Magnetisk filtreringsteknologi

Grunnleggende teori om magnetisk filtreringsenhet
Filtreringsmekanismen til den magnetiske filtreringsenheten for store partikler i plasmastrålen er som følger:
Ved å bruke forskjellen mellom plasma og store partikler i ladning og ladning-til-masse-forhold, er det en "barriere" (enten en ledeplate eller en buet rørvegg) som plasseres mellom substratet og katodeoverflaten, som blokkerer partikler som beveger seg i en rett linje mellom katoden og substratet, mens ionene kan avbøyes av magnetfeltet og passere gjennom "barrieren" til substratet.

Arbeidsprinsipp for magnetisk filtreringsenhet

I magnetfeltet, Pe<

Pe og Pi er henholdsvis Larmor-radiusene til elektroner og ioner, og a er den indre diameteren til magnetfilteret. Elektronene i plasmaet påvirkes av Lorentz-kraften og roterer aksialt langs magnetfeltet, mens magnetfeltet har mindre effekt på ionernes gruppering på grunn av forskjellen mellom ioner og elektroner i Larmor-radiusen. Men når elektronene beveger seg langs aksen til magnetfilterenheten, vil den tiltrekke ioner langs aksen for rotasjonsbevegelse på grunn av fokuset og det sterke negative elektriske feltet, og elektronhastigheten er større enn ionets, slik at elektronet konstant trekker ionet fremover, mens plasmaet alltid forblir kvasielektrisk nøytralt. De store partiklene er elektrisk nøytrale eller litt negativt ladet, og kvaliteten er mye større enn ioner og elektroner, i utgangspunktet ikke påvirket av magnetfeltet og lineær bevegelse langs tregheten, og vil bli filtrert ut etter kollisjon med enhetens indre vegg.
Under den kombinerte funksjonen av det bøyende magnetfeltets krumning og gradientdrift og ion-elektronkollisjoner, kan plasmaet avbøyes i den magnetiske filtreringsenheten. De vanlige teoretiske modellene som brukes i dag er Morozov-fluksmodellen og Davidsons stive rotormodell, som har følgende fellestrekk: det er et magnetfelt som får elektronene til å bevege seg på en strengt spiralformet måte.
Styrken til magnetfeltet som styrer plasmaets aksiale bevegelse i den magnetiske filtreringsenheten, bør være slik at:

Mi, Vo og Z er henholdsvis ionmassen, transporthastigheten og antall ladninger. a er den indre diameteren til magnetfilteret, og e er elektronladningen.
Det bør bemerkes at noen ioner med høyere energi ikke kan bindes fullstendig av elektronstrålen. De kan nå innerveggen i magnetfilteret, noe som setter innerveggen på et positivt potensial, noe som igjen hindrer ionene i å fortsette å nå innerveggen og reduserer plasmatapet.
I henhold til dette fenomenet kan et passende positivt forspenningstrykk påføres veggen til den magnetiske filteranordningen for å hemme kollisjonen av ioner og dermed forbedre effektiviteten av måliontransporten.

Klassifisering av magnetisk filtreringsenhet
(1) Lineær struktur. Magnetfeltet fungerer som en veiledning for ionestrålestrømmen, og reduserer størrelsen på katodeflekken og andelen makroskopiske partikkelklynger, samtidig som det intensiverer kollisjonene i plasmaet, noe som fører til omdannelse av nøytrale partikler til ioner og reduserer antallet makroskopiske partikkelklynger, og reduserer raskt antallet store partikler etter hvert som magnetfeltstyrken øker. Sammenlignet med den konvensjonelle metoden for flerbue-ionebelegg, overvinner denne strukturerte enheten den betydelige reduksjonen i effektivitet forårsaket av andre metoder, og kan sikre en tilnærmet konstant filmavsetningshastighet samtidig som antallet store partikler reduseres med omtrent 60 %.
(2) Kurvestruktur. Selv om strukturen har forskjellige former, er grunnprinsippet det samme. Plasmaet beveger seg under den kombinerte funksjonen av magnetfelt og elektrisk felt, og magnetfeltet brukes til å begrense og kontrollere plasmaet uten å avbøye bevegelsen langs retningen av magnetiske kraftlinjer. Og de uladede partiklene vil bevege seg langs den lineære linjen og bli separert. Filmene som er fremstilt av denne strukturelle enheten har høy hardhet, lav overflateruhet, god tetthet, jevn kornstørrelse og sterk adhesjon til filmbasen. XPS-analyse viser at overflatehardheten til ta-C-filmer belagt med denne typen enhet kan nå 56 GPa, og dermed er den kurvede strukturenheten den mest brukte og effektive metoden for fjerning av store partikler, men effektiviteten av måliontransport må forbedres ytterligere. Den 90° bøyd magnetiske filtreringsenheten er en av de mest brukte enhetene med kurvet struktur. Eksperimenter på overflateprofilen til Ta-C-filmer viser at overflateprofilen til en 360° bøyd magnetisk filtreringsenhet ikke endrer seg mye sammenlignet med en 90° bøyd magnetisk filtreringsenhet, slik at effekten av 90° bøyd magnetisk filtrering for store partikler i utgangspunktet kan oppnås. 90°-bøyde magnetiske filtreringsanordninger har hovedsakelig to typer strukturer: den ene er en bøyingssolenoid plassert i vakuumkammeret, og den andre er plassert utenfor vakuumkammeret, og forskjellen mellom dem er bare i strukturen. Arbeidstrykket til 90°-bøyde magnetiske filtreringsanordninger er i størrelsesorden 10-2 Pa, og den kan brukes i et bredt spekter av bruksområder, for eksempel belegg av nitrid, oksid, amorft karbon, halvlederfilm og metall- eller ikke-metallfilm.

Effektiviteten til magnetisk filtreringsenhet
Siden ikke alle store partikler kan miste kinetisk energi i kontinuerlige kollisjoner med veggen, vil et visst antall store partikler nå substratet gjennom rørutløpet. Derfor har en lang og smal magnetisk filtreringsenhet en høyere filtreringseffektivitet for store partikler, men på dette tidspunktet vil den øke tapet av målioner og samtidig øke strukturens kompleksitet. Derfor er det en nødvendig forutsetning for at multi-arc ionbeleggteknologi skal ha et bredt anvendelsesperspektiv for avsetning av høytytende tynne filmer, å sikre at den magnetiske filtreringsenheten har utmerket fjerning av store partikler og høy effektivitet av iontransport. Driften av den magnetiske filtreringsenheten påvirkes av magnetfeltstyrken, bøyeforspenningen, mekanisk baffelåpning, buekildestrøm og innfallsvinkelen til ladede partikler. Ved å sette rimelige parametere for den magnetiske filtreringsenheten kan filtreringseffekten av store partikler og ioneoverføringseffektiviteten til målet forbedres effektivt.