Công nghệ lọc từ tính

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

Nguyên lý hoạt động của thiết bị lọc từ tính

Trong từ trường, Pe<

Pe và Pi lần lượt là bán kính Larmor của electron và ion, và a là đường kính trong của bộ lọc từ. Các electron trong plasma bị ảnh hưởng bởi lực Lorentz và quay dọc theo trục của từ trường, trong khi từ trường ít ảnh hưởng đến sự tập trung của ion do sự khác biệt về bán kính Larmor giữa ion và electron. Tuy nhiên, khi electron chuyển động dọc theo trục của thiết bị lọc từ, nó sẽ hút các ion dọc theo trục do chuyển động quay nhờ sự hội tụ và điện trường âm mạnh, và tốc độ của electron lớn hơn tốc độ của ion, do đó electron liên tục kéo ion về phía trước, trong khi plasma luôn duy trì trạng thái gần như trung hòa điện. Các hạt lớn trung hòa điện hoặc hơi tích điện âm, và có khối lượng lớn hơn nhiều so với 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 tác động kết hợp của độ cong từ trường, sự trôi dạt gradient và va chạm ion-electron, plasma có thể bị lệch hướng trong thiết bị lọc từ. Các mô hình lý thuyết phổ biến được sử dụng hiện nay là mô hình dòng Morozov và mô hình rôto cứng Davidson, cả hai đều có đặc điểm chung sau: có một từ trường làm cho các electron chuyển động theo hình xoắn ốc nghiêm ngặt.
Cường độ của từ trường điều khiển chuyển động dọc trục của plasma trong thiết bị lọc từ phải thỏa mãn điều kiện 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 trong của bộ lọc từ, và e là điện tích của electron.
Cần lưu ý rằng một số ion năng lượng cao hơn không thể bị chùm electron giữ lại hoàn toàn. Chúng có thể chạm đến thành trong của bộ lọc từ, làm cho thành trong có điện thế dương, từ đó ngăn cản các ion tiếp tục chạm đến thành trong và làm giảm sự mất mát plasma.
Dựa trên hiện tượng này, có thể áp dụng một áp suất phân cực dương thích hợp lên thành của thiết bị lọc từ để ức chế sự va chạm của các ion, từ đó cải thiện hiệu quả vận chuyển ion mục tiêu.

Phân loại thiết bị lọc từ
(1)Cấu trúc tuyến tính. Trường từ đóng vai trò là chất dẫn hướng cho dòng chùm ion, làm giảm kích thước điểm cực âm và tỷ lệ các cụm hạt vĩ mô, đồng thời tăng cường các va chạm trong plasma, thúc đẩy sự chuyển đổi các hạt trung tính thành ion và giảm số lượng các cụm hạt vĩ mô, và nhanh chóng giảm số lượng các hạt lớn khi cường độ trường từ tăng lên. So với phương pháp phủ ion đa cung thông thường, thiết bị có cấu trúc này khắc phục được sự giảm hiệu suất đáng kể do các phương pháp khác gây ra và có thể đảm bảo tốc độ lắng đọng màng về cơ bản không đổi trong khi giảm số lượng các hạt lớn khoảng 60%.
(2) Cấu trúc dạng cong. Mặc dù cấu trúc có nhiều hình dạng khác nhau, nhưng nguyên tắc cơ bản là giống nhau. Plasma di chuyển dưới tác động kết hợp của từ trường và điện trường, và từ trường được sử dụng để giam giữ và kiểm soát plasma mà không làm lệch hướng chuyển động dọc theo hướng của các đường sức từ. Và các hạt không tích điện sẽ di chuyển theo đường thẳng và được tách ra. Các màng được chế tạo bằng thiết bị cấu trúc này có độ cứng cao, độ nhám bề mặt thấp, mật độ tốt, kích thước hạt đồng nhất 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 quả 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 loại là nam châm điện uốn cong đặt trong buồng chân không, và loại kia đặt bên ngoài buồng chân không, sự khác biệt giữa chúng chỉ nằm ở cấu trúc. Áp suất làm việc của thiết bị lọc từ uốn cong 90° nằm trong khoảng 10-2 Pa, và nó có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, 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 tính
Do không phải tất cả các hạt lớn đều 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 cửa ra của ống. Do đó, thiết bị lọc từ dài và hẹp có hiệu quả lọc hạt lớn cao hơn, nhưng đồng thời sẽ làm tăng sự mất mát các ion mục tiêu và làm tăng độ phức tạp của cấu trúc. Vì vậy, đảm bảo thiết bị lọc từ có khả năng loại bỏ hạt lớn tuyệt vời và hiệu quả vận chuyển ion cao là điều kiện tiên quyết cần thiết để công nghệ phủ ion đa cung 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 vách ngăn cơ học, dòng điện nguồn hồ quang và góc tới của hạt mang điện. Bằng cách thiết lập các thông số hợp lý của thiết bị lọc từ, hiệu quả lọc hạt lớn và hiệu suất truyền ion của mục tiêu có thể được cải thiện một cách hiệu quả.