Bajo la influencia de campos electromagnéticos mutuamente perpendiculares, los electrones se mueven de manera cicloidal y se unen a la superficie objetivo, lo que prolonga su trayectoria en el plasma y aumenta su participación en la colisión y el proceso de ionización de las moléculas de gas, ionizando más iones y mejorando la tasa de ionización del gas. La descarga se puede mantener incluso con una presión de gas más baja. Por lo tanto, la pulverización catódica con magnetrón no sólo reduce la presión del gas durante el proceso de pulverización catódica, sino que también mejora la eficiencia de la pulverización catódica y la tasa de deposición.
Sin embargo, la pulverización catódica equilibrada con magnetrón también tiene sus inconvenientes. Por ejemplo, debido al campo magnético, los electrones generados por la descarga luminosa y los electrones secundarios pulverizados quedan estrechamente confinados en las proximidades de la superficie objetivo por el campo magnético paralelo. La región del plasma está fuertemente confinada a un área de aproximadamente 60 mm en la superficie objetivo. A medida que aumenta la distancia desde la superficie objetivo, la concentración plasmática disminuye rápidamente. En este punto, la pieza de trabajo sólo se puede colocar dentro de un rango de 50 a 100 mm en la superficie objetivo del magnetrón para mejorar el efecto del bombardeo de iones.
Esta corta área de recubrimiento efectiva limita las dimensiones geométricas de la pieza a recubrir, haciéndola inadecuada para piezas de trabajo o cargas de horno más grandes, restringiendo así la aplicación de la tecnología de pulverización catódica con magnetrón. Además, durante la pulverización catódica equilibrada con magnetrón, las partículas objetivo expulsadas tienen menor energía, lo que da como resultado una fuerza de unión deficiente del sustrato de la película-. Los átomos depositados de baja-energía tienen baja movilidad en la superficie del sustrato, formando fácilmente películas delgadas columnares, rugosas y porosas. Si bien aumentar la temperatura de la pieza de trabajo puede mejorar la estructura y las propiedades de la película, en muchos casos, el material de la pieza de trabajo en sí no puede soportar la alta temperatura requerida.
La aparición de la pulverización catódica desequilibrada supera parcialmente las deficiencias-mencionadas anteriormente. Dirige el plasma desde la superficie del objetivo del cátodo a un rango de 200 a 300 mm delante del objetivo de pulverización, sumergiendo el sustrato en el plasma, como se muestra en la figura. De esta manera, por un lado, los átomos y partículas pulverizados se depositan sobre la superficie del sustrato para formar una película delgada; por otro lado, el plasma bombardea el sustrato con una determinada energía, actuando como un agente de deposición asistida por haz de iones-, mejorando enormemente la calidad de la película.
Desequilibradosistemas de pulverización catódica con magnetróntener dos estructuras. Un tipo tiene una mayor intensidad de campo magnético en el núcleo que en el anillo exterior, y las líneas del campo magnético no están cerradas, siendo atraídas hacia la pared de la cámara de vacío, lo que resulta en una baja densidad de plasma en la superficie del sustrato. Por lo tanto, este método rara vez se utiliza. Otro método implica una intensidad del campo magnético del anillo exterior superior a la intensidad del campo magnético del núcleo. Las líneas del campo magnético no forman un bucle completamente cerrado, y algunas de las líneas del campo magnético del anillo exterior se extienden hasta la superficie del sustrato. Esto permite que algunos electrones secundarios escapen de la región de la superficie objetivo a lo largo de las líneas del campo magnético y choquen con partículas neutras, ionizándolas.
El plasma ya no está completamente confinado a la región de la superficie objetivo, sino que puede alcanzar la superficie del sustrato, lo que aumenta aún más la concentración de iones en el área de deposición y eleva la densidad de corriente iónica del sustrato, que normalmente alcanza más de 5 mA/cm². De esta manera, la fuente de pulverización también actúa como una fuente de iones que bombardea la superficie del sustrato. La densidad de corriente del haz de iones del sustrato es proporcional a la densidad de corriente objetivo. Una mayor densidad de corriente objetivo conduce a una mayor tasa de deposición, mientras que una mayor densidad de corriente del haz de iones del sustrato proporciona un cierto efecto de bombardeo sobre la superficie de la película depositada.
El bombardeo de iones de pulverización catódica desequilibrado con magnetrón puede limpiar la capa de óxido y otras impurezas de la pieza de trabajo antes del recubrimiento, activar la superficie de la pieza de trabajo y formar una capa de pseudo-difusión en la superficie de la pieza de trabajo, lo que ayuda a mejorar la adhesión entre la película y la superficie de la pieza de trabajo. Durante el proceso de recubrimiento, el bombardeo de partículas cargadas de energía puede lograr el propósito de modificar la película. Por ejemplo, el bombardeo iónico tiende a desprender las partículas sueltas y que sobresalen de la película, interrumpiendo el crecimiento dominante del estado cristalino o condensado de la película, produciendo así una película más densa, más uniforme y más uniforme, y puede depositar recubrimientos de alto-rendimiento a temperaturas más bajas.
La aplicación de la tecnología de deposición al vacío por pulverización catódica con magnetrón desequilibrado ha resuelto el problema de depositar películas densas y complejas que se encuentran en la pulverización catódica con magnetrón equilibrado. Sin embargo, es difícil depositar películas uniformes sobre sustratos complejos utilizando un único objetivo de magnetrón desequilibrado. Además, a medida que los electrones vuelan hacia el sustrato, algunos electrones son adsorbidos en las paredes de la cámara de vacío a medida que la intensidad del campo magnético se debilita, lo que lleva a una disminución en las concentraciones de electrones e iones. Para abordar esto, los investigadores han desarrollado sistemas de pulverización catódica con magnetrones desequilibrados de múltiples-objetivos para superar las deficiencias de la pulverización catódica con magnetrones desequilibrados de un solo-objetivo. Los sistemas de pulverización catódica con magnetrón desequilibrado de múltiples-objetivos se pueden dividir en pulverización catódica con magnetrón desequilibrado de campo magnético cerrado con polos magnéticos adyacentes opuestos entre sí y pulverización catódica con magnetrón desequilibrado de campo magnético en espejo con polos magnéticos adyacentes idénticos entre sí, como se muestra en la figura para el campo magnético cerrado de doble-objetivo y el campo magnético de espejo de doble-objetivo.
Al comparar las distribuciones del campo magnético de los pares de objetivos en desequilibrio-de campo cerrado-y los pares de objetivos en espejo, se puede observar que la diferencia del campo magnético no es significativa cerca de la superficie del objetivo. El campo magnético transversal entre los polos magnéticos interior y exterior confina los electrones, formando una región catódica de plasma altamente ionizada. Dentro de esta región, los iones positivos chisporrotean fuertemente y graban la superficie objetivo, lanzando una gran cantidad de partículas objetivo que vuelan hacia la superficie del sustrato. En los polos magnéticos de los anillos interior y exterior, especialmente en los polos magnéticos más fuertes del anillo exterior, domina el campo magnético longitudinal, convirtiéndose en el canal principal para que los electrones secundarios escapen de la superficie objetivo.
Este se convierte en el canal principal para transportar partículas cargadas al área de recubrimiento. La comparación de la distribución del campo magnético de los campos magnéticos cerrados y los campos magnéticos especulares dentro del área de recubrimiento revela una diferencia significativa. Para los pares de objetivos de espejo, debido a la repulsión mutua entre los dos campos magnéticos objetivo, los campos magnéticos longitudinales se ven obligados a doblarse hacia afuera desde el área de recubrimiento (pared de la cámara de vacío), lo que hace que los electrones sean guiados hacia la pared de la cámara de vacío y se pierdan, reduciendo así el número total de electrones y posteriormente de iones.
Debido a que el método del campo magnético especular no puede confinar eficazmente los electrones, la eficiencia de la pulverización catódica del plasma no mejora. Por el contrario, el campo magnético longitudinal de un par de objetivos en desequilibrio de campo magnético cerrado está cerrado dentro del área de recubrimiento. Siempre que la intensidad del campo magnético sea suficiente, los electrones sólo pueden moverse entre el área de recubrimiento y los dos objetivos, evitando la pérdida de electrones y aumentando así la concentración de iones en el área de recubrimiento, mejorando significativamente la eficiencia de la pulverización catódica.
