직류 플라즈마

반도체 공정에서 플라즈마가 필요한 이유에 대해 알아봤습니다. 

2022.12.12 - [반도체 공학/Plasma] - 플라즈마) 플라즈마의 모든 것

플라즈마) 플라즈마의 모든 것

 

플라즈마에 대해 이해를 하셨으니, 이제 플라즈마를 chamber 내에 만들어 봐야겠죠.

전자 가속

가속된 전자와 중성 기체와의 비탄성 충돌로 인해 이온의 생성, 중성입자의 분해, 여기 현상이 생겨나고, 그 중 이온의 생성으로 인해 Plasma가 만들어진다고 하였습니다. 

즉, 플라즈마를 형성시키기 위해 전자를 가속시켜야 합니다.

 

그럼 전자를 가속시키는 방법은 어떤 것들이 있을까요?

 

직류 전원, 교류 전원, 마이크로웨이브 등의 외부 전원을 이용하여 전자를 가속시킵니다.

 

오늘은 직류 전원을 이용하여 직류 플라즈마를 형성시켜 보겠습니다. 

 

Cathode에 - 전압 Anode에 +전압을 가한 상태에서, 전자는 Anode 쪽으로 가속되어 이동할 것입니다.

방전 전압 이상까지 전압을 걸어주게 되면 절연 파괴 현상이 일어나 플라즈마 방전이 발생합니다.

방전, 그 후

 

플라즈마 방전이 발생하게 되면 chamber 내의 전위 분포가 달라지게 됩니다. 

- 방전 전 : 기체는 저항이 매우 높으므로 양 단의 전위차로 인해 전위가 일정하게 올라가는 분포입니다.

- 방전 후 : Plasma 형성으로 인해 쉬스 전위(Vc)가 형성되어 급격한 전위 변화가 일어나는 부분이 있으며, 전체적인 전위차가 감소하게 됩니다.

긴 관에서의 플라즈마

위 그림은 매우 중요하니 하나하나 설명해 드리겠습니다. 

- Cathode layer : 전자가 방출되는 부분으로, 양이온이 음극으로 이동하기 때문에 양이온이 엄청 많은 상태입니다. 이 양이온과 전자와 만나 중성화가 되어 광자 방출이 되기도 합니다. 

 

- Cathode(anode) dark space : 전극 주변의 어두운 경계 지역으로, 양이온이 엄청 많은 상태입니다.

 

- Negative glow : 가스의 이온화 및 여기가 많아 밝은 지역으로, 양이온과 전자 밀도가 많습니다. 

 

- Faraday dark space : 가스 이온화의 감소 지역으로, 약간 어두운 지역입니다.

- Positive column : 전기장에 의해 전자의 재가속, 이온화 및 재결합이 평행을 이루는 지역입니다.

 

공정용 직류 플라즈마는 전극 간 간격이 감소된 형태입니다.

이 이유는, 에너지를 최대한 사용하지 않고 기판에 플라즈마를 집중시키기 위해서입니다. 

이에, Faraday dark space와 positive column 구간이 소멸됩니다. 

 

즉, Cathode dark space(음극 쉬쓰), Negative glow, Anode dark space로 구성됩니다. 

 

 

 

 

 

플라즈마 공정에서는 비정상 글로우 영역을 사용합니다.

위 부분은 전압, 전류 및 전극 간 거리를 조절하여 원하는 형태의 방전을 선택할 수 있습니다. 

그 이유는, Wafer의 가장자리까지 넓게 plasma가 존재하여 균일한 공정을 진행할 수 있습니다.

방전 공간 증가에 따라 파워 증가가 되는 부분이지요.