Basisprincipes van een magnetisch filterapparaat
Het filtermechanisme van het magnetische filterapparaat voor grote deeltjes in de plasmabundel werkt als volgt:
Door gebruik te maken van het verschil in lading en lading-massaverhouding tussen plasma en grote deeltjes, wordt er een "barrière" (een schot of een gebogen buiswand) geplaatst tussen het substraat en het kathodeoppervlak. Deze barrière blokkeert alle deeltjes die zich in een rechte lijn tussen de kathode en het substraat bewegen, terwijl de ionen door het magnetische veld kunnen worden afgebogen en door de "barrière" naar het substraat kunnen passeren.
Werkingsprincipe van een magnetisch filterapparaat
In het magnetische veld is Pe<
Pe en Pi zijn respectievelijk de Larmor-stralen van elektronen en ionen, en a is de binnendiameter van het magnetische filter. De elektronen in het plasma worden beïnvloed door de Lorentz-kracht en draaien axiaal langs het magnetische veld, terwijl het magnetische veld minder invloed heeft op de clustering van ionen vanwege het verschil in Larmor-straal tussen ionen en elektronen. Wanneer elektronen zich echter langs de as van het magnetische filter bewegen, trekken ze ionen langs de as aan door hun focus en het sterke negatieve elektrische veld. Omdat de snelheid van elektronen groter is dan die van ionen, trekken de elektronen de ionen constant naar voren, terwijl het plasma vrijwel elektrisch neutraal blijft. De grote deeltjes zijn elektrisch neutraal of licht negatief geladen en zijn veel groter dan ionen en elektronen. Ze worden in principe niet beïnvloed door het magnetische veld en bewegen lineair langs de inertie, en worden na botsing met de binnenwand van het apparaat gefilterd.
Onder de gecombineerde werking van de kromming van het buigmagnetisch veld, de gradiëntdrift en ion-elektronbotsingen kan het plasma in het magnetische filterapparaat worden afgebogen. De gangbare theoretische modellen die tegenwoordig worden gebruikt, zijn het Morozov-fluxmodel en het Davidson-model met starre rotor. Deze modellen hebben de volgende overeenkomst: er is een magnetisch veld dat de elektronen in een strikt spiraalvormige beweging laat bewegen.
De sterkte van het magnetische veld dat de axiale beweging van het plasma in het magnetische filterapparaat stuurt, moet zodanig zijn dat:
Mi, Vo en Z zijn respectievelijk de ionmassa, de transportsnelheid en het aantal meegevoerde ladingen. a is de binnendiameter van het magnetische filter en e is de elektronlading.
Het is belangrijk op te merken dat sommige ionen met een hogere energie niet volledig door de elektronenbundel kunnen worden gebonden. Ze kunnen de binnenwand van het magnetische filter bereiken, waardoor de binnenwand een positieve potentiaal krijgt. Dit voorkomt dat de ionen de binnenwand verder bereiken en vermindert het plasmaverlies.
Op basis van dit fenomeen kan een geschikte positieve voorspanningsdruk op de wand van het magnetische filterapparaat worden uitgeoefend om botsingen tussen ionen te voorkomen en zo de efficiëntie van het ionentransport te verbeteren.
Classificatie van magnetische filterapparaten
(1) Lineaire structuur. Het magnetische veld fungeert als geleider voor de ionenbundelstroom, waardoor de grootte van de kathodevlek en het aandeel macroscopische deeltjesclusters worden verkleind, terwijl de botsingen binnen het plasma worden geïntensiveerd. Dit bevordert de omzetting van neutrale deeltjes in ionen en vermindert het aantal macroscopische deeltjesclusters, en het aantal grote deeltjes neemt snel af naarmate de magnetische veldsterkte toeneemt. In vergelijking met de conventionele multi-arc ionencoatingmethode overwint dit gestructureerde apparaat de aanzienlijke efficiëntievermindering die door andere methoden wordt veroorzaakt en kan het een nagenoeg constante filmdepositiesnelheid garanderen, terwijl het aantal grote deeltjes met ongeveer 60% wordt verminderd.
(2) Gebogen structuur. Hoewel de structuur verschillende vormen kan aannemen, is het basisprincipe hetzelfde. Het plasma beweegt onder invloed van de gecombineerde werking van een magnetisch en een elektrisch veld. Het magnetische veld wordt gebruikt om het plasma te begrenzen en te controleren, zonder dat het langs de magnetische veldlijnen afbuigt. De ongeladen deeltjes bewegen zich langs de lijn en worden gescheiden. De films die met dit type structuur worden vervaardigd, hebben een hoge hardheid, een lage oppervlakteruwheid, een goede dichtheid, een uniforme korrelgrootte en een sterke hechting aan de filmbasis. XPS-analyse toont aan dat de oppervlaktehardheid van ta-C-films die met dit type structuur zijn gecoat, 56 GPa kan bereiken. De gebogen structuur is daarom de meest gebruikte en effectieve methode voor het verwijderen van grote deeltjes, maar de efficiëntie van het transport van doelionen moet nog verder worden verbeterd. Het magnetische filtratieapparaat met een bocht van 90° is een van de meest gebruikte gebogen structuren. Experimenten met het oppervlakteprofiel van Ta-C-films tonen aan dat het oppervlakteprofiel van een magnetisch filter met een 360°-buiging niet veel verandert in vergelijking met een magnetisch filter met een 90°-buiging. Hierdoor kan het effect van magnetische filtratie met een 90°-buiging voor grote deeltjes in principe worden bereikt. Er zijn hoofdzakelijk twee soorten magnetische filterapparaten met een 90°-buiging: een met een gebogen solenoïde in de vacuümkamer en een met een solenoïde buiten de vacuümkamer. Het verschil tussen beide zit hem alleen in de structuur. De werkdruk van een magnetisch filter met een 90°-buiging ligt in de orde van 10⁻² Pa en het apparaat kan worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, zoals het coaten van nitriden, oxiden, amorfe koolstof, halfgeleiderfilms en metaal- of niet-metaalfilms.
De efficiëntie van een magnetisch filterapparaat
Omdat niet alle grote deeltjes hun kinetische energie verliezen bij continue botsingen met de wand, zal een bepaald aantal grote deeltjes via de uitlaat van de buis het substraat bereiken. Een lang en smal magnetisch filterapparaat heeft daarom een hogere filterefficiëntie voor grote deeltjes, maar dit leidt tegelijkertijd tot een groter verlies van doelionen en een complexere structuur. Het is daarom essentieel dat het magnetische filterapparaat een uitstekende verwijdering van grote deeltjes en een hoge ionentransportefficiëntie heeft, zodat de multi-arc ionencoatingtechnologie breed toepasbaar is bij het afzetten van hoogwaardige dunne films. De werking van het magnetische filterapparaat wordt beïnvloed door de magnetische veldsterkte, de buigingshoek, de opening van de mechanische afscherming, de boogbronstroom en de invalshoek van de geladen deeltjes. Door de parameters van het magnetische filterapparaat op de juiste manier in te stellen, kunnen de filterefficiëntie van grote deeltjes en de ionentransportefficiëntie van het doel effectief worden verbeterd.
Geplaatst op: 08-11-2022