Manyetik filtrasyon teknolojisi

Manyetik filtrasyon cihazının temel teorisi
Plazma ışınındaki büyük parçacıklar için manyetik filtreleme cihazının filtreleme mekanizması şu şekildedir:
Plazma ve büyük parçacıklar arasındaki yük ve yük-kütle oranı farkından yararlanılarak, alt tabaka ile katot yüzeyi arasına bir "bariyer" (bir engel veya kavisli tüp duvarı) yerleştirilir ve bu engel, katot ile alt tabaka arasında düz bir çizgide hareket eden parçacıkların hareketini engellerken, iyonlar manyetik alan tarafından saptırılabilir ve "bariyerden" alt tabakaya geçebilir.

Manyetik filtrasyon cihazının çalışma prensibi

Manyetik alanda, Pe<

Pe ve Pi sırasıyla elektronların ve iyonların Larmor yarıçaplarıdır ve a manyetik filtrenin iç çapıdır. Plazmadaki elektronlar Lorentz kuvvetinden etkilenir ve manyetik alan boyunca eksenel olarak dönerken, manyetik alan iyonlar ve Larmor yarıçapındaki elektronlar arasındaki fark nedeniyle iyonların kümelenmesi üzerinde daha az etkiye sahiptir. Ancak, elektron manyetik filtre cihazının ekseni boyunca hareket ettiğinde, odağı ve güçlü negatif elektrik alanı nedeniyle dönme hareketi için eksenel boyunca iyonları çekecektir ve elektron hızı iyondan daha büyük olacaktır, bu nedenle elektron iyonu sürekli olarak ileri çekerken, plazma her zaman yarı elektriksel olarak nötr kalır. Büyük parçacıklar elektriksel olarak nötr veya hafif negatif yüklüdür ve kalite iyonlardan ve elektronlardan çok daha büyüktür, temelde manyetik alandan ve atalet boyunca doğrusal hareketten etkilenmez ve cihazın iç duvarıyla çarpıştıktan sonra filtrelenecektir.
Bükülme manyetik alan eğriliği ve gradyan kayması ve iyon-elektron çarpışmalarının birleşik fonksiyonu altında, plazma manyetik filtrasyon cihazında saptırılabilir. Günümüzde kullanılan yaygın teorik modeller, aşağıdaki ortak özelliğe sahip olan Morozov akı modeli ve Davidson sert rotor modelidir: elektronların kesinlikle sarmal bir şekilde hareket etmesini sağlayan bir manyetik alan vardır.
Manyetik filtrasyon cihazında plazmanın eksenel hareketini yönlendiren manyetik alanın şiddeti şu şekilde olmalıdır:

Mi, Vo ve Z sırasıyla iyon kütlesi, taşıma hızı ve taşınan yük sayısıdır. a manyetik filtrenin iç çapı, e ise elektron yüküdür.
Bazı yüksek enerjili iyonların elektron ışını tarafından tam olarak bağlanamayacağı unutulmamalıdır. Manyetik filtrenin iç duvarına ulaşabilirler, bu da iç duvarı pozitif bir potansiyele getirir, bu da iyonların iç duvara ulaşmaya devam etmesini engeller ve plazma kaybını azaltır.
Bu olguya göre, iyonların çarpışmasını engellemek ve hedef iyon taşıma verimliliğini artırmak için manyetik filtre cihazının duvarına uygun bir pozitif önyargı basıncı uygulanabilir.

Manyetik filtrasyon cihazının sınıflandırılması
(1)Doğrusal yapı. Manyetik alan, iyon demeti akışı için bir kılavuz görevi görerek katot noktasının boyutunu ve makroskobik parçacık kümelerinin oranını azaltırken, plazma içindeki çarpışmaları yoğunlaştırır, nötr parçacıkların iyonlara dönüşmesini teşvik eder ve makroskobik parçacık kümelerinin sayısını azaltır ve manyetik alan kuvveti arttıkça büyük parçacıkların sayısını hızla azaltır. Geleneksel çok arklı iyon kaplama yöntemiyle karşılaştırıldığında, bu yapılandırılmış cihaz diğer yöntemlerin neden olduğu önemli verimlilik düşüşünün üstesinden gelir ve büyük parçacıkların sayısını yaklaşık %60 oranında azaltırken esasen sabit film biriktirme oranını sağlayabilir.
(2) Eğri tipi yapı. Yapı çeşitli formlara sahip olsa da temel prensip aynıdır. Plazma, manyetik alan ve elektrik alanının birleşik fonksiyonu altında hareket eder ve manyetik alan, manyetik kuvvet çizgileri yönünde hareketi saptırmadan plazmayı sınırlamak ve kontrol etmek için kullanılır. Ve yüklenmemiş parçacıklar doğrusal boyunca hareket edecek ve ayrılacaktır. Bu yapısal cihaz tarafından hazırlanan filmler yüksek sertliğe, düşük yüzey pürüzlülüğüne, iyi yoğunluğa, düzgün tane boyutuna ve güçlü film tabanı yapışmasına sahiptir. XPS analizi, bu tip cihazla kaplanmış ta-C filmlerinin yüzey sertliğinin 56 GPa'ya ulaşabileceğini göstermektedir, bu nedenle kavisli yapı cihazı büyük parçacıkların giderilmesi için en yaygın kullanılan ve etkili yöntemdir, ancak hedef iyon taşıma verimliliğinin daha da iyileştirilmesi gerekmektedir. 90° eğimli manyetik filtrasyon cihazı, en yaygın kullanılan kavisli yapı cihazlarından biridir. Ta-C filmlerinin yüzey profili üzerinde yapılan deneyler, 360° eğimli manyetik filtrasyon cihazının yüzey profilinin 90° eğimli manyetik filtrasyon cihazına kıyasla çok fazla değişmediğini, dolayısıyla büyük parçacıklar için 90° eğimli manyetik filtrasyonun etkisinin temelde elde edilebileceğini göstermektedir. 90° eğimli manyetik filtrasyon cihazı esas olarak iki tip yapıya sahiptir: biri vakum odasına yerleştirilen bir eğimli solenoid, diğeri vakum odasının dışına yerleştirilen ve aralarındaki fark sadece yapıdadır. 90° eğimli manyetik filtrasyon cihazının çalışma basıncı 10-2Pa mertebesinde olup, nitrür, oksit, amorf karbon, yarı iletken film ve metal veya metal olmayan film kaplama gibi çok çeşitli uygulamalarda kullanılabilir.

Manyetik filtrasyon cihazının verimliliği
Tüm büyük parçacıklar duvarla sürekli çarpışmalarda kinetik enerji kaybedemeyeceğinden, belirli sayıda büyük parçacık boru çıkışından alt tabakaya ulaşacaktır. Bu nedenle, uzun ve dar bir manyetik filtrasyon cihazı büyük parçacıkların daha yüksek bir filtrasyon verimliliğine sahiptir, ancak bu sırada hedef iyonların kaybını artıracak ve aynı zamanda yapının karmaşıklığını artıracaktır. Bu nedenle, manyetik filtrasyon cihazının mükemmel büyük parçacık giderimine ve yüksek iyon taşıma verimliliğine sahip olmasını sağlamak, çok arklı iyon kaplama teknolojisinin yüksek performanslı ince filmler biriktirmede geniş bir uygulama beklentisine sahip olması için gerekli bir ön koşuldur. Manyetik filtrasyon cihazının çalışması, manyetik alan kuvveti, bükülme eğilimi, mekanik deflektör açıklığı, ark kaynağı akımı ve yüklü parçacık olay açısından etkilenir. Manyetik filtrasyon cihazının makul parametreleri ayarlanarak, büyük parçacıkların filtreleme etkisi ve hedefin iyon transfer verimliliği etkili bir şekilde iyileştirilebilir.