지난 교육에서는 DC Plasma에 대해서 알아보았습니다. DC Plasma는 여러분들도 아시다시피 세라믹이나 비금속 등의 부도체 전극에서는 플라즈마를 유지할 수 없습니다. 그 이유에 대해서 알아보겠습니다.
[질문 1]. DC Sputter 공정의 이슈에 대해서 설명하세요.
DC Plasma의 치명적인 단점은 부도체 source target을 증착할 수 없다는 점입니다. 그 이유는 sheath 전압에 가속된 양이온이 cathode와 충돌하면서 다량의 2차전자가 방출되면서 플라즈마를 형성하고 유지합니다. 하지만 전극에 부도체 source target이 위치하고 있다면, cathode로 가속된 양이온은 target 표면에 쌓이게 되고 potential drop에 의해 형성된 sheath 영역의 potential이 쌓인 양이온에 의해 회복됩니다. 그 결과 sheath 전압이 약해지면서 양이온은 cathode로 가속되지 못하고 충돌에 의한 2차전자가 발생하지 않아 기체원자를 이온화시키지 못해 플라즈마를 유지 못하는 이슈가 발생합니다.
[세부 설명] "DC Plasma : 도체 vs 부도체"
DC Plasma에서 sheath 전압에 의해 가속된 양이온은 cathode와 충돌하고, cathode에는 전자가 넘쳐나기 때문에, 양이온은 음극에서 전자를 받아 중성 기체원자 상태로 돌아갑니다. 그리고 기체원자는 또 다시 가속된 2차원자에 의해 이온화되고 이와 같은 현상이 연쇄적으로 발생하면서 플라즈마를 유지할 수 있게 됩니다. 하지만 DC Plasma에서 플라즈마를 유지할 수 있는 것은 오직 금속 등의 '도체' 전극일 때만 가능합니다. 즉, 스퍼터링을 통해 박막을 증착한다 했을 때, 도체 source target을 사용할 수 있다는 의미입니다.
전극이 도체가 아닌 세라믹이나 비금속과 같은 부도체라면 DC Plasma를 유지할 수 없게 됩니다. 부도체 전극을 사용할 경우, 양단 전극에 바이어스를 인가하면 초기에는 가속된 전자에 의해 기체원자가 이온화되고 sheath 전압에 의해 플라즈마가 형성됩니다. 하지만 시간이 지나면서 부도체인 음극 표면에 양이온들이 쌓이게 됩니다.
도체 전극을 사용할 때는 음극에 전자가 양이온을 중성화 시키면서 중성기체원자로 음극표면으로부터 멀어졌습니다. 하지만 부도체일 때는 양이온은 음극 표면에 쌓이게 되고 전극과 플라즈마 사이의 평형이 깨지게 됩니다. 즉, 쌓인 양이온에 의해 음극 쪽 potential이 높아지게 되고 sheath 전압이 작아지면서 음극으로 가속되는 양이온의 에너지가 작아지게 됩니다. 그리고 또한 쌓인 양이온에 전기적 반발력으로 양이온은 cathode 쪽으로 이동할 수 없는 상황에 이릅니다. 그 결과, 양이온이 음극과의 충돌을 통한 2차전자를 발생시킬 수 없게 되고 그에 따라 기체원자의 이온화를 시킬 수 없기 때문에 플라즈마를 유지할 수 없게 되는 것입니다.
[질문 2]. Plasma가 집단적 거동 (Collective motion)을 하는 물리적 원리에 대해서 설명하세요.
플라즈마는 전자와 이온의 속도차이로 인해 기판 쪽에는 전자가 플라즈마 내부는 상대적으로 양이온이 높은 밀도를 가지고 분포합니다. 그로 인해 전자와 이온의 밀도차가 생기고 전기장이 발생합니다. 전자는 이온을 끌어당겨 이온을 빠르게 하고, 이온은 전자를 끌어들여 전자의 속도를 느리게합니다. 이렇게 전자와 정공이 서로 영향을 미치면서 확산을 하기 때문에 플라즈마는 집단적 거동 (Collective motion)을 보이게 됩니다.
[세부설명] 플라즈마의 집단적 거동
플라즈마 내부를 보면, 전자와 양이온의 속도차이로 인해 Floating potential이 형성됩니다. Floating potential은 항상 Plasma potential 보다 낮은 음의 값을 가집니다. 그로 인해 전위차가 생기고 sheath 영역이 형성됩니다. 전자에 속도가 빠르기 때문에 기판 쪽에는 전자가 많고 전자가 빠져나간 플라즈마 내부는 상대적으로 양이온이 많습니다. 그로 인해 전자와 이온이 고루 분포하고 있던 플라즈마가 기판 쪽에는 전자가, 플라즈마 내부는 양이온의 밀도가 증가하고 전자와 이온의 밀도차이에 의해 내부에 전기장이 형성됩니다.
이렇게 형성된 전기장에 의해 전자는 이온을 끌어당기고, 이온은 전자를 끌어당기면서 속도가 빠른 전자는 양이온에 의해 속도가 느려지고, 속도가 느린 양이온은 빨라지게 됩니다. 이렇게 서로 전자와 이온이 영향을 미치면서 확산하는 형태를 Ambipolar diffusion, 양극성 확산이라 하며, 양극성 확산에 의해 이온과 전자의 확산 선속이 같아지게 되고 이러한 이유로 집단적 움직임 (collective motion)을 나타내며 준중성 (quasi-neutral)을 유지할 수 있게 됩니다.
확산은 보통 농도차이에 의해서 발생합니다. 챔버 내부에 플라즈마를 발생시켰을 때, 챔버 중심에서 멀어질수록 플라즈마의 농도는 감소합니다. 즉, 챔버 내에서도 플라즈마의 밀도 차이가 발생하는 것입니다. 그로 인해 플라즈마는 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동하며, 발생부로부터 챔버 외벽으로 확산됩니다. 이때 속도가 빠른 전자가 먼저 챔버 외벽으로 확산하게 되고, 전자가 빠져나간 플라즈마는 양이온의 수가 많아지면서 앞서 말한 전기장이 형성되면서 양극성 확산이 나타납니다. 그래서 플라즈마는 챔버 외벽으로 갈수록 음의 전위를 가지게 되고 이는 Floating 전위로서, Plasma Potential 보다 항상 음의 값을 가지게 되는 것입니다.
Plasma density는 PECVD, HDPCVD에서 박막 막질에 큰 영향을 미치는 것을 확인했습니다. 이전 교육을 참고하시면 더욱 이해가 될 것이라고 생각합니다.
오늘은 가볍게 DC Plasma에서 부도체 전극에서 플라즈마를 유지할 수 없는 이유에 대해서 다루어보았습니다. 다음 시간에는 부도체 전극 또한 플라즈마를 유지하면서 박막을 형성할 수 있는 RF suptter와 자기바이어스 효과에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 오늘 하루도 고생 많으셨습니다. 충성! from. 교관 홍딴딴
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