ICP CCP/ICP 의 플라즈마 밀도/균일도 에 대해서 질문이 있습니다. [Plasma source와 loss]
2020.06.25 02:49
안녕하세요, 반도체산업으로 취업을 준비하는 학부생입니다.
제가 가진 자료에서는 CCP 방식이 플라즈마 밀도가 낮고 균일도는 높으며, ICP는 이와 반대라는 내용만 있고 그에 대한 근거는 언급되어 있지 않아서 이 사이트를 포함해서 구글링을 통해 근거를 탐구하고 있습니다.
그러나 제가 찾은 여러 자료들 속에 근거의 재료들이 있었을 것이라고 생각이 들지만, 학부생의 시각에서는 이해가 어려워서 재료들을 연결해서 답으로 도출하는 데 어려움이 있었습니다. 그래서 최종적으로 이렇게 질문으로 남기게 되었습니다.
1. 플라즈마 밀도에 대해서, CCP는 전자이동이 전극 간 전기장에 의한 운동이어서 전극에 의한 소멸로 인해 밀도가 낮고, ICP는 전자이동이 원운동이어서 전극에 관계 없이 충돌 전 까지 계속해서 가속이 가능하기 때문에 밀도가 높다고 정리를 했습니다. 좀 더 첨언이나 수정이 있는지 의견을 구하고 싶습니다.
2. 밀도에 관해서는 그나마 근거도출에 접근할 수 있었으나, 균일도에 관해서는 도저히 근거를 도출할 수 없어서 안타깝게도 교수님의 의견을 듣고 싶습니다.
댓글 3
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김곤호
2020.06.29 10:06
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우인범
2020.06.29 17:15
알려주신 키워드로 검색해서 좀 더 공부해보았습니다.
그렇다면 ICP의 경우, 자기장에 의해 하전입자들을 구속하기 때문에
반응기내 확산이 CCP에 비해 억제되서 CCP대비 균일도가 낮은것으로 볼 수 있을까요??
그리고 CCP ICP 각 장비마다 개선해나가고 있겠지만, 일반적으로 플라즈마의 밀도와 균일도는 어느정도 Trade off 관계에 있는건가요??
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김곤호
2020.06.30 11:39
ICP에서 자기장은 전기장을 만들어 입자 가열에 이용되어, ICP 에서 자기장의 생각하시는 외부에서 추가되는 자기장의 역할과는 구분해서 생각하시는 편이 좋습니다. 여기서 자기장은 전기장 유도로서 기능을 하고, 유도된 전기장이 입자를 가속시킵니다.
따라서 밀도 분포는 가열에 필요한 전기장과 물리니 전기장의 분포가 밀도 분포에 민감하며 이렇게 생성되는 플라즈마가 확산되므ㅗ CCP와 ICP의 분포 특성이 서로 다르게 됩니다. 따라서 균일도 제어는 장비 플라즈마 생성 특성을 고려해서 방법을 도출하게 됩니다.
또한 확산과 관계를 말씀하셨는데,밀도생성과 확산이 trade off 관계의 등식은 확산을 유발하는 힘은 압력 기울기, 즉 온도 및 밀도 분포 기울기 입니다. 등식은 기울기 크기가 중요합니다. 잉크물 진한 곳에서 확산이 빠르게 일어나게 되는 경우와 유사합니다. 따라서 밀도가 높은 곳, 특히 가열이 국부적으로 일어나게 되면 그 근방에서 확산도 커지고 평탄화 되려고 할 것입니다 하지만 균일하지 않다면 확산 속도 보다 생성률 빠르다고 예상할 수가 있겠고, 따라서 해당 공간의 전기장 세기를 줄일 방법을 고려해서 장비 안테나를 설계하거나, 전극의 경우 주파수를 조절하기도 합니다.
이후에는 장비 내에서 진행되고 있는 충돌 현상에 대해서 공부해 보시면 좀 더 깊은 장비 플라즈마 세계를 들여다 보실 수 있겠습니다.
질문을 2가지 문제에서 해석이 가능할 것 같습니다.
1. ICP 와 CCP의 플라즈마 생성, 다른 말로 플라즈마 가열이라고 하며, 이는 전자가 외부 전력으로 부터 가속 (에너지)되는 얻는 과정으로 부터 해석을 해 보세요. 전자의 가속은 전기장을 따라서 가속되고 가속된 전자 (에너지 얻은 전자)가 가스 원자 및 분자와 충돌하면서 이온화/해리-이온화 충돌 반응을 통해서 플라즈마가 생성됩니다. 이떄 새롭게 만들어진 전자들은 공간 전기장에 다시 가속되면서 플라즈마 밀도는 높이게 합니다. (항상 생성-소멸은 함께 생각합니다. 대부분의 소멸은 벽으로 확산되는 입자들에 의해서 진행되고, 물론 공간 내에서 이온-전자가 결합하면서도 전자가 소멸되는 플라즈마 생성을 위한 seed 가 줄어 들고, 실제 손실도 일어나면서 플라즈마가 소멸하게 됩니다. 따라서 안정적으로 플라즈마를 만든다면 생성과 소멸이 균형을 맞추어야 하고, 생성시기에는 생성부가 강화되고 있다는 의미이며, 플라즈마가 꺼진다면 소멸이 더 큰 기전으로 작동하고 있다는 의미가 되며, 불안정하다면 두 기능이 서로 힘겨루기를 하고 있다는 의미가 됩니다)
2. 플라즈마 손실을 판단하는데 플라즈마는 확산 현상을 반드시 고려해야 합니다. 자연스럽게 플라즈마가 가열되는 영역에서 플라즈마 밀도가 높을 것이고 낮은 곳으로 플라즈마가 자연스럽게 확산됩니다. (플라즈마에서는 전자와 이온이 함께 이동하는 양극성 확산 (ambipolar diffusion-본 계시판 내용 참조)로 플라즈마가 전체 반응기 공간으로 확산이 일어 나며 벽에서 소멸됩니다. 확산은 충돌에 의해 진행하는 현상이므로 확산 중에 전자-이온의 재결합에 의해 플라즈마가 소멸되면서 벽에서 최종 마무리가 된다고 보면 죕니다. 따라서 충돌이 지배하는 현상으로 이는 중성입자와의 충돌을 포함하므로 운전 압력이 영향을 미치게 합니다.
3. 따라서 생성은 전기장으로 부터 판단하는데, CCP는 Capacitor의 전기장 같이 전극과 전극 마주보는 면에 수직으로 전기장이 만들어지므로, 가속되는 전자들은 이 방향을 따라서 움직이고, 이온도 반대 방향이나 수식 방향으로 움직이게 됩니다. ICP는 인덕터의 의미 그대로 회전방향으로 전기장이 만들어져서 전자가 에너지를 받다가 손실된 확률이 많이 적어, 생성 효율이 좋다고 예상할 수가 있겠습니다.
하지만 밀도가 높다는 의미는 손실을 같이 고려해서 생각해야 한다는 점을 고려하면 장비 구조 등과 충돌률 등이 오히려 큰 요소가 됩니다. 현장에서 가시면 장치 구조 하에 전자 가속 범위를 복합적으로 판단해 보시기 바랍니다. (본 게시판에서 플라즈마 가열/ 플라즈마 확산 등의 주요 단어를 찾아 보시면 도움이 될 것 같습니다.)