Công nghệ lọc từ tính

Lý thuyết cơ bản về thiết bị lọc từ
Cơ chế lọc của thiết bị lọc từ đối với các hạt lớn trong chùm tia plasma như sau:
Sử dụng sự khác biệt giữa plasma và các hạt lớn về điện tích và tỷ lệ điện tích trên khối lượng, có một "rào cản" (có thể là một tấm chắn hoặc một thành ống cong) được đặt giữa chất nền và bề mặt cực âm, ngăn chặn bất kỳ hạt nào di chuyển theo đường thẳng giữa cực âm và chất nền, trong khi các ion có thể bị từ trường làm lệch hướng và đi qua "rào cản" đến chất nền.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị lọc từ

Trong từ trường, Pe<

Pe và Pi lần lượt là bán kính Larmor của electron và ion, và a là đường kính bên trong của bộ lọc từ. Các electron trong plasma chịu tác động của lực Lorentz và quay dọc theo từ trường theo trục, trong khi từ trường ít ảnh hưởng đến sự tập trung của các ion do sự khác biệt giữa các ion và electron trong bán kính Larmor. Tuy nhiên, khi chuyển động của electron dọc theo trục của thiết bị lọc từ, nó sẽ thu hút các ion dọc theo trục cho chuyển động quay do tiêu điểm của nó và trường điện âm mạnh, và tốc độ của electron lớn hơn ion, do đó electron liên tục kéo ion về phía trước, trong khi plasma luôn duy trì trạng thái gần như trung hòa về điện. Các hạt lớn trung hòa về điện hoặc tích điện âm nhẹ, và chất lượng lớn hơn nhiều so với các ion và electron, về cơ bản không bị ảnh hưởng bởi từ trường và chuyển động tuyến tính theo quán tính, và sẽ bị lọc ra sau khi va chạm với thành trong của thiết bị.
Dưới chức năng kết hợp của độ cong từ trường uốn cong và độ trôi gradient và va chạm ion-electron, plasma có thể bị lệch trong thiết bị lọc từ. Trong Các mô hình lý thuyết phổ biến được sử dụng hiện nay là mô hình thông lượng Morozov và mô hình rotor cứng Davidson, có đặc điểm chung sau: có một từ trường khiến các electron chuyển động theo cách xoắn ốc nghiêm ngặt.
Cường độ của từ trường dẫn hướng chuyển động dọc trục của plasma trong thiết bị lọc từ phải như sau:

Mi, Vo và Z lần lượt là khối lượng ion, vận tốc vận chuyển và số điện tích mang theo. a là đường kính bên trong của bộ lọc từ và e là điện tích electron.
Cần lưu ý rằng một số ion năng lượng cao hơn không thể bị chùm electron liên kết hoàn toàn. Chúng có thể tiếp cận thành trong của bộ lọc từ, khiến thành trong có điện thế dương, từ đó ngăn cản các ion tiếp tục tiếp cận thành trong và giảm sự mất plasma.
Theo hiện tượng này, có thể áp dụng áp suất phân cực dương thích hợp vào thành của thiết bị lọc từ để ức chế sự va chạm của các ion nhằm cải thiện hiệu quả vận chuyển ion mục tiêu.

Phân loại thiết bị lọc từ
(1)Cấu trúc tuyến tính. Từ trường hoạt động như một hướng dẫn cho dòng chùm ion, làm giảm kích thước của điểm catốt và tỷ lệ các cụm hạt vĩ mô, đồng thời tăng cường các va chạm bên trong plasma, thúc đẩy quá trình chuyển đổi các hạt trung tính thành ion và làm giảm số lượng các cụm hạt vĩ mô, và nhanh chóng làm giảm số lượng các hạt lớn khi cường độ từ trường tăng lên. So với phương pháp phủ ion nhiều cung thông thường, thiết bị có cấu trúc này khắc phục được sự suy giảm hiệu quả đáng kể do các phương pháp khác gây ra và có thể đảm bảo tốc độ lắng đọng màng về cơ bản là không đổi trong khi làm giảm số lượng các hạt lớn khoảng 60%.
(2) Cấu trúc dạng cong. Mặc dù cấu trúc có nhiều dạng khác nhau, nhưng nguyên lý cơ bản là giống nhau. Plasma di chuyển dưới chức năng kết hợp của từ trường và điện trường, và từ trường được sử dụng để giới hạn và kiểm soát plasma mà không làm chệch hướng chuyển động theo hướng của các đường sức từ. Và các hạt không tích điện sẽ di chuyển theo đường thẳng và bị tách ra. Các màng được chế tạo bởi thiết bị cấu trúc này có độ cứng cao, độ nhám bề mặt thấp, mật độ tốt, kích thước hạt đồng đều và độ bám dính nền màng mạnh. Phân tích XPS cho thấy độ cứng bề mặt của màng ta-C được phủ bằng loại thiết bị này có thể đạt tới 56 GPa, do đó thiết bị cấu trúc cong là phương pháp được sử dụng rộng rãi và hiệu quả nhất để loại bỏ các hạt lớn, nhưng hiệu quả vận chuyển ion mục tiêu cần được cải thiện hơn nữa. Thiết bị lọc từ uốn cong 90° là một trong những thiết bị cấu trúc cong được sử dụng rộng rãi nhất. Các thí nghiệm về cấu hình bề mặt của màng Ta-C cho thấy cấu hình bề mặt của thiết bị lọc từ uốn cong 360° không thay đổi nhiều so với thiết bị lọc từ uốn cong 90°, do đó hiệu ứng lọc từ uốn cong 90° đối với các hạt lớn về cơ bản có thể đạt được. Thiết bị lọc từ uốn cong 90° chủ yếu có hai loại cấu trúc: một là solenoid uốn cong đặt trong buồng chân không, và loại còn lại được đặt ngoài buồng chân không, và sự khác biệt giữa chúng chỉ nằm ở cấu trúc. Áp suất làm việc của thiết bị lọc từ uốn cong 90° vào khoảng 10-2Pa và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như phủ nitrua, oxit, cacbon vô định hình, màng bán dẫn và màng kim loại hoặc phi kim loại.

Hiệu quả của thiết bị lọc từ
Vì không phải tất cả các hạt lớn đều có thể mất động năng trong các va chạm liên tục với thành ống, nên một số lượng hạt lớn nhất định sẽ đến được chất nền thông qua đầu ra của ống. Do đó, một thiết bị lọc từ dài và hẹp có hiệu suất lọc các hạt lớn cao hơn, nhưng tại thời điểm này, nó sẽ làm tăng sự mất mát của các ion mục tiêu và đồng thời làm tăng độ phức tạp của cấu trúc. Do đó, đảm bảo rằng thiết bị lọc từ có khả năng loại bỏ các hạt lớn tuyệt vời và hiệu quả vận chuyển ion cao là điều kiện tiên quyết cần thiết để công nghệ phủ ion đa hồ quang có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong việc lắng đọng các màng mỏng hiệu suất cao. Hoạt động của thiết bị lọc từ bị ảnh hưởng bởi cường độ từ trường, độ lệch uốn, khẩu độ chắn cơ học, dòng điện nguồn hồ quang và góc tới của các hạt tích điện. Bằng cách thiết lập các thông số hợp lý của thiết bị lọc từ, hiệu quả lọc các hạt lớn và hiệu quả truyền ion của mục tiêu có thể được cải thiện hiệu quả.