plasma(1)

플라즈마란?

 

- 이온과 분자의 기체 혼합물(1928년 Irving Langmuir에 의해 명명됨)
- 물질의 네 번째 상태
- 전기적으로 중성을 갖는 일반적인 기체 분자가 전기 에너지 혹은 열에너지를 받아 이온과 전자로 분리되어 있는 상태

=> 외부에 고에너지가 인가되면 원자들 간의 충돌로 인해 수많은 전자들이 원자핵의 구속으로부터 벗어나게 되면서 플라즈마를 구성하는 여러 입자들의 집합체를 이루는 상태
- 집단적 행동을 하는 하전 입자와 중성 입자로 이루어진 준중성 기체가 특징

• 플라즈마에서 "집단적 행동"이란?

일반 중성 기체	플라즈마
일반 중성 기체(기체 분자 사이에 힘이 없음) -> 입자가 직선으로 이동 -> 분자의 움직임은 분자 자체와 용기 벽과의 충돌에 의해 제어 -> 중성 기체의 분자는 무작위 "BROWNIAN MOTION"을 따름	입자의 움직임으로 인해 양전하와 음전하가 국부적으로 집중될 수 있음 -> 전하 집중에서 멀리 떨어진 하전 입자의 움직임에 영향을 미치는 장거리 쿨롱 필드를 생성 -> 플라즈마의 원소들은 큰 간격에서도 서로 영향을 미침 -> 플라즈마 내의 하전 입자는 평균적으로 전기장을 따라 움직이는 경로를 따라 이동

 

- 플라즈마 기술을 통해 생산 속도 향상, 정밀한 제조, 저온 플라즈마 화학에서 진화된 특성의 물질 설계 가능
- 종류 ) 고온 고압 저온 저압

- 역할 ) 박막 증착, 식각

- 구성 ) 양이온, 자유전자, racical

 

• 양이온, 자유전자

- plasma를 발생시키고, 유지시키는데 있어서 중요한 역할

- 특히 양이온의 경우, 엔지니어가 바이어스를 인가하여 운동량을 제어할 수 있기 때문에, Dry etch 혹인 Sputter와 같은 PVD 증착 메커니즘에서 중요한 역할

• radical(중성종)

- 활성기체로서 반응성이 매우 높음

- 저온 공정이 요구되는 inter layer에 dielectric 막질을 형성할 때, 주로 plasma를 활용한 CVD 적용

- charge를 지니고 있지 않아 바이어스로 제어할 수는 없지만, plasma 내에 농도가 양이온 대비 압도적으로 높기 때문에, 확산을 통해 거동 제거

 

• 플라즈마의 생성 메커니즘

1. 자유전자가 외부에서 인가된 전기장에 의해 가속되면서 주입된 중성 기체 입자와 충돌

2. 고에너지를 가진 전자와 충돌한 중성 기체 원자에서 원자핵으로부터 구속되어 있는 전자가 방출

3. 양이온과 자유 전자를 만들어냄

4. 충돌 이후 양이온은 cathode 방향으로 가속되고 충돌하여 2차 전자 발생

(2차 전자 발생 현상 : "글로우 방전")

5. 발생한 무수히 많은 2차 전자는 높은 전기장에 의해 다시 가속되어 중성 기체 입자와 충돌(Avalanche)

6. 이 과정이 반복되면서 plasma 형성

• glow discahge plasma

- 박막 증착 및 에칭에 다양한 응용 분야 존재- 에너지가 낮고 밀도가 낮음 (플라즈마 토치의 뜨겁고 밀도가 높은 플라즈마나 태양 표면의 이온보다 에너지와 농도가 낮음)
- 플라즈마의 원자 또는 분자 구성에 따라 색상이 달라짐
- 전기적으로 중성 상태 (순전하 없음)
- 전기를 전도함
- 낮은 압력(일반적으로 1mTorr~2Torr)에서 존재

• 활용 분야

- 플라즈마 지원 물리적 및 화학적 기상 증착(RF/DC magnetron sputtering, ion plating, PECVD...)
- 부식 및 마모에 대한 이온 질화

=> 금속 표면의 부식되는 성질을 줄이고, 강도 증가
- 플라즈마 에칭(RIE, ECR, ICP, DRIE)
-  ashing ; PR 제거
- 표면 클리닝 또는 표면 화학적 특성 변화

 

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[딴딴's 속성과외] #1편, "플라즈마, 3편으로 끝낸다." #Plasma Summary!! #Plasma #발생원리 #파센법칙