상호 수직 전자기장의 영향으로 전자는 사이클로이드 방식으로 이동하고 타겟 표면에 결합하여 플라즈마 내 궤적을 연장하고 가스 분자의 충돌 및 이온화 과정에 대한 참여를 증가시켜 더 많은 이온을 이온화하고 가스의 이온화 속도를 향상시킵니다. 낮은 가스 압력에서도 방전이 유지됩니다. 따라서 마그네트론 스퍼터링은 스퍼터링 공정 중 가스 압력을 감소시킬 뿐만 아니라 스퍼터링 효율과 증착 속도를 향상시킵니다.
그러나 균형잡힌 마그네트론 스퍼터링에도 단점이 있습니다. 예를 들어, 자기장으로 인해 글로우 방전에 의해 생성된 전자와 스퍼터링된 2차 전자는 평행 자기장에 의해 타겟 표면 근처에 단단히 갇히게 됩니다. 플라즈마 영역은 타겟 표면의 약 60mm 영역으로 강력하게 제한됩니다. 표적 표면으로부터의 거리가 증가함에 따라 혈장 농도는 급격히 감소합니다. 이 시점에서 이온 충격 효과를 높이기 위해 공작물을 마그네트론 타겟 표면의 50~100mm 범위 내에만 배치할 수 있습니다.
이 짧은 유효 코팅 영역은 코팅할 공작물의 기하학적 치수를 제한하여 더 큰 공작물이나 용광로 부하에 부적합하게 만들어 마그네트론 스퍼터링 기술의 적용을 제한합니다. 또한 균형 잡힌 마그네트론 스퍼터링 중에 방출된 타겟 입자의 에너지가 낮아 필름-기판 결합 강도가 저하됩니다. 저-에너지 증착 원자는 기판 표면에서 이동성이 낮아 다공성, 거친 원주형 얇은 필름을 쉽게 형성합니다. 공작물의 온도를 높이면 필름의 구조와 특성이 향상될 수 있지만, 공작물 재료 자체는 필요한 고온을 견딜 수 없는 경우가 많습니다.
불균형 마그네트론 스퍼터링의 출현은 위에서 언급한-단점을 부분적으로 극복합니다. 그림과 같이 캐소드 타겟 표면에서 스퍼터링 타겟 앞 200~300mm 범위까지 플라즈마를 유도하여 기판을 플라즈마에 담급니다. 이러한 방식으로, 한편으로는 스퍼터링된 원자와 입자가 기판 표면에 증착되어 박막을 형성합니다. 반면, 플라즈마는 특정 에너지로 기판에 충격을 가하여 이온빔- 보조 증착제 역할을 하여 필름 품질을 크게 향상시킵니다.
불안정한마그네트론 스퍼터링 시스템두 가지 구조를 가지고 있습니다. 한 가지 유형은 외부 링보다 코어에서 더 높은 자기장 강도를 가지며, 자기장 선이 닫히지 않아 진공 챔버 벽쪽으로 당겨져 기판 표면의 플라즈마 밀도가 낮아집니다. 따라서 이 방법은 거의 사용되지 않습니다. 또 다른 방법은 코어 자기장 강도보다 높은 외부 링 자기장 강도를 포함합니다. 자기장 선은 완전히 닫힌 루프를 형성하지 않으며 외부 링의 자기장 선 중 일부가 기판 표면까지 연장됩니다. 이를 통해 일부 2차 전자가 자기장 선을 따라 목표 표면 영역에서 빠져나와 중성 입자와 충돌하여 이온화될 수 있습니다.
플라즈마는 더 이상 대상 표면 영역에 완전히 국한되지 않고 기판 표면에 도달할 수 있으므로 증착 영역의 이온 농도를 더욱 높이고 기판 이온 전류 밀도를 높여 일반적으로 5mA/cm² 이상에 도달합니다. 이러한 방식으로 스퍼터링 소스는 기판 표면에 충격을 가하는 이온 소스 역할도 합니다. 기판 이온빔 전류 밀도는 목표 전류 밀도에 비례합니다. 증가된 목표 전류 밀도는 더 높은 증착 속도로 이어지는 반면, 증가된 기판 이온 빔 전류 밀도는 증착된 필름 표면에 특정 충격 효과를 제공합니다.
불균형 마그네트론 스퍼터링 이온 충격은 코팅 전에 가공물의 산화물 층 및 기타 불순물을 세척하고 가공물 표면을 활성화하며 가공물 표면에 유사-확산층을 형성하여 필름과 가공물 표면 사이의 접착력을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 코팅 과정에서 에너지를 띠는 하전 입자의 충격으로 필름을 변형시키는 목적을 달성할 수 있습니다. 예를 들어, 이온 충격은 필름에서 느슨하게 결합되고 돌출된 입자를 벗겨내는 경향이 있어 필름의 결정질 또는 응축 상태의 우세한 성장을 방해하여 더 조밀하고 더 균일하며 더 균일한 필름을 생성하고 더 낮은 온도에서 고성능 코팅을 증착할 수 있습니다.{3}}
불균형 마그네트론 스퍼터링 진공 증착 기술을 적용하여 균형 마그네트론 스퍼터링에서 발생하는 조밀하고 복잡한 필름을 증착하는 문제를 해결했습니다. 그러나 단일 불균형 마그네트론 타겟을 사용하여 복잡한 기판에 균일한 막을 증착하는 것은 어렵습니다. 더욱이 전자가 기판을 향해 날아가면서 자기장 강도가 약해지면서 일부 전자가 진공 챔버 벽에 흡착되어 전자 및 이온 농도가 감소합니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 단일-타겟 불균형 마그네트론 스퍼터링의 단점을 극복하기 위해 다중-타겟 불균형 마그네트론 스퍼터링 시스템을 개발했습니다. 다중-타겟 불균형 마그네트론 스퍼터링 시스템은 이중-타겟 폐쇄 자기장 및 이중-타겟 미러 자기장에 대한 그림에 표시된 것처럼 서로 반대되는 인접한 자극을 갖는 폐쇄 자기장 불균형 마그네트론 스퍼터링과 서로 동일한 인접한 자극을 갖는 미러 자기장 불균형 마그네트론 스퍼터링으로 나눌 수 있습니다.
폐쇄-장 비평형 타겟 쌍과 미러 타겟 쌍의 자기장 분포를 비교해 보면 타겟 표면 근처에서는 자기장 차이가 크지 않음을 알 수 있습니다. 내부 자극과 외부 자극 사이의 횡방향 자기장은 전자를 가두어 고도로 이온화된 플라즈마 음극 영역을 형성합니다. 이 영역 내에서 양이온은 타겟 표면을 강하게 스퍼터링하고 에칭하여 기판 표면을 향해 날아가는 수많은 타겟 입자를 스퍼터링합니다. 내부 및 외부 링 자극, 특히 더 강한 외부 링 자극에서는 세로 방향 자기장이 지배적이며 2차 전자가 타겟 표면을 탈출하는 주요 채널이 됩니다.
이는 하전 입자를 코팅 영역으로 운반하는 주요 채널이 됩니다. 코팅 영역 내 폐쇄 자기장과 거울 자기장의 자기장 분포를 비교하면 상당한 차이가 있음을 알 수 있습니다. 미러 타겟 쌍의 경우, 두 타겟 자기장 사이의 상호 반발로 인해 세로 방향 자기장이 코팅 영역(진공 챔버 벽)에서 바깥쪽으로 휘어지게 되어 전자가 진공 챔버 벽으로 유도되어 손실되어 전체 전자 수와 그에 따른 이온 수가 감소합니다.
거울 자기장 방식은 전자를 효과적으로 가둘 수 없기 때문에 플라즈마 스퍼터링 효율이 향상되지 않습니다. 대조적으로, 폐쇄된 자기장 비평형 타겟 쌍의 종방향 자기장은 코팅 영역 내에서 폐쇄됩니다. 자기장 강도가 충분하면 전자는 코팅 영역과 두 타겟 사이에서만 이동할 수 있어 전자 손실을 방지하고 코팅 영역의 이온 농도를 증가시켜 스퍼터링 효율을 크게 향상시킵니다.
