[공정 기초] 플라즈마 (Plasma) - 2 ( 플라즈마 형성 과정)

앞선 글에서 플라즈마 내에서 일어나는 전자와 분자들 간의 충돌에 대해 다뤘습니다.

이번글에선 플라즈마 형성 과정에 대해서 다뤄보겠습니다.

3. 플라즈마 형성 과정 (DC 글로우 방전, DC Glow Discharge)

 방전 준비 과정

  1) 밀폐된 곳에 적당히 낮은 압력의 기체를 넣고 전극을 장착

      ( 너무 낮은 압력에선 초기 플라즈마 형성이 어려울 수 있음)

  2) 전극에 고압의 직류를 연결

    자연 상태에서도 기체 내에는 매우 적은 양이지만 전자(background eletron)가 존재

    태양으로부터 온 방사선이나 에너지에 의해서 대기에도 아주 소량의 전자가 존재할 수 있음

    → 이러한 전자들을 1차전자, 배경전자, 초기전자, 씨앗전자 등으로 부름

         (필요에 따라서 형광등처럼 전극에서 열전자로 전자 생성)

  3) 초기 전자들이 전기장에 따라서 이동하면서 기체 원자와 충돌

  4) 가속 초기에는 전자의 낮은 운동량으로 인해 탄성 충돌만 발생

  5) 전자가 충분히 가속되거나, 전기장의 세기가 커지면 운동량이 커져서 잔자가 비탄성 충돌을 시작함

  6) 비탄성 충돌로 원자가 전자와 이온으로 나뉘고, 각각 양극과 음극으로 가속됨.

  7) 전자가 양극으로 가속되면서 비탄성 충돌을 계속해 이온과 전자 수가 증가.

      이온도 가속되어 음극과 충돌해 음극에서 전자가 방출(2차 전자)

 Townsend discharge

  8) 2차 전자로 인해 챔버 내부에서 전기전도 발생

      → 방전 (Discharge)

      → 방전을 통한 이온화가 증가하고 전자가 증식되는 약한 방전 상태를 Townscend discharge.
           (양극과 음극에서 전자들이 계속 생성되므로, 전류가 증가함)

      2차 전자들로 인해 저항이 급격하게 감소되면서 전류가 증가함

  9) 다량의 2차 전자들이 다른 기체 원자들과 연쇄충돌이 발생해 전자 형성

      → 전자 수가 폭발적으로 증가하는 Electron avalanche가 발생

      → 전압이 급격하게 떨어지는 순간 전압을 방전개시전압(Breakdown voltage)라고 함

     

     다량의 전자들로 방전이 안정적으로 유지되며, 충돌이 약해 excitation 되는 전자들도 많음

      → excitation된 전자들이 relaxation 하면서 방출하는 빛도 많아짐

      → 이 빛을 보고 플라즈마가 발생했다고 말하게 됨

           (Townscend 방전에서도 빛은 발생하나, 너무 적어서 암방전(Dark discharge)라고 부름)

 Normal glow

  10) 이후 안정화되고 나타나는 일정전압영역에서는 이온이 생성되는 만큼 소멸되어 안정적으로 발광함

      →  정상 글로우 방전 영역(Normal glow discharge)

      →  전력을 증가해도 전류는 일정하고 전압만 증가

      → 처음에는 음극 일부에서만 방전하지만, 음극 전체로 넓어지면서 전류가 증가함

 Abnormal glow

  11) 전류가 증가하다가 전압이 급격하게 증가

      → 비정상 글로우 방전(Abnormal glow discharge)

      → 플라즈마 공정에 사용되는 방전 영역

 

 

REF

 

도서

반도체 제조 기술의 이해 (곽노열, 한울출판사)

반도체 이론편 (렛유인)

반도체 이론편 (엔지닉)

박막과 스퍼터링 공정 (개날연)

 

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