오늘은 Metalization 공정에서 사용되는 Sputter 공정에 대해서 알아보기 전에 디바이 차폐에 대해서 설명드리겠습니다. 물리적인 이야기이니, 가볍게 보시고 넘어가셔도 좋습니다.
[질문 1]. 디바이 차폐 (Debye shielding)에 대해서 설명해주세요.
플라즈마 내에 전기장을 인가하면 플라즈마 내에 하전입자들이 배치가 되면서 인가된 전기장을 상쇄시키는 성질을 가지고 있습니다. 이를 '디바이 차폐'라고 합니다. 화학에서는 Le Chatelier's law, 르샤틀리에 법칙에 따라 평형상태에서 외부 자극이 주어지면 평형상수를 낮춤으로써 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 반응이 진행됩니다. 이와 마찬가지로 플라즈마 내에 하전입자가 들어온다면 이러한 변화를 상쇄시키기 위해 하전입자 주변에 반대의 극성의 전하가 몰려듭니다. 디바이차폐에 의해 완전히 상쇄가 되면 평형상태가 되고, 이때 전계를 상쇄시켜 중성이 되는 거리를 Debye length, 이를 3차원으로 나타내면 Debye sphere라고 부릅니다.
Debye 차폐 출처 : wikipedia
[세부설명] 디바이 차폐, Debye shielding, Debye length, Debye sphere 디바이차폐는 플라즈마가 가진 특징 중 하나로, 전기장이 인가되면 하전입자들의 거동으로 이를 상쇄시키려고 하는 성질을 나타냅니다. 플라즈마 내에 양전하를 가지는 하전입자를 위치시켰을 때, 이를 상쇄시키기 위해서 주변에 전자가 모여듭니다. 이러한 특징을 디바이차폐라고 합니다.
위 그림과 같이 전기적으로 중성인 플라즈마 내에 양의 전하를 가지는 하전입자가 있다고 가정해봅니다. 양의 하전입자로 인해, 주위에 전계가 형성이 되고 중성인 플라즈마는 평형상태가 깨지게 됩니다. 다시 평형상태로 돌아가기 위해 양의 하전입자로 인해 생긴 전계를 상쇄시키기 위해 주변 전자들이 하전입자 주위로 모여들게 되고 특정 거리 이상에서는 하전입자로 인해 생긴 전계를 느끼지 못하고 중성상태가 될 것입니다. 이렇게 전자가 생성된 전계를 차단하여 중성이 되는 위치까지의 거리를 디바이 길이 (Debye length)라고 합니다. 그리고 이를 3차원 볼륨으로 보았을 때 디바이 구 (Debye sphere)라고 표현합니다.
디바이 길이는 하전입자를 중심으로 전자들을 하나의 집단으로 보았을 때, 전기적 중성이 나타나는 범위까지의 길이를 나타냅니다. 그래서 Debye length는 일정한 길이를 가지는 것이 아니라, 위 그림과 같이 플라즈마 내에 전자의 밀도가 적으면 양의 하전입자로부터 생성된 전계를 차단하는데 더 많은 범위의 전자가 필요하므로 debye length가 길고, 전자의 밀도가 높을수록 하전입자 주변에 빠르게 전자가 모여들어 전계를 훨씬 더 작은 영역에서 차단할 수 있기 때문에 debye length가 짧아집니다. 또한 전자들은 불규칙 열운동을 하기 때문에 전자의 온도가 높으면 전자들의 운동에너지 증가에 따른 이동성이 활발해지기에 하전입자 주변에 안정적으로 위치하지 못하게 되면서 Debye length는 길어집니다. 따라서, Debye length는 플라즈마 내의 전자 밀도 그리고 온도 조건에 따라 적절하게 균형을 이루면서 평형상태에 도달하게 됩니다.
양의 전하의 하전입자에 의해 생기는 전기적 영향은 디바이 차폐에 의해 생긴 주변의 전자들로 인해 Debye sphere를 중심으로 차폐되어 Debye length 보다 멀리 있는 곳에 플라즈마는 전기적 중성을 유지할 수 있게 됩니다.
[꼬리 1-1]. 디바이 차폐를 어디에 적용시킬 수 있는지 설명해보세요.
플라즈마 내에 하전입자나 전극이 존재하게 되면, 플라즈마 내의 전자와 양이온들이 전극 주변에 전계를 차폐시키려는 거동이 발생합니다. 공정을 위해 플라즈마를 형성하는데 있어서, 플라즈마 내부의 전자 밀도가 낮아 Debye length가 챔버의 크기보다 크다면 챔버 내부의 영역은 전부 전극에 의한 전기장의 영향 아래에 있기 때문에 전기적 중성을 유지할 수 없게 됩니다. 그 결과 플라즈마 상태를 유지할 수 없게 되는 결과를 초래합니다. 따라서 Debye length는 플라즈마 가스구름보다 크고 챔버의 크기보다는 작아야 합니다.
[꼬리 1-2]. 플라즈마를 디바이 차폐를 활용하여 설명해보세요.
플라즈마는 전체적으로 중성을 띠지만, 내부적으로 전자와 이온의 집단적 거동을 하는 준중성(quasi-neutral) 상태입니다. 그리고 '디바이 차폐를 만족하는 이온화된 기체'로 표현합니다. 플라즈마는 쿨롱 힘이 작용하는 전기적 영향을 가지고 모여있기 때문에 집단적 거동의 성질을 가지는 것입니다. 그러므로 전자와 이온화된 하전입자들이 모여 집단 거동을 보이며, 디바이 차폐를 만족하기에 전체적으로 중성을 나타내는 기체 상태를 플라즈마라고 정의할 수 있습니다.
오늘은 Sputter 설명을 하기에 앞서 디바이 차폐에 대해서 다루어 보았습니다. 오늘 하루도 고생 많으셨습니다. 우리 모두가 웃는 그날까지! 충성! from. 교관 홍딴딴.
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