Magnetinio filtravimo technologija

Pagrindinė magnetinio filtravimo įrenginio teorija
Didelėms dalelėms plazmos spindulyje filtruoti skirto magnetinio filtravimo įrenginio mechanizmas yra toks:
Naudojant skirtumą tarp plazmos ir didelių dalelių krūvio bei krūvio ir masės santykį, tarp substrato ir katodo paviršiaus yra „barjeras“ (arba pertvara, arba išlenkta vamzdinė sienelė), kuris blokuoja bet kokias daleles, judančias tiesia linija tarp katodo ir substrato, o jonus gali nukreipti magnetinis laukas ir jie gali praeiti per „barjerą“ į substratą.

Magnetinio filtravimo įrenginio veikimo principas

Magnetiniame lauke Pe<

Pe ir Pi yra atitinkamai elektronų ir jonų Larmoro spinduliai, o a yra magnetinio filtro vidinis skersmuo. Plazmoje esančius elektronus veikia Lorentzo jėga ir jie sukasi ašine kryptimi išilgai magnetinio lauko, o magnetinis laukas jonų sankaupoms daro mažesnę įtaką dėl jonų ir elektronų skirtumo Larmoro spindulyje. Tačiau, kai elektronas juda magnetinio filtro įrenginio ašimi, dėl savo fokusavimo ir stipraus neigiamo elektrinio lauko jis pritraukia jonus išilgai ašinės krypties, todėl elektrono greitis yra didesnis nei jono, todėl elektronas nuolat traukia joną į priekį, o plazma visada išlieka beveik elektriškai neutrali. Didelės dalelės yra elektriškai neutralios arba šiek tiek neigiamai įkrautos, o jų kokybė yra daug didesnė nei jonų ir elektronų, joms iš esmės įtakos neturi magnetinis laukas ir jos juda tiesiškai išilgai inercijos, ir jos bus išfiltruotos susidūrus su vidine įrenginio sienele.
Dėl lenkiamojo magnetinio lauko kreivumo, gradiento dreifo ir jonų bei elektronų susidūrimų plazmą galima nukreipti magnetinio filtravimo įrenginyje. Šiandien dažniausiai naudojami teoriniai modeliai yra Morozovo srauto modelis ir Davidsono standžiojo rotoriaus modelis, kurie turi šį bendrą bruožą: yra magnetinis laukas, kuris verčia elektronus judėti griežtai spiraline forma.
Magnetinio lauko, valdančio plazmos ašinį judėjimą magnetinio filtravimo įrenginyje, stiprumas turėtų būti toks, kad:

Mi, Vo ir Z atitinkamai yra jonų masė, pernašos greitis ir perneštų krūvių skaičius. a yra magnetinio filtro vidinis skersmuo, o e yra elektrono krūvis.
Reikėtų atkreipti dėmesį, kad kai kurių didesnės energijos jonų elektronų pluoštas negali visiškai surišti. Jie gali pasiekti magnetinio filtro vidinę sienelę, todėl vidinė sienelė tampa teigiamo potencialo, o tai savo ruožtu neleidžia jonams toliau pasiekti vidinės sienelės ir sumažina plazmos nuostolius.
Pagal šį reiškinį, magnetinio filtro įrenginio sienelei gali būti taikomas tinkamas teigiamas poslinkio slėgis, kad būtų slopinamas jonų susidūrimas ir pagerintas tikslinių jonų transportavimo efektyvumas.

Magnetinio filtravimo įrenginio klasifikacija
(1) Linijinė struktūra. Magnetinis laukas veikia kaip jonų pluošto srauto kreiptuvas, sumažindamas katodo dėmės dydį ir makroskopinių dalelių sankaupų dalį, tuo pačiu sustiprindamas susidūrimus plazmoje, skatindamas neutralių dalelių virsmą jonais ir sumažindamas makroskopinių dalelių sankaupų skaičių, o didėjant magnetinio lauko stiprumui, sparčiai mažindamas didelių dalelių skaičių. Palyginti su įprastu daugialankiu jonų dengimo metodu, šis struktūrinis įrenginys įveikia reikšmingą efektyvumo sumažėjimą, kurį sukelia kiti metodai, ir gali užtikrinti iš esmės pastovų plėvelės nusodinimo greitį, tuo pačiu sumažinant didelių dalelių skaičių apie 60 %.
(2) Kreivo tipo struktūra. Nors struktūra gali būti įvairių formų, pagrindinis principas yra tas pats. Plazma juda veikiant magnetiniam ir elektriniam laukui, o magnetinis laukas naudojamas plazmai apriboti ir valdyti, nenukreipiant judėjimo magnetinių jėgos linijų kryptimi. Neįkrautos dalelės judės tiesiškai ir bus atskirtos. Šiuo struktūriniu įtaisu pagamintos plėvelės pasižymi dideliu kietumu, mažu paviršiaus šiurkštumu, geru tankiu, vienodu grūdelių dydžiu ir stipriu plėvelės pagrindo sukibimu. XPS analizė rodo, kad šiuo įtaisu padengtų ta-C plėvelių paviršiaus kietumas gali siekti 56 GPa, todėl lenktos struktūros įtaisas yra plačiausiai naudojamas ir efektyviausias būdas pašalinti dideles daleles, tačiau reikia dar labiau pagerinti tikslinių jonų pernašos efektyvumą. 90° lenkimo magnetinio filtravimo įtaisas yra vienas iš plačiausiai naudojamų lenktos struktūros įtaisų. Ta-C plėvelių paviršiaus profilio eksperimentai rodo, kad 360° lenkimo magnetinio filtravimo įtaiso paviršiaus profilis mažai keičiasi, palyginti su 90° lenkimo magnetinio filtravimo įtaisu, todėl iš esmės galima pasiekti 90° lenkimo magnetinio filtravimo efektą didelėms dalelėms. 90° lenkimo magnetinio filtravimo įrenginys daugiausia turi dviejų tipų konstrukcijas: viena yra lenkimo solenoidas, įdėtas vakuuminėje kameroje, o kita - už vakuuminės kameros ribų, ir skirtumas tarp jų yra tik konstrukcijoje. 90° lenkimo magnetinio filtravimo įrenginio darbinis slėgis yra apie 10⁻⁸Pa, ir jis gali būti naudojamas įvairiose srityse, pavyzdžiui, nitridų, oksidų, amorfinės anglies, puslaidininkinių plėvelių ir metalinių arba nemetalinių plėvelių dengimui.

Magnetinio filtravimo įrenginio efektyvumas
Kadangi ne visos didelės dalelės gali prarasti kinetinę energiją nuolat susidūrdamos su sienele, tam tikras skaičius didelių dalelių pasieks pagrindą per vamzdžio išleidimo angą. Todėl ilgas ir siauras magnetinio filtravimo įrenginys pasižymi didesniu didelių dalelių filtravimo efektyvumu, tačiau tuo pačiu metu padidėja taikinių jonų nuostoliai ir tuo pačiu padidėja struktūros sudėtingumas. Todėl norint, kad daugialankinė jonų dengimo technologija būtų plačiai taikoma nusodinant didelio našumo plonas plėveles, būtina užtikrinti, kad magnetinio filtravimo įrenginys puikiai pašalintų dideles daleles ir užtikrintų didelį jonų pernašos efektyvumą. Magnetinio filtravimo įrenginio veikimui įtakos turi magnetinio lauko stiprumas, lenkimo poslinkis, mechaninės pertvaros anga, lanko šaltinio srovė ir įkrautų dalelių kritimo kampas. Nustačius tinkamus magnetinio filtravimo įrenginio parametrus, galima efektyviai pagerinti didelių dalelių filtravimo efektą ir taikinio jonų pernašos efektyvumą.