Sotto l'influenza di campi elettromagnetici reciprocamente perpendicolari, gli elettroni si muovono in modo cicloidale e sono legati alla superficie bersaglio, il che prolunga la loro traiettoria nel plasma e aumenta la loro partecipazione al processo di collisione e ionizzazione delle molecole di gas, ionizzando più ioni e migliorando la velocità di ionizzazione del gas. Lo scarico può essere mantenuto anche a una pressione del gas inferiore. Pertanto, lo sputtering del magnetron non solo riduce la pressione del gas durante il processo di sputtering, ma migliora anche l'efficienza dello sputtering e il tasso di deposizione.
Tuttavia, lo sputtering bilanciato del magnetron presenta anche degli svantaggi. Ad esempio, a causa del campo magnetico, gli elettroni generati dalla scarica luminescente e gli elettroni secondari spruzzati sono strettamente confinati in prossimità della superficie bersaglio dal campo magnetico parallelo. La regione del plasma è fortemente confinata ad un'area di circa 60 mm sulla superficie target. All’aumentare della distanza dalla superficie bersaglio, la concentrazione plasmatica diminuisce rapidamente. A questo punto, il pezzo può essere posizionato solo entro un intervallo di 50–100 mm sulla superficie target del magnetron per migliorare l'effetto del bombardamento ionico.
Questa breve area di rivestimento effettiva limita le dimensioni geometriche del pezzo da rivestire, rendendolo inadatto a pezzi più grandi o carichi di forni, limitando così l'applicazione della tecnologia di spruzzatura del magnetron. Inoltre, durante lo sputtering bilanciato del magnetron, le particelle bersaglio espulse hanno un'energia inferiore, con conseguente scarsa forza di legame del film-substrato. Gli atomi depositati a bassa-energia hanno una bassa mobilità sulla superficie del substrato, formando facilmente pellicole sottili porose, ruvide e colonnari. Sebbene l'aumento della temperatura del pezzo possa migliorare la struttura e le proprietà della pellicola, in molti casi il materiale stesso del pezzo non può sopportare l'elevata temperatura richiesta.
L'emergere di uno sputtering sbilanciato del magnetron supera parzialmente i limiti sopra-menzionati. Dirige il plasma dalla superficie del bersaglio del catodo fino a un intervallo di 200–300 mm davanti al bersaglio di sputtering, immergendo il substrato nel plasma, come mostrato nella figura. In questo modo, da un lato, gli atomi e le particelle polverizzate si depositano sulla superficie del substrato per formare una pellicola sottile; d'altra parte, il plasma bombarda il substrato con una certa energia, agendo come un agente di deposizione assistita da fasci ionici-, migliorando notevolmente la qualità del film.
Squilibratosistemi di sputtering magnetronhanno due strutture. Un tipo ha un'intensità del campo magnetico maggiore nel nucleo rispetto all'anello esterno e le linee del campo magnetico non sono chiuse, ma vengono attirate verso la parete della camera a vuoto, con conseguente bassa densità di plasma sulla superficie del substrato. Pertanto, questo metodo viene utilizzato raramente. Un altro metodo prevede un'intensità del campo magnetico dell'anello esterno superiore all'intensità del campo magnetico del nucleo. Le linee del campo magnetico non formano un circuito completamente chiuso, con alcune linee del campo magnetico dell'anello esterno che si estendono fino alla superficie del substrato. Ciò consente ad alcuni elettroni secondari di fuoriuscire dalla regione superficiale bersaglio lungo le linee del campo magnetico e di scontrarsi con particelle neutre, ionizzandole.
Il plasma non è più completamente confinato nella regione superficiale target ma può raggiungere la superficie del substrato, aumentando ulteriormente la concentrazione di ioni nell'area di deposizione e aumentando la densità di corrente ionica del substrato, che in genere raggiunge oltre 5 mA/cm². In questo modo la sorgente di sputtering agisce anche come sorgente di ioni bombardando la superficie del substrato. La densità di corrente del fascio ionico del substrato è proporzionale alla densità di corrente target. L'aumento della densità di corrente target porta a un tasso di deposizione più elevato, mentre l'aumento della densità di corrente del fascio ionico del substrato fornisce un certo effetto di bombardamento sulla superficie della pellicola depositata.
Il bombardamento ionico sbilanciato con magnetron sputtering può pulire lo strato di ossido e altre impurità sul pezzo prima del rivestimento, attivare la superficie del pezzo e formare uno pseudo-strato di diffusione sulla superficie del pezzo, che aiuta a migliorare l'adesione tra la pellicola e la superficie del pezzo. Durante il processo di rivestimento, il bombardamento di particelle cariche energetiche può raggiungere lo scopo di modificare il film. Ad esempio, il bombardamento ionico tende a staccare dalla pellicola le particelle poco legate e sporgenti, interrompendo la crescita dominante dello stato cristallino o condensato della pellicola, producendo così una pellicola più densa, più uniforme e più uniforme e può depositare rivestimenti ad alte-prestazioni a temperature più basse.
L'applicazione della tecnologia di deposizione sotto vuoto con magnetron sputtering sbilanciato ha risolto il problema della deposizione di film densi e complessi riscontrati nello sputtering con magnetron bilanciato. Tuttavia, è difficile depositare pellicole uniformi su substrati complessi utilizzando un singolo bersaglio magnetron sbilanciato. Inoltre, quando gli elettroni volano verso il substrato, alcuni elettroni vengono adsorbiti sulle pareti della camera a vuoto mentre l’intensità del campo magnetico si indebolisce, portando ad una diminuzione delle concentrazioni di elettroni e ioni. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato sistemi di sputtering del magnetron sbilanciato multi-target per superare le carenze dello sputtering del magnetron sbilanciato a-bersaglio singolo. I sistemi di sputtering con magnetron sbilanciato multi-target possono essere suddivisi in sputtering di magnetron sbilanciato con campo magnetico chiuso con poli magnetici adiacenti opposti tra loro e sputtering di magnetron sbilanciato con campo magnetico a specchio con poli magnetici adiacenti identici tra loro, come mostrato nella figura per il campo magnetico chiuso a target doppio-e il campo magnetico a specchio a target doppio-.
Confrontando le distribuzioni del campo magnetico delle coppie di target a campo chiuso-non-in equilibrio e delle coppie di target a specchio, si può vedere che la differenza del campo magnetico non è significativa vicino alla superficie del target. Il campo magnetico trasversale tra i poli magnetici interno ed esterno confina gli elettroni, formando una regione del catodo di plasma altamente ionizzata. All'interno di questa regione, gli ioni positivi emettono fortemente e incidono la superficie del bersaglio, emettendo un gran numero di particelle bersaglio che volano verso la superficie del substrato. Sui poli magnetici dell'anello interno ed esterno, specialmente sui poli magnetici più forti dell'anello esterno, domina il campo magnetico longitudinale, che diventa il canale principale attraverso il quale gli elettroni secondari fuoriescono dalla superficie bersaglio.
Questo diventa il canale principale per il trasporto delle particelle cariche nell'area di rivestimento. Confrontando la distribuzione del campo magnetico dei campi magnetici chiusi e dei campi magnetici a specchio all'interno dell'area del rivestimento si rileva una differenza significativa. Per le coppie di target speculari, a causa della repulsione reciproca tra i due campi magnetici target, i campi magnetici longitudinali sono costretti a piegarsi verso l'esterno dall'area di rivestimento (parete della camera a vuoto), facendo sì che gli elettroni vengano guidati verso la parete della camera a vuoto e si perdano, riducendo così il numero complessivo di elettroni e successivamente di ioni.
Poiché il metodo del campo magnetico a specchio non può confinare efficacemente gli elettroni, l'efficienza dello sputtering del plasma non viene migliorata. Al contrario, il campo magnetico longitudinale di una coppia di target non in equilibrio con campo magnetico chiuso è chiuso all'interno dell'area di rivestimento. Finché l’intensità del campo magnetico è sufficiente, gli elettroni possono spostarsi solo tra l’area di rivestimento e i due target, evitando la perdita di elettroni e aumentando così la concentrazione di ioni nell’area di rivestimento, migliorando significativamente l’efficienza dello sputtering.
