Ion/Electron Temperature N2 Plasma 상태에 대해서 질문 드립니다.
2019.06.07 16:36
안녕하세요, 한국기술교육대학교에서 석사과정중인 최인규입니다.
현재, Plasma 상태에서의 분자와 기판의 반응을 시뮬레이션을 통해서 모사해 보려고 하고 있습니다.
다만 현재 N 플라즈마 상태에서, N이 어떠한 형태로 존재하는지 알지 못하고 있습니다.
H 플라즈마의 경우에는 I. Mendezet al , J. Phys. Chem . Rev . A 110 2006 ) 6060 6 논문을 참고하여,
H 원자 형태로 가장 많이 존재하며 그 이후로 H3+, H+, H2+ 순으로 구성되어있다고 하는데,
N 플라즈마의 경우 대부분이 N+ / N2+ 의 비율로만 보여주고 있어 어려움이 있습니다.
혹 N이 이온이 아닌 원자 형태로 존재하는지, 존재를 한다면 N+, N2+ 대비 얼마나 존재 할지 궁금하여 질문드립니다.
감사합니다.
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플라즈마 가스에를 크게 원자와 분자 가스로 구분할 수 있고, 많은 경우 혼합된 가스를 사용합니다. 여기서 원자의 경우는 플라즈마 생성에 기여하며 특별한 물리적 성질을 이용하려는 목적으로 첨가하거나, 장치 물리를 해석하려는 목적으로 사용합니다. 스퍼터에서도 많이 쓰고요. 분자 가스는 분자의 화학적 성질을 이용하려는 목적이 커서 원하는 화학물이 분자형태로 결합되어 있는 경우가 많이 있으며,
따라서 그 원소를 떼어서 쓰는 과정이 플라즈마 내에서 일어나게 됩니다. 플라즈마가 반응을 진작시키게 됩니다.
플라즈마 진작시키는 반응은 공간내에서 원하는 원자를 많이 생성시키는 일이며, 여기에는 주로 플라즈마 내의 전자와 분자와의 반응이 그 역할을 합니다. 따라서 우리는 플라즈마 전자와 분자와의 반응률에 대해서 관심을 가지는 것이 좋습니다. (게시판에서 충돌반응을 찾아 보세요) 이는 플라즈마 내의 '전자와 입자의 충돌률'정의에 대해서 공부하시면 좋습니다. 수식으로는 n_g < CX x v_e > n_e 로 n_g는 가스의 밀도, cx는 전자와의 충돌단면적으로 충돌 후 일어날 현상에 대해 원자/분자가 갖는 고유 특성 이며 v_e는 전자가 갖는 상대속도로 대부분 플라즈마 전자의 속도가 타킷이 되는 원자/분자 보다 커서 전자 자체의 속도로 보면 되고, 플라즈마 내에서는 전자가 열운동을 하면서 갖는 속도를 의미합니다. n_e는 플라즈마 밀도를 의미합니다. 따라서 전자 들 속도가 열운동 분포를 하고, 일반적으로 Maxwellian distribution을 하고 있다고 가정하여 모든 전자의 에너지 상태를 고려한 적분값 즉 <>를 취해 설명합니다. 이렇게 하면 어떤 에너지 전자들이 어떤 일을 하는 가 생각하기가 수월합니다. 또하나 생각해야 할 점은 CX은 반응에 따른 문턱값이 존재합니다. 즉 이온화 에너지 문턱값이 가장 높고 해리, 여기 등이 비 탄성 충돌 반응의 문턱에너지는 탄성충돌의 문턱에너지지보다 매우 높습니다. 따라서 높은 에너지의 전자들이 해리 및 이온화 등의 반응에 역할을 하게 되고, 우리가 전력을 많이 넣어야 플라즈마를 발생시킬 수 있는 이유를 알 수도 있습니다.
이 글을 잘 파악해 보면, 우리가 분자를 쓰는 이유, 즉 공정에 필요한 화학물을 떼어 내는 (해리) 반응에 플라즈마 전자들의 밀도와 에너지가 역할을 하는 것을 알 수 있습니다. 분자의 밀도는 운전 압력으로 조절이 가능하고, 전자의 에너지는 열에너지로서 플라즈마를 가열시켜서 얻을 수 있는 것이며 (이를 위해 플라즈마 생성기 종류가 결정, ICP/CCP/ECR ...) 이 반응 중에서 이온화 반응으로 생기는 플라즈마 밀도가 묶입니다.
따라서 질소 분자의 경우 질화과정에는 해리된 질소 원자가 필요하겠습니다. 그 변수로로 플라즈마 반응기 종류, 운전 압력, 전력 등의 함수로 질소 분자의 해리가 결정되게 됩니다. 따라서 시뮬레이션에서 어떤 장치의 플라즈마 가열 상태로 만들어진 EEDF를 썻는가, 전력 coupling을 어떻게 가정해서 전력 전달 모델을 어떤 것을 쓰는가 등을 고려한 입력 값의 설정이 중요하게 되고, 특히 중요한 것은 해리 률에 대한 CX 정보를 얼마나 세밀하게 확보하였는가도 결과에 영향이 큰 요소입니다.
이렇게 '공간 내에서 만들어진 생성물, 플라즈마 밀도, 온도' 들을 갖고, 표면에서의 반응은 '플라즈마 쉬스'에서 이온이 에너지를 얻어서 표면과 반응하며 표면물질과의 반응은 표면 온도와 입사 이온의 에너지가 직접 전달하는 온도 효과 및 모멘트 전달 효과가 있습니다. 대부분의 표면 반응이 온도에 비례하고, 입사 이온의 운동에너지에 비례한다고 생각할 수 있어 타깃의 표면 온도 관리는 매우 중요하며, 쉬스 에너지입니다. 따라서 '표면 반응'과 '쉬스 에너지 조절'의 관점이 매우 중요하고, 생성된 공정 입자들의 flux와 함께 이들 인자와의 함수로 공정은 진행이 됩니다.
자, 위에서 설명한 질소 분자의 해리로 만들어진 질소 분자들은 사실 상 에너지가 크기 않습니다. 전기적으로는 중성이고, 하지만 리디컬 특성을 갖고 있어 결합력은 좋습니다. 이들이 타깃 원자/분자들과 결합이 되어서 타깃에 잘 붙거나, 혹은 반응후 휘발되거나 하기에 추가 에너지는 쉬스에서 이온이 전달하는 에너지를 얻거나 혹은 표면의 온도를 조절하거나 해서 (대부분 두 과정을 동시에 관리해서) 최적 공정을 운전하게 됩니다.
따라서 플라즈마 공정을 생각할 때 플라즈마의 역할 (충돌반응으로 부터)을 생각하면 이슈를 파악하는데 도움이 될 것입니다. 또한 질소 플라즈마는 질화 공정용으로 많이 연구되었던 것으로 알고 있습니다.