[發明專利]一種Halbach永磁體結構的磁控濺射靶槍

有效

• 申請號: 202011313333.1
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112831762B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 陳麗娜;劉榮華;都有為
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;H01F41/18
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

本發明公開了一種Halbach永磁體結構的磁控濺射靶槍，包括水冷部件、磁靶基座、絕緣陶瓷板、磁靶和靶罩；所述基座安裝在水冷頭上，所述磁靶放置在所述基座上，所述絕緣板安裝在所述基座與所述磁靶之間，所述靶罩套在磁靶外面，作為濺射高壓陰極，并起到防止靶材和磁靶污染的作用；所述磁靶基座由高導熱率的無氧銅加工而成，在所述磁靶基座內設有容納磁鐵組的凹槽，起到固定和冷卻磁靶的作用；磁靶是由一個軸向磁化的環狀永磁體、一個徑向磁化環狀或組合環狀永磁體和一個軸向磁化圓柱型永磁體按照哈爾巴赫陣列結構排列的永磁體組；所述哈爾巴赫永磁鐵組放置在所述磁靶基座的凹槽內，所述靶材置于所述永磁體組上方。

技術領域

本發明涉及一種磁控濺射靶槍，尤其涉及一種高磁通量、可濺射各種強磁材料、可以在超高真空腔體使用的磁控濺射靶槍。

背景技術

磁控濺射鍍膜是一種物理氣相沉積濺射制備金屬、半導體、絕緣體，磁性和非磁性等各種材料薄膜的鍍膜方法。磁控濺射設備相對簡單易于控制，并且鍍膜速度快、均勻性好、密度高和附著力強等優點，是一種十分有效的薄膜沉積方法，在各個工業領域應用非常廣泛，特別是半導體行業和下一代新型自旋電子學器件領域。

磁控濺射系統中，磁控濺射靶槍是核心部件，磁控濺射靶槍的穩定性對成膜效果起到一定作用，而對成膜效果起到關鍵作用則是產生磁場的電磁鐵或者永磁體。基于電磁鐵的大型磁控濺射靶槍，滿足了工業上大面積的物理沉積鍍膜的要求，但是其結構復雜，配件多，體積大，制造、使用和維護成本高，導致其無法滿足高校科研院所等科研單位在有限的真空腔內裝載盡可能多磁控靶腔來滿足各種探索性實驗的要求。科研探索很大一部分研究基于各類強鐵磁材料薄膜基礎之上加工和制備，科研單位需要的是能夠濺射強磁材料小尺寸的磁控濺射靶槍。國內一些基于永磁體磁控濺射靶槍，雖然也有裝載較小靶材的小尺寸磁控濺射靶槍，但是由于常規磁體組件提供的磁通量的大約一半穿過并覆蓋靶材表面，而大約一半的磁通量穿過與磁體組件的下端無法使用。在許多濺射沉積應用中，磁通量大量損失造成了。這些靶槍廣泛存在磁場強度不夠強，控濺普通材料薄靶材下，可以提供滿足需要的磁場(大于1000Oe)的磁場，但是當濺射諸如坡莫合金這類高磁率的磁性材料時，強磁靶材會使磁通量分流并阻止大多數磁通到達表面，不能在靶材上方產生有效的局域磁場，產生和維持濺射等離子體。此外，在濺射軟磁性材料時，使用厚靶靶材時，也會造成表面磁通量較低，在低氣體壓力下導致無法維持濺射等離子體進而無法濺射的問題。在對金屬靶材進行反應濺射時，添加反應性氣體時，在靶材表面會產生低密度的離子通量，容易形成表面化合物，降低濺射速率至零。例如專利號為CN210560702U的專利文獻提供了一種結構簡單的磁控濺射靶槍，但這種永磁排列結構的磁控濺射靶槍，當尺寸縮小到安裝直徑1英寸左右靶材時，其產生磁場強度不能到達濺射工作磁場要求，因此無法濺射沉積強鐵磁材料體系。鑒于前述內容，顯然需要改進的磁控濺射陰極/靶組件，需要足夠的磁通量來產生等離子體，保持靶表面組份，形成具有所需最佳特性的薄膜。為了解決這一技術難題，我們設計和驗證了一種Halbach永磁體結構的磁控濺射靶槍。

哈爾巴赫(Halbach)陣列結構構成的永磁體體系，是通過將多個具有不同磁化方向的永磁體按照一定規律排列，使得這種具有特殊結構的永磁體體系能夠在一側增強磁通密度，而在另一側削弱磁通密度，從而實現通過定向匯聚磁場，在靶材位置獲得很更高的磁場強度。哈爾巴赫陣列結構的永磁體在其強側表面的磁場強度約為傳統磁鐵排列的1.4-2倍，哈爾巴赫陣列結構最早是應用在大型同步輻射加速器的永磁體系中。

發明內容

發明目的：本發明為了解決現有小尺寸永磁體磁控濺射靶槍磁場強度不夠，無法在低的濺射氣壓下生長強磁材料的缺陷，本發明在專利號CN210560702U靶槍專利的基礎上對最核心部分永磁鐵組做了重要大的改進，提出采用哈爾巴赫陣列結構的永磁體排列方式設計了一種微小型磁控濺射靶槍，解決現有線圈型磁控濺射靶槍技術中靶槍大，結構復雜問題。