CCP(Capacitively Coupled Plasma), DC Glow Discharge Plasma 공부 노트

 *목차*
1. CCP(Capacitively Coupled Plasma) 란?
2. DC Glow Discharge Plasma 생성 및 유지 과정

3. CCP type DC Plasma의 전극 특징
4. 암방전(Dark Discharge)과 글로우 방전(Glow Discharge)

지난 포스팅에서 플라즈마(Plasma)에 대해서 공부해봤는데요.

이번 포스팅에서는 Plasma 종류 중에서 CCP에 대해서 알아보고

DC Glow Discharge Plasma에 대해서 정리해봤어요.

먼저 Plasma에 대해서 간략하게 정리해보면

Plasma는 이온(Ion)과 전자(Electron), 중성입자, 라디칼(Radical) 입자로 이루어진

4번째 물질 상태에요.

Plasma는 발생시키기 위해서는

Gas가 있는 공간에 전기장(E-field)을 생성하고

그 공간 안에 전자(Electron)이 E-field의 흐름을 따라 가속이 되면서

많은 에너지를 갖게 된 Electron이 Gas 입자와 충돌하고

Ion과 Electron로 분리되거나 Radical을 생성되면서 Plasma 상태가 만들어져요.

여기서 E-field 흐름을 생성하는 방식이나 Power 종류(AC, DC)에 따라

Plasma가 발생하는 과정이 달라지고 특징도 달라져요.

1. CCP(Capacitively Coupled Plasma) 란?

CCP는 Capacitively Coupled Plasma의 약자에요.

한국어로 해석하면 '축전 결합 플라즈마'에요.

CCP 방식은 챔버(Chamber) 내부에 2개의 금속 전극(Metal Electrode)를

일정한 거리를 두고 회로를 구성해요.

Chamber 안의 2개 금속 전극 사이는 Plasma가 생성될 수 있도록 Gas가 흐르는 빈 공간이에요.

* Chamber : 반도체 설비에서 진공을 형성하는 공간으로 Plasma 설비에서는 Plasma가 생성되는 공간.

2개 금속 전극에 전원을 연결하고 전압을 인가하면

전극 사이에 공간에 전기장(E-Field) 흐름이 생성돼요.

생성된 전기장의 흐름에 따란 Chamber 내부에 존재하는 전자(Electron)이 가속되고

Gas 입자와 충돌하면서 Plasma가 발생해요.

전극에는 Plasma 처리가 필요한 Wafer나 증착에 사용되는 Metal Source 등이 위치해요.

CCP의 전기 회로 구성이 커패시터(Capacitor)와 유사하다고 해서

'축전 결합 플라즈마', 'Capacitively Coupled Plasma'라고 불러요.

CCP type 설비에 DC Power나 AC Power를 연결해서 Plasma를 생성할 수 있어요.

2. DC Glow Discharge Plasma 생성 및 유지 과정

CCP type 설비에서 DC Power연결 했을 때 Plasma를 생성하는 과정과

어떻게 Plasma가 유지되는지 정리해봤어요.

1) DC Voltage 인가 전 준비

-. Chamber 내부 공간을 진공(Vacuum)상태로 만들고 반응 기체(Gas)를 Chamber 내부로 흘려줘요. Chamber 내부는 반응 기체가 흐르면서 채워지고 낮은 압력을 일정하게 유지해요.

2) DC Voltage의 E-Field 생성

-. Electrode에 DC Voltage를 가하면 (+)양극, (-)음극 전극이 고정돼요.

2개 전극 사이에 E-Field 흐름이 생성되는데 E-Field 흐름 또한 일정한 방향으로 고정돼요.

3) CCP type DC Plasma 생성

* Chamber 내부의 Electron의 가속 그리고 Gas 입자와 충돌

-. 전극에 DC Voltage가 인가 되고 E-Field 흐름이 생성되면

Chamber 내부 공간에 있는 자유 전자(Free Electron) 입자가 

E-Field 흐름을 따라 음극에서 양극으로 가속되면서 이동해요.

가속이 된 Electron 입자는 많은 에너지를 갖게 돼요.

많은 에너지를 얻은 Electron이 양극으로 이동하는 중에 Gas 중성 입자와 충돌하게 되면

양이온(Cation)과 전자(Electron)로 분리되면서 Plasma가 생성돼요.(Ionization)

Chamber 안에서 전자의 충돌로 발생하는 Ionization 반응 말고도 

Radical를 생성하는 반응, 분자가 분리되는 반응 등, 다양한 반응이 포괄적으로 일어나요.

4) CCP type DC Plasma 유지

4_1) Ionization 후 분리된 전자의 가속과 충돌

-. Chamber 내부에 떠다니는 자유 전자의 반응만으로 Plasma를 생성하고 유지하기에는 부족해요.

처음 Chamber 내의 자유 전자가 가속되고 Gas 입자와 충돌하면 Ionization 반응을 하면서

Cation과 Electron으로 분리되는데

이때 충돌로 분리된 Electron도 E-Field에 가속되고 또 다른 Gas 입자와 충돌하게 돼요.

그러면 또 Ionization 반응을 하면서 Electron이 분리되고 가속해서 다른 Gas 입자와 충돌해요.

이런 식으로 Ionization 하면서 분리되어 나온 Electron이 연쇄적으로 계속 충돌하고 반응하면서 Plasma가 생성돼요.

그런데 CCP type DC Plasma에서는 Electron이 전기장을 따라 계속 이동하다가 양극에 충돌하면서 계속 손실이 돼요. 

그래서 연쇄적인 Ionization으로 나오는 Electron의 양 만으로는 Plasma를 계속 유지하기 어려워요...

4_2) 양이온의 전극 충돌과 2차 전자의 방출

-. Plasma 속의 Electron은 전기장을 따라 계속 (+)양극으로 가속하면서 이동해요.

그러면 Ionization 반응으로 분리된 양이온(Cation)은 어떻게 될까요.

마찬가지로 Cation은 전기장을 따라서 (-)음극 방향으로 가속하며 이동해요.

가속된 양이온은 결국 (-)음극 표면에 충돌하는데

이때 전극에서 많은 양의 '2차 전자(SE, Secondary Electron)'가 방출돼요.

* SEE : Secondary Electron Emission

전극에서 방출된 많은 양의 2차 전자도 전기장을 따라 (+)양극 방향으로 가속되며 이동하다가

Gas 입자와 충돌하고 Plasma를 생성해요.

(-)음극은 양이온이 충돌하면서 '환원반응'을 하기 떄문에 '캐소드(Cathode)'가 되고

(+)양극은 전자가 충돌하면서 '산화반응'을 하기 때문에 '애노드(Anode)'가 돼요.

DC Plasma에서는 Electron이 (+)양극 또는 Chamber 벽면에 부딪히면서 계속 손실 되기 때문에 다량이 2차 전자를 방출하는 양이온의 충돌이 Plasma 유지에 꼭 필요해요.

3. CCP type DC Plasma의 전극 특징

CCP type DC Plasma의 전극(Electrode)는 도체(Conductor)를 사용해요.

그 이유는 전극이 도체면 양이온(Cation)이 (-)음극에 충돌하면

전자(Electron)을 받고 중성 기체가 되면서 전극에서 멀어져요.

그런데 전극 표면에 세라믹(Ceramic)과 같은 부도체(Non-conductor, Insulator)를 코팅한다면

양이온이 (-)음극 표면에 쌓이다가 (+) 전위로 Charging이 돼요.

전극이 (+)로 Charging이 되면서 양이온은 전기적인 반발력에 의해서 가속이 줄어들고

(-)음극(Cathode)에 충돌할 수 없게 돼요...

(-)음극에서 양이온의 충돌이 없어지니 다량의 '2차 전자' 방출이 안되고 

Chamber 내부에 Plasma를 생성할 Electron이 부족해지고

결국 Plasma를 유지할 수 없게 돼요...

4. 암방전(Dark Discharge)과 글로우 방전(Glow Discharge)

1) 암방전. Dark Discharge

-. Chamber 안의 Electron이 전기장을 따라 가속이 되고 Gas 입자와 충돌하면 

이온화(Ionization) 반응으로 Ion과 Electron으로 분리되거나 

여기(Excitation) 반응으로 Radical을 생성되면서 Plasma가 생성되죠.

그런데 Ion이나 Radical은 불안정한 상태이기 때문에 재결합(Recombination) 반응이나 탈여기(Relaxation) 반응처럼 안정적인 중성 입자의 상태로 돌아가려고 해요.

불안정한 입자가 안정적인 상태로 돌아가는 과정에서 에너지(빛)을 방출하는데요,

이때 방출되는 에너지(빛)이 우리 눈으로 볼 수 있는 Plasma 빛이에요.

(* 방출되는 빛의 파장은 물질마다 달라서 Plasma 색도 다르게 보여요. 만약 가시광선 영역대의 파장이 아닐 경우 눈으로 안 보일 수 있어요...)

그런데 Plasma 방전 초기에는 위와 같은 반응들이 적어서 Plasma 빛을 볼 수 없거나 희미해요.... 이때의 방전을 '암방전(Dark Discharge)' 라고 불러요.

2) 글로우 방전. Glow Discharge

-. Plasma 방전이 계속 진행이 되면 양이온이 음의 전극(Cathode)과 충돌하면서

다량의 2차 전자(SE, Secondary Electron)가 방출되고 Plasma 속에 전자와 양이온의 수가 많아지게 돼요. 그러면 이때 순간 저항과 전압이 불안정해졌다가 안정화 돼요.

Plasma가 안정화 된 상태는 Cation과 Electron의 양이 Plasma 방전을 하는데 충분한 상태로

양이온과 전자의 생성되는 양과 소모되는 양이 같아지는 상태에요.

이 상태에서는 Plasma의 밝은 빛을 볼 수 있어요.

이 때 방전을 '글로우 방전(Glow Discharge)'라고 불러요.

이번 포스팅에서는 CCP type과 DC Glow Discharge Plasma에 대해서 공부해봤어요.

다음 포스팅에서는 Plasma 쉬스(Sheath)에 대해서 알아보고 정리해볼거에요.

* 혹시 내용에 오류가 있으면 댓글로 수정 부탁드립니다.