OES OES를 통한 Radical 생성량 트렌드 파악
2025.09.17 20:37
안녕하세요, 플라즈마를 이용한 박막 증착을 연구하고 있는 대학원생입니다.
PEALD 공정에 사용되는 O radical 생성량 트렌드를 파악하고자 OES 장비를 처음으로 사용하게 되었습니다.
여기서 알고 싶은 내용은
Q1. O radical 생성을 위해 Ar/O2 플라즈마를 생성시키는데 이 때, 총 유량은 일정하게 유지한 상태로 Ar과 O2의 비율만 변화시키면서 OES 측정을 하면 Ar과 O2의 비율에 따른 O radical의 생성량 트렌드를 파악할 수 있을지
Q2. OES에서 O* intensity(peak)가 높은게 절대적인 O radical의 양이 높다는 의미와 동일한 것인지
(OES 분석의 원리 상 excited된 O*만 detect되는데 ground state의 O*가 많을 수도 있을 것 같아 질문드립니다.)
질문드립니다.
감사합니다!
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좋은 질문입니다.
플라즈마 생성은 가속전자와 원자/분자와의 충돌 반응에서 형성됩니다. 항상 충돌 빈도수를 생각하고 충돌 횟수에 생성량은 비례한다는 가정을 갖고 문제를 살펴 보면 좋습니다.
전자-원자/분자 충돌:
-Ar 은 Ar이 직접 이온화 되기도 하고 Ar* 이 만들어지고 2번째 step 에서 이온화되는 step ionization 으로도 만들어집니다.
-산소는 분자로 직접 이온화 되기도 하고, 해리 이온화 반응을 거치기도 합니다. 산소는 전자 흡착 반응이 우세합니다.
-(전자 흡착 반응은 플라즈마 공간의 전자 손실 현상으로 작용합니다)
-이온-중성종 충돌 문제는 혼합된 경우에는 이온과 중성종 (가스)와의 충돌이 빈번하여 Ar+ 과 O2 / O 와의 충돌에서 Ar+ 의 이온이 neutral 로 전달될 수 있는가를 따져 보아 Ar+ 보다 낮은 이온화 에너지를 가지면 Ar 이온이 O2 이온으로 전달되는 즉 산소로 부터 전자를 가져와서 O2+를 형성g하게 되고, 이를 전하이동 (charge transfer: CT) 반응이라 합니다.
-이는 공정 플라즈마에서 빈번히 발생하는 충돌 반응이니 잘 기억해 두세요. 참고로 전하 교환 (charge exchange CEX)는 동일 종류의 입자들 간의 전하 이동을 의미하므로, CT의 특수한 성질이라 할 수 있고, 단일 가스 사용시 발생하여 속도가 감속된 이온을 만드는 현상입니다.
-이온화 에너지를 먼저 살펴 봅시다. 플라즈마 생성, 즉 Ar 의 이온화 과정으로 부터 Ar/O2 혼합 조건의 이온화 과정을 생각하면 좋습니다.
이온화 에너지: Ar: 15.76eV, O2: 12.07eV, O: 13.62eV 이며 Ar* 은 11.55 eV 와 11.72 eV 입니다.
Ar+ (15.76eV) 이고 O2+(12.07 eV) 이니 Ar+ 와 O2 충돌로 ionization 차이가 + 3.69 eV 이므로, Ar+ 와 O2 의 전하 전달은 가능하며 반대로 O2+ 에서 Ar 으로는 - 3.69 eV 이므로 에너지를 얻어야 전하 전달이 가능합니다.
따라서 Ar/O2 플라즈마에서 O2 의 혼입이 시작되면 Ar+ 의 이온 밀도는 감소하게 됩니다. 또한 O2- 와 O- 의 전자 흡착으로 전자 손실이 증가하게 됩니다.
--> Ar/O2 에서 Ar+ 플라즈마 특성은 특정 혼합비 이상에서 일어나고 O2 혼합비가 커지면서 매우 급격하게 감소하다 서서히 감소합니다. 따라서 박막 조건에서, 특히 산소 혼합비가 비교적 큰 분위기라면 Ar+ 의 밀도가 매우 낮게 유지될 확률이 높습니다. (이는 가열 현상과 운전 압력, 특히 반응기 volume 등에 영향을 받을 것 이나, 그 내부에서 플라즈마 현상은 이상의 내용에 지배를 받습니다.)
공정 플라즈마 공부에 도움이 되길 바랍니다.