DD216259B1 - TARGET FOR HIGH-RATE DISTORTION OF FERROMAGNETIC MATERIALS - Google Patents

TARGET FOR HIGH-RATE DISTORTION OF FERROMAGNETIC MATERIALS Download PDF

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DD216259B1 DD25255983A DD25255983A DD216259B1 DD 216259 B1 DD216259 B1 DD 216259B1 DD 25255983 A DD25255983 A DD 25255983A DD 25255983 A DD25255983 A DD 25255983A DD 216259 B1 DD216259 B1 DD 216259B1
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Wolfgang Hempel
Ullrich Heisig
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Johannes Hartung
Harald Bilz
Paul Creutzburg
Juergen Henneberger
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Forschungsinstiut Manfred Von
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Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die Mängel des Standes der Technikzu überwinden, die beim Einsatz ferromagnetischer Materialien als Target für Plasmatron-Zerstäubungsquellen auftreten. Es sollen die Voraussetzungen für das Hochrate-Sputtern ferromagnetischer Materialien in produktiven Sputteranlagen geschaffen werden.The aim of the invention is to overcome the shortcomings of the prior art which occur when using ferromagnetic materials as targets for plasmatron sputtering sources. It is intended to create the conditions for the high-rate sputtering of ferromagnetic materials in productive sputtering systems.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Target zum Hochrate-Zerstäuben ferromagnetischer Materialien zu schaffen, das sich durch hohe Gebrauchsdauer, niedrige spezifische Targetkosten, hohe Zerstäubungsrate und gleichmäßige Schichtdicke auf den zu beschichtenden Werkstücken auszeichnet und in Plasmatron-Quellen üblicher Bauart eingesetzt werden kann. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst daß das Target im Bereich des Ringspaltes der Magneteinrichtung der Plasmatron- Quellen mindestens eine, vorzugsweise jedoch mehrere ringförmig in sich geschlossene ineinanderliegende Nuten besitzt, die parallel zueinander und zum Ringspalt verlaufen. Die Tiefe der Nut beträgt 15 bis 45% der Dicke des Targets und nimmt bei Targets mit mehreren Nuten von innen nach außen je Nut in Stufen von 5 bis 15% der Dicke des Targets zu. Das Verhältnis der Tiefe zur Breite der Nut ist kleiner 1. Die Summe der mittleren Breite der Nuten beträgt 5% bis 20% der Targetbreite bzw. des Targetdurchmessers bei kreisscheibenförmigen Targets. Für die Lage und den Querschnitt der Nuten gilt weiterhin die BeziehungThe invention has for its object to provide a target for high-rate sputtering ferromagnetic materials, which is characterized by high service life, low specific target costs, high sputtering rate and uniform layer thickness on the workpieces to be coated and can be used in Plasmatron sources conventional design. According to the invention the object is achieved in that the target in the region of the annular gap of the magnetic device of the Plasmatron sources has at least one, but preferably a plurality of annular self-contained nested grooves which extend parallel to each other and to the annular gap. The depth of the groove is 15 to 45% of the thickness of the target, and in the multi-groove target from the inside to the outside, increases per groove in increments of 5 to 15% of the thickness of the target. The ratio of the depth to the width of the groove is smaller than 1. The sum of the average width of the grooves is 5% to 20% of the target width or the target diameter for circular disk-shaped targets. For the position and the cross section of the grooves still applies the relationship

Q/(x-x,)dF>0Q / (x-x) dF> 0

Dabei ist χ der Abstand jedes Flächenelementes dF der Querschnittsfläche der Nuten von der Symmetrieachse bzw. dem Mittelpunkt des Targets (für kreisscheibenförmige Targets), x, ist die Koordinate der Mitte des Ringspaltes, und Q bedeutet der gesamte Querschnitt der Nuten. (Die Bezeichnungen sind in Fig. 1 erläutert.)Here, χ is the distance of each surface element dF of the cross-sectional area of the grooves from the axis of symmetry or the center of the target (for circular targets), x, the coordinate of the center of the annular gap, and Q means the entire cross-section of the grooves. (The terms are explained in FIG. 1.)

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, daß das in die Quelle eingesetzte Target durch Magnetisierung im eingebauten Zustand mittels eines kurzzeitig angeschlossenen Hilfs- und Magnetisierungskreises magnetisch gesättigt ist. Diese Targeteigenschaft wird dadurch hergestellt, daß mit an sich bekannten Einrichtungen, z. B. einem Elektromagneten, dessen Erregung durch Kondensatorstoßentladung erfolgt, die Magneteinrichtung gemeinsam mit dem ferromagnetische!! Target im eingebauten Zustand magnetisiert wird.Another feature of the invention is that the target used in the source is magnetically saturated by magnetization in the installed state by means of a temporarily connected auxiliary and magnetizing circuit. This Targeteigenschaft is prepared by using known per se, for. B. an electromagnet whose excitation is done by capacitor shock discharge, the magnetic device together with the ferromagnetic !! Target is magnetized in the installed state.

Die Gestaltung der erfindungsgemäßen Targets scheint dem Ziel der Erfindung entgegengerichtet zu sein, denn das Target hat im Bereich der Erosion, der die Nutzungsdauer bestimmt, seine geringste Dicke. Überraschenderweise wird jedoch durch diese Gestaltung eine höhere Standzeit des Targets erreicht als ohne Nuten. Das hat seine Ursache darin, daß die insgesamt resultierende Ptasmafokussierung auf dem Target durch die Gestaltung des Targets reduziert wird. Bei GestaJtung des Targets mit mehreren Nuten wird die erodierte Targetfläche weiter vergrößert, Zerstäubung findet auch außerhalb der Nuten im Bereich der Stege zwischen jeweils zwei nebeneinanderliegenden Nuten statt. Das Target ist ungeheizt und wassergekühlt, so daß die Curie-Temperatur weit unterschritten bleibt.The design of the targets according to the invention seems to be contrary to the aim of the invention, because the target has its smallest thickness in the area of erosion, which determines the useful life. Surprisingly, however, a higher service life of the target is achieved by this design than without grooves. This is due to the fact that the overall resulting Ptasmafocusing on the target is reduced by the design of the target. GestaJtung the target with multiple grooves, the eroded target surface is further increased, atomization also takes place outside the grooves in the area of the webs between two adjacent grooves. The target is unheated and water-cooled, so that the Curie temperature falls well below.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Targets wird die Erosionszone auf den Bereich für optimale Targetkühlung und optimale Schichtdickenverteilung fixiert.Due to the design of the target according to the invention, the erosion zone is fixed to the region for optimal target cooling and optimum layer thickness distribution.

Ausfuhrungsbeispielexemplary

In der Zeichnung zeigen:In the drawing show:

Fig. 1: ein Target mit Magneteinrichtung im Schnitt, Fig.2: ein Target in Draufsicht.Fig. 1: a target with magnetic device in section, Figure 2: a target in plan view.

In einer kontinuierlich arbeitenden Zerstäubungsanlage sollen Schichten aus einer Eisen-Nickel-Legierung FeNi 50/50 mit hoher Kondepsationsrate auf 0,5 m breiten Werkstücken abgeschieden werden, die zu diesem Zweck durch die Anlage geführt werden. Dazu befindet sich in der Anlage eine Plasmatron-Quelle zum Hochrate-Zerstäuben mit rechteckigem Target aus FeNi mit den Abmessungen 600 mm Länge und 150 mm BreiteIn a continuous sputtering system layers of iron-nickel alloy FeNi 50/50 with high Kondepsationsrate on 0.5 m wide workpieces are deposited, which are led for this purpose through the plant. For this purpose, there is a Plasmatron source for high-rate sputtering with rectangular FeNi target with dimensions of 600 mm length and 150 mm width

Das Target 1 ist erfindungsgemäß wie folgt ausgebildet: The target 1 is formed according to the invention as follows:

Die Targetdicke beträgt außerhalb des Bereiches des Ringspaltes 2 7 mm. Auf der Fläche des Targets 1, auf der die Targeterosion stattfindet, sind zwei ringförmig in sich geschlossene ineinanderliegende Nuten 3 gefräst. Die innere Nut ist 5mm breit, die äußere Nut ebenfalls. Der Steg zwischen den beiden Nuten beträgt 10 mm und liegt symmetrisch zur Mitte zwischen dem Rande des inneren und dem inneren Rand des äußeren Polschuhes 4, die den Ringspalt 2 der Magneteinrichtung der Piasmatronquelle bilden. Die äußere Nut 3 ist 3mm tief und die innere Nut 3 2mm gefräst. Gegenüber konventioneilen Targets 1 ohne Nuten aus diesem Material, die eine maximale Dicke von 2 mm haben dürfen, wird die Gebrauchsdauer des Targets 1 verfünffacht. Die Targeterosion erfolgt genau fixiert im Bereich der beiden Nuten 3 und im Bereich des Steges zwischen den Nuten 3. Dadurch ist eine hohe Schichtgleichmäßigkeit auf den Werkstücken in der vollen Nutzbreite von 0,5m gesichert. Das erfindungsgemäße Target 1 ist durch Magnetisierung im eingebauten Zustand mittels eines kurzzeitig angeschlossenen Magnetisierungskreises, der durch das Target 1 selbst und einen aufgesetzten Elektromagneten gebildet wird, magnetisch gesättigt. In analoger Weise erfolgt die Anordnung einer oder mehrerer Nuten bei Targets aus ferromagnetischen Materialien bei jeder geometrischen Form des Targets.The target thickness is outside the range of the annular gap 2 7 mm. On the surface of the target 1, on which the target erosion takes place, two annular self-contained nested grooves 3 are milled. The inner groove is 5mm wide, the outer groove also. The web between the two grooves is 10 mm and lies symmetrically to the center between the edge of the inner and the inner edge of the outer pole piece 4, which form the annular gap 2 of the magnetic device of Piasmatronquelle. The outer groove 3 is 3mm deep and the inner groove 3 2mm milled. Compared with conventional targets 1 without grooves made of this material, which may have a maximum thickness of 2 mm, the service life of the target 1 is quintupled. The target erosion is precisely fixed in the region of the two grooves 3 and in the region of the web between the grooves 3. This ensures a high layer uniformity on the workpieces in the full useful width of 0.5m. The target 1 according to the invention is magnetically saturated by magnetization in the installed state by means of a briefly connected magnetizing circuit, which is formed by the target 1 itself and an attached electromagnet. In an analogous manner, the arrangement of one or more grooves in targets of ferromagnetic materials is carried out at each geometric shape of the target.

Claims (2)

1. Target zum Hochrate-Zerstäuben ferromagnetischer Materialien mitteis Piasmatronquelle, die eine Magneteinrichtung mit einem Ringspalt besitzt und im Bereich des Ringspaltes mindestens eine in sich geschlossene Nut aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Nut (3) 15% bis 45% der Targetdicke und deren mittlere Breite 5% bis 20% der Targetbreite bzw. des Targetdurchmessers beträgt und deren Verhältnis Tiefe zu Breite kleiner 1 ist, daß für die Lage und den Querschnitt der Nut (3) bzw. Nuten die Beziehung gilt1. Target for high-rate sputtering ferromagnetic materials mitteis Piasmatronquelle having a magnetic device with an annular gap and in the region of the annular gap has at least one self-contained groove, characterized in that the depth of the groove (3) 15% to 45% of the target thickness and whose average width is 5% to 20% of the target width or the target diameter and whose depth-to-width ratio is less than 1, that the position and the cross section of the groove (3) or grooves, the relationship applies Q/(x-xs)dF>0,Q / (xx s ) dF> 0, wobei χ der Abstand jedes Flächenelementes dF der Querschnittsfläche der Nuten von der Symmetrieachse bzw. dem Mittelpunkt des Targets, xs die Koordinate der Mitte des Ringspaltes und Q der gesamte Querschnitt der Nuten bedeuten und daß das Target (1) magnetisch gesättigt ist.where χ is the distance of each surface element dF from the cross-sectional area of the grooves from the axis of symmetry or the center of the target, x s the coordinate of the center of the annular gap and Q the total cross-section of the grooves and that the target (1) is magnetically saturated. 2. Target nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Anordnung mehrerer Nuten (3) deren Tiefe von innen nach außen je Nut (3) in Stufen von 5% bis 15% der Targetdicke zunimmt.2. Target according to claim 1, characterized in that in the arrangement of a plurality of grooves (3) whose depth increases from inside to outside each groove (3) in stages of 5% to 15% of the target thickness. Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung betrifft ein Target zum Hochrate-Zerstäuben ferromagnetischer Materialien mittels Plasmatron-Quellen. Das Aufbringen von Schichten aus ferromagnetischen Materialien, wie Nickel durch Hochrate-Zerstäuben, wird in vielen Industriezweigen, z. B. für die Herstellung von Kontaktschichten für elektronische Bauelemente und als magnetische Speicherschichten, angewendet.The invention relates to a target for high-rate sputtering of ferromagnetic materials by means of plasmatron sources. The application of layers of ferromagnetic materials such as nickel by high rate sputtering is used in many industries, e.g. As for the production of contact layers for electronic components and as magnetic memory layers, applied. Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions Plasmatron-Queilen sind zum Hochrate-Zerstäuben fast aller Materialien geeignet, die sich in fester Form herstellen lassen. Die Gruppe derferromagnetischen Materialien verursacht jedoch als Targetmaterial eine Reihe von Schwierigkeiten. Diese beruhen auf den Rückwirkungen des Ferromagnetismus dieser Materialien auf das Magnetfeld der Plasmatron-Quellen und damit auf den genutzten Wirkmechanismus. Werden ferromagnetische Targets verwendet, die die gleiche Targetdicke wie nichtferromagnetische Targets haben, so erfolgt weitgehend ein magnetischer „Kurzschluß" des wirksamen Magnetfeldes der Quellen durch das Target, und die Quellen sind nicht betriebsfähig. Es werden bisher deshalb nur Targets sehr geringer Dicke verwendet. Die maximal zulässige Dicke ergibt sich daraus, daß nur von der Magneteinrichtung der Quelle erzeugte Fluß im Streufeld über dem ferromagnetischen Target wirksam ist. Entsprechend dem Stand der Technik ergibt das für Ferromagnetika eine maximale Targetdicke von wenigen Millimetern, z.B. Eisen-Nickel 1 bis 2 mm. Entsprechend den physikalischen Eigenschaften von Ferromagnetika tritt beim Betrieb von Quellen mit solchen Targets außerdem durch die fortschreitende Targeterosion eine ständig steigende magnetische Fokussierung der Gasentladung auf. Daraus resultiert eine sehr schmale Erosionszone auf dem Target mit steilwandigem Erosionsgraben und schneller Zunahme der Erosionstiefe. Diese Art der Targeterosion führt zu einer geringen Materialausnutzung des ferromagnetischen Targets mit Hochrate-Zerstäuben. Im Zusammenhang mit der geringen maximalen Targetdicke ist die Gebrauchsdauer des Targets sehr niedrig. Sie erfordert eine häufige Betriebsunterbrechung beim Hochrate-Zerstäuben ferromagnetischer Materialien und verursacht hohe spezifische Targetkosten.Plasmatron Queiles are suitable for high-rate sputtering of almost all materials that can be produced in solid form. However, the group of ferromagnetic materials causes a number of difficulties as the target material. These are based on the repercussions of the ferromagnetism of these materials on the magnetic field of Plasmatron sources and thus on the mechanism of action used. When ferromagnetic targets are used which have the same target thickness as non-ferromagnetic targets, there is a substantial magnetic "short-circuit" of the effective magnetic field of the sources through the target, and the sources are inoperable, so far only very thin targets have been used The maximum permissible thickness results from the fact that only flux generated by the magnetic device of the source is effective in the stray field above the ferromagnetic target According to the prior art, this results in a maximum target thickness of a few millimeters for ferromagnetics, eg iron-nickel 1 to 2 mm. According to the physical properties of ferromagnetics, the operation of sources with such targets, as well as the progressive target erosion, causes a constantly increasing magnetic focus of the gas discharge, resulting in a very narrow erosion zone on the target with a steep erosion trench and faster Increase in erosion depth. This type of target erosion results in low material utilization of the ferromagnetic target with high-rate sputtering. In connection with the low maximum target thickness, the service life of the target is very low. It requires frequent stoppage of high rate sputtering of ferromagnetic materials and causes high specific target costs. Weiterhin tritt durch ferromagnetische Targets eine Deformation des Magnetfeldes der Plasmatron-Quellen auf. Sie führt zu einer Verschiebung von Teilen der Erosionszone auf dem Target aus dem Bereich der Mitte des Ringspaltes, in dem optimale Targetkühlung erreicht wird, in einen Targetbereich nahe dem mittleren Polschuh der Magneteinrichtung, in dem das Target prinzipiell schlechter gekühlt werden kann. Daraus resultiert eine Reduzierung der anwendbaren Leistungsdicke und eine Zerstäubungsrate für die Quelle auf einen, insbesondere für schlecht wärmeleitende Ferromagnetika, kritisch niedrigen Wert. Infolgedessen ergibt sich eine Verschlechterung der Schichtdickenverteilung auf den beschichteten Werkstücken. Es ist versucht worden, für ferromagnetische Materialien spezielle Plasmatron-Quellen mit extrem starken Magneteinrichtungen zu schaffen. Dieser Weg führt zu sehr hohem Aufwand, wobei die genannten Schwierigkeiten nur teilweise überwunden werden.Furthermore, ferromagnetic targets cause a deformation of the magnetic field of the plasmatron sources. It leads to a shift of parts of the erosion zone on the target from the region of the center of the annular gap, in which optimal target cooling is achieved, in a target region near the middle pole piece of the magnetic device, in which the target can in principle be cooled worse. This results in a reduction of the applicable power thickness and a sputtering rate for the source to a critically low value, in particular for poorly thermally conductive ferromagnetics. As a result, there is a deterioration of the coating thickness distribution on the coated workpieces. Attempts have been made to provide special sources of plasmatron with extremely strong magnetic devices for ferromagnetic materials. This path leads to very high effort, the difficulties mentioned are only partially overcome. Es ist auch bekannt, die Targettemperatur bis über die Curie-Temperatur des Targetmaterials zu erhöhen, so daß das Target seine ferromagnetischen Eigenschaften verliert. Damit ist jedoch nicht nur ein höherer gerätetechnischer Aufwand für die Piasmatronquelle und das Einbringen von Gräben als Barrieren für die Wärmeleitfähigkeit verbunden, sondern auch ein kompliziertes Betriebsregime und eine hohe, nur in Ausnahmefällen akzeptable thermische Belastung der zu beschichtenden Werkstücke (US-PS 4.299.678).It is also known to increase the target temperature to above the Curie temperature of the target material so that the target loses its ferromagnetic properties. However, this is not only a higher technical equipment expense for the Piasmatronquelle and the introduction of trenches as barriers for the thermal conductivity associated, but also a complicated operating regime and a high, only in exceptional cases acceptable thermal load of the workpieces to be coated (US-PS 4,299,678 ). Schließlich wurde auch versucht, die maximal mögliche Targetdicke nur partiell im angestrebten Erosionsbereich des ferromagnetischen Targets zu erhöhen. Damit wird bei gegebener Magneteinrichtung die Targetdicke, bei der noch magnetische Sättigung erreicht wird, größer. Hierbei stellt sich der Mangel heraus, daß es zu starker Deformation des Magnetfeldes auf der Targetfläche führt, wobei sich die Erosionszone in den Targetbereich geringer Dicke verschiebt und daraus keine Erhöhung der Gebrauchsdauer des Targets resultiert.Finally, attempts have been made to increase the maximum possible target thickness only partially in the targeted erosion region of the ferromagnetic target. Thus, for a given magnetic device, the target thickness at which magnetic saturation is still achieved becomes larger. Here, the shortcoming arises that it leads to strong deformation of the magnetic field on the target surface, wherein the erosion zone shifts into the target region of small thickness and resulting in no increase in the useful life of the target. Somit ist es bisher nicht gelungen, die Schwierigkeiten beim Hochrate-Zerstäuben von Ferromagnetika zu überwinden, so daß sich Verfahren und Anlagen zum Hochrate-Sputtern von Ferromagnetika bisher nicht durchgesetzt haben.Thus, it has not been possible to overcome the difficulties in high-rate sputtering of ferromagnetics, so that methods and systems for high-rate sputtering of ferromagnetics have not been enforced.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19819933A1 (en) * 1998-05-05 1999-11-11 Leybold Systems Gmbh Target for a cathode sputtering device for producing thin layers

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DE19819933A1 (en) * 1998-05-05 1999-11-11 Leybold Systems Gmbh Target for a cathode sputtering device for producing thin layers

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