Technológia magnetickej filtrácie

Základná teória magnetického filtračného zariadenia
Filtračný mechanizmus magnetického filtračného zariadenia pre veľké častice v plazmovom lúči je nasledovný:
Vďaka rozdielu v náboji a pomere náboja k hmotnosti medzi plazmou a veľkými časticami sa medzi substrátom a povrchom katódy nachádza „bariéra“ (buď prepážka, alebo zakrivená stena trubice), ktorá blokuje akékoľvek častice pohybujúce sa v priamke medzi katódou a substrátom, zatiaľ čo ióny môžu byť magnetickým poľom vychýlené a prejsť cez „bariéru“ k substrátu.

Princíp fungovania magnetického filtračného zariadenia

V magnetickom poli, Pe<

Pe a Pi sú Larmorove polomery elektrónov a iónov a a je vnútorný priemer magnetického filtra. Elektróny v plazme sú ovplyvnené Lorentzovou silou a rotujú pozdĺž magnetického poľa axiálne, zatiaľ čo magnetické pole má menší vplyv na zhlukovanie iónov kvôli rozdielu medzi iónmi a elektrónmi v Larmorovom polomere. Keď sa však elektrón pohybuje pozdĺž osi magnetického filtra, priťahuje ióny pozdĺž osi kvôli svojmu zaostreniu a silnému zápornému elektrickému poľu a rýchlosť elektrónu je väčšia ako rýchlosť iónu, takže elektrón neustále ťahá ión dopredu, zatiaľ čo plazma zostáva vždy kvázielektricky neutrálna. Veľké častice sú elektricky neutrálne alebo mierne záporne nabité a ich kvalita je oveľa väčšia ako u iónov a elektrónov, v podstate nie sú ovplyvnené magnetickým poľom a lineárnym pohybom pozdĺž zotrvačnosti a po náraze do vnútornej steny zariadenia sú odfiltrované.
V dôsledku kombinovanej funkcie zakrivenia ohybového magnetického poľa, gradientového driftu a zrážok iónov s elektrónmi môže byť plazma v magnetickom filtračnom zariadení vychýlená. Bežné teoretické modely používané v súčasnosti sú Morozovov model toku a Davidsonov model tuhého rotora, ktoré majú nasledujúcu spoločnú vlastnosť: existuje magnetické pole, ktoré spôsobuje, že elektróny sa pohybujú striktne špirálovitým spôsobom.
Sila magnetického poľa, ktoré riadi axiálny pohyb plazmy v magnetickom filtračnom zariadení, by mala byť taká, aby:

Mi, Vo a Z sú hmotnosť iónu, transportná rýchlosť a počet prenášaných nábojov. a je vnútorný priemer magnetického filtra a e je náboj elektrónu.
Treba poznamenať, že niektoré ióny s vyššou energiou nedokáže elektrónový lúč úplne viazať. Môžu dosiahnuť vnútornú stenu magnetického filtra, čím sa vnútorná stena vytvorí na kladnom potenciáli, čo následne bráni iónom v ďalšom dosahovaní vnútornej steny a znižuje stratu plazmy.
Podľa tohto javu je možné na stenu magnetického filtračného zariadenia aplikovať vhodný kladný predpätý tlak, aby sa zabránilo zrážke iónov a zlepšila sa účinnosť transportu cieľových iónov.

Klasifikácia magnetického filtračného zariadenia
(1) Lineárna štruktúra. Magnetické pole slúži ako vodidlo pre tok iónového lúča, čím zmenšuje veľkosť katódovej škvrny a podiel makroskopických zhlukov častíc, pričom zintenzívňuje zrážky v plazme, čo podnecuje premenu neutrálnych častíc na ióny a znižuje počet makroskopických zhlukov častíc a rýchlo znižuje počet veľkých častíc so zvyšujúcou sa silou magnetického poľa. V porovnaní s konvenčnou metódou viacoblúkového iónového nanášania toto štruktúrované zariadenie prekonáva výrazné zníženie účinnosti spôsobené inými metódami a dokáže zabezpečiť v podstate konštantnú rýchlosť nanášania filmu a zároveň znížiť počet veľkých častíc približne o 60 %.
(2) Zakrivená štruktúra. Hoci má štruktúra rôzne tvary, základný princíp je rovnaký. Plazma sa pohybuje pod kombinovanou funkciou magnetického a elektrického poľa a magnetické pole sa používa na obmedzenie a riadenie plazmy bez vychýlenia pohybu pozdĺž smeru siločiar magnetických síl. A nenabité častice sa budú pohybovať pozdĺž lineárnej dráhy a budú sa oddeľovať. Filmy pripravené týmto štrukturálnym zariadením majú vysokú tvrdosť, nízku drsnosť povrchu, dobrú hustotu, rovnomernú veľkosť zŕn a silnú priľnavosť k základni filmu. XPS analýza ukazuje, že povrchová tvrdosť ta-C filmov potiahnutých týmto typom zariadenia môže dosiahnuť 56 GPa, takže zariadenie so zakrivenou štruktúrou je najpoužívanejšou a najúčinnejšou metódou na odstraňovanie veľkých častíc, ale účinnosť transportu cieľových iónov je potrebné ďalej zlepšiť. 90° ohybové magnetické filtračné zariadenie je jedným z najpoužívanejších zariadení so zakrivenou štruktúrou. Experimenty s profilom povrchu Ta-C filmov ukazujú, že profil povrchu 360° ohybového magnetického filtračného zariadenia sa v porovnaní s 90° ohybovým magnetickým filtračným zariadením výrazne nemení, takže je možné v podstate dosiahnuť účinok 90° ohybovej magnetickej filtrácie veľkých častíc. Magnetické filtračné zariadenie s ohybom 90° má prevažne dva typy konštrukcií: jedna je ohybový solenoid umiestnený vo vákuovej komore a druhá je umiestnená mimo vákuovej komory, pričom rozdiel medzi nimi je iba v konštrukcii. Prevádzkový tlak magnetického filtračného zariadenia s ohybom 90° je rádovo 10-2 Pa a možno ho použiť v širokej škále aplikácií, ako je nanášanie nitridov, oxidov, amorfného uhlíka, polovodičových filmov a kovových alebo nekovových filmov.

Účinnosť magnetického filtračného zariadenia
Keďže nie všetky veľké častice môžu strácať kinetickú energiu pri nepretržitých zrážkach so stenou, určitý počet veľkých častíc dosiahne substrát cez výstup potrubia. Preto má dlhé a úzke magnetické filtračné zariadenie vyššiu účinnosť filtrácie veľkých častíc, ale zároveň zvyšuje stratu cieľových iónov a zároveň zvyšuje zložitosť štruktúry. Preto je nevyhnutným predpokladom pre široké uplatnenie technológie viacoblúkového iónového povlakovania pri nanášaní vysoko výkonných tenkých vrstiev zabezpečenie vynikajúceho odstraňovania veľkých častíc a vysokej účinnosti transportu iónov magnetickým filtračným zariadením pri nanášaní vysoko výkonných tenkých vrstiev. Činnosť magnetického filtračného zariadenia je ovplyvnená silou magnetického poľa, predpätím ohybu, otvorom mechanickej prepážky, prúdom zdroja oblúka a uhlom dopadu nabitých častíc. Nastavením primeraných parametrov magnetického filtračného zariadenia je možné účinne zlepšiť filtračný účinok veľkých častíc a účinnosť prenosu iónov na cieľovom mieste.