최근 면접에서, PT 문제풀이가 부활하게 되면서 Knowledge Base를 깊게 검증하는 방식이 추가되었습니다. 특히 전공에 따라서 공정기술 엔지니어 직무 지원자들에게 물리화학적인 배경지식을 요구하기에, 문제 맛집인 Plasma에 대한 Keyword를 다루어보았습니다.
[질문 1] Plasma 문제를 선택하셨네요. Plasma에 대해서 정의해주세요.
Plasma는 물질의 제4의 상태라고 정의하며, 전기적으로 중성을 갖는 일반적인 기체분자가 전기에너지 혹은 열에너지를 받아 이온과 전자로 분리되어 있는 상태를 말합니다. 다시 말해, 외부에 고에너지가 인가되면 원자들 간의 충돌로 인해 수많은 전자들이 원자핵의 구속으로부터 벗어나게 되면서 플라즈마를 구성하는 여러 입자들의 집합체를 이루는 상태를 바로 Plasma라고 할 수 있습니다.
[꼬리 1-1] Plasma를 구성하는 입자들의 집합체라고 하셨는데, 구성 입자들에 특징에 대해서 설명해주시겠어요.
Plasma는 이온화된 기체로서, 양이온과 자유전자 그리고 Radical인 중성종으로 구성되어 있습니다. 전자와 양이온은 Plasma를 발생시키고, 유지시키는데 있어서 매우 중요한 역할을 합니다. 특히 양이온의 경우, 엔지니어가 바이어스를 인가하여 운동량을 제어할 수 있기 때문에, Dry Etch나 혹은 Sputter와 같은 PVD 증착 메커니즘 같은 단위공정에서 중요한 역할을 수행합니다. 중성종인 Radical의 경우, 활성기체로서 반응성이 매우 높은 특성을 가집니다. 따라서 저온 공정이 요구되는 Inter Layer에 Dielectric 막질을 형성할 때, 주로 Plasma를 이용한 CVD 방식이 적용됩니다. Radical의 경우 Charge를 지니고 있지 않아 바이어스로 제어할 수 없지만, Plasma 내에 농도가 압도적으로 높기 때문에, 확산을 통해 거동을 제어 할 수 있습니다.
※ Keyword 정리 1. 확산을 통해 거동을 제어한다?? → Etch/Deposition 공정에서 저압이 요구되는 이유. Radical의 확산을 용이하게 함. 2. 이는 Mean Free Path (MFP)로도 설명할 수 있겠죠. 익숙한 용어죠~?
※ Tip : Radical이 압도적으로 많다고 표현한 것은 양이온 대비 입니다! 당연히 전자가 가장 많겠죠.
[질문 2] Plasma의 생성 메커니즘에 대해서 설명해주세요.
반도체 제조 공정에서 적용되는 Plasma는 자유전자가 외부에서 인가된 E-Field에 의해 가속되면서 주입된 중성 기체입자와 충돌합니다. 고에너지를 가진 전자와 충돌한 중성기체원자에서 원자핵으로부터 구속되어 있던 전자가 방출되면서 양이온과 자유전자를 만들어냅니다. 충돌 이후 양이온은 Cathode 방향으로 가속되고 충돌하며 2차 전자를 발생시킵니다. 이때 2차전자 발생 현상을 '글로우 방전(Glow Discharge)'이라 하며, 발생한 무수히 많은 2차 전자는 높은 E-Field에 다시 가속되어 중성기체 입자와 충돌(Avalanche)하게 되고, 이 과정이 반복되면서 Plasma가 형성됩니다. 따라서 Plasma의 생성은 양이온의 음극 충돌에 의한 2차 전자 발생 즉, 글로우방전 기인이라고 말씀드립니다.
↓↓↓ ① 자유전자 (어디에든 있음) → ② 외부 전기장 인가에 의해 자유전자 가속 → ③ 가속된 자유전자 중성기체입자 충돌하면서 이온화 → ④ 이온화된 양아온 Cathode 충돌함 → ⑤ 2차 전자 발생 → ⑥ 다시 1번으로 돌아감 (대신 양이 많음) "Avalanche" → ⑦ Plasma 생성
"거꾸로 가봅시다" -. ⑤이 글로우 방전임. 이때, 2차 전자의 양은 1차 자유전자의 양과는 비교할 수도 없이 많음. -. 결국 ④의 이온화로 인한 양이온 생성이 없으면 글로우방전이 일어날 수 없음 -. 그러면 ④의 이온화롤 시켜야 하는데, 이온화를 시키기 위한 조건들이 있음. 그중 기본적인 내용이 "파센법칙"
[꼬리 2-1] 전공이 물리학과 시군요. 그럼 파센 법칙에 대해서 알고 계신 내용 설명해주세요.
파센 법칙 (Paschen's law)은 플라즈마 방전을 일으키는데 있어 전압, 압력, 전극의 재료에 따른 상관성을 정의하여 방전을 위한 (혹은 이온화 하기 위한) 최적의 조건을 나타냅니다. 판서를 사용해도 되겠습니까. (네.) [ 끄적끄적 → 방전개시전압(V) = Ks x P x d (Ks : 기체상수, P : 압력, d : 전극 간격) ] 파센 법칙을 이해하면 Plasma를 발생시키고 유지하는데 있어서 중요한 공정 변수에 대해서 이해할 수 있죠. 방전 개시전압은 Ks x 기압 (P) x 전극간격(d)로 표현할 수 있습니다. Ks는 기체상수입니다. 방전개시전압은 방전관 내부 기체의 압력(P)과 전극 간격(d)에 비례합니다. 즉, 방전을 일으키는데 있어서 전압(V), 전극(Cathode Target Source), 전극의 간격(Chamber의 설계), 압력(중성가스 주입량), 중성가스의 종류(Ks)이 중요한 Parameter라고 할 수 있겠습니다.
보시다시피, x축은 기체압력 (P)와 전극간의 거리 (d)의 곱으로 표현됩니다. y축은 방전을 일으키기 위한 최소전압, 즉 플라즈마를 형성하는데 필요한 방전개시전압을 나타냅니다. 1) P(↓) x d(-)에서 전극간격 (d)가 일정하다고 가정할 때, 기체원자의 주입량이 적어 기체압력(P)가 감소하게 되면, 자유전자와 충돌할 확률이 작아지기 때문에, 이온화가 어렵게 됩니다. 따라서, 전자를 더 빠르게 가속시켜 충돌확률을 높이기 위해 높은 전압이 요구가 되고, 따라서 방전개시전압이 증가하게 됩니다. 2) P(↑) x d(-)에서 전극간격 (d)가 일정하다고 가정할 때, 기체압력 (P)가 증가하면, 전자가 충분히 가속되기도 전에 기체원자와 충돌하여 에너지를 잃어버리게 됩니다. Mean Free Path(MFP)가 짧다고 표현하죠. MFP가 짧으면 전자의 충돌에너지 자체가 작기 때문에, 기체원자의 이온화에너지에 미치지 못해, 방전에 필수적인 양이온을 생성할 수 없게 됩니다. 따라서 마찬가지로, 더 높은 에너지를 주기 위해 높은 전압이 요구되고 그래프와 같이 우측으로 갈수록 더 큰 방전개시전압이 요구되는 것을 확인할 수 있습니다.
압력이 일정할 때도 설명드려도 될까요. (네. 설명해주세요)
3) P(-) x d(↑), 압력이 일정하다고 가정했을 때, 전극 사이에 거리가 멀면 양 전극 사이에 인가되는 E-Field의 세기가 감소합니다. (E = V/d) 따라서, 약해진 E-field로 인해 전자가 충분한 에너지를 전달하지 못해 역시 이온화가 어려워 양이온을 발생시킬 수 없습니다.
4) P(-) x d(↓), 전극 사이가 가까울 때도 마찬가지입니다. 전극 사이가 너무 가깝게 되면, 자유전자와 기체입자간의 충돌 확률이 감소합니다.
결론을 말씀드리면, 플라즈마를 형성하고 유지시키기 위해서는 압력, 전극간 거리, 기체 종류(이온화에너지)와 같은 요소들이 매우 중요하다고 말씀드리겠습니다.
[꼬리 2-3] 이온화 에너지 이상의 크기가 전달 되어야 플라즈마가 발생한다는 말이잖아요?. 그러면 이온화에너지 이하의 에너지가 인가되면 내부에서는 무슨 일이 일어나나요.
잠시만 생각할 시간을 주시겠습니까. 인가되는 바이어스 즉, 전자의 충돌 에너지 크기에 따라 서로 다른 물리적인 양상이 보입니다. 그렇다면 플라즈마 형성을 위해 Ar 중성가스 입자를 주입했다고 가정해보겠습니다. Ar의 경우, 이온화 에너지는 ~15.8eV 수준입니다. Ar에 2eV 수준 이하에 에너지로 전자를 충돌시키게 되면, 상대적으로 약한에너지기에 충돌과 동시에 열에너지로 에너지 Loss가 발생합니다. 2~6eV 수준의 에너지로 충돌할 경우, Ar원자는 흡수한 에너지 크기만큼 전자가 Excitation 되었다가, Relaxation 되면서 동일 크기의 에너지를 가지는 빛이 방출 됩니다. 6~15eV 수준에 에너지로 충돌할 경우, 해리(Dissociation)이 일어나면서 Radical과 같이 반응성이 높은 중성 활성기체가 형성됩니다. 마지막으로 Ar원자의 이온화 에너지보다 높은 15eV 이상의 에너지로 충돌하게 되면 전자가 원자핵의 구속으로부터 벗어나게 되어(Ionization) 자유전자와 양이온을 형성하고 글로우방전을 일으켜, 플라즈마를 발생시킬 수 있습니다.
물론, 에너지 수준으로 구별하여 말씀드렸지만 이 모든 현상들은 동시에 일어나며, 반도체 제조공정에서 다양한 응용부처에서 사용되며 모두 중요한 역할을 수행한다는 점을 말씀드리고 싶습니다.
※ Tip : " 반도체 제조공정에서 모두 중요한 역할을 수행한다는 점" 1) Excitation (여기) : 빛 방출 : Plasma 발생 유무를 확인할 수 있음 / 물질마다 방출되는 빛의 에너지, 즉 파장이 다르기에 Profile 분석 혹은 Etching 시 End Point Detect (EPD) 기술의 응용으로도 사용됨. 2) Dissociation (해리) : Radical 활성기체 형성이며, 이는 Etch or Depsotion에서 화학적 반응을 통한 식각 혹은 증착 메커니즘에 있어서 매우 중요한 역할을 수행함. 3) Ionization (이온화) : Plasma 발생 메커니즘에 있어 매우 중요한 역할을 수행하며, 역시 물리적인 충돌을 통한 Sputtering을 활용한 식각 혹은 증착 공정에서 중요한 역할을 수행함.
딴딴's 속성과외가 인기가 생각보다 많더라구요. 질문이 많이 나오는 주제 기반으로 작성 중입니다.
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