플라즈마에서 빛이 나는 이유는 원자 (핵+전자)가 전자와의 충돌로 에너지를 받으면 핵 주변의 궤도를 돌고 있는 전자가 에너지를 받아서 다른 궤도로 갔다가 다시 본래 궤도로 옮겨 가면서 에너지가 방출되는데, 이때 빛으로 에너지가 방출됩니다. 또한 전자의 궤도는 핵의 구성에 따라서 달라 각 원자들은 각각의 전자들이 머무는 궤도가 다르므로, 원자 종류마다 다른 에너지의 빛이 방출되게 됩니다. 에너지가 높은 빛은 파란색을 띠게 되고, 에너지가 낮은 빛은 붉은 색 계열의 빛을 띠게 되고, 가시광선 영역 밖의 빛도 방출합니다. 여기서 원자는 단원자 (Ar 등)과 함께 아원자 (O2/N2...등)을 모두 아우르는데, 특히 아원자의 경우는 전자와의 충돌로 부터 에너지를 받으면 원자 간에 진동이 심하다가 다시 안정화 되는 빛 까지 방출되게 되어서 빛의 스펙트럼 폭이 넓어지는 특징도 있습니다. 플라즈마에서 나오는 빛은 optical emission spectroscopy (OES)라는 분광기를 이용해서 어떤 파장 대의 빛이 방출되는가를 알 수도 있고, 실제 EPD 등 공정 모니터 용으로 사용되고도 있습니다. 아마도 ashing 공정 최적화 등에도 OES 신호 해석이 도움이 될 것입니다.

위의 글에서 신경써서 보면 좋을 내용은 전자가 원자와 충돌해서 빛을 낸다는 충돌 반응에 대한 이야기로 빛은 내는 것은 원자의 궤도 전자들이니 혼돈이 없어야 하겠습니다. 원자에 붙어 있는 전자가 떨어지면 이를 자유전자라고 하고, 자유전자가 만들어 지면 해당 원자는 이온이됩니다. 즉, 플라즈마는 많은 수의 이온과 전자가 가스 상태로 모여 있으며 여기에는 이온/전자 외에도 중성 원자 들 및 라디컬 들로 구성됩니다. 즉, 플라즈마의 생성에는 소수의 자유전자들이 MW 의 전기장에서 에너지를 얻어서 원자들과 충돌하여 이온화 하여 (이온화 반응) 플라즈마를 만드는데, 그 과정에서 이온화가 되지 않고 원자를 여기시키거나 해리 시키는 반응 (여기 반응/ 해리 반응)의 결과 라디컬 및 빛이 나오게 되는 것입니다. 따라서 플라즈마 생성 현상 중에 빛이 방출되어서 우리는 방출되는 빛의 에너지 혹은 파장을 관찰하면 어떤 가스가 반응기 내에 속해 있는가도 알 수가 있습니다.

세정에서 대표적으로 쓰는 가스는 산소이고 대부분의 산소는 옅은 노란색의 빛을 띠고, 질소는 붉은 빛에서 노란색의 빛을 띱니다. 하지만 눈으로 빛을 정의하기는 빛의 양아니 반사 등으로 부터 어렵습니다. 중앙부분에서 빛이 흰색을 띄는 것은 아나도 많은 빛이 방출되는 현상, 즉 플라즈마 내에서 여기 반응이 많이 일어나고 있기 때문으로 보이고, 웨이퍼 근방에서 (ashing 전 상태) 빛이 붉은 빛을 띈다는 것은 플라즈마 밀도가 낮고 온도가 낮은 지역에서의 빛의 방출로 보는 것이 좋을 것 같습니다.

또한 plasma에 의한 damage는 이온에 의한 damage 및 UV 등의 빛에 의한 damage가 있는데, 일단 이온에 의한 damage는 ion의 가속 에너지, 즉 rf bias 를 키우면 이 문제가 심화되니 가능하면 낮은 에너지에서 운전하는 것이 좋을 것 같고, bias 전위에 대해서는 쉬스 (sheath)에 대한 본 란의 설명을 참고하시기 바랍니다.

아울러 DC 글로우 방전 혹은 breakdown 등에 대해서고 찾아 보시면 플라즈마를 이해하는데 도움이 될 것입니다.