자기 여과 기술

자기 여과 장치의 기본 이론
플라즈마 빔 내의 대형 입자를 위한 자기 여과 장치의 여과 메커니즘은 다음과 같다.
플라스마와 큰 입자 사이의 전하 및 전하 대 질량 비율의 차이를 이용하여 기판과 음극 표면 사이에 "장벽"(방벽이나 곡선형 튜브 벽)을 배치하여 음극과 기판 사이를 직선으로 이동하는 입자를 차단하는 반면, 이온은 자기장에 의해 휘어져 "장벽"을 통과하여 기판으로 이동합니다.

자기 여과 장치의 작동 원리

자기장 내에서 Pe<

Pe와 Pi는 각각 전자와 이온의 라머 반경이고, a는 자기 필터의 내경입니다. 플라즈마 내 전자는 로렌츠 힘의 영향을 받아 자기장을 따라 축방향으로 회전하는 반면, 라머 반경 내 이온과 전자의 차이로 인해 자기장은 이온의 클러스터링에 미치는 영향이 적습니다. 그러나 전자가 자기 필터 장치의 축을 따라 이동할 때, 전자는 초점과 강한 음전계로 인해 회전 운동을 위해 축방향으로 이온을 끌어당기고, 전자의 속도가 이온보다 빠르기 때문에 전자는 이온을 지속적으로 앞으로 당기는 반면, 플라즈마는 항상 준전기적으로 중성을 유지합니다. 큰 입자는 전기적으로 중성이거나 약간 음전하를 띠며, 입자의 질은 이온과 전자보다 훨씬 크며, 기본적으로 자기장과 관성을 따라 선형 운동의 영향을 받지 않으며, 장치 내벽과 충돌 후 걸러집니다.
굽힘 자기장 곡률과 경사 드리프트, 그리고 이온-전자 충돌의 결합된 작용으로 플라즈마는 자기 여과 장치에서 편향될 수 있습니다. 오늘날 널리 사용되는 이론 모델은 모로조프 플럭스 모델과 데이비슨 강체 회전자 모델이며, 이 모델들은 다음과 같은 공통점을 가지고 있습니다. 전자를 엄격하게 나선형으로 움직이게 하는 자기장이 존재합니다.
자기 여과 장치에서 플라즈마의 축방향 운동을 유도하는 자기장의 강도는 다음과 같아야 합니다.

Mi, Vo, Z는 각각 이온 질량, 전달 속도, 운반되는 전하 수입니다. a는 자기 필터의 내경이고, e는 전자 전하입니다.
일부 고에너지 이온은 전자빔에 완전히 결합되지 않을 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 이러한 이온은 자기 필터의 내벽에 도달하여 내벽을 양전위로 만들 수 있으며, 이는 이온이 내벽에 계속 도달하는 것을 방해하여 플라즈마 손실을 줄입니다.
이러한 현상에 따르면, 자기 필터 장치의 벽에 적절한 양의 바이어스 압력을 가해 이온의 충돌을 억제함으로써 목표 이온 전달 효율을 향상시킬 수 있다.

자기여과장치의 분류
(1) 선형 구조. 자기장은 이온 빔 흐름의 가이드 역할을 하여 음극점의 크기와 거시적인 입자 클러스터의 비율을 줄이는 동시에 플라즈마 내 충돌을 강화하여 중성 입자의 이온 전환을 촉진하고 거시적인 입자 클러스터의 수를 줄이며, 자기장 세기가 증가함에 따라 큰 입자의 수를 빠르게 감소시킵니다. 기존의 다중 아크 이온 코팅 방식과 비교할 때, 이 구조의 장치는 다른 방식으로 인한 효율 저하를 극복하고, 큰 입자의 수를 약 60% 줄이면서 기본적으로 일정한 박막 증착 속도를 보장할 수 있습니다.
(2) 곡선형 구조. 구조는 다양한 형태를 띠지만 기본 원리는 동일합니다. 플라즈마는 자기장과 전기장의 결합 작용으로 이동하며, 자기장은 자기력선 방향으로의 이동을 방해하지 않고 플라즈마를 가두고 제어하는 ​​데 사용됩니다. 대전되지 않은 입자는 선형적으로 이동하여 분리됩니다. 이 구조 장치로 제조된 박막은 높은 경도, 낮은 표면 거칠기, 우수한 밀도, 균일한 입자 크기, 그리고 강력한 박막 기반 접착력을 갖습니다. XPS 분석 결과, 이 유형의 장치로 코팅된 ta-C 박막의 표면 경도는 56 GPa에 달할 수 있으므로, 곡선형 구조 장치는 큰 입자 제거에 가장 널리 사용되고 효과적인 방법이지만, 목표 이온 전달 효율은 더욱 향상되어야 합니다. 90° 굽힘 자기 여과 장치는 가장 널리 사용되는 곡선형 구조 장치 중 하나입니다. Ta-C 박막의 표면 프로파일에 대한 실험 결과, 360° 굽힘 자기 여과 장치의 표면 프로파일은 90° 굽힘 자기 여과 장치와 비교하여 크게 변하지 않으므로, 큰 입자에 대한 90° 굽힘 자기 여과의 효과를 기본적으로 얻을 수 있습니다. 90° 굽힘 자기 여과 장치는 주로 두 가지 유형의 구조를 갖습니다. 하나는 진공 챔버 내에 배치된 굽힘 솔레노이드이고, 다른 하나는 진공 챔버 외부에 배치되며, 두 장치의 차이점은 구조뿐입니다. 90° 굽힘 자기 여과 장치의 작동 압력은 10-2Pa 정도이며, 질화물, 산화물, 비정질 탄소, 반도체 박막, 금속 또는 비금속 박막 코팅 등 광범위한 응용 분야에 사용될 수 있습니다.

자기여과장치의 효율
모든 큰 입자가 벽에 연속적으로 충돌할 때 운동 에너지를 잃는 것은 아니므로, 일정 수의 큰 입자가 파이프 출구를 통해 기판에 도달하게 됩니다. 따라서 길고 좁은 자기 여과 장치는 큰 입자에 대한 여과 효율이 더 높지만, 이때 표적 이온의 손실이 증가하고 구조가 복잡해집니다. 따라서 자기 여과 장치의 우수한 큰 입자 제거 성능과 높은 이온 전달 효율을 보장하는 것은 고성능 박막 증착에 널리 적용되기 위한 다중 아크 이온 코팅 기술의 필수 전제 조건입니다. 자기 여과 장치의 작동은 자기장 세기, 굽힘 바이어스, 기계적 배플 개구부, 아크 소스 전류 및 하전 입자 입사각의 영향을 받습니다. 자기 여과 장치의 적절한 매개변수를 설정함으로써 큰 ​​입자의 여과 효과와 표적 이온 전달 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.