오늘은 Plasma 편 마지막입니다! PT발표가 중요해진 만큼, 세부적인 것 하나 하나까지 모두 챙기시길 바라겠습니다.
[질문 1] Plasma의 Potential 분포를 그림으로 그리고, Sheath 영역을 이용하여 Plasma의 생성 메커니즘을 설명해주세요.
Sheath 영역은 Plasma 생성 메커니즘 상에서 자유전자와 양이온의 질량 차이에 따른 Mobility차이로 인해 생성되는 영역입니다. 자유전자보다 무거운 양이온이 축적되는 공간전하 영역이 형성되고, 음극 부근에서 급격한 전압강하가 일어나게 됩니다. (Sheath Voltage라고 함). 양이온이 Sheath 영역에 들어서게 되면 높은 전위차(Sheath Voltage)로 인해 Cathode로 가속되고 충돌 이후 2차전자를 발생시키게 됩니다. 2차전자는 Anode 쪽으로 가속되면서 중성 기체입자를 이온화시켜 양이온을 형성하고, 이 일련의 과정이 반복되면서 Plasma가 생성됩니다. Sheath 영역이 Plasma 생성
※ Tip : Sheath 영역 양단에 DC 바이어스가 인가되면서, 전자는 빠르게 Anode로 빠져나가고, 양이온은 Cathode 쪽으로 천천히 이동하면서 Space Charge (공간전하영역)이 형성됩니다. Cathode 부근에서 전자는 음극과의 반발력이 크므로 정말 빠른 속도로 튀어나가게 되면서 전자의 수가 매우 적습니다. (→ Sheath 영역이 어두운 이유, Plasma가 밝은 빛을 내는 이유 역시, 전자와의 충돌로 Excitation이 일어나기 때문임). 양이온은 Cathode 방향으로 이동하는데, 천천히 이동하다 보니, Cathode 부근에서 생성되는 양이온과 음극 방향으로 이동하는 양이온의 수 등 양이온의 축적이 일어나면서 양이온의 밀도가 높아지는 영역이 생기게 됩니다. 이러한 특징으로 인해, 본래는 양단의 Potential의 차이가 선형적이어야 하나, 양이온의 축적으로 인해 양의 Potential이 유지되다가 Cathode 부근 (Sheath 영역)에서 급격한 Potential Drop이 발생합니다. Potential Drop!! 즉, Potential의 기울기가 있다는 것은 E-field가 있다는 것이고, 급격하다는 것은 E-field가 강하다는 것입니다. (E=-▽V).
급격한 Potential Drop이 발생하는 영역이 Sheath 영역이고, 양이온의 Space Charge 영역의 Potential과 Cathode의 Potential 차이 즉, Sheath 영역의 전위차를 Sheath Voltage라 하며, 바이어스를 통해 Sheath Voltage를 제어함으로써 Plasma 생성 및 유지할 수 있습니다.
[꼬리 1-1] 그린 그림 상에는 Anode 쪽에도 Potential Drop(Sheath영역)이 일어나는 것처럼 그리셨는데, 이유에 대해서 설명해주시겠어요?
답변을 위해 Plasma Potential과 Floating Potential에 대해서 설명드리겠습니다 . Plasma Potential은 생성된 Plasma가 가지는 전위를 의미하며, Floating Potential은 전극, 혹은 기판이 가지는 Potential을 의미합니다. Plasma 내에는 양이온, 전자와 같은 하전 입자들이 있지만, 준중성 상태이기에 일정한 전위를 가집니다. (Net Charge, Q=0 → E-Field = 0 → E = -▽V = 0, Potential 기울기 없음). Plasma 생성 이후, 무수히 많은 자유전자가 Anode 부근으로 빠르게 Collecting 되면서 Anode의 표면 전위가 작아집니다. 이때, 전극이나 기판이 가지는 전위를 Floating Potential이라 하며, 이러한 이유로 Plasma Potential이 Floating Potential 보다 항상 높은 전위값을 가집니다. 즉, Plasma Potential(Vp)과 Floating Plasma(Vf)의 차이를 우리는 Sheath Voltage라 정의하며, Anode 역시 Sheath 영역이 생성됨을 나타냅니다.
[ ▼ ▼ ▼ Sheath 형성 원리에 대해서 더 자세히 공부하고 싶은 분은 아래 자료를 참고해주세요 ▼ ▼ ▼]
[질문 2] DC Plasma 생성 시, 부도체 전극 사용이 어려운 이유에 대해서 설명해주세요.
DC Plasma는 부도체 전극에서는 Plasma를 유지시키기 어렵다는 단점이 있습니다. 결론부터 말씀드리자면, 부도체 전극에서는 Sheath Voltage가 작아지게 되면서 글로우방전을 일으키기 어려워 Plasma를 유지하기 어렵습니다. 앞서 설명드렸다시피 글로우방전을 일으키기 위해서는 양이온이 Cathode로 가속되고 충돌하면서 2차전자를 발생시켜야만 합니다. 이때, 이온의 에너지는 Sheath Voltage로 결정됩니다. 부도체 전극을 사용할 경우, 초기에 양이온이 Cathode와 충돌하여 미약한 방전이 일어나면서 Plasma가 생성되지만, 부도체 내 전자가 양이온을 중성화 시키지 못하고, Cathode 표면에 양이온이 축적됩니다. 축적된 양이온에 의해 Cathode의 Floating Potential이 증가하게 되면서 Sheath Voltage가 감소하게 됩니다. Sheath Voltage가 작아지면서 양이온은 충분한 이온에너지를 가질 수 없기 때문에 방전이 일어나지 못하게 되어 Plasma가 사라지게 되는 것이죠.
[ ▼ ▼ ▼ 도체 전극과 부도체 전극에서의 DC Plasma Sheath 형성 ▼ ▼ ▼ ]
[질문 3] 앞선 내용은 DC Plasma에 대한 내용들이고, RF Plasma에 대해서 설명해주세요.
RF Plasma의 생성 역시 DC Plasma와 마찬가지로 글로우방전에 의한 Plasma 메커니즘은 동일하다는 점 먼저 말씀드립니다. DC와 RF Plasma의 차이는 글로우 방전을 일으키는 방식에서 차이가 있습니다. RF Plasma의 경우, 고주파의 교류전압을 사용하여 Plasma를 생성합니다. RF Plasma의 장점은 교류전압을 사용하기 때문에, 부도체 전극 사용 시 Cathode 표면에 양이온이 축적되면서 Sheath Voltage가 작아지는 DC Plasma와 달리 RF Plasma는 전극의 극성을 빠르게 바꿔줌으로써, 전극 표면의 양이온 축적을 방지할 수 있어 부도체 전극에서도 방전을 안정적으로 지속시킬 수 있습니다.
[꼬리 3-1] RF Plasma에서 글로우 방전을 일으킬 수 있는 원리에 대해서 설명하세요.
RF Plasma에서 글로우방전을 일으킬 수 있는 이유는 바로 자기바이어스 효과 (Self Bias Effect) 때문입니다. 자기바이어스 효과로 인해 양단 전극에 인가하는 극성이 바뀜에 따라 Cathode 부근에 Sheath Voltage가 형성되면서 글로우방전이 일어납니다. 자기바이어스 효과가 발생하는 이유는 전자와 양이온의 질량차이에 따른 Mobility 차이로 인해, 전극에 유입되는 양의 차이가 발생하기 때문입니다. 양이온 대비 비교적 작고 가벼운 전자는 빠른 속도로 전극으로 유입되기 때문에 Cathode의 '평균' Floating Potential이 점점 작아지면서 Sheath Voltage가 형성되고, 양이온이 Cathode와 충돌하면서 DC Plasma와 동일한 메커니즘으로 Plasma가 생성됩니다.
[ ▼ ▼ ▼ RF Plasma에서 Sheath 형성에 대한 내용이 있사오니, 하기 게시글을 참고 부탁드립니다. ▼ ▼ ▼]
[꼬리 3-2] RF Plasma에서 Plasma 생성 및 제어하기 위한 변수에 대해서 설명하세요.
Plasma 생성을 위해서는 글로우방전을 일으키여 하고 그러기 위해서는 양이온의 이온에너지인 Sheath Voltage를 제어해야 합니다. RF Plasma의 생성은 자기바이어스 효과에 의해 전체 평균 Floating Potential을 음으로 낮추기 때문에 방전을 일으킬 수 있는 것입니다. 이러한 자기바이어스 효과를 극대화 시키기 위해서는 RF Frequency가 낮을수록, 전압이 클수록, 그리고 공정 압력이 낮을수록 자기바이어스효과를 극대화 시킬 수 있습니다. 이러한 조건은 모두 전극으로 유입되는 전자의 수를 높임으로써 Floating Potential을 낮추기 위함입니다. (→ Sheath Voltage를 높이기 위함)
[꼬리 3-3] 자기바이어스 효과와 전극 면적의 관계에 대해서 설명하세요.
RF Plasma에서 Self Bias Effect를 극대화 시키기 위해서는 전극으로 유입되는 전자의 양이 많을수록 좋습니다. DC Plasma & RF Plasma 모두 Anode는 GND에 물려있기 때문에, 방전을 일으키는 Sheath 전위가 형성되는 전극은 Cathode입니다. 즉, 자기 바이어스 효과를 극대화 시키기 위해서는 Cathode의 전자유입량이 많아야 합니다. 따라서, RF Plasma의 경우, Anode 보다 Cathode 전극의 면적이 더 작아야 Cathode 쪽으로 유입되는 단위면적당 전자의 양이 집중되면서 자기바이어스 효과가 더 크게 나타나게 됩니다.
자기바이어스 효과는 오직 #교류성분의 전압이 인가되어야 나타나는 현상입니다. 단순히 DC Plasma에서 양단의 전극의 극성을 바꾼다고 해서 자기바이어스 효과는 일어나지 않습니다. 즉, RF Power를 이용하여 교류전압을 인가 했을 때, Bias의 구성이 DC 직류전압을 번갈아 전극에 인가하는 것에 지나지 않기에 자기바이어스 효과는 일어나지 않는 것입니다. 이때 필요한 것이 바로 Blocking Capacitor입니다. 전극과 RF Power 사이에 Blocking Capacitor를 연결하여 인가된 RF Power에서 DC 성분을 제거하고, 전극에 교류성분만을 인가할 수 있게 되면서 자기바이어스 효과를 만들어낼 수 있습니다.
딴딴's 속성과외 Plasma 편을 마무리합니다. 좀 더 깊게 공부하고 싶으신 분들은 답변 하기에 링크 내용까지 공부하시는 것을 추천드립니다. 반도체 산업에서 Plasma는 많은 혁신을 만들어냈습니다. 이제는 반도체 산업에서 Plasma라는 Keyword를 배제할 수 없게 됐죠.
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