[공정 기초] 플라즈마 (Plasma) - 3 ( 파센법칙, 디바이 차폐, 디바이 길이, 플라즈마 진동)

플라즈마의 특성을 나타낼 수 있는 파센법칙, 디바이차폐, 플라즈마 진동에 대해 다루겠습니다.

 

4. 파센법칙

방전개시전압(Breakdown potential), 기체의 압력(P)과 전극 사이의 거리(d)를 변화시켜 가면서 실험을 통해 측정한 관계

→ 계산값이 아닌, 실험 데이터를 통해 그림 그래프

 

전극 간의 거리(d)가 일정할 때

  압력 P가 감소하면, 기체 수가 감소하므로 가속된 전자가 기체와 충돌하여 이온화되기 어려움

                                 → 전압을 증가시킴

  압력 P가 증가하면, 기체 수가 증가하므로 MFP(Mean Free Path)가 감소

                                 이온화 되기 위한 에너지를 얻기 힘듦

                                 →  전압을 증가시킴

 

압력(P)이 일정할 때,

  전극과의 거리(d)가 감소하면, 전자가 충분히 가속되기 어렵거나 기체 원자와 충돌 전에 전극에 도달

                                                 → 전압을 증가

  전극과의 거리(d)가 증가하면, 전기장의 세기(V=Ed)가 약해져 전자를 가속시키기 어려움

                                                 → 전압을 증가

 

5. 디바이 차폐와 디바이 길이(Debye shielding, Debye length)

 

디바이 차폐

  플라즈가마 가진 특성 중 하나

  플라즈마 내에서 다른 전기장이 가해지면, 플라즈마는 자체적으로 이온과 전자들을 재배치해서 전기장을 없애려는 성질을 가짐

 

디바이 길이

  전기적으로 중성인 플라즈마 안으로 양의 전하를 가진 입자(하전입자)가 들어옴

  → (+)의 전기장이 발생해 중성이 깨짐

  → 플라즈마 내의 전자들이 하전입자에 의한 전기장 영향을 상쇄하기 위해 하전입자 주변으로 이동

  → 전자들이 재배치되며 하전입자에 의해 나타나는 전기장 효과를 막음(차폐)하는 것이 디바이 차폐

  → 전자가 하전입자의 전기장을 차단해 중성이 되는 곳까지의 거리를 디바이 길이라 함

      (계산상으로는 하전입자의 전위가 1/e)가 되는 지점)

  → 디바이 길이가 챔버보다 길면, 챔버 내부는 전기장의 영향 아래에 있게 되어 전기적으로 중성 유지가 불가능하므로 플라즈마 상태가 될 수 없다. 즉, 디바이 길이는 언제나 플라즈마의 크기보다 작아야 한다.

 

 디바이 구

    디바이 길이를 3차원적 구의 형태로 봤을 때 형성되는 구

  

  전기적으로 중성을 유지하려는 성질이 있지만, 모든 부위에서 중성을 유지하는 것이 아님. 

  국부적으로 중성이 아니고, 전체적으로 중성인 상태이므로 준중성이라고 함.

 

6. 플라즈마 진동(Plasma Oscillation)

  플라즈마 내의 이온과 전자는 운동에너지를 갖고 항상 움직임

  → 특정 부분의 전자 밀도가 높아지거나 외부 전기장의 영향으로 이온이나 전자가 치우침

  → 전기적 중성에서 벗어나 전기장이 발생

  → 전기장으로 인해 중성으로 돌아오지만, 전자와 이온의 관성으로 인해 중성인 위치에 정지하지 못함

  → 다시 중성이 깨짐

  → 이렇게 플라즈마의 증성을 유지하기 위해서 내부의 전자들이 왕복운동하는 것을 플라즈마 진동이라고 함.

 

  플라즈마 진동은 전기장 변화를 감지해 스스로 중성을 유지하려는 독특한 성징

  → 외부 전기장을 차폐하는 특성을 가짐

 

 

 

REF

 

도서

반도체 제조 기술의 이해 (곽노열, 한울출판사)

반도체 이론편 (렛유인)

반도체 이론편 (엔지닉)

박막과 스퍼터링 공정 (개날연)

 

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