Под действием взаимно перпендикулярных электромагнитных полей электроны движутся циклоидально и связываются с поверхностью мишени, что удлиняет их траекторию в плазме и увеличивает их участие в столкновении и процессе ионизации молекул газа, ионизуя большее количество ионов и улучшая скорость ионизации газа. Разрядку можно поддерживать даже при более низком давлении газа. Таким образом, магнетронное распыление не только снижает давление газа в процессе распыления, но также повышает эффективность распыления и скорость осаждения.
Однако сбалансированное магнетронное распыление имеет и свои недостатки. Например, из-за магнитного поля электроны, генерируемые тлеющим разрядом, и распыленные вторичные электроны плотно удерживаются вблизи поверхности мишени параллельным магнитным полем. Область плазмы строго ограничена площадью около 60 мм на поверхности мишени. По мере увеличения расстояния от поверхности мишени концентрация плазмы быстро уменьшается. На этом этапе заготовку можно разместить только на расстоянии 50–100 мм от поверхности мишени магнетрона для усиления эффекта ионной бомбардировки.
Эта короткая эффективная площадь покрытия ограничивает геометрические размеры покрываемой детали, что делает ее непригодной для более крупных заготовок или нагрузок в печи, что ограничивает применение технологии магнетронного распыления. Кроме того, во время сбалансированного магнетронного распыления выбрасываемые частицы мишени имеют меньшую энергию, что приводит к плохой прочности сцепления пленки с подложкой. Осажденные атомы с низкой-энергией имеют низкую подвижность на поверхности подложки, легко образуя пористые, шероховатые, столбчатые тонкие пленки. Хотя повышение температуры заготовки позволяет улучшить структуру и свойства пленки, во многих случаях сам материал заготовки не может выдержать требуемую высокую температуру.
Появление несбалансированного магнетронного распыления частично нивелирует указанные выше недостатки. Он направляет плазму от поверхности катодной мишени на расстояние 200–300 мм перед распыляемой мишенью, погружая подложку в плазму, как показано на рисунке. Таким образом, с одной стороны, распыленные атомы и частицы осаждаются на поверхности подложки, образуя тонкую пленку; с другой стороны, плазма бомбардирует подложку определенной энергией, действуя как агент осаждения с помощью ионного луча, что значительно улучшает качество пленки.
Несбалансированныйсистемы магнетронного распыленияиметь две структуры. Один тип имеет более высокую напряженность магнитного поля в сердечнике, чем во внешнем кольце, а силовые линии магнитного поля не замкнуты, притягиваясь к стенке вакуумной камеры, что приводит к низкой плотности плазмы на поверхности подложки. Поэтому этот метод используется редко. Другой метод предполагает, что напряженность магнитного поля внешнего кольца выше, чем напряженность магнитного поля сердечника. Силовые линии магнитного поля не образуют полностью замкнутую петлю, при этом некоторые силовые линии внешнего кольца доходят до поверхности подложки. Это позволяет некоторым вторичным электронам покинуть область поверхности мишени вдоль силовых линий магнитного поля и столкнуться с нейтральными частицами, ионизируя их.
Плазма больше не ограничивается полностью областью поверхности мишени, но может достигать поверхности подложки, еще больше увеличивая концентрацию ионов в области осаждения и повышая плотность ионного тока подложки, обычно достигающую более 5 мА/см². Таким образом, источник распыления также действует как источник ионов, бомбардирующих поверхность подложки. Плотность тока ионного пучка подложки пропорциональна плотности тока мишени. Увеличение плотности тока мишени приводит к более высокой скорости осаждения, а увеличение плотности тока ионного пучка подложки обеспечивает определенный эффект бомбардировки поверхности осаждаемой пленки.
Несбалансированная ионная бомбардировка магнетронного распыления позволяет очистить оксидный слой и другие загрязнения на заготовке перед нанесением покрытия, активировать поверхность заготовки и сформировать псевдо-диффузионный слой на поверхности заготовки, что помогает улучшить адгезию между пленкой и поверхностью заготовки. В процессе нанесения покрытия бомбардировка энергичными заряженными частицами может привести к модификации пленки. Например, ионная бомбардировка имеет тенденцию отслаивать от пленки слабосвязанные и выступающие частицы, прерывая преобладающий рост кристаллического или конденсированного состояния пленки, тем самым создавая более плотную, более однородную и однородную пленку и способную наносить высокоэффективные покрытия при более низких температурах.
Применение технологии вакуумного осаждения несбалансированного магнетронного распыления позволило решить проблему нанесения плотных и сложных пленок, возникающую при сбалансированном магнетронном распылении. Однако нанесение однородных пленок на сложные подложки с использованием одной несбалансированной магнетронной мишени затруднительно. Более того, когда электроны летят к подложке, часть электронов адсорбируется на стенках вакуумной камеры по мере ослабления напряженности магнитного поля, что приводит к уменьшению концентрации электронов и ионов. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали системы несбалансированного магнетронного распыления с несколькими-мишенями, позволяющие преодолеть недостатки несбалансированного магнетронного распыления с одной-мишенью. Системы несбалансированного магнетронного распыления с несколькими-мишенями можно разделить на несбалансированное магнетронное распыление с закрытым магнитным полем с соседними магнитными полюсами, противоположными друг другу, и несбалансированное магнетронное распыление с зеркальным магнитным полем со смежными магнитными полюсами, идентичными друг другу, как показано на рисунке для замкнутого магнитного поля с двойной-мишенью и зеркального магнитного поля с двойной-мишенью.
Сравнивая распределения магнитных полей пар неравновесных мишеней с закрытым-полем-и пар зеркальных мишеней, можно видеть, что разница магнитных полей незначительна вблизи поверхности мишени. Поперечное магнитное поле между внутренним и внешним магнитными полюсами удерживает электроны, образуя высокоионизованную плазменную катодную область. Внутри этой области положительные ионы сильно распыляют и травят поверхность мишени, распыляя большое количество частиц мишени, которые летят к поверхности подложки. На магнитных полюсах внутреннего и внешнего кольца, особенно на более сильных магнитных полюсах внешнего кольца, доминирует продольное магнитное поле, становящееся основным каналом для выхода вторичных электронов с поверхности мишени.
Это становится основным каналом транспортировки заряженных частиц к зоне покрытия. Сравнение распределения магнитного поля замкнутых магнитных полей и зеркальных магнитных полей внутри области покрытия обнаруживает существенную разницу. Для пар зеркальных мишеней из-за взаимного отталкивания между двумя магнитными полями мишени продольные магнитные поля вынуждены изгибаться наружу от области покрытия (стенки вакуумной камеры), в результате чего электроны направляются к стенке вакуумной камеры и теряются, тем самым уменьшая общее количество электронов, а затем и ионов.
Поскольку метод зеркального магнитного поля не может эффективно удерживать электроны, эффективность плазменного распыления не повышается. Напротив, продольное магнитное поле замкнутой неравновесной пары мишеней с магнитным полем замкнуто внутри области покрытия. Пока напряженность магнитного поля достаточна, электроны могут перемещаться только между областью покрытия и двумя мишенями, избегая потери электронов и, таким образом, увеличивая концентрацию ионов в области покрытия, что значительно повышает эффективность распыления.
