Intro
플라즈마는 반도체 공정을 공부하실 때 필수로 알아두셔야 하는 개념입니다.
플라즈마는 반도체 공정 중 '증착 공정', '식각 공정', 'cleaning 공정'에서 특히 많이 쓰입니다. 왜 쓰일까요?
위 세 가지 공정은 소스 가스들끼리의 반응, 소스 가스와 기판 표면끼리의 반응을 통해 이루어집니다.
이러한 반응들은 '에너지'가 필요합니다.
옛날엔 대부분 '열 에너지'를 통해 에너지를 공급했답니다.
하지만 열로 에너지를 공급하는 것은 아주 많은 단점이 있습니다. 전문 용어로 thermal budget이라고 하죠.
하부 소자가 높은 열 때문에 파괴되거나, crack이 생긴다거나... 이러한 문제는 반도체 소자에 매우 큰 악영향을 미치게 됩니다.
이러한 단점 때문에 '플라즈마' 로 에너지를 공급하는 것으로 대체되었습니다.
플라즈마를 에너지원으로 사용하면서 얻은 효과입니다.
1, Thermal budget 현상을 방지할 수 있습니다.
2. 전자의 에너지를 온도로 환산하면 10000'C의 열 에너지를 부여한 것보다 이상의 매우 큰 에너지를 공급할 수 있습니다.
플라즈마의 정의
플라즈마란, 대부분의 중성 기체 분자에 이온 및 전자 등 하전 입자가 소량 섞여 있는 전도성 물질 상태입니다.
플라즈마의 성질
1. 거시적으로 준중성 상태입니다. 즉, 양이온의 밀도와 전자의 밀도가 같은 상태를 말합니다.
2. 중성 가스가 99%, 하전 입자가 0.0001% ~ 1% 정도로 구성되어 있습니다. 그림은 과장되게 그린 거구요.
3. 고밀도 plasma는 하전 입자가 10% 정도로 구성되어 있습니다.
4. 전자와 이온 사이에는 정전기적 인력이 존재하지만, 상호 작용이 상쇄되어 자유 입자처럼 거동합니다.
양이온 근처의 전자가 너무 많아 상호 작용이 상쇄됩니다.
5. 라디칼, 여기 된 중성 분자, 광자, 이온, 전자, 중성 분자 등이 존재합니다.
6. 하전 입자들이 집단 운동을 하여, 전기장 혹은 자기장으로 에너지, 방향을 제어할 수 있습니다.
7. 하전 입자들의 존재로 인해 전기전도도가 매우 큽니다.
플라즈마 내부 현상
Plasma 내부의 가스 입자들은 에너지가 매우 많습니다. 이 에너지를 잃고자 요리조리 움직이다 보면 분자, 원자, 양이온, 전자끼리 충돌하는 현상이 생깁니다.
충돌 현상은 크게 두 가지로 나뉩니다.
1. 탄성 충돌 : 내부 에너지 변화 없이 운동량 및 에너지만 전달하는 충돌 현상입니다. 당구를 생각하시면 편하십니다.
2. 비탄성 충돌 : 내부 에너지의 변화가 동반되는 충돌 현상입니다. 당구공이 깨졌다고 생각하시면 됩니다.
*신기하게도 비탄성 충돌은 작은 물질이 큰 물질을 때릴 때 가장 잘 일어납니다.
ex) 전자가 원자를 때릴 때, 계란이 바위를 때릴 때
내부 에너지의 변화는 크게 5가지로 나뉩니다.
1. 이온화
플라즈마 발생 및 유지에 가장 중요한 역할을 하는 비탄성 충돌입니다.
이 비탄성 충돌은 전자가 증식됨에 따라 기하급수적으로 늘어나며, 플라즈마가 유지되는 이유라고 생각하시면 됩니다.
e + Ar > 2e + Ar+ 로 변하면서 중성 기체는 양이온과 전자로 나뉘게 됩니다.
이때, 충돌하는 전자의 에너지가 가장 약하게 구속된 전자를 떼어내는 에너지(이온화 에너지) 보다 커야 이온화가 진행됩니다. Ar 같은 경우 15.76eV 정도이지요.
2. 재결합
이온화의 역 반응입니다. 플라즈마 내의 이온과 전자의 농도를 유지하는 역할을 하지요.
3. 여기
이온화가 아닌 원자 내 전자 궤도를 기저 상태보다 높은 에너지 상태로 상승하는 현상을 여기라고 합니다.
e + Ar > Ar* + e(에너지 감소)로, 다시 기저 상태로 돌아가기 위해 빛 에너지를 방출합니다.
이로 인해 플라즈마에서는 빛이 나게 되지요.
4. 이완
여기의 반대 반응입니다.
5. 분해
전자의 충격으로 분자 가스가 분해되는 현상입니다. 즉, H2 gas가 H + H로 변하는 현상을 말하지요.
이 가스들은 매우 불안정하기 때문에 화학적 반응성이 매우 커지게 됩니다. 이러한 가스들을 '라디칼'이라고 하지요.
플라즈마 내에서 이온보다 많이 존재합니다. 이온화 에너지보다 분해 에너지가 훨씬 작기 때문이지요.
플라즈마의 발생과 유지
플라즈마 상태를 유지하는데 가장 필요한 것은 전자의 가속과 적당한 압력입니다.
전자의 가속 : 전기장을 통해 전자를 가속시켜 분자, 원자와 비탄성 충돌로 인한 이온화를 통해 플라즈마 상태를 유지합니다.
원자의 이온화 에너지를 넘는 전자의 가속 에너지를 얻기 위해, 전자를 가속시키기 충분한 전기장이 공급되어야 합니다.
| 원소명 | 이온화 에너지 |
| He | 24.5eV |
| Ar | 15.8eV |
| N | 14.5eV |
| Ne | 6.8eV |
| Kr | 15.7eV |
| Xe | 12.2eV |
| O | 13.6eV |
불활성 기체들은 모두 플라즈마 발생 기체로 사용이 가능합니다.
적당한 압력 : 플라즈마, 즉 방전을 일으키는데 전기장, 압력 간 관계를 나타낸 것이 파센의 법칙입니다.
파센의 법칙에 의거하여, 플라즈마 공정은 보통 1 mTorr ~ 1 Torr 사이에서 진행됩니다.
파센의 법칙
전극 간 거리(d)가 일정할 때, 압력 P가 감소되면 가속된 전자가 기체와 충돌할 수 있는 확률이 낮아져 이온화가 되지 않아 방전이 어렵게 됩니다. 압력을 높이거나 가속 전압을 크게 만들어 방전을 할 수 있게 만듭니다.
전극 간 거리(d)가 일정할 때, 압력 P가 증가하면 MFP가 짧아져 충돌 에너지가 낮아지기 때문에 이온화가 방전이 되지 않아 방전이 어렵게 됩니다. 압력을 낮추거나 가속 전압을 크게 만들어 방전을 할 수 있게 만듭니다.
전극 간 거리가 길어지면 전기장의 세기가 약해지므로 방전이 어려워집니다.
전극 간 거리가 짧아지면 기체와 충돌하기 전 전극에 도달해 버리는 등 전자와 기체의 충돌 확률이 낮아지며, 충돌한다고 해도 전자의 가속이 적어 이온화를 시키기 어렵습니다.
암튼 이 말은 전극의 거리, 압력, 가속 전압에 따라 방전이 달라집니다. 즉 최적의 값들이 있다는 것을 보여줍니다.
출처 : 개날연블로그(플라즈마를 더 공부하고 싶으시면 무조건 이 블로그를 들어가시기 바랍니다. 학부시절 가장 도움이 많이 된 블로그입니다.)
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