Основна теорија уређаја за магнетну филтрацију
Механизам филтрирања магнетног уређаја за филтрирање великих честица у плазма снопу је следећи:
Користећи разлику између плазме и великих честица у наелектрисању и односу наелектрисања и масе, постоји „баријера“ (или преграда или закривљени зид цеви) која се поставља између подлоге и површине катоде, која блокира све честице које се крећу праволинијски између катоде и подлоге, док јони могу бити скренути магнетним пољем и проћи кроз „баријеру“ до подлоге.
Принцип рада уређаја за магнетну филтрацију
У магнетном пољу, Pe<
Pe и Pi су Ларморови радијуси електрона и јона, респективно, а a је унутрашњи пречник магнетног филтера. Електрони у плазми су под утицајем Лоренцове силе и окрећу се аксијално дуж магнетног поља, док магнетно поље има мањи утицај на груписање јона због разлике између јона и електрона у Ларморовом радијусу. Међутим, када се електрон креће дуж осе магнетног филтера, он ће привући јоне дуж аксијалног ротационог кретања због свог фокуса и јаког негативног електричног поља, а брзина електрона је већа од брзине јона, тако да електрон стално повлачи јон напред, док плазма увек остаје квази-електрично неутрална. Велике честице су електрично неутралне или благо негативно наелектрисане, а квалитет је много већи од јона и електрона, у основи нису под утицајем магнетног поља и линеарног кретања дуж инерције и биће филтриране након судара са унутрашњим зидом уређаја.
Под комбинованим деловањем закривљености магнетног поља савијања и градијентног померања и судара јона и електрона, плазма може бити скренута у уређају за магнетну филтрацију. Уобичајени теоријски модели који се данас користе су Морозовљев модел флукса и Давидсонов модел крутог ротора, који имају следећу заједничку карактеристику: постоји магнетно поље које покреће електроне на строго спирални начин.
Јачина магнетног поља које води аксијално кретање плазме у уређају за магнетну филтрацију треба да буде таква да:
Mi, Vo и Z су јонска маса, брзина транспорта и број преношених наелектрисања, респективно. a је унутрашњи пречник магнетног филтера, а e је наелектрисање електрона.
Треба напоменути да неки јони више енергије не могу бити у потпуности везани електронским снопом. Они могу достићи унутрашњи зид магнетног филтера, чинећи унутрашњи зид на позитивном потенцијалу, што заузврат спречава јоне да наставе да досежу унутрашњи зид и смањује губитак плазме.
Према овом феномену, одговарајући позитивни притисак преднапона може се применити на зид магнетног филтерског уређаја како би се спречио судар јона и побољшала ефикасност транспорта циљних јона.
Класификација уређаја за магнетну филтрацију
(1) Линеарна структура. Магнетно поље делује као водич за ток јонског снопа, смањујући величину катодне тачке и удео макроскопских кластера честица, док истовремено интензивира сударе унутар плазме, подстичући конверзију неутралних честица у јоне и смањујући број макроскопских кластера честица, и брзо смањујући број великих честица како се јачина магнетног поља повећава. У поређењу са конвенционалном методом вишелучног јонског премазивања, овај структурирани уређај превазилази значајно смањење ефикасности изазвано другим методама и може да обезбеди у суштини константну брзину наношења филма, смањујући број великих честица за око 60%.
(2) Структура кривог типа. Иако структура има различите облике, основни принцип је исти. Плазма се креће под комбинованом функцијом магнетног и електричног поља, а магнетно поље се користи за ограничавање и контролу плазме без скретања кретања дуж правца линија магнетних сила. А ненаелектрисане честице ће се кретати дуж линије и бити одвојене. Филмови припремљени овим структурним уређајем имају високу тврдоћу, ниску храпавост површине, добру густину, уједначену величину зрна и јаку адхезију на основу филма. XPS анализа показује да површинска тврдоћа ta-C филмова пресвучених овом врстом уређаја може достићи 56 GPa, стога је уређај са закривљеном структуром најшире коришћена и најефикаснија метода за уклањање великих честица, али ефикасност транспорта циљних јона треба додатно побољшати. Уређај за магнетну филтрацију са савијањем од 90° је један од најчешће коришћених уређаја са закривљеном структуром. Експерименти на површинском профилу Ta-C филмова показују да се површински профил уређаја за магнетну филтрацију са савијањем од 360° не мења много у поређењу са уређајем за магнетну филтрацију са савијањем од 90°, тако да се ефекат магнетне филтрације са савијањем од 90° за велике честице у основи може постићи. Уређај за магнетну филтрацију са савијањем од 90° углавном има две врсте структура: једна је савијени соленоид смештен у вакуумској комори, а друга је постављена ван вакуумске коморе, а разлика између њих је само у структури. Радни притисак уређаја за магнетну филтрацију са савијањем од 90° је реда величине 10-2Pa, и може се користити у широком спектру примена, као што је премазивање нитрида, оксида, аморфног угљеника, полупроводничког филма и металног или неметалног филма.
Ефикасност уређаја за магнетну филтрацију
Пошто не могу све велике честице да изгубе кинетичку енергију у континуираним сударима са зидом, одређени број великих честица ће доспети до подлоге кроз излаз цеви. Стога, дугачак и уски магнетни филтрациони уређај има већу ефикасност филтрације великих честица, али ће у овом тренутку повећати губитак циљних јона и истовремено повећати сложеност структуре. Стога је осигуравање да магнетни филтрациони уређај има одлично уклањање великих честица и високу ефикасност транспорта јона неопходан предуслов да би технологија вишелучног јонског премазивања имала широку примену у наношењу високо ефикасних танких филмова. На рад магнетног филтрационог уређаја утичу јачина магнетног поља, напон савијања, отвор механичке преграде, струја извора лука и угао упада наелектрисаних честица. Подешавањем разумних параметара магнетног филтрационог уређаја, ефекат филтрирања великих честица и ефикасност преноса јона на циљ могу се ефикасно побољшати.
Време објаве: 08.11.2022.