CN112831762A - 一种Halbach永磁体结构的磁控溅射靶枪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Halbach永磁体结构的磁控溅射靶枪,包括水冷部件、磁靶基座、绝缘陶瓷板、磁靶和靶罩;所述基座安装在水冷头上,所述磁靶放置在所述基座上,所述绝缘板安装在所述基座与所述磁靶之间,所述靶罩套在磁靶外面,作为溅射高压阴极,并起到防止靶材和磁靶污染的作用;所述磁靶基座由高导热率的无氧铜加工而成,在所述磁靶基座内设有容纳磁铁组的凹槽,起到固定和冷却磁靶的作用;磁靶是由一个轴向磁化的环状永磁体、一个径向磁化环状或组合环状永磁体和一个轴向磁化圆柱型永磁体按照哈尔巴赫阵列结构排列的永磁体组;所述哈尔巴赫永磁铁组放置在所述磁靶基座的凹槽内,所述靶材置于所述永磁体组上方。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁控溅射靶枪,尤其涉及一种高磁通量、可溅射各种强磁材料、可以在超高真空腔体使用的磁控溅射靶枪。
背景技术
磁控溅射镀膜是一种物理气相沉积溅射制备金属、半导体、绝缘体,磁性和非磁性等各种材料薄膜的镀膜方法。磁控溅射设备相对简单易于控制,并且镀膜速度快、均匀性好、密度高和附着力强等优点,是一种十分有效的薄膜沉积方法,在各个工业领域应用非常广泛,特别是半导体行业和下一代新型自旋电子学器件领域。
磁控溅射系统中,磁控溅射靶枪是核心部件,磁控溅射靶枪的稳定性对成膜效果起到一定作用,而对成膜效果起到关键作用则是产生磁场的电磁铁或者永磁体。基于电磁铁的大型磁控溅射靶枪,满足了工业上大面积的物理沉积镀膜的要求,但是其结构复杂,配件多,体积大,制造、使用和维护成本高,导致其无法满足高校科研院所等科研单位在有限的真空腔内装载尽可能多磁控靶腔来满足各种探索性实验的要求。科研探索很大一部分研究基于各类强铁磁材料薄膜基础之上加工和制备,科研单位需要的是能够溅射强磁材料小尺寸的磁控溅射靶枪。国内一些基于永磁体磁控溅射靶枪,虽然也有装载较小靶材的小尺寸磁控溅射靶枪,但是由于常规磁体组件提供的磁通量的大约一半穿过并覆盖靶材表面,而大约一半的磁通量穿过与磁体组件的下端无法使用。在许多溅射沉积应用中,磁通量大量损失造成了。这些靶枪广泛存在磁场强度不够强,控溅普通材料薄靶材下,可以提供满足需要的磁场(大于1000Oe)的磁场,但是当溅射诸如坡莫合金这类高磁率的磁性材料时,强磁靶材会使磁通量分流并阻止大多数磁通到达表面,不能在靶材上方产生有效的局域磁场,产生和维持溅射等离子体。此外,在溅射软磁性材料时,使用厚靶靶材时,也会造成表面磁通量较低,在低气体压力下导致无法维持溅射等离子体进而无法溅射的问题。在对金属靶材进行反应溅射时,添加反应性气体时,在靶材表面会产生低密度的离子通量,容易形成表面化合物,降低溅射速率至零。例如专利号为CN210560702U的专利文献提供了一种结构简单的磁控溅射靶枪,但这种永磁排列结构的磁控溅射靶枪,当尺寸缩小到安装直径1英寸左右靶材时,其产生磁场强度不能到达溅射工作磁场要求,因此无法溅射沉积强铁磁材料体系。鉴于前述内容,显然需要改进的磁控溅射阴极/靶组件,需要足够的磁通量来产生等离子体,保持靶表面组份,形成具有所需最佳特性的薄膜。为了解决这一技术难题,我们设计和验证了一种Halbach永磁体结构的磁控溅射靶枪。
哈尔巴赫(Halbach)阵列结构构成的永磁体体系,是通过将多个具有不同磁化方向的永磁体按照一定规律排列,使得这种具有特殊结构的永磁体体系能够在一侧增强磁通密度,而在另一侧削弱磁通密度,从而实现通过定向汇聚磁场,在靶材位置获得很更高的磁场强度。哈尔巴赫阵列结构的永磁体在其强侧表面的磁场强度约为传统磁铁排列的1.4-2倍,哈尔巴赫阵列结构最早是应用在大型同步辐射加速器的永磁体系中。
发明内容
发明目的:本发明为了解决现有小尺寸永磁体磁控溅射靶枪磁场强度不够,无法在低的溅射气压下生长强磁材料的缺陷,本发明在专利号CN210560702U靶枪专利的基础上对最核心部分永磁铁组做了重要大的改进,提出采用哈尔巴赫阵列结构的永磁体排列方式设计了一种微小型磁控溅射靶枪,解决现有线圈型磁控溅射靶枪技术中靶枪大,结构复杂问题。
本发明技术方案:一种Halbach永磁体结构的磁控溅射靶枪,包括水冷部件、磁靶基座、绝缘陶瓷板、磁靶和靶罩;所述基座安装在水冷头上,所述磁靶放置在所述基座上,所述绝缘板安装在所述基座与所述磁靶之间,所述靶罩套在磁靶外面起到防止靶材和磁靶污染的作用;所述靶罩套在磁靶外面起到溅射高压阴极作用。
所述磁靶基座由高导热率的无氧铜加工而成,在所述磁靶基座内设有容纳磁铁组的凹槽,起到固定和冷却磁靶的作用;磁靶是由一个轴向磁化的环状永磁体、一个径向磁化环状或组合环状永磁体和一个轴向磁化圆柱型永磁体按照哈尔巴赫阵列结构排列的永磁体组;所述哈尔巴赫永磁铁组放置在所述磁靶基座的凹槽内,所述靶材置于所述永磁体组上方。
在所述磁靶基座下端设有内螺纹孔,在所述绝缘板上设有相应的通孔,所述螺丝杆穿过所述陶瓷绝缘端子、无氧铜水冷头和绝缘板,固定在所述磁靶基座的内螺纹孔上。
所述无氧铜水冷头包括无氧铜冷头和无氧铜连接件两部分;所述无氧铜冷头为上端封闭的圆筒形结构,所述不锈钢管顶部与所述无氧铜冷头密封银焊焊接;在所述无氧铜冷头上用四个M4螺丝链接所述无氧铜连接件,所述圆形无氧铜连接件侧边设有外螺纹,用于安装靶罩,并可以按需调节其与靶材之间的高度,在所述无氧铜连接件外环位置均匀设有若干通孔,其上设置有螺丝杆;其中一螺丝杆与所述法兰上设置的真空陶封电极上端通过导线连接。
所述无氧铜冷头和无氧铜连接件也可以一体化成型,形成所述无氧铜水冷头。
所述无氧铜水冷头为一体圆筒形结构,所述不锈钢管顶部与所述无氧铜水冷头密封焊接;在所述无氧铜水冷头顶部横向向外延伸形成圆盘,并在圆盘边界处均匀设有若干通孔,用螺丝杆链接磁靶基座;其中一螺丝杆与所述法兰上设置的真空陶封电极上端通过导线连接。
在所述磁靶基座下端设有一圈内螺纹孔,在所述绝缘板上设有相应的通孔,所述螺丝杆通过陶瓷绝缘端子,穿过无氧铜冷头连接件和绝缘板,固定在所述磁靶基座的内螺纹孔上,将所述基座、所述绝缘板和所述磁靶三部分连接成一体。
在所述磁靶上还设有靶罩,所述靶罩为不锈钢靶罩,靶罩底部内壁设有内螺纹,与无氧铜链接件外螺纹相连。
在所述靶材上方还设有用于将所述靶材固定在所述永磁体组上的靶材固定件。
所述法兰可以采用不锈钢CF类型接口法兰、KF法兰或者ISO法兰。
所述磁靶基座由圆柱形的无氧铜加工而成。
在所述不锈钢管内设置有冷却水管,所述冷却水管的顶端低于所述不锈钢管顶端。
有益效果:本发明基于多个永磁体按照特殊哈尔巴赫阵列排列的永磁体组和无氧铜一体水冷却装置成功设计的超高真空磁控溅射靶枪,采用Halbach方式排列永磁体组,是小型磁控溅射靶枪的为核心结构和部件,该设计结构简单易于加工,产生定向磁通密度高,均匀性好,可以极大地减小靶枪体积提高真空腔的利用率的同时,还保障了足够的磁场强度,以便可以实现各种非磁金属、半导体和绝缘介电以及强磁材料的薄膜生长。由于该类新型磁控靶枪的电、磁和冷却系统结构结合紧凑,可以在有限真空腔内装载多个靶枪,满足多层薄膜的生长的靶材的制备成本。与目前磁控溅射靶枪相比,具有以下有益技术效果:
(1)体积小,可以在有限的真空腔内装置多个靶枪。本靶枪设计尺寸主要是装载一英寸左右的靶材,装载一英寸靶材的靶枪直径在35mm左右,根据需要还可以设计装载更小或者更大靶材的靶枪。在有限的磁控溅射系统中,提高了真空腔装载的靶枪个数,满足原位沉积多层薄膜的要求,避免暴露空气影响多层模的质量等,此外,圆形平面靶的直径对靶材的利用率影响最大,利用率大约与直径平方成反比关系,因此减小靶材尺寸,也极大提高了靶材的利用率,降低成膜成本。
(2)结构简单。靶枪的设计包括四个部件:基座、绝缘板、磁靶和靶罩。本靶枪采用的是永磁体作为磁体,跟一般靶枪比较不需要线圈加励磁电流。所述靶枪水冷和高压链接件直接安装在标准的CF35的法兰上,可以直接与真空腔体进行连接,非常方便安装和后期维护等。
(3)此外本设计中,水冷却装置也是焊接成一体,这样结构更加精简,在超高真空环境下,保障水冷却效果,能够保证整个磁控镀膜的稳定性和均匀性。
(4)磁场均匀度高,强度极强。本磁控溅射靶枪,永铁磁的排列和各个磁铁尺寸按照磁路理论,经过有限元模拟软件计算优化,永铁磁组采用哈尔巴赫结构排列,使得磁场尽可能均匀,经过霍尔计的测量,所述哈尔巴赫结构的永磁靶枪比之前永磁体靶枪在靶材面的工作磁场高出了一倍左右,所述1英寸靶枪产生的磁场强度高达3000高斯,可以溅射一些铁磁性靶材,例如Fe、Co、Ni等材料。
跟现有的其他永磁体磁控溅射靶枪相比,采用哈尔巴赫阵列永磁体排列方式的磁控靶枪,大部分的磁通量都穿过并且覆盖靶材表面,不会造成大约一半磁通量的浪费,因此产生的磁场强度更强,进而靶枪尺寸可以更小,即便是装载直径一英寸靶材的靶枪也有很强的磁通量穿过靶材。因为采用哈尔巴赫阵列永磁体排列方式的磁控靶枪具有超强磁场,所以这类靶枪不仅可以满足溅射强磁体材料的要求,还可以溅射超厚靶材,并且有效避免低气压下,金属靶材反应溅射时由于溅射速率不高导致靶材表面产生的绝缘膜,无法正常溅射的问题,。另外一方面,减小靶枪靶材尺寸,还可以极大的提高靶材利用率的,极大的降低了靶材成本。另一方面,本发明技术的靶枪结构简单,使用方便,减小靶枪尺寸和制造成本,可以在有限的真空腔内装载多个微小型靶枪,满足了在同一真空腔体中生长多种不同薄膜材料特别是强磁性材料,以一种超高性价比满足当前纳米自旋电子学器件制备和研发需求。
附图说明
图1是本发明的磁控溅射靶枪整体结构示意图。
图2是本发明的磁控溅射靶枪基座的示意图。
图3是本发明的永磁铁组整体结构示意图。
图4是本发明的永磁铁组各个磁体的磁化方向和产生磁感线的截面示意图。
图5是本发明的永磁铁组各个磁体的磁化方向俯视图,其中中间径向磁化磁体18可以是一整块磁体如图5中(a)所示,也可以由多片扇形磁体组合而成如图5中(b)所示。
图6是本发明专利的永磁铁组产生磁场示意图,(a)是沿轴心的截面磁场分布示意图、6(b)是距离磁靶上表面2mm处和(c)距离磁靶下表面2mm处的强度分布图。图6中(b)上表面磁场附近强度远大于图6中(c)下表面磁场强度。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图中说明,1为基座,2为陶瓷绝缘板,3为磁靶,4为靶罩,5为冷却水进水口,6为冷却水出水口,7为射频连接器,8真空陶封电极,9为法兰,10为不锈钢管,11为无氧铜冷头,12为导线,13为螺丝杆,14为陶瓷绝缘端子,15为无氧铜连接件,16为磁靶基座,17为永磁铁1,18为永磁铁2,19为永磁铁3,20为靶材。
为了使本发明的结构、特征和优点更加清晰,结合附图对本发明的磁控溅射靶枪进行更为详细的说明。图1是本发明的磁控溅射靶枪整体结构图,本发明与CN210560702U靶枪专利在真空密封、冷却系统和高压绝缘方面比较相近;包括基座1、绝缘板2、磁靶3和靶罩4。所述磁靶3安置在所述基座1上,所述绝缘板2安装在所述基座1与所述磁靶3之间。在所述磁靶3上还设有靶罩4。在本发明中,绝缘板2采用陶瓷绝缘板,可以承受高温,但也可以换成其他承受高温,导热性能良好的绝缘板,例如蓝宝石材料等。所述磁靶3放置在所述基座1上,所述陶瓷绝缘板2安装在所述基座1与所述磁靶3之间,所述靶罩4套在磁靶外面;
所述基座1包括无氧铜水冷头11、不锈钢管10以及法兰9;所述法兰9焊接在所述不锈钢管10中部位置,所述不锈钢管10的底部连接有冷却水进水口5,在所述不锈钢管10的侧面位于所述法兰9下方位置设置有冷却水出水口6;所述法兰9为圆环形结构,所述不锈钢管10穿过所述法兰9;在所述法兰9上设置有真空陶封电极8,所述真空陶封电极8下端连接高压电源;在所述不锈钢管10顶部焊接有无氧铜水冷头11,在所述无氧铜水冷头上方设有4个M4的螺丝孔,用于链接无氧铜连接件15,所述无氧铜连接件15设有若干通孔,在所述通孔中穿有螺丝杆13,所述螺丝杆13与所述通孔之间通过陶瓷绝缘端子14绝缘;其中一所述螺丝杆13与所述法兰9上设置的所述真空陶封电极8上端通过导线12连接;
所述磁靶3包括磁靶基座16、轴向磁化的环状永磁体17、径向磁化环状或组合环状永磁体18、轴向磁化圆柱型永磁体19及靶材20;所述磁靶基座16由圆柱形的无氧铜加工而成,在所述磁靶基座16内设有用于容纳用磁铁的凹槽,所述凹槽分布在所述磁靶基座16中心位置;轴向磁化的环状永磁体17、径向磁化环状或组合环状永磁体18、轴向磁化圆柱型永磁体19共同组成一个哈尔巴赫阵列结构的永磁铁系统在所述凹槽内;所述靶材20放置在所述永磁体组上方;在所述磁靶基座16下端设有内螺纹孔,在所述绝缘板2上设有相应的通孔,所述螺丝杆13穿过所述陶瓷绝缘端子14、无氧铜水连接件15和绝缘板2,固定在所述磁靶基座16的内螺纹孔上。
图2是本发明的磁控溅射靶枪基座的截面示意图。如图2所示,所述基座1包括无氧铜水冷头11、不锈钢管10以及法兰9。所述法兰9焊接在所述不锈钢管10中部位置,所述不锈钢管10的底部连接有冷却水进水口5,在所述不锈钢管10的侧面位于所述法兰9下方位置设置有冷却水出水口6。在本发明中,在所述不锈钢管10内设置有冷却水管,所述冷却水管的顶端低于所述不锈钢管10顶端,所述冷却水管及所述冷却水管和所述不锈钢管10之间空间形成了冷却水通道。所述冷却水管连接所述冷却水进水口5。所述法兰9为圆环形结构,所述不锈钢管10穿过所述法兰9;在所述法兰9上设置有真空陶封电极8。不同于现有使用靶枪基座结构,本发明的所述真空陶封电极8连接UHF-KF法兰方板连接器7,L16母座射频连接器7的下端连接佩有UHF公头的高压同轴电缆,这一连接更加方便快捷并且安全。在所述不锈钢管10顶部焊接有无氧铜冷头11,所述无氧铜冷头11为上端封闭的圆筒形结构,上端有4个M4的螺纹孔用于连接无氧铜连接件15。本发明为了在真空腔体能够装载尽可能多的靶枪,在所述无氧铜冷头11上连接有无氧铜连接件15,所述无氧铜连接件15为上端设有若干有螺孔,螺丝杆穿过无氧铜连接件直接固定在无氧铜冷头11上。所述螺丝杆13还穿过瓷绝缘端子12,无氧铜冷头连接件11和绝缘板2,固定在所述磁靶基座16的螺纹孔上,将所述基座1、所述绝缘板2和所述磁靶3三部分连接成一体,可以有效把溅射时产生的高温用循环水进行冷却,而通过导线12和螺丝杆13连接磁靶3和真空陶封电极8,可以通过电极8给磁靶3加高的负电压,而与无氧铜冷头绝缘,保证高压直接加在磁靶上,整体安全无漏电,并且保证很好冷却效果。
本发明这种水冷方式结构简单,冷却效率高,完全避免其他靶枪在水冷设计中安装而可能导致漏水引起的安全问题。在本发明中,如果真空腔装载空间允许,所述无氧铜冷头11和所述无氧铜连接件15可以做成一体,更加方便,冷却效率也更有效。
在本发明中,所述法兰9采用不锈钢CF35接口法兰,不溅射时,气密性可以维持超高真空3*10-10torr的要求,杜绝漏气的问题造成靶材中毒的问题。在本发明中,如果对于真空度要求不高,为了减少成本和装载时间,也可以采用其他类型真空法兰接口,例如KF法兰或者ISO法兰。
图3是本发明的永磁铁组整体结构图,是本发明设计的核心。如图4所示,本发明的所述永磁铁组包括三个磁铁:17为一个轴向磁化的环状永磁体,18为一个径向磁化环状或组合环状永磁体,19为一个轴向磁化圆柱型永磁体且三者同心。轴向磁化的环状永磁体在最外环,径向磁化环状或组合环状永磁体在中环,均包裹轴向磁化圆柱型永磁体。在所述磁靶基座16内设有一个用于容纳该磁铁组的凹槽,上述永磁铁组按照哈尔巴赫阵列结构被排列在所述凹槽内。三个永磁铁的形状、大小以及充磁方向经过模拟软件计算优化确定,使得磁场尽可能均匀,并且保证所述小尺寸永磁组在靶材位置产生0.2-0.3特斯拉的磁场强度,以便满足高磁导率材料Fe、Co、Ni以及它们合金材料FeNi、CoFe、CoFeB的磁控溅射沉积。所述模拟计算是基于磁路物理模型,用有限元数值计算软件COMSOL,进行有限元数值进行模拟计算,计算结果在图6中。所述靶材放置在所述永磁体组上方,所述靶罩4为不锈钢靶罩,所述不锈钢靶罩罩在所述磁靶3外,靶罩作为阴极上端内表面与靶材阳极上表面的距离大于2-5mm,另外,靶罩还可以防止靶材溅射时污染临近靶材。
图4是本发明的永磁铁组各个磁体的磁化方向截面示意图。根据哈尔巴赫阵列结构的要求,本发明永磁铁组由同心的一个轴向磁化的环状永磁体,一个径向磁化环状或组合环状永磁体和一个轴向磁化圆柱型永磁体组合而成。如图4中的磁体外部带箭头的曲线是磁力线,磁体内部带箭头的直线表示永磁体的磁化方向,由于各个磁铁间互斥力极强,需要把三个磁铁之间用高真空胶粘合固定组合成一体。所述这种采用哈尔巴赫阵列结构的永磁体组,根据磁通线图的叠加原理,净磁场是每个组成磁体产生的磁场叠加之和。在内外两个沿轴磁化的磁铁之间添加径向辐射磁化磁铁增加永磁体组上方即磁靶附近的磁通量,使得上表面磁通密度远大于下表面,到达定向汇聚磁通的目的。我们同样利用有限元数值计算软件COMSOL进行有限元数值进行模拟计算,结果证明上表面磁场强度如图6(b)所示,远大于下表面磁通密度6(c)。使用哈尔巴赫磁体阵列还使沿着圆柱体的轴方向的溅射轨迹比任普通靶枪磁体阵列更靠近中心线,这有减少低角度溅射几率。当使用具有强磁性材料的靶材或者厚靶材时,一方面靶材的磁力线迹线的密度的增加,可以有效减少材料的浪费,另一方面减少低角度沉积在衬底上的溅射材料的数量,进而减少低角度溅射导致的不良的膜孔隙率。此外,当金属靶材进行反应溅射时,以快速溅射靶,避免与腔室残留气体例如水,氧气反应产生的任何绝缘层,避免极低溅射效率的产生。与普通磁控溅射靶枪相比,使用哈尔巴赫磁体阵列的磁控管溅射靶枪可对较厚的铁磁和非磁性靶材进行溅射,在有限溅射系统的有限空间上安装更多数量的溅射源,使用本靶枪会有更大的靶材利用率和占据极小的空间体积,提高薄膜质量,增加的生长膜效率,减少了用于换靶材的系统停机时间。根据本公开的磁控溅射靶枪特别适合用于制造各种类型的基于薄膜的记录介质,例如磁性和磁光介质,满足各种不同实验条件的要求。
图5是径向磁化环状或组合环状永磁体17的俯视图,磁化方向为径向辐射方向。如图5所示,为了降低加工难度或者加工费用,也可以采用多个径向充磁的扇形磁铁用高真空胶黏合成一体(图5(b))替代原有的一体成型的磁化方向为辐射状的圆环柱型磁铁(图5(a))。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等),这些等同变换均属于本发明的保护。
Claims (5)
1.一种Halbach永磁体结构的磁控溅射靶枪,其特征是,包括水冷部件、磁靶基座、绝缘陶瓷板、磁靶和靶罩;所述基座安装在水冷头上,所述磁靶放置在所述基座上,所述绝缘板安装在所述基座与所述磁靶之间,所述靶罩套在磁靶外面起到溅射高压阴极,以及防止靶材和磁靶污染;
所述磁靶基座由高导热率的无氧铜加工而成,在所述磁靶基座内设有容纳磁铁组的凹槽,起到固定和冷却磁靶的作用;磁靶是由一个轴向磁化的环状永磁体、一个径向磁化环状或组合环状永磁体和一个轴向磁化圆柱型永磁体按照哈尔巴赫阵列结构排列的永磁体组;所述哈尔巴赫永磁铁组放置在所述磁靶基座的凹槽内,所述靶材置于所述永磁体组上方。
2.根据权利要求1所述的Halbach永磁体结构的磁控溅射靶枪,其特征是,在所述磁靶基座下端设有内螺纹孔,在所述绝缘板上设有相应的通孔,所述螺丝杆穿过所述陶瓷绝缘端子、无氧铜水冷头和绝缘板,固定在所述磁靶基座的内螺纹孔上。
3.根据权利要求1所述的Halbach永磁体结构的磁控溅射靶枪,其特征是,所述无氧铜水冷头包括无氧铜冷头和无氧铜连接件两部分;所述无氧铜冷头为上端封闭的圆筒形结构,所述不锈钢管顶部与所述无氧铜冷头密封银焊焊接;在所述无氧铜冷头上用四个M4螺丝链接所述无氧铜连接件,所述圆形无氧铜连接件侧边设有外螺纹,用于安装靶罩,并可以按需调节其与靶材之间的高度,在所述无氧铜连接件外环位置均匀设有若干通孔,其上设置有螺丝杆;其中一螺丝杆与所述法兰上设置的真空陶封电极上端通过导线连接。
4.根据权利要求1所述的Halbach永磁体结构的磁控溅射靶枪,其特征是,所述永磁铁组包括三个磁铁:一个轴向磁化的环状永磁体,一个径向磁化环状或组合环状永磁体,一个轴向磁化圆柱型永磁体且三者同心;轴向磁化的环状永磁体在最外环,径向磁化环状或组合环状永磁体在中环,均包裹轴向磁化圆柱型永磁体。
5.根据权利要求1所述的Halbach永磁体结构的磁控溅射靶枪,其特征是,根据装载空间情况,所述无氧铜冷头和所述无氧铜连接件制备成一体。
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
CN114351104A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-04-15 | 山西金山磁材有限公司 | 一种磁控溅射平面靶磁通装置 |
CN114400125A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-26 | 昆山圆运升传动科技有限公司 | 一种实心柱型磁体阵列及制备方法 |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN2565842Y (zh) * | 2002-07-11 | 2003-08-13 | 中国科学院物理研究所 | 一种平面磁控溅射靶 |
US20030164288A1 (en) * | 2002-03-02 | 2003-09-04 | Shinzo Onishi | Magnetron sputtering target for magnetic materials |
CN102420091A (zh) * | 2011-11-24 | 2012-04-18 | 中国科学院电工研究所 | 一种复合式磁控溅射阴极 |
CN204779787U (zh) * | 2015-07-04 | 2015-11-18 | 厦门烯成新材料科技有限公司 | 一种磁控溅射靶枪 |
CN108149209A (zh) * | 2017-12-26 | 2018-06-12 | 中国科学院电工研究所 | 一种复合式磁控溅射阴极 |
CN110106487A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-08-09 | 上海交通大学 | 一种提高靶材使用率的磁控溅射圆形平面靶枪的磁靶 |
CN110988005A (zh) * | 2019-12-17 | 2020-04-10 | 中国科学技术大学 | 一种真空系统下磁化材料的强永磁体装置 |
CN210560702U (zh) * | 2019-01-30 | 2020-05-19 | 南京大学深圳研究院 | 一种磁控溅射靶枪 |
-
2020
- 2020-11-20 CN CN202011313333.1A patent/CN112831762B/zh active Active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030164288A1 (en) * | 2002-03-02 | 2003-09-04 | Shinzo Onishi | Magnetron sputtering target for magnetic materials |
CN2565842Y (zh) * | 2002-07-11 | 2003-08-13 | 中国科学院物理研究所 | 一种平面磁控溅射靶 |
CN102420091A (zh) * | 2011-11-24 | 2012-04-18 | 中国科学院电工研究所 | 一种复合式磁控溅射阴极 |
CN204779787U (zh) * | 2015-07-04 | 2015-11-18 | 厦门烯成新材料科技有限公司 | 一种磁控溅射靶枪 |
CN108149209A (zh) * | 2017-12-26 | 2018-06-12 | 中国科学院电工研究所 | 一种复合式磁控溅射阴极 |
CN210560702U (zh) * | 2019-01-30 | 2020-05-19 | 南京大学深圳研究院 | 一种磁控溅射靶枪 |
CN110106487A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-08-09 | 上海交通大学 | 一种提高靶材使用率的磁控溅射圆形平面靶枪的磁靶 |
CN110988005A (zh) * | 2019-12-17 | 2020-04-10 | 中国科学技术大学 | 一种真空系统下磁化材料的强永磁体装置 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114400125A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-26 | 昆山圆运升传动科技有限公司 | 一种实心柱型磁体阵列及制备方法 |
CN114351104A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-04-15 | 山西金山磁材有限公司 | 一种磁控溅射平面靶磁通装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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