CCP type AC Discharge Plasma 란? (RF POWER)

*목차*

1. CCP type AC Discharge Plasma 란?

2. CCP type AC Discharge Plasma의 생성 과정

3. CCP type AC Discharge Plasma의 특징

4. AC Plasma와 RF Power, RF Matcher

지난 포스팅에서는 CCP type DC Discharge Plasma에 대해서 정리해봤는데요.

이번 포스팅에서는 CCP type AC Discharge Plasma에 대해서 공부하고 정리해 봤어요.

교류 전원(AC Power) CCP type 전극에 연결해서 Plasma를 방전시키는 방식인데요. 직류 전원(DC Power)와 Plasma 생성되는 과정이 다르고 특징도 달라요.

1. CCP type AC Discharge Plasma 란

Plasma가 생성되는 과정은

전기 회로에 고압의 전원을 연결하면 전기장(E-Field)가 생성되고

Chamber 안의 전자(Electron)가 전기장 흐름을 따라 가속되면서 많은 에너지를 갖게 되고

그 상태로 Gas 입자와 충돌하면 Plasma가 생성돼요.

Chamber 안에 전기장(E-Field) 흐름을 어떻게 생성하는지

Power은 직류, 교류에 따라 Plasma가 생성되는 과정, 특징이 달라져요.

그 중 CCP(Capacitively Coupled Plasma) type은

Chamber 안에 평행하게 2개의 전극(Electrode)를 놓고

전압을 걸어서 전극 사이 공간에 Plasma를 생성하는 방식이에요.

전극에 DC Power(직류 전원)을 연결하면

음극, 양극이 항상 고정된 상태로 Plasma 방전이 돼요.

근데 AC Power(교류 전원)를 연결하면 음극, 양극이 일정한 주기로 계속 바뀌는 상태로 Plasma 방전이 일어나요. 

AC Power 주파수에 따라 전극 사이의 전기장(E-Field) 흐름도 계속 바뀌고

전기장 흐름에 따라 Chamber 안에 전자(Electron)이 진동하듯이 

두 전극 사이를 왔다 갔다 하면서 Plasma를 생성해요. 

AC Plasma는 DC Plasma 보다 전자(Electron)의 손실이 적고 Plasma 생성 효율이 좋아요.

2. CCP type AC Discharge Plasma의 생성 과정

Chamber 안의 평행한 2개 전극에 AC Voltage(교류 전압)을 인가하면

Chamber 안의 전자(Electron)가 AC Power 주파수에 맞춰서

2개 전극 사이를 왔다 갔다 이동 방향을 계속 바꾸면서 진동하듯이 움직여요.

이쪽으로 가속했다가 반대 방향으로 가속했다가 하는 거죠.

Electron이 전극 사이를 진동하듯이 움직이는 중에

충분히 가속된 상태(많은 에너지를 얻은 상태)에서

Chamber 안의 Gas 입자와 충돌하면 Plasma가 생성돼요. 

3. CCP type AC Discharge Plasma의 특징

DC Discharge 방식은 음극, 양극이 항상 고정되어 있기 때문에

전자(Electron)은 계속 음극에서 양극 방향으로 이동해요.

전자는 양극으로 계속 이동하다가 전극에 충돌하면서 계속 손실이 돼요.

DC Plasma에서는 전자가 계속 손실 되기 때문에 Plasma를 유지하기 위해서는

양이온(Positive Ion)이 음극에 충돌해서 다량의 '2차 전자'를 방출해야 돼요.

그런데 AC Discharge 방식은 Power 주파수에 맞춰서 전자가 진동하는 방식으로 전극 사이를 왔다 갔다 가속하기 때문에 

DC Discharge 방식에 비해서 전극에 의한 전자 손실이 적고 

Gas 입자와 충돌할 기회가 많아서 Plasma 생성 효율이 더욱 좋아요.

또 Plasma 유지를 위해서 양이온의 음극 충돌로 다량의 2차 전자를 방출할 필요가 없어서

전극의 표면을 꼭 도체로 할 필요가 없어요.

전극 표면에 세라믹(Ceramic)과 같은 유전체(Dielectric material 또는 Insulator)로 코팅이 가능해요. 

4. AC Plasma와 RF Power, RF Matcher

AC Discharge Plasma는 높은 주파수의 RF(Radio Frequency) Power를 새용해요.

1~100MHz 사이의 RF 대역을 사용하는데 주로 13.56 MHz를 사용하는 것 같네요.

1초에 전극이 정말 많이 바뀌어요....

그런데 주파수 영역대가 적절하지 못하면 Plasma 생성 효율이 떨어지거나 생성하기 어려워요....

주파수가 너무 작으면

한 방향으로 오래 전자(Electron)가 가속할 수 있어서 입자의 에너지가 커지지만

Electron이 이동 방향을 바꾸기 전에 전극과 충돌해서 전자 손실이 커져요...

반대로 주파수가 너무 크면

Electron이 충분히 가속해서 에너지를 갖고 Gas 입자와 충돌하기 전에

이동 방향이 바뀌어서 Plasma가 제대로 생성되지 못한다고 해요.....

Plasma 생성 효율을 높이기 위해서 무작정 주파수를 높이거나 낮출 수 없네요...

그리고 RF Power를 사용해서 Plasma를 생성할 때는 'RF Matcher'라는 부품을 사용해야 돼요.

'RF Matcher'는 Plasma 설비에서 RF 신호를 만들어 보내는 '입력단(RF Generator)'과

Plasma가 생성되는 '출력단(Chamber 내부)'의 '임피던스(Impedance, 온저항)' 값을

'50Ω'으로 맞춰주는 장치에요.

'임피던스(Impedance)'는 교류 전원에서 전자기파 신호를 방해하는 정도를 말하는데요.

입력단과 출력단의 임피던스가 맞지 않으면 진행하던 RF 신호에 '반사(Reflection)'이 발생해요.

이 말은 RF 신호에 손실이 발생한다는 것이고 Plasma 생성 효율이 떨어지게 돼요.

RF Matcher는 회로도에서 커패시터(Capacitor)로 표시해줘요.

실제로 RF Matcher에는 Capacitor가 있어서 Plasma를 생성하면 전하가 축적이 되고

전위(Electric Potential)에 영향을 줘요.

**이번 포스팅에서 CCP type AC Discharge Plasma에 대해서 공부하고 정리해봤는데요. 혹시 오류가 있으면 댓글로 수정 부탁드려요.