이번 편에서는 플라즈마에 대해 알아보도록 하겠습니다.
식각뿐만 아니라 박막 증착에도 사용되는 플라즈마가 무엇인지, 그 성질이 무엇인지, 어떻게 생성되는지에 대해 자세히 알아야 하기 때문에 먼저 플라즈마에 대해 알아봅시다.
혈장의 정의
네 번째 물질(William Crookes(1879)), 최초의 플라즈마(Irving Langmuir)
플라즈마는 이온화된 기체로서 중성 입자 + 전자 + 이온 + 활성종(라디칼) + 여기된 중성종 + 광자로 구성된 다음 기체 상태를 의미합니다.
위에서 논의한 바와 같이 플라즈마는 우리가 초등 과학 수업에서 배우는 3상 물질보다 한 단계 더 나아가는 상태로 쉽게 설명될 수 있습니다. 물질은 종종 실온에서 고체, 액체 및 기체의 형태로 존재합니다. 이때 기체 상태에서 일정량의 엄청난 에너지(열, 자기장 등)가 가해지면 기체 분자가 이온화되어 양성자와 전자로 쪼개져 해당 영역으로 이동하게 된다. 이때 고유의 활성종(라디칼)이 생성되는데 이는 공기 중의 적은 수의 자유전자가 엄청난 양의 에너지를 받아 충분한 운동에너지로 이동하다가 대상 기체 분자와 충돌하여 기체 분자가 부서지는 것을 의미한다. 원자가 제거되어 전반적으로 중성이지만 매우 불안정한 활성 종으로 이어집니다. 말로 설명하면 복잡해 보이지만 사실 별거 아니다. 다음 그림이 이해를 돕습니다.
플라즈마는 전기적으로 준중성으로 정의됩니다. 그래서 거시적으로는 양이온과 전자가 전기적으로 조화를 이루는 중성상태를 말할 수 있지만, 그 영역의 특정 부분에서는 전기적으로 극성을 띠는 것을 준중성(quasi-neutrality)이라고 합니다. 다들 아시다시피 콰시 자체가 ‘가짜’라는 뜻이므로 어느 정도 유추할 수 있었습니다.
(플라즈마의 성질)
이제 플라즈마의 정의를 알았으니 그 특성에 대해 알아봅시다!
플라즈마의 특성을 나타내는 대표적인 그래프는 두 가지가 있는데 하나는 이온화 에너지 그래프이고 다른 하나는 방전 전압 그래프이다.
먼저 첫 번째 다이어그램에서 얻을 수 있는 정보를 요약해 보겠습니다. Section/m^2는 한국어로 충돌 구간을 의미합니다. 같은 이온화 에너지로 충돌 단면의 값이 높을수록 이온화하기 쉽다는 점을 고려할 수 있습니다. 위의 그래프에서 알 수 있듯이 100eV의 전자 에너지에서 시작하여 그 이상으로 갈수록 이온화 에너지가 감소하는데, 이는 전자의 속도가 너무 빨라 충돌 확률이 줄어들기 때문에 이동하는 전자가 없기 때문에 대상 가스 원자로 에너지 전달이 감소합니다.
두 번째 그래프를 보겠습니다. 먼저 방전 전압이 무엇인지 알아야 합니다. 방전 전압은 플라즈마를 발생시킬 수 있는 최소 전압을 의미한다. 즉, 플라즈마를 생성하기 위해 인가되어야 하는 최소 전압이다. 위의 차트는 두 부분으로 나눌 수 있는데, X축인 PXd의 값이 낮을 때와 높을 때로 나누어 보자.
낮은 PXd: 압력이 낮기 때문에 기체 분자의 수가 적어 결과적으로 MFP(평균 자유 경로)가 증가하고 기체 분자가 충돌하지 않고 통과하므로 방전 전압이 증가합니다.
높은 PXd: 압력이 높고 기체 분자의 수가 많아 MFP가 감소하여 전자가 기체 분자와 너무 자주 충돌하여 이온화 에너지가 부족해집니다.
따라서 위의 두 가지 문제점을 절충하여 최적의 공정 조건을 조정하여 공정 비용과 직결되는 최소 방전 전압을 이용하여 플라즈마를 생성할 수 있도록 해야 한다.
(플라즈마 발생 원리)
플라즈마 생성 방식은 크게 두 가지로 나뉩니다. DC 플라즈마 및 HF 플라즈마. 하나씩 설명드리자면
직류 플라즈마(DC Plasma)는 말 그대로 DC 전원을 이용하여 두 회로기판 사이에 전압을 인가하여 전기장을 형성하고 전기장 내의 타겟 가스를 플라즈마로 변환시키는 방식이다. 이 시점에서 두 가지 중요한 개념이 등장합니다.
- 코트 / 양극 코트 및 음극 코트
- 플라즈마 전위(Vp)
쉘은 두 회로기판의 표면에 형성되어 양극과 음극으로 구분되는 부분이다. 먼저 음극 봉투를 고려하십시오. 캐소드 쉘의 경우 음의 전압을 인가하기 때문에 플라즈마 상태로 존재하던 양이온이 자연스럽게 끌어당긴다. 양이온이 점차 가속되면 전도성 판과 충돌합니다. 이후 양이온이 계속 충돌하면 음극이 부착된 회로기판 표면이 점차 양이온으로 채워지고 전자는 반발력을 받아 반대쪽으로 이동해 한 단면이 된다. 이 영역에는 전자가 없기 때문에 전자가 가속하면서 중성 원자와 충돌할 때 빛의 파장이 생성되지 않기 때문에 암흑 영역이라고도 합니다. 또한 양이온을 가속 충돌시키는 공정을 이용하여 박막증착 공정에서 PVD의 일종인 스퍼터링에도 사용됨을 알려드립니다.
반대로 양극에서는 어떻게 됩니까? 양극이 부착된 인쇄회로기판 표면에서 전자는 당연히 엄청난 속도로 이동해야 합니다. 전자는 회로 기판에 연결된 접지를 통해 빠르게 탈출합니다. 해당 영역에는 플라즈마 전위가 이미 형성되어 있기 때문에 캐소드 측에서 들어오는 전자는 더 이상 해당 영역으로 들어가지 못하고 발광 영역에 남게 된다. 따라서 양극 부근에는 양이온보다 전자가 상대적으로 적기 때문에 양이온은 해당 영역에서 공간 전하로 작용한다. 따라서 해당 영역은 전자가 없기 때문에 발광하지 않는다는 점에 유의할 필요가 있다.
(RF 플라즈마를 사용하는 이유)
아니 그럼 DC플라즈마로 플라즈마 공중부양 및 사용이 가능해야 되지 않을까요? 라고 생각할 수도 있지만, 물론 그렇지 않습니다. 공학은 언제나… 정답을 찾았다고 생각할 때, 문제가 발생하고 그것을 해결하기 위해 다시 문제 풀이로 돌아갑니다.. 어지러워요…
DC 플라즈마에는 치명적인 한계가 있습니다. 선험적으로 DC 플라즈마는 금속이 전도성일 때만 사용할 수 있고 비전도성 금속의 경우 문제가 발생한다. 절연체의 경우 자유전자를 방출하지 못하여 충돌하는 양이온을 중화시키지 못하여 양이온이 절연체 표면에 쌓이게 된다. 그러면 양극과 음극 모두에 양이온이 축적되고 두 도체판 사이의 전압차가 줄어들어 위에서 학습한 방전전압보다 작아져 플라즈마가 형성되지 않는다. 지휘자만 쓰면 안되나요? 라고 생각하시면 편하겠지만 절연체를 사용할 일이 참 많습니다.
RF(무선 주파수) 플라즈마를 사용하여 얻을 수 있는 이점은 분명합니다. 이는 양극에서 음극으로 주기가 계속 이어지기 때문에 한 주기가 지나면 음극이 양극으로 전환되어 축적된 양이온을 반대쪽으로 밀어내기 때문입니다. 이것은 두 전극 사이의 전압 차를 유지하고 플라즈마 생성 효율을 증가시킵니다.
고주파 플라즈마를 사용할 때 가장 중요한 것은 DC self-biasing입니다. 간단히 말해 베이스 피스이기 때문에 전원 방향의 직류를 차단하기 위한 커패시터를 설치해야 하고, 두 전극의 면적을 다르게 설계해야 한다. 이 설계에서는 상대적으로 작은 면적의 전극에 더 적은 양의 이온 또는 전자가 부착되기 때문에 DC 전압의 물리적 차이가 발생하여 DC 자기 바이어스가 발생합니다. 이때 중요한 부분은 전원측의 전극을 전원전극이라 하고 접지방향의 전극을 접지전극이라 하며 전원전극측의 면적은 그 면적보다 작아야 한다. 접지 전극의. 아래 그림을 참조하십시오.
플라즈마에 대한 간략한 설명. 원래는 식각과정처럼 설명하려고 했는데 내용이 너무 많아서 다음 포스팅에서 설명하도록 하겠습니다.
안녕하세요~!
