Podstawowa teoria urządzenia filtracji magnetycznej
Mechanizm filtrowania dużych cząstek w urządzeniu filtrującym pola magnetyczne w wiązce plazmy jest następujący:
Wykorzystując różnicę między plazmą a dużymi cząsteczkami pod względem ładunku i stosunku ładunku do masy, między podłożem a powierzchnią katody umieszczona jest „bariera” (przegroda lub zakrzywiona ścianka rury), która blokuje wszelkie cząsteczki poruszające się po linii prostej między katodą a podłożem, podczas gdy jony mogą być odchylane przez pole magnetyczne i przechodzić przez „barierę” do podłoża.
Zasada działania urządzenia filtrującego magnetycznie
W polu magnetycznym Pe<
Pe i Pi to promienie Larmora odpowiednio 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. Jednakże, gdy elektrony poruszają się wzdłuż osi urządzenia filtrującego, przyciągają jony wzdłuż osi, aby umożliwić ruch obrotowy ze względu na swoje ognisko i silne ujemne pole elektryczne. Prędkość elektronu jest większa niż prędkość jonu, więc elektron stale ciągnie jon do przodu, podczas gdy plazma zawsze pozostaje quasi-elektrycznie obojętna. Duże cząstki są elektrycznie obojętne lub lekko ujemnie naładowane, a jakość jest znacznie większa niż jonów i elektronów, zasadniczo nie podlega wpływowi pola magnetycznego i ruchu liniowego wzdłuż bezwładności i zostanie odfiltrowana po zderzeniu z wewnętrzną ścianką urządzenia.
Dzięki połączeniu krzywizny zginającego pola magnetycznego, dryftu gradientu i zderzeń jonów z elektronami, plazma może zostać odchylona w urządzeniu filtracji magnetycznej. Obecnie powszechnie stosowanymi modelami teoretycznymi są model strumienia Morozowa i model sztywnego wirnika Davidsona, które mają następującą wspólną cechę: pole magnetyczne powoduje, że elektrony poruszają się ściśle po linii śrubowej.
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 filtru magnetycznego, a e to ładunek elektronu.
Należy zauważyć, że niektóre jony o wyższej energii nie mogą być całkowicie 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 dotarcie 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 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 udział makroskopowych skupisk cząstek, jednocześnie intensyfikując zderzenia w plazmie, co prowadzi do konwersji neutralnych cząstek w jony i zmniejszenia liczby makroskopowych skupisk cząstek, a także do szybkiej redukcji liczby dużych cząstek wraz ze wzrostem natężenia pola magnetycznego. W porównaniu z konwencjonalną metodą wielołukowego powlekania jonowego, to ustrukturyzowane urządzenie przezwycięża znaczny spadek wydajności spowodowany innymi metodami i zapewnia zasadniczo stałą szybkość osadzania warstw, jednocześnie zmniejszając liczbę dużych cząstek o około 60%.
(2) Struktura typu krzywoliniowego. Chociaż struktura ma różne formy, podstawowa zasada jest taka sama. Plazma porusza się pod wpływem połączonego działania pola magnetycznego i pola elektrycznego, a pole magnetyczne służy do ograniczenia i kontrolowania plazmy bez odchylania ruchu wzdłuż linii sił magnetycznych. Cząstki nienaładowane będą poruszać się wzdłuż linii i zostaną rozdzielone. Warstwy przygotowane za pomocą tego urządzenia strukturalnego charakteryzują się wysoką twardością, niską chropowatością powierzchni, dobrą gęstością, jednorodnym rozmiarem ziarna i silną przyczepnością do podłoża. Analiza XPS pokazuje, że twardość powierzchni warstw ta-C pokrytych tego typu urządzeniem może osiągnąć 56 GPa, zatem urządzenie o strukturze zakrzywionej jest najszerzej stosowaną i najskuteczniejszą metodą usuwania dużych cząstek, ale wydajność transportu jonów docelowych wymaga dalszej poprawy. Urządzenie do filtracji magnetycznej z zagięciem 90° jest jednym z najpowszechniej stosowanych urządzeń o strukturze zakrzywionej. Eksperymenty dotyczące profilu powierzchni warstw Ta-C pokazują, że profil powierzchni urządzenia filtrującego z zagięciem 360° nie zmienia się znacząco w porównaniu z urządzeniem filtrującym z zagięciem 90°, co pozwala na uzyskanie efektu filtracji magnetycznej z zagięciem 90° dla dużych cząstek. Urządzenie filtrujące z zagięciem 90° ma zasadniczo dwa rodzaje konstrukcji: jedną z nich jest elektromagnes zagięty umieszczony w komorze próżniowej, a drugą, umieszczoną poza komorą próżniową, a różnica między nimi polega jedynie na konstrukcji. Ciśnienie robocze urządzenia filtrującego z zagięciem 90° wynosi około 10-2Pa i może być ono stosowane w szerokim zakresie zastosowań, takich jak powlekanie azotkiem, tlenkiem, węglem amorficznym, warstwami półprzewodnikowymi oraz warstwami metalowymi i niemetalowymi.
Wydajność urządzenia filtrującego magnetycznie
Ponieważ nie wszystkie duże cząstki mogą tracić energię kinetyczną w ciągłych zderzeniach ze ścianką, 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 jednocześnie zwiększa utratę jonów docelowych i zwiększa złożoność struktury. Dlatego zapewnienie, że urządzenie do filtracji magnetycznej charakteryzuje się doskonałym usuwaniem dużych cząstek i wysoką wydajnością transportu jonów, jest niezbędnym warunkiem wstępnym dla technologii wielołukowych powłok jonowych, aby miała szerokie perspektywy zastosowania w osadzaniu cienkich warstw o wysokiej wydajności. Na działanie urządzenia do filtracji magnetycznej wpływa natężenie pola magnetycznego, odchylenie ugięcia, apertura przegrody mechanicznej, prąd źródła łuku oraz kąt padania cząstek naładowanych. Poprzez odpowiednie ustawienie parametrów urządzenia do filtracji magnetycznej można skutecznie poprawić efekt filtracji dużych cząstek i wydajność transferu jonów przez cel.
Czas publikacji: 08-11-2022