플라즈마는 PVD, CVD, Etch 등 정말 다양한 반도체 공정에서 사용됩니다. 플라즈마가 사용되는 공정은 항상 플라즈마의 '형성'과 '유지'가 매우 중요합니다. 오늘은 플라즈마 형성과 유지와 관련된 파센법칙에 대해서 교육하겠습니다.
[질문 1]. 파센법칙에 대해서 설명해주세요.
파센법칙은 방전이 시작할 때 필요한 방전개시전압 V와 기체압력 P, 전극사이의 거리 d의 관계를 나타냅니다. 방전개시전압 V는 기체의 압력과 전극간 거리 d의 곱으로 나타낼 수 있습니다. 전극간의 거리 d가 일정하다고 했을 때, 압력 P가 감소하게 되면 기체 원자의 수가 줄어들면서, 전자와 기체원자와 충돌할 확률이 감소하게 됩니다. 그 결과 플라즈마를 유지할 수 없게 됩니다. 압력이 P가 증가하면 Mean Free Path, MFP가 짧아지면서 전자의 충돌에너지가 작아지게 됩니다. 그 결과 기체원자를 이온화 시키기 위한 에너지가 부족하여 플라즈마를 형성할 수 없게 됩니다. 두 상황 모두 Voltage를 높임으로써 이슈를 해결할 수 있습니다.
[세부설명] "파센법칙, Paschen's law" 플라즈마를 형성하기 위해서는 우선 기체를 이온화시키는 단계가 필요합니다. 그리고 플라즈마를 발생시키고 나서 플라즈마를 유지하는 것이 정말 중요합니다. 플라즈마의 발생 기체, 기체의 압력 그리고 인가해주는 전기장에 따라 플라즈마의 상태가 달라지기 때문에 플라즈마를 발생시키고 유지하기 위해서는 주어진 공정변수를 제어하는 것이 매우 중요합니다.
플라즈마를 유지시키는데 가장 필요한 조건은 가속된 전자와 적당한 압력(기체)입니다. 가속된 전자가 기체원자에 충돌하면서 에너지를 전달하게 되고 전달된 에너지가 기체원자의 이온화에너지의 임계점을 넘어서면 기체가 이온화 됩니다. 그래서 플라즈마를 형성하기 위해서 가장 첫 번째 단계인 '이온화'를 충족시키기 위해서는 충분한 에너지로 가속된 전자가 필요한 것입니다.따라서 전자를 충분히 가속시키기 위해서는 충분한 전기장이 인가되어야 하고, 충분히 가속되지 않을 경우 운동에너지가 기체원자를 이온화 시키지 못하게 되어 플라즈마 상태는 금방 사라지게 됩니다.
기체원자의 이온화 에너지는 각각의 원소마다 다르기 때문에 플라즈마를 발생시키는 기체원자의 종류에 따라 공정변수가 다르게 제어됩니다. → Ionization energy : Ar (15.8eV), O (13.6eV), N (14.5eV), Ne (15.7eV)
현재 반도체 공정에서 플라즈마를 발생시키기 위한 기체로 아르곤(Ar)이 가장 많이 사용됩니다. Ar은 비교적 저렴하고, 다루기 쉬운 특성을 가지고 있습니다. 아르곤 외에 불활성 기체도 많이 사용되며 특히, 제논(Xe), 크립톤(Kr)은 아르곤보다도 효율적인 플라즈마 기체입니다.
플라즈마를 발생시키는데 반드시 불활성기체만을 사용하는 것이 아닙니다. 특히 에칭공정에는 플라즈마 에치 공정이 있습니다. plasma의 이온을 가속시켜 박막을 sputtering하고 또 플라즈마 내부의 radical을 통한 화학적 반응을 이용하여 etching합니다. 이 경우에는 불활성 기체가 아닌 할로겐원소가 포함된 가스를 사용하여 플라즈마를 형성합니다. (이는 에치공정에서 더욱 자세히 다루도록 하겠습니다.)
플라즈마를 유지하기 위한 두 번째 조건은 바로 압력, 기체의 양입니다.전자를 가속시키기 위해서 아무리 높은 바이어스를 인가한다하더라도, 챔버 내부의 기체원자의 양이 너무 많으면, 전자가 충돌로 인해 충분히 가속되지 못하고 에너지 손실이 일어납니다. 그 결과 기체를 이온화시키기 위한 운동에너지가 충분하지 않기 때문에 플라즈마를 유지할 수 없게 됩니다. 즉, Mean Free Path, MFP가 짧아지게 되면서 전자가 충분히 가속되지 못해 플라즈마 형성의 첫 번째 단계인 '이온화' 조건을 충족시키지 못하게 됩니다.
반대로, 압력이 낮아 기체의 양이 너무 적을 경우, MFP는 길어져서 전자가 기체원자를 이온화시킬 충분한 에너지를 가지지만, 가속된 전자가 기체원자와 충돌할 확률이 매우 낮아지기 때문에 플라즈마가 형성되지 않습니다.
기체원자의 종류에 따른, '적절한' 압력, '적절한' 바이어스 같이, 플라즈마를 형성하고 유지하기 위한 최적의 조건을 만들 수 있게 도와주는 것이 바로 '파센법칙, Pacshen's law'입니다.
[꼬리 1-1]. 전극간 거리 d가 가까우거나 멀면 발생하는 현상에 대해서 설명해보세요.
파센법칙을 보면, 방전개시전압 V는 기체의 압력 P와 전극 사이의 거리 d의 곱으로 표현할 수 있습니다. 압력 P가 일정하다고 했을 때, 전극 사이의 거리 d가 너무 가까우면 가속된 전자가 기체원자와 충돌이 일어나기도 전에 전극으로 빨려 들어가기 때문에 기체원자와의 충돌확률이 낮아지게 됩니다. 충돌한다 하더라도 전자가 충분히 가속되지 않아 기체원자를 이온화시키지 못해 플라즈마가 형성되지 않습니다. 전극간의 거리가 너무 멀면 전기장의 세기가 약해지기 때문에 전자가 충분히 가속되지 못합니다. (V=E×d, 전극사이의 거리가 클수록 전계는 약해짐) 충돌에 의해 기체원자가 이온화되어도 이온이 타겟으로 충분히 가속되지 못해 타겟이 위치한 전극으로 이동하는 수가 적어 더 높은 에너지가 요구 됩니다. 따라서 파센법칙에 따라, 적절한 압력, 적절한 전압, 적절한 거리의 최적 조건이 요구됩니다.
[질문 2]. 글로우방전, Glow discharge 대해서 설명해주세요.
플라즈마 발생 메커니즘은 바로 Discharge, 방전입니다. 필라멘트나 전극 표면에는 전자가 존재하는데, 전극 양단에 바이어스를 인가하면 전계가 형성되면서 전극 표면의 전자들이 가속되어 반대 전극으로 이동합니다. 이때, 가속된 전자가 충분한 에너지를 가지게 되면 높은 에너지로 기체원자와 충돌하여 전자와 양이온으로 분리가 됩니다. 이때, 분리된 전자와 양이온 또한 높은 전계에 의해 가속되고, 가속된 양이온은 cathode 쪽으로 빠르게 이동하여 음극과 충돌하게 됩니다. 이때 음극과의 충돌로 음극에서 다량의 2차 전자가 방출되고 이 2차전자는 가속되어 다량의 기체원자와 충돌하여 이온화시켜 플라즈마를 형성하게 됩니다.
양이온이 음극에 충돌하면서 다량의 전자가 빠져나간다고 하여 '방전'이라고 표현하며, 글로우방전은 전자와 양이온의 연쇄적인 충돌로 방전이 유지되는데, 이때 기체원자의 여기된 전자가 안정화되면서 빛을 방출하는데, 이때를 글로우방전이라고 합니다.
[세부설명] DC 플라즈마의 방전 우리는 실생활에서 방전을 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 밀폐된 유리관 안에 기체를 채워놓고 양단에 전극에 직류를 인가해줍니다. 양단에 있는 전극에 전계가 인가되면 양 전극의 초기 전자들은 전계에 의해 가속되어 반대 전극으로 이동하게 됩니다. 이때 유리관 내부에 기체와 충돌하게 됩니다. 하지만 초기에는 전자가 충분히 가속되지 않기 때문에 기체원자가 이온화되지 않습니다. 단순히 충돌 이후 운동량만 전달되어 기체원자의 방향만 바꿀 뿐입니다. 이때를 탄성충돌 영역이라고 표현합니다. 하지만 더 강한 전계가 인가되면 전자가 충분히 가속되면서 높은 운동에너지로 기체원자와 충돌하여 이온화시키는 비탄성충돌이 발생하게 됩니다.
기체원자가 이온화되면서 전자와 양이온이 형성이 되고 양이온 또한 전자와 마찬가지로 전계에 의해 가속되고 음극으로 이동하게 됩니다. 가속된 양이온은 음극과 충돌하게 되고 충격으로 인해 음극 표면의 전자들이 대량 방출하게 됩니다. 이때 방출된 전자를 2차전자라고 표현합니다. 방출된 2차전자는 내부 전계에 의해 또 다시 가속되고 다량의 기체원자들을 이온화시킵니다. 이렇게 이온화로 생성된 전자들은 주위의 기체원자들과 연쇄적으로 충돌하고 이온화시켜 전자와 양이온의 수가 기하급수적으로 증가하게 되는데 이러한 현상을 Avalanch, 사태라고 표현합니다. 사태로 인해 다량의 전자들이 생성되고 이온화가 충분히 이루어지면 방전을 유지시킬 수 있고 이는 플라즈마를 지속적으로 유지시키는데 핵심적인 역할을 합니다. ① Townsend discharge, 타운젠트 방전 Avalanch, 사태로 인해 최초로 시작되는 방전을 타운젠트 방전이라고 합니다. 이는 방전을 일으키기 위한 최소한의 전압 크기, 즉 방전을 일으키기 위한 threshold voltage, 문턱전압을 나타냅니다. 타운젠트 방전에서는 기체원자가 모두 이온화되는 않습니다. 이온화에너지 이하의 에너지가 기체원자에 전달되면 기체원자는 이온화되지 못하고 전자가 높은 궤도로 여기됐다고 낮은 궤도로 안정화됩니다. 이때 안정화되면서, 에너지 준위 차이만큼의 에너지를 가지는 빛이 방출됩니다. 우리는 이 방출되는 빛을 보고 플라즈마가 형성됐다고 말합니다. 이 빛은 원자마다 고유의 에너지준위를 가지기 때문에 원자마다 방출하는 빛의 파장이 다릅니다. 플라즈마 내부에 존재하는 이온들과 전자들은 전계에 의해 각각 음극과 양극으로 가속되고 질량이 작은 전자는 빠른속도로 양극으로 이동하는 반면에, 크고 무거운 양이온은 전자와 비교했을 때, 상대적으로 느린 속도로 이동합니다. 따라서 전자는 양극쪽으로 빠르게 이동하여 양극에 흡수되지만, 양이온은 플라즈마 내에 분포되어 있는 상태가 되고 그로 인해 플라즈마 내부는 양이온이 넓게 분포되어 있어서 전체적으로 양전위 값을 가지게 됩니다.
위에 나타낸 전압-전류 그래프를 보면, 방전개시전압인 문턱전압에 도달한 후 나타나는 타운젠트 방전 영역은 avalanch로 인해 방전을 지속할 수는 있지만 충돌 및 이온화가 충분히 진행되지 않은 상태입니다. 즉, 플라즈마를 형성시킬 전자의 수가 부족한 상태입니다. 방전에서 빛은 기체원자의 전자가 높은 에너지 준위로 여기 되었다가 안정화되면서 방출하게 되는데, 타운젠트 방전 영역은 방전 초기 상태로 이온화가 적어 발광을 볼 수 없거나 아마주 희미한 빛을 관찰 할 수 있습니다. 그래서 타운젠트 방전을 dark discharge, 암방전이라고 표현합니다.
② Normal glow discharge, 정상 글로우 방전 플라즈마 내의 전류가 증가하면서 2차전자와 이온이 충분히 많아지게 되면 플라즈마의 저항이 감소하면서 어느 순간 전압도 급격히 강하하게 되고 안정화되는 영역에 도달합니다. 이때의 영역을 정상글로우방전이라고 합니다. 정상글로우방전 영역은 이온이 생성되는 양과 사라지는 양의 비율이 같아지고, 방전을 일으키기에 충분한 전자와 이온이 존재하기 때문에 안정적으로 방전이 유지되고 밝은 빛의 발광인 글로우(glow)가 음극에서 나타나게 됩니다.
③ Abnormal glow discharge, 비정상 글로우 방전 정상 글로우방전 영역에서 전극에 서서히 bias를 증가시키면, 전압의 변화없이 전류만 증가하게 합니다. 정상글로우방전 영역 내애서는 방전영역이 음극 표면을 전부 덟을 때까지 넓어지게 됩니다. 그러다가, 어느 순간 일정 값을 유지하던 전압이 급격하게 증가하는 구간이 나타납니다. 이때가 바로 비정상 글로우 방전 영역입니다. 우리가 PVD에서 플라즈마를 이용해 박막을 증착하는 영역은 바로 비정상 글로우방전 영역입니다. 비정상 글로우방전은 전류가 증가하면서 동시에 전압이 급격히 증가하는 영역을 말합니다.
④ ARC discharge, 아크 방전 비정상 글로우방전 영역을 넘어서 전류가 더욱 증가하면서 동시에 전압이 급격히 떨어지는 영역이 생깁니다. 이 영역을 아크방전 영역으로 아크방전에 의해 전위차가 크게 감소합니다. 아크 방전은 전류를 매우 높게 흘려주면 주로 발생합니다. 전류를 가해줄수록 음극에는 전자가 넘쳐나고, 저항에 의한 열이 발생하면서 다량의 전자가 방출됩니다. 즉, 열전자가 음극에 방출되게 됩니다. 방출된 열전자는 양극으로 흘러들어가게 되고, 이때 일어나는 방전을 바로 아크방전이라고 합니다. 스퍼터 공정을 보면, 음극에서 방출된 전자는 기체원자를 이온화시키는 중요한 역할을 합니다. 하지만 ARC 방전에서는 음극에서 다량의 열전자가 방출되어 이온화된 기체를 타고 양극에 도달하게 됩니다. 이온화된 기체원자를 타고 고에너지의 다량의 열전자가 들어가기 때문에, 매우 밝은 방전을 눈으로 관측할 수 있습니다.
[꼬리 2-1]. DC Sputter 공정시 플라즈마 파워를 무작정 높게 하면 안되는 이유에 대해서 설명해보세요.
플라즈마를 발생시키고 또 유지하기 위해서는 적절한 압력과 적절한 파워가 중요합니다. 이때 양극의 바이어스를 높임으로써 높은 운동에너지를 가지는 전자와 기체원자의 충돌로 인해 플라즈마를 형성하고, 또 plasma density를 높일 수 있습니다. 하지만 파워를 너무 높일 시에는 아크방전이 일어날 수 있습니다. 특히 높은 전류에 의해 음극 내에 전자가 넘쳐나게 되면서 열이 발생하고, 열전자의 방출이 일어납니다. 이때 재료에 따라 온도는 다르지만 음극이 일정 수준 이상으로 가열되면 필라멘트나 형광등 처럼 열전자가 방출됨과 동시에 음극재료의 증발도 함께 나타납니다. 증발된 음극재료는 증착이 되고 스퍼터링 공정에서 박막에 그으름이 생기는 이슈를 야기합니다. → "오래 쓴 형광등 끝 부분이 검게 그을리는 것은 형광등 내부 필라멘트가 증발하여 벽면에 증착되었기 때문"
[꼬리 2-2]. DC Sputter 공정시 설비적 이슈에 대해서 설명해보세요.
스퍼터링 공정 시 비정상글로우 방전 영역에서 박막 증착을 하는 것으로 알고 있습니다. 이때, 음극에 위치한 타겟 표면이 불규칙하게 요철이 있을 경우 혹은 챔버 내부의 불순물이 존재하면, 열전자가 요철에 집중되는 효과가 발생합니다. 그로 인해, 특정 요철에 전류가 높아지면서 비정상 글로우방전을 넘어 아크방전이 발생하게 됩니다. 즉, 전하 집중으로 인한 아크방전이 하게 되고, 스파크가 튀면서 타겟소스가 손상되고, 원하는 박막을 구현할 수 없는 이슈가 발생됩니다. 그로 인해, 스퍼터 타겟소스는 진공데시게이터에 보관하거나 증착 전에 pre-sputtering을 통해 타겟 소스 표면의 불순물을 제거해주는 절차가 선행되어야 합니다.
오늘 하루도 고생하셨습니다! 다음 시간에는 여러분들이 많이 질문했었던 sheath 영역에 대해서 다루어보도록 하겠습니다. 충성! feat. 교관 홍딴딴
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