Magnētiskās filtrācijas tehnoloģija

Magnētiskās filtrācijas ierīces pamatteorija
Magnētiskās filtrēšanas ierīces filtrēšanas mehānisms lielām daļiņām plazmas starā ir šāds:
Izmantojot plazmas un lielo daļiņu lādiņa starpību un lādiņa un masas attiecību, starp substrātu un katoda virsmu tiek novietota “barjera” (vai nu deflektors, vai izliekta caurules siena), kas bloķē jebkuras daļiņas, kas pārvietojas taisnā līnijā starp katodu un substrātu, savukārt jonus var novirzīt magnētiskais lauks un tie var iziet cauri “barjerai” uz substrātu.

Magnētiskās filtrācijas ierīces darbības princips

Magnētiskajā laukā Pe<

Pe un Pi ir attiecīgi elektronu un jonu Larmora rādiusi, un a ir magnētiskā filtra iekšējais diametrs. Plazmā esošos elektronus ietekmē Lorenca spēks, un tie griežas aksiāli gar magnētisko lauku, savukārt magnētiskajam laukam ir mazāka ietekme uz jonu klasterizāciju jonu un elektronu atšķirības dēļ Larmora rādiusā. Tomēr, kad elektrons pārvietojas pa magnētiskā filtra ierīces asi, tas piesaista jonus gar aksiālo rotācijas kustību sava fokusa un spēcīgā negatīvā elektriskā lauka dēļ, un elektrona ātrums ir lielāks nekā jonam, tāpēc elektrons pastāvīgi velk jonu uz priekšu, kamēr plazma vienmēr paliek kvazielektriski neitrāla. Lielās daļiņas ir elektriski neitrālas vai nedaudz negatīvi lādētas, un to kvalitāte ir daudz lielāka nekā joniem un elektroniem, tās būtībā neietekmē magnētiskais lauks un lineārā kustība pa inerci, un tās tiks filtrētas pēc sadursmes ar ierīces iekšējo sienu.
Liektā magnētiskā lauka izliekuma, gradienta dreifa un jonu-elektronu sadursmju kombinētās funkcijas rezultātā plazma var tikt novirzīta magnētiskās filtrācijas ierīcē. Mūsdienās izplatītākie teorētiskie modeļi ir Morozova plūsmas modelis un Deividsona stingrā rotora modelis, kuriem ir šāda kopīga iezīme: pastāv magnētiskais lauks, kas liek elektroniem pārvietoties stingri spirālveida veidā.
Magnētiskā lauka stiprumam, kas vada plazmas aksiālo kustību magnētiskās filtrācijas ierīcē, jābūt tādam, lai:

Mi, Vo un Z ir attiecīgi jonu masa, transporta ātrums un pārnesto lādiņu skaits. a ir magnētiskā filtra iekšējais diametrs, un e ir elektrona lādiņš.
Jāatzīmē, ka dažus augstākas enerģijas jonus elektronu stars nevar pilnībā saistīt. Tie var sasniegt magnētiskā filtra iekšējo sienu, radot tai pozitīvu potenciālu, kas savukārt kavē jonu turpmāku nonākšanu pie iekšējās sienas un samazina plazmas zudumus.
Saskaņā ar šo parādību, magnētiskā filtra ierīces sienai var pielietot atbilstošu pozitīvu nobīdes spiedienu, lai kavētu jonu sadursmi un uzlabotu mērķa jonu transportēšanas efektivitāti.

Magnētiskās filtrācijas ierīces klasifikācija
(1) Lineāra struktūra. Magnētiskais lauks darbojas kā jonu staru plūsmas vadotne, samazinot katoda plankuma izmēru un makroskopisko daļiņu kopu īpatsvaru, vienlaikus pastiprinot sadursmes plazmā, veicinot neitrālu daļiņu pārvēršanu jonos un samazinot makroskopisko daļiņu kopu skaitu, kā arī strauji samazinot lielo daļiņu skaitu, palielinoties magnētiskā lauka stiprumam. Salīdzinot ar parasto daudzloku jonu pārklāšanas metodi, šī strukturētā ierīce pārvar ievērojamo efektivitātes samazināšanos, ko rada citas metodes, un var nodrošināt praktiski nemainīgu plēves uzklāšanas ātrumu, vienlaikus samazinot lielo daļiņu skaitu par aptuveni 60%.
(2) Līknes tipa struktūra. Lai gan struktūrai ir dažādas formas, pamatprincips ir viens un tas pats. Plazma pārvietojas magnētiskā lauka un elektriskā lauka kombinētās darbības ietekmē, un magnētiskais lauks tiek izmantots, lai ierobežotu un kontrolētu plazmu, nenovirzot kustību magnētiskā spēka līniju virzienā. Un neuzlādētās daļiņas pārvietosies pa lineāro līniju un tiks atdalītas. Ar šo strukturālo ierīci izveidotajām plēvēm ir augsta cietība, zems virsmas raupjums, labs blīvums, vienmērīgs graudu izmērs un spēcīga plēves pamatnes saķere. XPS analīze rāda, ka ar šāda veida ierīci pārklāto ta-C plēvju virsmas cietība var sasniegt 56 GPa, tāpēc izliektas struktūras ierīce ir visplašāk izmantotā un efektīvākā metode lielu daļiņu noņemšanai, taču mērķa jonu transportēšanas efektivitāte ir vēl vairāk jāuzlabo. 90° leņķī izliekta magnētiskā filtrācijas ierīce ir viena no visplašāk izmantotajām izliektas struktūras ierīcēm. Eksperimenti ar Ta-C plēvju virsmas profilu liecina, ka 360° leņķī izliektas magnētiskās filtrācijas ierīces virsmas profils daudz nemainās salīdzinājumā ar 90° leņķī izliektu magnētisko filtrācijas ierīci, tāpēc būtībā var panākt 90° leņķī izliektas magnētiskās filtrācijas efektu lielām daļiņām. 90° līkuma magnētiskās filtrācijas ierīcei galvenokārt ir divu veidu struktūras: viena ir līkuma solenoīds, kas ievietots vakuuma kamerā, bet otra ir novietota ārpus vakuuma kameras, un atšķirība starp tām ir tikai konstrukcijā. 90° līkuma magnētiskās filtrācijas ierīces darba spiediens ir aptuveni 10-2Pa, un to var izmantot plašā pielietojumu klāstā, piemēram, nitrīdu, oksīdu, amorfā oglekļa, pusvadītāju plēvju un metāla vai nemetāla plēvju pārklāšanai.

Magnētiskās filtrācijas ierīces efektivitāte
Tā kā ne visas lielās daļiņas nepārtrauktas sadursmes laikā ar sienu var zaudēt kinētisko enerģiju, noteikts skaits lielu daļiņu sasniegs substrātu caur caurules izeju. Tāpēc garai un šaurai magnētiskās filtrācijas ierīcei ir augstāka lielo daļiņu filtrācijas efektivitāte, taču šajā laikā tā palielinās mērķa jonu zudumu un vienlaikus palielinās struktūras sarežģītību. Tādēļ magnētiskās filtrācijas ierīces izcilā lielo daļiņu noņemšana un augsta jonu transportēšanas efektivitāte ir nepieciešams priekšnoteikums, lai daudzloku jonu pārklāšanas tehnoloģijai būtu plaša pielietojuma perspektīva augstas veiktspējas plāno plēvju uzklāšanā. Magnētiskās filtrācijas ierīces darbību ietekmē magnētiskā lauka stiprums, lieces nobīde, mehāniskā deflektora atvere, loka avota strāva un lādēto daļiņu krišanas leņķis. Nosakot saprātīgus magnētiskās filtrācijas ierīces parametrus, var efektīvi uzlabot lielo daļiņu filtrēšanas efektu un mērķa jonu pārneses efektivitāti.