*목차*
1. Plasma에서 쉬스(Sheath) 란?
2. Sheath의 생성 과정
3. Sheath의 음극 전압 강하, 양이온 충돌
지난 포스팅에서 Plasma에 대해서 정리해봤는데요.
이번 포스팅에서는 Plasma의 쉬스(Sheath)란 무엇인지 알아보고
Sheath의 생성 과정 및 역할에 대해서 공부하고 정리해봤어요~
1. Plasma에서 쉬스(Sheath) 란?
플라즈마(Plasma)는 이온(Ion), 전자(Electron), 라디칼(Radical), 중성 입자로 존재하는
물질의 4번째 물질 상태에요.
Plasma 상태를 입자 각각으로 보면 Ion, Electron이 있어서 전기적으로 극성을 갖고 있을 것 같지만,
입자의 비율이 동일하기 때문에 Plasma 전체적으로 보면 전기적으로 준중성의 성질을 띄고 있어요.
쉬스(Sheath)는 Plasma와 Chamber 벽면 or Plasma 속의 물체(Wafer) 사이에 발생하며
양이온(Cation)과 중성자 위주로 존재하면서 전기적 준중성 성질이 깨진 영역이에요.
Sheath 영역은 Plasma와 Chamber 벽면(or Wafer) 사이에
'음극 전압 강하', '급격한 전위 차이(Potential Difference)'가 발생하는 영역이에요.
Sheath 영역은 Plasma와 전압이 걸리는 전극(Electrode) 사이에서도 발생하며
전극에 음의 전위가 걸려 있다면 걸어준 (-) 만큼 더욱 낮아지면서
'음극 전압 강하'가 더 강하게 발생해요. (전위 차이가 더 커져요.)
반도체 Plasma 공정에서 Sheath 영역은 중요한 역할을 해요.
2. Sheath의 생성 과정
Sheath 영역은 양이온(Cation)과 전자(Electron)의 이동 속도 차이로 발생해요.
Electron은 Cation에 비해서 질량이 매우 작아요. 때문에 양이온에 비해서 전자의 이동 속도가 매우 빨라요.
Plasma와 Chamber 벽면 사이에 Sheath가 생기는 과정은 아래와 같아요.
Plasma 물질 상태를 구성하는 입자들이 이리저리 이동 하는데요.
Electron의 속도가 빠르기 때문에 Positive Ion보다 Chamber 벽면에 먼저 도달하게 돼요.
벽면에 빠르게 먼저 도달한 전자는 양이온보다 많이 유입되면서
Chamber 벽면을 (-)음의 전위로 대전 시켜요.
(-) 전위로 대전 된 벽면은 Electron(or 음전하)을 반발력으로 밀어버려요..
그러면 결과적으로 Chamber 벽면 근처에는 Positive Ion과 Neutral Atom 위주로 남아요.
이 영역은 Plasma의 전기적인 준중성이 깨진 상태에요.
이렇게 Plasma와 Chamber 벽면 사이에 생긴 영역을 쉬스(Sheath)라고 해요.
Sheath 영역에서는 빛을 내는 반응이 일어나지 않기 때문에 어둡게 보여요.(Dark Space)
Chamber 벽면 뿐만 아니라, Chamber 안에 전기적으로 고립된 물체(or Wafer)있는 상태에서
Plasma가 생성되면 위와 동일한 과정으로 물체 표면도 (-) 전위로 대전이 되고
Plasma와 물체 사이에 Sheath 영역이 생겨요.
3. Sheath의 음극 전압 강하, 양이온 충돌
Plasma 상태를 보면 전기적으로 준중성의 성질을 갖고 있지만
Plasma는 Plasma 안에 있는 어떤 물체, 벽면, 전극보다 높은 전위를 갖고 있어요.
위에 설명한 Sheath가 생성되는 과정처럼
Plasma 안에서 Chamber 벽면이나 전기적으로 고립된 물체(or Wafer)는 (-) 전위로 대전 되고
Plasma는 벽면 또는 물체보다 높은 전위 값을 갖게 돼요.
이때 Plasma가 갖는 전위를 '플라즈마 전위(Vp, Plasma Potential)'라고 하며
벽면이나 물체(or Wafer)가 갖는 전위를 '플로팅 전위(Vf, Floating Potential)'라고 해요.
벽면이나 물체(or Wafer) 근처에서는 '플로팅 전위(Vf)'에 의해서 '음극 전압 강하'가 발생해요.
또 Sheath 영역에는 양전하의 밀집(밀도)이 최대가 되는 지점이 있는데
이 영역은 Plasma와 Wafer(or 벽면) 사이에 전위 차이(Potential Difference)를 최대로 크게 만들어요.
Sheath 영역은 '음극 전압 강하'가 시작되는 지점부터 Wafer(or 벽면)까지로 볼 수 있어요.
Sheath 영역의 전위 차이를 '쉬스 전압(Sheath Voltage)'
또는 '쉬스 전위(Sheath Potential)'이라고 불러요.
'쉬스 전압'은 '플라즈마 전위(Vp)'와 '플로팅 전위(Vf)' 차이를 말해요.
( Vp - Vf )
Sheath 영역의 '급격한 전위 차이'는
Sheath 영역의 양이온을 Wafer(or 벽면)로 쉽게 가속하고 충돌 시켜요.
양이온은 Plasma Bulk 영역부터 가속되서 충돌하는 것이 아니라 Sheath 영역에 밀집된 양이온이 가속되고 충돌한다고 해요.
그런데 만약 Wafer가 전기적으로 고립된 것이 아니라
(-) 음극 전압이 걸려 있다면 걸어준 전압만큼 전위가 더 낮아지고
'음극 전압 강하'가 더 강하게 발생하며
양이온이 더 가속하고 더 많은 에너지를 갖고 충돌하게 돼요.
이런 Plasma Sheath 영역의 양이온의 가속 및 충돌 현상을 이용해서
Wafer 표면의 물질을 식각(Etching)하거나, 증착(Sputtering) 할 수 있어요.
이번 포스팅에서 Plasma Sheath에 대해서 공부하고 정리해 봤는데요.
오류가 있다면 댓글로 수정 부탁드려요~
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