磁気ろ過技術

磁気濾過装置の基本理論
プラズマビーム中の大きな粒子に対する磁気フィルタリング装置のフィルタリング機構は以下のとおりです。
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「障壁」（バッフルまたは湾曲した管壁）を配置し、陰極と基板の間を直線的に移動する粒子を遮断する一方、イオンは磁場によって偏向され、「障壁」を通過して基板に到達することができる。

磁気ろ過装置の動作原理

磁場中では、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、磁場に沿って軸方向に回転しますが、イオンと電子のラーモア半径の違いにより、磁場はイオンの凝集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に沿って移動すると、その集束と強い負の電場により、回転運動のために軸方向にイオンを引き付けます。電子の速度はイオンよりも大きいため、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、イオンや電子よりもはるかに大きいため、基本的に磁場や慣性に沿った直線運動の影響を受けず、装置の内壁との衝突後にフィルターで除去されます。
磁場曲率と勾配ドリフト、イオンと電子の衝突の複合的な作用により、プラズマは磁気濾過装置内で偏向される。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、これらには次のような共通の特徴がある。すなわち、電子を厳密にらせん状に動かす磁場が存在する。
磁気濾過装置においてプラズマの軸方向運動を誘導する磁場の強度は、以下の条件を満たす必要がある。

Mi、Vo、Zはそれぞれイオン質量、輸送速度、および運搬される電荷​​数を表す。aは磁気フィルターの内径、eは電子電荷である。
留意すべき点として、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がある。これらのイオンは磁気フィルターの内壁に到達する可能性があり、内壁を正の電位にすることで、イオンが内壁に到達するのを抑制し、プラズマの損失を低減する。
この現象に基づき、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、目的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誘導し、陰極スポットのサイズと巨視的な粒子クラスターの割合を減少させると同時に、プラズマ内の衝突を強め、中性粒子のイオン化を促進し、巨視的な粒子クラスターの数を減少させ、磁場強度の増加に伴って大きな粒子の数を急速に減少させます。従来の多重アークイオンコーティング法と比較して、この構造化された装置は、他の方法によって引き起こされる効率の大幅な低下を克服し、大きな粒子の数を約60％削減しながら、ほぼ一定の成膜速度を確保できます。
（２）曲線型構造。構造は様々な形をとるが、基本原理は同じである。プラズマは磁場と電場の複合機能の下で移動し、磁場は磁力線の方向に沿ってプラズマの動きを偏向させることなくプラズマを閉じ込めて制御するために使用される。そして、非荷電粒子は直線に沿って移動して分離される。この構造デバイスで作成されたフィルムは、高硬度、低表面粗さ、良好な密度、均一な粒径、および強力なフィルムベース接着性を有する。XPS分析によると、このタイプのデバイスでコーティングされたta-Cフィルムの表面硬度は56 GPaに達するため、曲線構造デバイスは大きな粒子を除去するための最も広く使用されている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改善する必要がある。90°曲がった磁気ろ過デバイスは、最も広く使用されている曲線構造デバイスの1つである。 Ta-C膜の表面形状に関する実験では、360°曲げ磁気ろ過装置の表面形状は90°曲げ磁気ろ過装置と比べてあまり変化しないことが示されており、大きな粒子に対する90°曲げ磁気ろ過の効果は基本的に達成できる。90°曲げ磁気ろ過装置には主に2種類の構造があり、1つは真空チャンバー内に配置された曲げソレノイド、もう1つは真空チャンバー外に配置されたもので、両者の違いは構造のみである。90°曲げ磁気ろ過装置の動作圧力は10⁻²Paのオーダーであり、窒化物、酸化物、非晶質炭素、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る。

磁気ろ過装置の効率
大きな粒子すべてが壁面との連続的な衝突で運動エネルギーを失うわけではないため、一定数の大きな粒子がパイプ出口を通って基板に到達します。したがって、長くて狭い磁気ろ過装置は大きな粒子のろ過効率が高くなりますが、その分、ターゲットイオンの損失が増加し、構造も複雑になります。そのため、磁気ろ過装置が優れた大きな粒子除去能力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が、マルチアークイオンコーティング技術が高性能薄膜の成膜において幅広い応用可能性を持つための必要条件となります。磁気ろ過装置の動作は、磁場強度、曲げバイアス、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によって影響を受けます。磁気ろ過装置のパラメータを適切に設定することで、大きな粒子のろ過効果とターゲットのイオン転送効率を効果的に向上させることができます。