[공정 기초] 플라즈마 (Plasma) - 1 (정의, 플라즈마 내 충돌)

Depo와 Etch을 다루기 전에 플라즈마에 대해 다룬 이후에 다루고자 합니다.

 

1. Plasma란? 

  ●  Plasma = 디파이 차폐를 만족하는 이온화된 기체

  ●  고체, 액체, 기체와 더불어 4번째 물질 상태

  ●  기체 상태의 분자나 원자가 이온화되어, 4가지 종류의 상태가 섞인 상태 ( 원자나 분자, 이온, 전자, 라디컬)

     ( 보통 0.001% 이하의 기체가 이온화되어 있음. HDP(High Density Plasma의 경우 ~1%)

  ●  전체적으론 중성이나, 국부적으로는 극성을 나타냄 (플라즈마 진동을 다루면서 다시 설명)

 

2. 플라즈마 내 충돌

플라스마 내 충돌은 전자의 에너지에 따라 탄성 충돌과 비탄성 충돌로 나뉨

 

1) 탄성 충돌

  ●  전자의 에너지가 작은 경우에 해당

  ●  에너지 손실이 전혀 일어나지 않는 충돌

  ●  과정

      가속된 전자가 기체 원자와 충돌하지만, 원자에 비해 전자가 느리고 가벼워서 기체 원자로 전달할 수 있는 에너지가 매우 작음

      → 전자는 기체 원자와 충돌 후 단순히 방향 전환만 일어남

 

2) 비탄성 충돌

  ●  전자가 충분한 속도(에너지)를 얻은 뒤, 기체 원자와 충돌하는 경우

       → 내부 에너지 변화가 나타나며, 다양한 반응이 일어남.

비탄성 충돌의 종류

 

  1) Ionization (이온화)

    ●  전자가 기체 원자와 충돌하여 기체 원자가 이온과 전자로 분리되는 과정

    ●   충돌로 인해 기체 원자에 이온화 에너지보다 높은 에너지가 가해져야 함.

Ionization 예시

     

    ●   드물게 원자와 원자의 충돌로 나타나기도 함.

원자간 충돌로도 ionization이 발생

  2) Excitation (여기)

    ●  원자가 충돌로 전달받은 에너지가 이온화에너지보단 작지만, 전자를 다른 궤도로 이동시키기에 충분한 경우

Excitation

  3) Relaxation (안정화, 이완)

    ●  Excitation된 원자의 전자는 안정한 궤도보다 높은 곳에 있기 때문에 에너지가 높고 매우 불안정

        → 안정화되면서 본래 궤도로 복귀

        → 이 때 E=hv 만큼의 에너지를 방출 (h : 플랑크 상수, v : 진동수)

Relaxation

 

  4) Dissociation (해리)

    ● 전자가 분자(AB)와 충돌하여 더 작은 단위의 분자로 만들거나 원자로 만드는 과정

    ● Radical 이 생성됨

        (Radical : 옥텟 규칙을 만족하지 못하고, 전자 2개가 채워져야 하는 오비탈에 전자가 1개만 있는 경우)

        +) 이온 : 양이온과 전자의 개수가 다른 상태

            (Cl은 양이온이 9개라, 전자를 1개 잃어도 radical이 아님, Cl-은 음이온)

    ● 3가지 반응이 존재

      1. 광분리 과정

          외부에서 빛을 받아 분자가 원자로 분리 

       2. 역분리 (de-excitation)

           광분리 과정의 반대 반응

       3. 분리 이온화(Dissociative Ionization)

           분리 과정 중에 이온화가 같이 섞여 발생

 

  5) Electron Atteachment (전자 흡착)

    ●  중성입자 혹은 분자에 전자가 충돌하면서 음이온 생성

  6) Dissociative Attachement (분리흡착)

    ●  분리 과정이 진행 중에 전자흡착 과정이 발생

  7) Recombination (재결합)

    ●   이온화와 반대반응

       1. 전자-이온 재결합 ( Electron-ion recombination)

           전자와 이온이 만나 결합하면서 중성원자가 되며 빛을 방출

              → 방사 재결합(Radiactive recombination) 또는 복사 재결합이라고도 함

       2. 이온 재결합 ( Ion-Ion recombination)

         

       3. 분리 재결합 ( Dissociative recombination) 

  8) Charge transfer (전자 이동)

    1. Symmetric Charge Transfer ( 대칭 전하 이동)

        원자와 이온 충돌 시, 서로의 전하만 교환하는 경우

    2. Asymmetric Charge Transfer ( 비대칭 전하 이동)

        서로 다른 원자들 사이에서 전하 이동

 

 

REF

 

도서

반도체 제조 기술의 이해 (곽노열, 한울출판사)

반도체 이론편 (렛유인)

반도체 이론편 (엔지닉)

박막과 스퍼터링 공정 (개날연)

 

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