Tehnologija magnetne filtracije

Osnovna teorija naprave za magnetno filtracijo
Mehanizem filtriranja magnetne filtrirne naprave za velike delce v plazemskem žarku je naslednji:
Z uporabo razlike med plazmo in velikimi delci v naboju ter razmerju med nabojem in maso se med substratom in površino katode nahaja "pregrada" (pregrada ali ukrivljena cevasta stena), ki blokira vse delce, ki se gibljejo v ravni črti med katodo in substratom, medtem ko ione lahko magnetno polje odbije in preidejo skozi "pregrado" do substrata.

Načelo delovanja magnetne filtracijske naprave

V magnetnem polju je Pe<

Pe in Pi sta Larmorjeva polmera elektronov oziroma ionov, a pa je notranji premer magnetnega filtra. Na elektrone v plazmi vpliva Lorentzova sila, ki se vrtijo vzdolž magnetnega polja aksialno, medtem ko magnetno polje zaradi razlike med ioni in elektroni v Larmorjevem polmeru manj vpliva na združevanje ionov. Ko pa se elektron giblje vzdolž osi magnetnega filtra, bo zaradi fokusa in močnega negativnega električnega polja pritegnil ione vzdolž osi za rotacijsko gibanje, hitrost elektronov pa je večja od hitrosti ionov, zato elektroni nenehno vlečejo ion naprej, plazma pa vedno ostane kvazielektrično nevtralna. Veliki delci so električno nevtralni ali rahlo negativno nabiti, njihova kakovost pa je veliko večja od kakovosti ionov in elektronov, na katere magnetno polje in linearno gibanje vzdolž vztrajnosti v bistvu ne vplivata in jih po trku z notranjo steno naprave filtrira.
Pod kombiniranim delovanjem ukrivljenosti upogibnega magnetnega polja in gradientnega drsenja ter trkov ionov in elektronov se lahko plazma v napravi za magnetno filtracijo odkloni. Danes se pogosto uporabljata teoretična modela Morozov model fluksa in Davidsonov model togega rotorja, ki imata naslednjo skupno značilnost: obstaja magnetno polje, ki povzroča, da se elektroni gibljejo strogo vijačno.
Jakost magnetnega polja, ki usmerja aksialno gibanje plazme v napravi za magnetno filtracijo, mora biti takšna, da:

Mi, Vo in Z so masa ionov, transportna hitrost in število prenesenih nabojev. a je notranji premer magnetnega filtra, e pa naboj elektrona.
Treba je opozoriti, da elektronski žarek ne more v celoti vezati nekaterih ionov z višjo energijo. Lahko dosežejo notranjo steno magnetnega filtra, zaradi česar ima notranja stena pozitiven potencial, kar posledično preprečuje ionom, da bi še naprej dosegli notranjo steno, in zmanjšuje izgubo plazme.
V skladu s tem pojavom se lahko na steno magnetne filtrirne naprave uporabi ustrezen pozitivni pristranski tlak, da se prepreči trčenje ionov in s tem izboljša učinkovitost transporta ciljnih ionov.

Klasifikacija magnetne filtracijske naprave
(1) Linearna struktura. Magnetno polje deluje kot vodilo za tok ionskega žarka, zmanjšuje velikost katodne pege in delež makroskopskih gruč delcev, hkrati pa intenzivira trke v plazmi, kar spodbuja pretvorbo nevtralnih delcev v ione in zmanjšuje število makroskopskih gruč delcev ter hitro zmanjšuje število velikih delcev z naraščanjem jakosti magnetnega polja. V primerjavi s konvencionalno metodo večločnega ionskega nanašanja ta strukturirana naprava premaga znatno zmanjšanje učinkovitosti, ki ga povzročajo druge metode, in lahko zagotovi v bistvu konstantno hitrost nanašanja filma, hkrati pa zmanjša število velikih delcev za približno 60 %.
(2) Struktura ukrivljenega tipa. Čeprav ima struktura različne oblike, je osnovno načelo enako. Plazma se giblje pod vplivom kombiniranega delovanja magnetnega in električnega polja, magnetno polje pa se uporablja za omejevanje in nadzor plazme brez preusmerjanja gibanja vzdolž smeri magnetnih silnic. Nenabiti delci se bodo premikali vzdolž linearne poti in se ločili. Filmi, pripravljeni s to strukturno napravo, imajo visoko trdoto, nizko hrapavost površine, dobro gostoto, enakomerno velikost zrn in močno oprijemljivost filma na podlago. XPS analiza kaže, da lahko površinska trdota ta-C filmov, prevlečenih s to vrsto naprave, doseže 56 GPa, zato je naprava z ukrivljeno strukturo najpogosteje uporabljena in učinkovita metoda za odstranjevanje velikih delcev, vendar je treba učinkovitost transporta ciljnih ionov še izboljšati. Naprava za magnetno filtracijo z upogibom 90° je ena najpogosteje uporabljenih naprav z ukrivljeno strukturo. Poskusi na površinskem profilu Ta-C filmov kažejo, da se površinski profil naprave za magnetno filtracijo z upogibom 360° ne spremeni bistveno v primerjavi z napravo za magnetno filtracijo z upogibom 90°, zato je mogoče v bistvu doseči učinek magnetne filtracije z upogibom 90° za velike delce. Naprava za magnetno filtracijo z upogibom 90° ima predvsem dve vrsti struktur: ena je upogibni solenoid, nameščen v vakuumski komori, druga pa je nameščena zunaj vakuumske komore, razlika med njima pa je le v strukturi. Delovni tlak naprave za magnetno filtracijo z upogibom 90° je reda velikosti 10⁻² Pa in se lahko uporablja v širokem spektru aplikacij, kot so premazi nitridov, oksidov, amorfnega ogljika, polprevodniških filmov in kovinskih ali nekovinskih filmov.

Učinkovitost magnetne filtracijske naprave
Ker vsi veliki delci ne morejo izgubiti kinetične energije pri neprekinjenih trkih s steno, bo določeno število velikih delcev doseglo substrat skozi izhod cevi. Zato ima dolga in ozka magnetna filtracijska naprava večjo učinkovitost filtracije velikih delcev, vendar bo hkrati povečala izgubo ciljnih ionov in hkrati povečala kompleksnost strukture. Zato je zagotavljanje odličnega odstranjevanja velikih delcev in visoke učinkovitosti ionskega transporta magnetne filtracijske naprave nujen predpogoj za široko uporabnost tehnologije večločnega ionskega nanosa pri nanašanju visokozmogljivih tankih filmov. Na delovanje magnetne filtracijske naprave vplivajo jakost magnetnega polja, upogibna prednapetost, odprtina mehanske pregrade, tok vira obloka in vpadni kot nabitih delcev. Z nastavitvijo razumnih parametrov magnetne filtracijske naprave je mogoče učinkovito izboljšati učinek filtriranja velikih delcev in učinkovitost prenosa ionov na tarčo.