자기 여과 기술

자기 여과 장치의 기본 이론
플라즈마 빔 내 큰 입자를 걸러내는 자기 필터링 장치의 필터링 메커니즘은 다음과 같습니다.
플라즈마와 큰 입자 사이의 전하량 및 전하 대 질량비의 차이를 이용하여 기판과 음극 표면 사이에 "장벽"(차단판 또는 곡선형 튜브 벽)을 설치합니다. 이 장벽은 입자가 음극과 기판 사이를 직선으로 이동하는 것을 차단하는 반면, 이온은 자기장에 의해 편향되어 "장벽"을 통과하여 기판에 도달할 수 있습니다.

자기 여과 장치의 작동 원리

자기장 내에서, Pe<

Pe와 Pi는 각각 전자와 이온의 라모어 반지름이고, a는 자기 필터의 내경입니다. 플라즈마 내의 전자는 로렌츠 힘의 영향을 받아 자기장 축 방향으로 회전하는 반면, 이온은 라모어 반지름이 전자와 이온 사이에 크기 차이가 있기 때문에 자기장의 영향을 덜 받습니다. 그러나 전자가 자기 필터 장치의 축을 따라 움직일 때, 전자의 집중과 강한 음전하로 인해 회전 운동을 하면서 축 방향으로 이온을 끌어당깁니다. 전자의 속도가 이온보다 빠르기 때문에 전자는 지속적으로 이온을 앞으로 끌어당깁니다. 플라즈마는 항상 준 전기적으로 중성을 유지합니다. 큰 입자는 전기적으로 중성이거나 약한 음전하를 띠며, 이온과 전자보다 크기가 훨씬 커서 자기장의 영향을 거의 받지 않고 관성으로 직선 운동을 하기 때문에 장치 내벽과 충돌한 후 걸러집니다.
자기장 곡률의 굴곡과 기울기 드리프트, 그리고 이온-전자 충돌의 복합적인 작용으로 플라즈마는 자기 여과 장치에서 편향될 수 있다. 오늘날 일반적으로 사용되는 이론 모델로는 모로조프 플럭스 모델과 데이비슨 강체 회전자 모델이 있으며, 이 두 모델은 전자가 엄격하게 나선형으로 움직이도록 하는 자기장이 존재한다는 공통점을 가지고 있다.
자기 여과 장치에서 플라즈마의 축 방향 운동을 유도하는 자기장의 세기는 다음과 같아야 합니다.

Mi, Vo, Z는 각각 이온 질량, 이동 속도, 운반되는 전하량을 나타냅니다. a는 자기 필터의 내경이고, e는 전자 전하량입니다.
일부 고에너지 이온은 전자빔에 완전히 포획되지 못할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 이러한 이온들은 자기 필터의 내벽에 도달하여 내벽을 양의 전위로 만들 수 있으며, 이는 이온의 내벽 도달을 억제하고 플라즈마 손실을 줄입니다.
이 현상에 따르면, 이온 충돌을 억제하고 목표 이온 수송 효율을 향상시키기 위해 자기 필터 장치의 벽에 적절한 양의 바이어스 압력을 가할 수 있다.

자기 여과 장치의 분류
(1)선형 구조. 자기장은 이온 빔 흐름의 가이드 역할을 하여 음극 스팟의 크기와 거시적 입자 클러스터의 비율을 감소시키고 플라즈마 내 충돌을 강화하여 중성 입자의 이온 변환을 촉진하고 거시적 입자 클러스터의 수를 감소시키며 자기장 강도가 증가함에 따라 큰 입자의 수를 급격히 감소시킵니다. 기존의 다중 아크 이온 코팅 방법과 비교하여, 이 구조화된 장치는 다른 방법으로 인한 효율의 현저한 감소를 극복하고 큰 입자의 수를 약 60% 감소시키면서 실질적으로 일정한 박막 증착 속도를 보장할 수 있습니다.
(2) 곡선형 구조. 구조의 형태는 다양하지만 기본 원리는 동일합니다. 플라즈마는 자기장과 전기장의 복합적인 작용 하에 이동하며, 자기장은 플라즈마를 자기력선 방향을 따라 편향 없이 가두고 제어하는 ​​데 사용됩니다. 그리고 비전하 입자는 직선 방향으로 이동하여 분리됩니다. 이러한 구조의 장치로 제조된 박막은 높은 경도, 낮은 표면 조도, 우수한 밀도, 균일한 결정립 크기 및 강력한 박막 기판 접착력을 갖습니다. XPS 분석 결과, 이러한 유형의 장치로 코팅된 ta-C 박막의 표면 경도는 56 GPa에 달할 수 있습니다. 따라서 곡선형 구조 장치는 큰 입자 제거에 가장 널리 사용되고 효과적인 방법이지만, 목표 이온 수송 효율은 더욱 개선될 필요가 있습니다. 90° 굽힘 자기 여과 장치는 가장 널리 사용되는 곡선형 구조 장치 중 하나입니다. Ta-C 박막의 표면 형상 실험 결과, 360° 굽힘 자기 여과 장치의 표면 형상은 90° 굽힘 자기 여과 장치와 비교했을 때 큰 변화가 없으므로, 큰 입자에 대한 90° 굽힘 자기 여과 효과를 기본적으로 얻을 수 있음을 보여줍니다. 90° 굽힘 자기 여과 장치는 크게 두 가지 구조로 나뉘는데, 하나는 진공 챔버 내부에 설치된 굽힘 솔레노이드이고, 다른 하나는 진공 챔버 외부에 설치된 형태이며, 구조적인 차이만 있습니다. 90° 굽힘 자기 여과 장치의 작동 압력은 10⁻²Pa 정도이며, 질화물, 산화물, 비정질 탄소, 반도체 박막, 금속 또는 비금속 박막 코팅 등 다양한 분야에 적용할 수 있습니다.

자기 여과 장치의 효율성
벽과의 연속적인 충돌 과정에서 모든 큰 입자가 운동 에너지를 잃는 것은 아니므로, 일정 수의 큰 입자는 파이프 출구를 통해 기판에 도달하게 됩니다. 따라서 길고 좁은 자기 여과 장치는 큰 입자의 여과 효율이 높지만, 동시에 목표 이온의 손실이 증가하고 구조가 복잡해집니다. 그러므로 고성능 박막 증착 분야에서 다중 아크 이온 코팅 기술의 광범위한 응용 가능성을 확보하기 위해서는 자기 여과 장치의 우수한 큰 입자 제거 성능과 높은 이온 전달 효율을 확보하는 것이 필수적입니다. 자기 여과 장치의 작동은 자기장 세기, 벤드 바이어스, 기계적 배플 개구부, 아크 소스 전류 및 하전 입자 입사각의 영향을 받습니다. 자기 여과 장치의 매개변수를 적절하게 설정함으로써 큰 ​​입자의 여과 효과와 목표 이온 전달 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.