Magnetisk filtreringsteknik

Grundläggande teori för magnetisk filtreringsanordning
Filtreringsmekanismen för den magnetiska filtreringsanordningen för stora partiklar i plasmastrålen är följande:
Genom att använda skillnaden mellan plasma och stora partiklar i laddning och laddning/massa-förhållande, finns det en "barriär" (antingen en baffel eller en krökt rörvägg) som placeras mellan substratet och katodytan, vilket blockerar alla partiklar som rör sig i en rak linje mellan katoden och substratet, medan jonerna kan avböjas av magnetfältet och passera genom "barriären" till substratet.

Funktionsprincip för magnetisk filtreringsanordning

I magnetfältet, Pe<

Pe och Pi är Larmor-radierna för elektroner respektive joner, och a är den inre diametern på magnetfiltret. Elektronerna i plasmat påverkas av Lorentzkraften och roterar axiellt längs magnetfältet, medan magnetfältet har mindre effekt på jonernas klusterbildning på grund av skillnaden mellan joner och elektroner i Larmor-radien. Men när elektronerna rör sig längs magnetfiltrets axel kommer de att attrahera joner längs axialen för rotationsrörelsen på grund av dess fokus och det starka negativa elektriska fältet, och elektronhastigheten är större än jonens, så elektronen drar konstant jonen framåt, medan plasmat alltid förblir kvasielektriskt neutralt. De stora partiklarna är elektriskt neutrala eller något negativt laddade, och kvaliteten är mycket större än jonernas och elektronernas, i princip inte påverkade av magnetfältet och den linjära rörelsen längs trögheten, och kommer att filtreras bort efter kollision med enhetens innervägg.
Under den kombinerade funktionen av det böjande magnetfältets krökning och gradientdrift samt jon-elektronkollisioner kan plasmat avböjas i den magnetiska filtreringsanordningen. De vanliga teoretiska modellerna som används idag är Morozov-flödesmodellen och Davidsons stela rotormodell, vilka har följande gemensamma drag: det finns ett magnetfält som får elektronerna att röra sig på ett strikt spiralformat sätt.
Styrkan hos magnetfältet som styr plasmats axiella rörelse i den magnetiska filtreringsanordningen bör vara sådan att:

Mi, Vo och Z är jonmassan, transporthastigheten respektive antalet laddningar. a är magnetfiltrets innerdiameter och e är elektronladdningen.
Det bör noteras att vissa joner med högre energi inte helt kan bindas av elektronstrålen. De kan nå innerväggen i magnetfiltret, vilket gör att innerväggen får en positiv potential, vilket i sin tur hindrar jonerna från att fortsätta nå innerväggen och minskar plasmaförlusten.
Enligt detta fenomen kan ett lämpligt positivt förspänningstryck appliceras på väggen i den magnetiska filteranordningen för att hämma kollisionen av joner och förbättra effektiviteten hos måljontransporten.

Klassificering av magnetisk filtreringsanordning
(1) Linjär struktur. Magnetfältet fungerar som en vägledning för jonstråleflödet, vilket minskar katodfläckens storlek och andelen makroskopiska partikelkluster, samtidigt som kollisionerna i plasmat intensifieras, vilket leder till omvandling av neutrala partiklar till joner och minskar antalet makroskopiska partikelkluster, och snabbt minskar antalet stora partiklar när magnetfältets styrka ökar. Jämfört med den konventionella multibågjonbeläggningsmetoden övervinner denna strukturerade anordning den betydande minskningen av effektiviteten som orsakas av andra metoder och kan säkerställa en i huvudsak konstant filmavsättningshastighet samtidigt som antalet stora partiklar minskas med cirka 60 %.
(2) Kurvformad struktur. Även om strukturen har olika former är grundprincipen densamma. Plasmat rör sig under den kombinerade funktionen av magnetfält och elektriskt fält, och magnetfältet används för att begränsa och kontrollera plasmat utan att avböja rörelsen längs riktningen av magnetiska kraftlinjer. Och de oladdade partiklarna kommer att röra sig längs den linjära linjen och separeras. Filmerna som framställs med denna strukturella anordning har hög hårdhet, låg ytjämnhet, god densitet, enhetlig kornstorlek och stark vidhäftning till filmbasen. XPS-analys visar att ythårdheten hos ta-C-filmer belagda med denna typ av anordning kan nå 56 GPa, vilket innebär att den krökta strukturanordningen är den mest använda och effektiva metoden för att avlägsna stora partiklar, men effektiviteten i måljontransporten behöver förbättras ytterligare. Den 90° böjda magnetiska filtreringsanordningen är en av de mest använda anordningarna för krökt struktur. Experiment på ytprofilen hos Ta-C-filmer visar att ytprofilen hos den 360° böjda magnetiska filtreringsanordningen inte förändras mycket jämfört med den 90° böjda magnetiska filtreringsanordningen, så effekten av 90° böjd magnetisk filtrering för stora partiklar kan i princip uppnås. 90° böjd magnetisk filtreringsanordning har huvudsakligen två typer av strukturer: den ena är en böjd solenoid placerad i vakuumkammaren, och den andra är placerad utanför vakuumkammaren, och skillnaden mellan dem ligger bara i strukturen. Arbetstrycket för 90° böjd magnetisk filtreringsanordning är i storleksordningen 10⁻² Pa, och den kan användas inom en mängd olika tillämpningar, såsom beläggning av nitrid, oxid, amorft kol, halvledarfilm och metall- eller icke-metallfilm.

Effektiviteten hos en magnetisk filtreringsanordning
Eftersom inte alla stora partiklar kan förlora kinetisk energi vid kontinuerliga kollisioner med väggen, kommer ett visst antal stora partiklar att nå substratet genom rörets utlopp. Därför har en lång och smal magnetisk filtreringsanordning en högre filtreringseffektivitet för stora partiklar, men vid denna tidpunkt kommer den att öka förlusten av måljoner och samtidigt öka strukturens komplexitet. Därför är det en nödvändig förutsättning för att multi-arc jonbeläggningstekniken ska ha breda tillämpningsmöjligheter vid avsättning av högpresterande tunnfilmer att säkerställa att den magnetiska filtreringsanordningen har utmärkt borttagning av stora partiklar och hög effektivitet i jontransport. Funktionen hos den magnetiska filtreringsanordningen påverkas av magnetfältstyrkan, böjningsförspänningen, den mekaniska baffelöppningen, bågkällans ström och infallsvinkeln för laddade partiklar. Genom att ställa in rimliga parametrar för den magnetiska filtreringsanordningen kan filtreringseffekten av stora partiklar och jonöverföringseffektiviteten hos målet förbättras effektivt.