一种Halbach永磁体结构的磁控溅射靶枪制造技术

本发明专利技术公开了一种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。

【技术实现步骤摘要】
一种Halbach永磁体结构的磁控溅射靶枪
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术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，本专利技术在专利号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。本专利技术技术方案：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：本专利技术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。靶枪的设计包本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈丽娜，刘荣华，都有为，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32