Beeinflussung zylindersymmetrischer Dauermagnetfelder durch erwünschte und unerwünschte Gleichfelder

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In technischen Geräten werden zur Erzeugung magnetischer Gleichfelder in steigendem Umfang Permanentmagnete eingesetzt. Dieser Trend wurde in den letzten Jahren und Jahrzehnten durch die Entwicklungen auf dem Gebiet der Seltenerd-Dauermagnete verstärkt und birgt noch große Reserven. Während klassische Hartferrite Remanenzinduktionen von maximal 0,4 T aufweisen, bringen es moderne NdFeB-Magnetwerkstoffe auf Br-Werte zwischen 1,4 und 1,5 T. Allerdings ist es bei vielen Anwendungen notwendig, den Feldverlauf oder die Stärke des Magnetfeldes in Abhängigkeit anderer Prozessparameter zu steuern. Dazu werden am magnetischen Kreis Steuerspulen angebracht, über deren Strom das Magnetfeld gezielt beeinflusst werden kann. Neben Anordnungen mit relativ geschlossenen Magnetkreisen und hohen Flussdichten, z.B. bei magnetischen Bremsen und Kupplungen, gibt es viele Anforderungen, bei denen relativ schwache Magnetfelder in Luftgebieten erzeugt werden müssen. Oft können in diesen Fällen aus funktionellen oder konstruktiven Gründen die ferromagnetischen Teile die Führung des Magnetflusses nicht bis in das Wirkungsgebiet übernehmen. Ein typisches Beispiel ist die Steuerung von Magnetfeldern in Sputterquellen. Das sogenannte Magnetronsputtern ist in der Mikroelektronik das meistgenutzte Verfahren zur Erzeugung von dünnen Metallschichten. Hier müssen die vom Magnetkreis erzeugten Felder relativ lange Wegstrecken in Luft bzw. in nichtferromagnetischen Konstruktionsteilen zurücklegen. Ziel der Steuerung ist es, an der Oberfläche eines Targets den Tangentenpunkt des Magnetfeldes in einem möglichst weiten Bereich zu verschieben. An diesem Punkt, an dem das Feld parallel zur Targetoberfläche verläuft, erfolgt der Abtrag des Materials, der im Target den Sputtergraben hinterlässt. Es ist leicht einzusehen, dass die Verschiebbarkeit des Tangentenpunktes unmittelbar die Standzeit des oft sehr teuren Targets beeinflusst. Untersuchungen zur Steuerung von Sputterquellen mit rein elektrischer Erregung wurden bereits publiziert. Inzwischen werden Magnetfelder in solchen Quellen fast ausschließlich mit Permanentmagneten erzeugt. Dabei werden aber zum Teil aufwändige mechanische Konstruktionen benötigt, um die Lage der Magnete und damit des Tangentenpunktes im Prozessverlauf zu verändern. Eine flexiblere und robustere Methode bietet sich mit der Kombination von permanentmagnetischer und elektrischer Erregung des erforderlichen Magnetfeldes an. In diesem Artikel werden grundsätzliche Abhängigkeiten bei der magnetischen Beeinflussung des Tangentenpunktes von Sputterquellen untersucht.