に沿って偏向させることなく閉じ込め、制御する。そして、非荷電粒子は直線に沿って運動し、分離される。この構造装置によって作製された膜は、高硬度、低表面粗さ、良好な密度、均一な粒径、および強い膜基材接着性を有する。XPS分析によると、このタイプの装置でコーティングされたta-C膜の表面硬度は56GPaに達する可能性があり、曲面構造装置は最も広く使用され、大きな粒子の除去に効果的な方法であるが、ターゲットイオン輸送効率をさらに向上させる必要がある。90°曲げ磁気濾過装置は、最も広く使用されている曲面構造装置の一つである。 Ta-C膜の表面プロファイルに関する実験では、360°曲げ磁気濾過装置の表面プロファイルは90°曲げ磁気濾過装置と比較してあまり変化せず、大粒子に対する90°曲げ磁気濾過の効果が基本的に達成できることが示されています。 90°曲げ磁気濾過装置には主に2種類の構造があります。1つは真空チャンバー内に配置された曲げソレノイドで、もう1つは真空チャンバー外に配置されており、両者の違いは構造のみです。 90°曲げ磁気濾過装置の動作圧力は10-2Paオーダーで、窒化物、酸化物、アモルファスカーボン、半導体膜、金属または非金属膜のコーティングなど、幅広い用途に使用できます。

磁気濾過装置の効率
すべての大粒子が壁との連続衝突で運動エネルギーを失えるわけではないため、一定数の大粒子はパイプ出口から基板に到達します。そのため、細長い磁気濾過装置は大粒子の濾過効率が高くなりますが、その際に対象イオンの損失が増加し、同時に構造の複雑さも増します。したがって、磁気濾過装置が優れた大粒子除去性能と高いイオン輸送効率を備えていることを確保することは、マルチアークイオンコーティング技術が高性能薄膜の堆積において幅広い応用展望を持つための必須条件です。磁気濾過装置の動作は、磁場強度、ベンドバイアス、機械的バッフル開口部、アーク源電流、および荷電粒子の入射角の影響を受けます。磁気濾過装置の適切なパラメータを設定することで、大粒子の濾過効果と対象イオンの輸送効率を効果的に向上させることができます。