Teknologi penapisan magnetik

Teori asas peranti penapisan magnetik
Mekanisme penapisan peranti penapisan magnetik untuk zarah besar dalam pancaran plasma adalah seperti berikut:
Menggunakan perbezaan antara plasma dan zarah besar yang bercas dan nisbah cas-kepada-jisim, terdapat "penghalang" (sama ada sesekat atau dinding tiub melengkung) yang terletak di antara substrat dan permukaan katod, yang menyekat sebarang zarah yang bergerak dalam garis lurus antara katod dan substrat, manakala ion boleh dipesongkan oleh medan magnet dan melalui "penghalang" ke substrat.

Prinsip kerja peranti penapisan magnetik

Dalam medan magnet, Pe<

Pe dan Pi masing-masing ialah jejari Larmor bagi elektron dan ion, dan a ialah diameter dalam penapis magnet. Elektron dalam plasma dipengaruhi oleh daya Lorentz dan berputar di sepanjang medan magnet secara paksi, manakala medan magnet mempunyai kesan yang kurang terhadap pengelompokan ion disebabkan oleh perbezaan antara ion dan elektron dalam jejari Larmor. Walau bagaimanapun, apabila elektron bergerak di sepanjang paksi peranti penapis magnet, ia akan menarik ion di sepanjang paksi untuk gerakan putaran disebabkan oleh fokusnya dan medan elektrik negatif yang kuat, dan kelajuan elektron lebih besar daripada ion, jadi elektron sentiasa menarik ion ke hadapan, manakala plasma sentiasa kekal neutral secara elektrik. Zarah-zarah besar adalah neutral secara elektrik atau sedikit bercas negatif, dan kualitinya jauh lebih besar daripada ion dan elektron, pada asasnya tidak terjejas oleh medan magnet dan gerakan linear di sepanjang inersia, dan akan ditapis keluar selepas perlanggaran dengan dinding dalam peranti.
Di bawah fungsi gabungan kelengkungan medan magnet lenturan dan hanyutan kecerunan serta perlanggaran ion-elektron, plasma boleh dipesongkan dalam peranti penapisan magnet. Model teori biasa yang digunakan hari ini ialah model fluks Morozov dan model pemutar tegar Davidson, yang mempunyai ciri sepunya berikut: terdapat medan magnet yang menjadikan elektron bergerak secara heliks tegar.
Kekuatan medan magnet yang membimbing gerakan paksi plasma dalam peranti penapisan magnet hendaklah sedemikian rupa sehingga:

Mi, Vo, dan Z masing-masing ialah jisim ion, halaju pengangkutan, dan bilangan cas yang dibawa. a ialah diameter dalam penapis magnet, dan e ialah cas elektron.
Perlu diingatkan bahawa sesetengah ion bertenaga tinggi tidak dapat terikat sepenuhnya oleh pancaran elektron. Ia mungkin sampai ke dinding dalam penapis magnet, menjadikan dinding dalam pada potensi positif, yang seterusnya menghalang ion daripada terus sampai ke dinding dalam dan mengurangkan kehilangan plasma.
Mengikut fenomena ini, tekanan bias positif yang sesuai boleh dikenakan pada dinding peranti penapis magnet untuk menghalang perlanggaran ion bagi meningkatkan kecekapan pengangkutan ion sasaran.

Pengelasan peranti penapisan magnetik
(1) Struktur linear. Medan magnet bertindak sebagai panduan untuk aliran pancaran ion, mengurangkan saiz titik katod dan perkadaran gugusan zarah makroskopik, sambil meningkatkan perlanggaran dalam plasma, mendorong penukaran zarah neutral kepada ion dan mengurangkan bilangan gugusan zarah makroskopik, dan mengurangkan bilangan zarah besar dengan cepat apabila kekuatan medan magnet meningkat. Berbanding dengan kaedah salutan ion berbilang arka konvensional, peranti berstruktur ini mengatasi pengurangan kecekapan yang ketara yang disebabkan oleh kaedah lain dan boleh memastikan kadar pemendapan filem yang pada asasnya malar sambil mengurangkan bilangan zarah besar sebanyak kira-kira 60%.
(2) Struktur jenis lengkung. Walaupun strukturnya mempunyai pelbagai bentuk, prinsip asasnya adalah sama. Plasma bergerak di bawah fungsi gabungan medan magnet dan medan elektrik, dan medan magnet digunakan untuk mengurung dan mengawal plasma tanpa memesongkan gerakan sepanjang arah garis daya magnet. Dan zarah yang tidak bercas akan bergerak sepanjang linear dan dipisahkan. Filem yang disediakan oleh peranti struktur ini mempunyai kekerasan yang tinggi, kekasaran permukaan yang rendah, ketumpatan yang baik, saiz butiran yang seragam, dan lekatan asas filem yang kuat. Analisis XPS menunjukkan bahawa kekerasan permukaan filem ta-C yang disalut dengan peranti jenis ini boleh mencapai 56 GPa, oleh itu peranti struktur melengkung adalah kaedah yang paling banyak digunakan dan berkesan untuk penyingkiran zarah besar, tetapi kecekapan pengangkutan ion sasaran perlu dipertingkatkan lagi. Peranti penapisan magnet lengkung 90° adalah salah satu peranti struktur melengkung yang paling banyak digunakan. Eksperimen pada profil permukaan filem Ta-C menunjukkan bahawa profil permukaan peranti penapisan magnet lengkung 360° tidak banyak berubah berbanding peranti penapisan magnet lengkung 90°, jadi kesan penapisan magnet lengkung 90° untuk zarah besar pada asasnya boleh dicapai. Peranti penapisan magnet lengkung 90° terutamanya mempunyai dua jenis struktur: satu ialah solenoid lengkung yang diletakkan di dalam ruang vakum, dan satu lagi diletakkan di luar ruang vakum, dan perbezaan antara keduanya hanya pada strukturnya. Tekanan kerja peranti penapisan magnet lengkung 90° adalah dalam lingkungan 10-2Pa, dan ia boleh digunakan dalam pelbagai aplikasi, seperti salutan nitrida, oksida, karbon amorfus, filem semikonduktor dan filem logam atau bukan logam.

Kecekapan peranti penapisan magnetik
Memandangkan tidak semua zarah besar boleh kehilangan tenaga kinetik dalam perlanggaran berterusan dengan dinding, sebilangan zarah besar tertentu akan sampai ke substrat melalui saluran paip. Oleh itu, peranti penapisan magnet yang panjang dan sempit mempunyai kecekapan penapisan zarah besar yang lebih tinggi, tetapi pada masa ini ia akan meningkatkan kehilangan ion sasaran dan pada masa yang sama meningkatkan kerumitan struktur. Oleh itu, memastikan peranti penapisan magnet mempunyai penyingkiran zarah besar yang sangat baik dan kecekapan pengangkutan ion yang tinggi adalah prasyarat yang diperlukan untuk teknologi salutan ion berbilang arka mempunyai prospek aplikasi yang luas dalam memendapkan filem nipis berprestasi tinggi. Operasi peranti penapisan magnet dipengaruhi oleh kekuatan medan magnet, bias lengkungan, apertur sesekat mekanikal, arus sumber arka dan sudut kejadian zarah bercas. Dengan menetapkan parameter yang munasabah pada peranti penapisan magnet, kesan penapisan zarah besar dan kecekapan pemindahan ion sasaran dapat ditingkatkan dengan berkesan.