Podstawowa teoria urządzenia filtracji magnetycznej
Mechanizm filtrowania dużych cząstek w wiązce plazmy przez urządzenie filtrujące magnetyczne jest następujący:
Wykorzystując różnicę między plazmą a dużymi cząsteczkami pod względem ładunku i stosunku ładunku do masy, między podłożem a powierzchnią katody znajduje się „bariera” (przegroda lub zakrzywiona ścianka rury), która blokuje wszelkie cząsteczki poruszające się w linii prostej między katodą a podłożem, podczas gdy jony mogą być odchylane przez pole magnetyczne i przechodzić przez „barierę” do podłoża.
Zasada działania urządzenia do filtracji magnetycznej
W polu magnetycznym Pe<
Pe i Pi to promienie Larmora elektronów i jonów, a a to wewnętrzna średnica filtra magnetycznego. Elektrony w plazmie są pod wpływem siły Lorentza i wirują wzdłuż pola magnetycznego osiowo, podczas gdy pole magnetyczne ma mniejszy wpływ na grupowanie jonów ze względu na różnicę między jonami i elektronami w promieniu Larmora. Jednak gdy elektrony poruszają się wzdłuż osi urządzenia filtra magnetycznego, przyciągną jony wzdłuż osi do ruchu obrotowego ze względu na jego ognisko i silne ujemne pole elektryczne, a prędkość elektronu jest większa niż jonu, więc elektron stale ciągnie jon do przodu, podczas gdy plazma zawsze pozostaje quasi-elektrycznie neutralna. Duże cząstki są elektrycznie neutralne lub lekko naładowane ujemnie, a jakość jest znacznie większa niż jony i elektrony, zasadniczo niepodlegające wpływowi pola magnetycznego i ruchu liniowego wzdłuż bezwładności i zostaną odfiltrowane po zderzeniu z wewnętrzną ścianą urządzenia.
Pod wpływem połączonej funkcji krzywizny zginającego pola magnetycznego i dryfu gradientowego oraz zderzeń jonów z elektronami, plazma może zostać odchylona w urządzeniu filtracji magnetycznej. W powszechnych obecnie stosowanych modelach teoretycznych są model strumienia Morozova i model sztywnego wirnika Davidsona, które mają następującą wspólną cechę: istnieje pole magnetyczne, które powoduje, że elektrony poruszają się ściśle helisą.
Siła pola magnetycznego kierującego ruchem osiowym plazmy w urządzeniu filtracji magnetycznej powinna być taka, aby:
Mi, Vo i Z to odpowiednio masa jonu, prędkość transportu i liczba przenoszonych ładunków. a to wewnętrzna średnica filtra magnetycznego, a e to ładunek elektronu.
Należy zauważyć, że niektóre jony o wyższej energii nie mogą być w pełni związane przez wiązkę elektronów. Mogą one dotrzeć do wewnętrznej ściany filtra magnetycznego, powodując, że wewnętrzna ściana będzie miała potencjał dodatni, co z kolei uniemożliwia jonom dalsze docieranie do wewnętrznej ściany i zmniejsza utratę plazmy.
Zgodnie z tym zjawiskiem do ścianki urządzenia filtrującego magnetycznego można przyłożyć odpowiednie dodatnie ciśnienie polaryzacji, aby zapobiec zderzeniom jonów i w ten sposób zwiększyć wydajność transportu jonów docelowych.
Klasyfikacja urządzeń filtracji magnetycznej
(1) Struktura liniowa. Pole magnetyczne działa jak przewodnik dla przepływu wiązki jonów, zmniejszając rozmiar plamki katody i proporcję makroskopowych skupisk cząstek, jednocześnie nasilając zderzenia w plazmie, co powoduje konwersję neutralnych cząstek na jony i zmniejsza liczbę makroskopowych skupisk cząstek, a także szybko zmniejsza liczbę dużych cząstek w miarę wzrostu natężenia pola magnetycznego. W porównaniu z konwencjonalną metodą wielołukowego powlekania jonowego, to ustrukturyzowane urządzenie pokonuje znaczną redukcję wydajności spowodowaną innymi metodami i może zapewnić zasadniczo stałą szybkość osadzania filmu, jednocześnie zmniejszając liczbę dużych cząstek o około 60%.
(2) Struktura typu krzywej. Chociaż struktura ma różne formy, ale podstawowa zasada jest taka sama. Plazma porusza się pod łączną funkcją pola magnetycznego i pola elektrycznego, a pole magnetyczne jest używane do ograniczania i kontrolowania plazmy bez odchylania ruchu wzdłuż kierunku linii sił magnetycznych. A nienaładowane cząstki będą się poruszać wzdłuż linii i zostaną rozdzielone. Filmy przygotowane za pomocą tego urządzenia strukturalnego mają wysoką twardość, niską chropowatość powierzchni, dobrą gęstość, jednolity rozmiar ziarna i silną przyczepność do podłoża filmu. Analiza XPS pokazuje, że twardość powierzchni filmów ta-C pokrytych tym typem urządzenia może osiągnąć 56 GPa, zatem urządzenie o zakrzywionej strukturze jest najszerzej stosowaną i najskuteczniejszą metodą usuwania dużych cząstek, ale wydajność transportu docelowych jonów musi zostać jeszcze bardziej ulepszona. Urządzenie do filtracji magnetycznej z zagięciem 90° jest jednym z najszerzej stosowanych urządzeń o zakrzywionej strukturze. Eksperymenty na profilu powierzchni folii Ta-C pokazują, że profil powierzchni urządzenia do filtracji magnetycznej o kącie 360° nie zmienia się zbytnio w porównaniu z urządzeniem do filtracji magnetycznej o kącie 90°, więc efekt filtracji magnetycznej o kącie 90° dla dużych cząstek można zasadniczo osiągnąć. Urządzenie do filtracji magnetycznej o kącie 90° ma głównie dwa rodzaje struktur: jedna to elektromagnes zgięty umieszczony w komorze próżniowej, a druga jest umieszczona poza komorą próżniową, a różnica między nimi dotyczy tylko struktury. Ciśnienie robocze urządzenia do filtracji magnetycznej o kącie 90° wynosi rzędu 10-2Pa i może być stosowane w szerokim zakresie zastosowań, takich jak powlekanie azotkiem, tlenkiem, węglem amorficznym, warstwą półprzewodnikową i warstwą metalową lub niemetalową.
Wydajność urządzenia filtrującego magnetycznego
Ponieważ nie wszystkie duże cząstki mogą tracić energię kinetyczną w ciągłych zderzeniach ze ścianą, pewna liczba dużych cząstek dotrze do podłoża przez wylot rury. Dlatego długie i wąskie urządzenie do filtracji magnetycznej ma wyższą wydajność filtracji dużych cząstek, ale w tym czasie zwiększy utratę jonów docelowych i jednocześnie zwiększy złożoność struktury. Dlatego zapewnienie, że urządzenie do filtracji magnetycznej ma doskonałe usuwanie dużych cząstek i wysoką wydajność transportu jonów, jest niezbędnym warunkiem wstępnym, aby technologia powłok jonowych wielołukowych miała szerokie perspektywy zastosowania w osadzaniu cienkich warstw o wysokiej wydajności. Na działanie urządzenia do filtracji magnetycznej wpływa natężenie pola magnetycznego, odchylenie zgięcia, apertura przegrody mechanicznej, prąd źródła łuku i kąt padania cząstek naładowanych. Poprzez ustawienie rozsądnych parametrów urządzenia do filtracji magnetycznej można skutecznie poprawić efekt filtrowania dużych cząstek i wydajność transferu jonów celu.
Czas publikacji: 08-11-2022