Under påvirkning av gjensidig vinkelrette elektromagnetiske felt beveger elektroner seg på en cykloidal måte og er bundet til måloverflaten, noe som forlenger banen deres i plasmaet og øker deres deltakelse i kollisjons- og ioniseringsprosessen av gassmolekyler, ioniserer flere ioner og forbedrer ioniseringshastigheten til gassen. Utslipp kan opprettholdes selv under lavere gasstrykk. Derfor reduserer magnetronforstøvning ikke bare gasstrykket under sputterprosessen, men forbedrer også sputteringseffektiviteten og avsetningshastigheten.
Balansert magnetronsputtering har imidlertid også sine ulemper. For eksempel, på grunn av magnetfeltet, er elektroner generert av glødeutladning og sputterede sekundære elektroner tett begrenset til nærheten av måloverflaten av det parallelle magnetfeltet. Plasmaregionen er sterkt begrenset til et område på omtrent 60 mm på måloverflaten. Når avstanden fra måloverflaten øker, synker plasmakonsentrasjonen raskt. På dette tidspunktet kan arbeidsstykket bare plasseres innenfor et område på 50–100 mm på magnetronmåloverflaten for å forsterke effekten av ionebombardement.
Dette korte effektive belegningsområdet begrenser de geometriske dimensjonene til arbeidsstykket som skal belegges, noe som gjør det uegnet for større arbeidsstykker eller ovnbelastninger, og begrenser dermed bruken av magnetronforstøvningsteknologi. Videre, under balansert magnetronsputtering, har de utkastede målpartiklene lavere energi, noe som resulterer i dårlig film-substratbindingsstyrke. Lave-energiavsatte atomer har lav mobilitet på substratoverflaten, og danner lett porøse, ru, søyleformede tynne filmer. Mens en økning av temperaturen på arbeidsstykket kan forbedre strukturen og egenskapene til filmen, kan ikke selve arbeidsstykket i mange tilfeller tåle den nødvendige høye temperaturen.
Fremveksten av ubalansert magnetronsputtering overvinner delvis de -nevnte manglene ovenfor. Den leder plasmaet fra katodemåloverflaten til et område på 200–300 mm foran sputtermålet, og senker substratet ned i plasmaet, som vist på figuren. På denne måten avsettes på den ene siden sputterte atomer og partikler på substratoverflaten for å danne en tynn film; på den annen side bombarderer plasmaet substratet med en viss energi, og fungerer som et ionestråleassistert avsetningsmiddel, noe som i stor grad forbedrer filmens kvalitet.
Ubalansertmagnetronforstøvningssystemerhar to strukturer. En type har en høyere magnetisk feltstyrke i kjernen enn i den ytre ringen, og magnetfeltlinjene er ikke lukket, og trekkes mot vakuumkammerveggen, noe som resulterer i lav plasmatetthet på substratoverflaten. Derfor brukes denne metoden sjelden. En annen metode involverer en ytre ringmagnetisk feltstyrke som er høyere enn kjernemagnetfeltstyrken. De magnetiske feltlinjene danner ikke en helt lukket sløyfe, med noen av den ytre ringens magnetfeltlinjer som strekker seg til substratoverflaten. Dette gjør at noen sekundære elektroner kan unnslippe fra måloverflateregionen langs magnetfeltlinjene og kollidere med nøytrale partikler og ionisere dem.
Plasmaet er ikke lenger fullstendig begrenset til måloverflateområdet, men kan nå substratoverflaten, noe som øker ionekonsentrasjonen i avsetningsområdet ytterligere og øker substrationstrømtettheten, vanligvis over 5 mA/cm². På denne måten fungerer sputteringskilden også som en ionekilde som bombarderer substratoverflaten. Substrat-ionestrålestrømtettheten er proporsjonal med målstrømtettheten. Økt målstrømtetthet fører til høyere avsetningshastighet, mens den økte substrationstrålestrømtettheten gir en viss bombardementeffekt på den avsatte filmoverflaten.
Ubalansert magnetronforstøvningsionebombardement kan rense oksidlaget og andre urenheter på arbeidsstykket før belegg, aktivere arbeidsstykkets overflate og danne et pseudo-diffusjonslag på arbeidsstykkets overflate, som bidrar til å forbedre adhesjonen mellom filmen og arbeidsstykkets overflate. Under belegningsprosessen kan bombardementet av energiladede partikler oppnå formålet med å modifisere filmen. For eksempel har ionebombardement en tendens til å skrelle av løst bundne og utstikkende partikler fra filmen, og avbryter den dominerende veksten av den krystallinske eller kondenserte tilstanden til filmen, og produserer derved en tettere, mer jevn og jevnere film, og kan avsette belegg med høy-ytelse ved lavere temperaturer.
Anvendelsen av ubalansert magnetronforstøvningsvakuumavsetningsteknologi har løst problemet med å avsette tette og komplekse filmer som oppstår ved balansert magnetronforstøvning. Imidlertid er det vanskelig å avsette ensartede filmer på komplekse underlag ved å bruke et enkelt ubalansert magnetronmål. Videre, når elektroner flyr mot underlaget, adsorberes noen elektroner på vakuumkammerveggene når magnetfeltstyrken svekkes, noe som fører til en reduksjon i elektron- og ionekonsentrasjoner. For å løse dette har forskere utviklet multi-ubalanserte magnetronforstøvningssystemer for å overvinne manglene ved enkelt-mål ubalansert magnetronforstøvning. Multi-mål ubalansert magnetronforstøvning kan deles inn i ubalansert magnetronforstøvning med lukket magnetfelt med tilstøtende magnetiske poler motsatte hverandre og ubalansert magnetronforstøving med speilmagnetfelt med tilstøtende magnetiske poler identiske med hverandre, som vist i figuren for dobbelt-mål lukket magnetfelt{8}
Ved å sammenligne magnetfeltfordelingene til lukkede-felt ikke-likevektsmålpar og speilmålpar, kan man se at magnetfeltforskjellen ikke er signifikant nær måloverflaten. Det tverrgående magnetiske feltet mellom de indre og ytre magnetiske polene begrenser elektroner og danner et sterkt ionisert plasmakatodeområde. Innenfor dette området sputter og etser positive ioner måloverflaten kraftig, og sputterer ut et stort antall målpartikler som flyr mot substratoverflaten. Ved de indre og ytre magnetiske polene, spesielt ved de sterkere ytre magnetiske polene, dominerer det langsgående magnetfeltet, og blir hovedkanalen for sekundære elektroner for å unnslippe måloverflaten.
Dette blir hovedkanalen for transport av ladede partikler til belegningsområdet. Sammenligning av magnetfeltfordelingen til lukkede magnetiske felt og speilmagnetiske felt innenfor beleggområdet avslører en betydelig forskjell. For speilmålpar, på grunn av den gjensidige frastøtingen mellom de to magnetiske målfeltene, tvinges de langsgående magnetiske feltene til å bøye seg utover fra beleggområdet (vakuumkammerveggen), noe som fører til at elektroner blir ført til vakuumkammerveggen og taper, og dermed reduseres det totale antallet elektroner og påfølgende ioner.
Fordi metoden med speilmagnetisk felt ikke effektivt kan begrense elektroner, forbedres ikke plasmaforstøvningseffektiviteten. I motsetning til dette er det langsgående magnetiske feltet til et lukket magnetfelt uten-likevektsmålpar lukket innenfor beleggområdet. Så lenge den magnetiske feltstyrken er tilstrekkelig, kan elektroner bare bevege seg mellom beleggområdet og de to målene, og unngår elektrontap og dermed øker ionekonsentrasjonen i beleggområdet, noe som forbedrer sputteringseffektiviteten betydelig.
