반도체 Plasma 공정에서 유전체(Dielectric Material) 유전율(Permittivity) 정전용량(Capacitance) 이란?

1. 유전체(Dielectric Material)

2. 유전율(Permittivity)

3. 정전용량(Capacitance)

4. 반도체 플라즈마 공정에서 유전율

반도체 공정에서 Plasma 설비를 보면

Plasma를 만드는 방법으로 전기장(Electric Field)을 사용해요.

그런데 Chamber 안에 들어있는 Parts의 물질 성분에 따라서 공정 차이가 발생해요.

특히 RF Power를 사용하는 경우에 Parts 물질의 유전율(Permittivity)에 따라서 달라지는데요.

우선 기본적인 용어에 대한 이해가 필요할 것 같아서

이번 포스팅에서는 유전율에 대해서 정리해 봤어요.

1. 유전체(Dielectric Material)

-. 유전체(Dielectric Material)이란 

"전기장(Electric Field) 안에서 극성(Polarization)을 띄는 절연체(Insulator)"를 뜻해요.

 우선 절연체(Insulator)는 도체(Conductor)와 달리 전하(Electric Charge)가 통과하지 않지만

전기장(E-Field) 안에서 양전하(Positive Charge)에는 유전체의 음전하(Negative Charge)가 늘어서고, 반대로 전기장의 음전하에는 유전체의 양전하가 늘어서면서 극성을 띄게 돼요.

 유전체의 성질은 전기장의 전위차(Electric Potential Difference)가 감소하게 되고

유전체는 감소한 전위차만큼 에너지를 저장해요.

 

 이러한 성질은 전기장 안에 있는 물질에 에너지를 저장하는 용도로 사용돼요.

 

2. 유전율(Permittivity)

-. 위에서 설명한 유전체는 물질마다 전기장에 영향을 주는 정도가 다른데요.

이때 물질이 전기장에 영향을 주는 물리적인 단위를 "유전율(Permittivity)"라고 해요.

 물질의 유전율은 보통 진공의 유전율에 대한 상대적인 값인 "εr, 상대 유전율(Relative Permittivity)"로 나타내며, 이 값을 흔히 "유전 상수(Dielectric Constant)"라고도 해요.

 

 실제 물질의 유전율은 유전상수에 진공의 유전율을 곱한 값이에요.

ε = εr * ε0 

유전체마다 고유의 유전율을 갖고 있어서

같은 물질의 양이라도 유전율이 높으면 더 많은 전하를 저장할 수 있고 전기장의 세기도 더 감소해요.

3. 정전용량(Capacitance)

-. 위에서 유전체마다 고유의 유전 상수를 갖고 있고 유전율이 클 수록 저장하는 전하가 많아져요.

그래서 전기 회로에서 "축전기(Capacitor)"에 유전율이 큰 물질을 넣으면 

"정전 용량(전기 용량, Capacitance)"이 커져요.

Capacitance란 물체가 전하를 저장하는 능력을 말하는데요.

 전기장 안에 유전체가 있을 때 전위차는 물질 고유의 유전 상수의 역수만큼 전위차가 감소해요.

 이때 감소한 전위차는 유전체에 전기에너지로 저장이 되는데 이를 Capacitance라고 해요.

유전상수가 커지면 정전용량은 커져요.

 유전체의 Capacitance는 아래와 같은 식으로 구할 수 있어요.

 유전체가 사이에 있는 평행판 축전기가 있다고 했을 때,

 C = k*ε0*A/d

-. C : Capacitance, 단위 F(Farad, 패럿)

-. k : 유전체의 유전상수

-. ε0 : 진공의 유전율, 단위 F/m

-. A : 평행판의 면적, m^2

-. d : 평행판의 거리 or 유전체의 두께, m

 위 식에서 유전체의 두께를 얇게 하면 Capacitance 증가 되지만 실제로는 무한정으로 얇게 할 수 없어요. 

 그 이유는 물질마다 고유의 "유전 강도(Dielectric Strength, 단위 V/m)"를 갖고 있는데

이는 "절연체가 파괴(절연 파괴)되기 전까지 견딜 수 있는 최대 전기장의 세기"를 말해요.

 유전체에 유전강도를 넘어서는 전기장이 걸리면 절연 파괴가 일어나 방전(Discharge)이 돼요.

유전체의 얇아지면 견딜 수 있는 전기장의 세기가 낮아져 방전일 일어나기 쉬워져요.

(* 절연 파괴, Dielectric Breakdown : 절연체의 저항이 감소하여 전류가 흐르는 현상 )

4. 반도체 플라즈마 공정에서 유전율

-. 이전 포스팅에서 반도체 공정에서 Plasma에 대해 정리한 것처럼

Plasma는 전기장(Electric Field)를 이용해서 전자(Electron)을 가속시켜서 만들어내요.

 또 Dry Etch 설비를 보면 RF Bias를 이용해서 Plasma의 Ion Bombardment를 유도하고 물리적 식각(Physical Etch)을 만들어내죠.

 이처럼 반도체 Plasma 공정은 높은 파워의 전기장(E-Field)를 활용하기 때문에 

Plasma가 방전되는 Chamber 내부의 부품은 주로 전기가 잘 통하지 않는 절연체를 사용해요.

 때문에 Chamber 내부를 구성하는 절연체 부품의 물질 종류에 따라서 공정 결과가 달라지기도 해요.

Dry Etch 설비에서 유전율이 작은 물질을 사용하면 Etch Amount가 증가하기도 해요.

 RF Bias를 사용하는 Dry Etch 설비에서 Wafer 주변의 부품을 봤을 때,

Ceramic Parts와 Quartz Parts의 공정 성능을 비교하면 

상대적으로 유전율이 작은 Quartz를 사용했을 때 Etch Amount가 높은 경향이 있어요.

 유전율이 작은 물질을 사용하면 전위차 감소가 적어서

RF Bias에 의해 만들어진 Wafer으로 향하는 전기장의 세기가 증가했기 때문이라고 생각해요.

 

**공부하면서 정리하였는데 오류가 있으면 댓글로 알려주세요.