Deposition 플라즈마 색 관찰 [플라즈마 빛과 OES신호]
2018.05.08 14:21
안녕하세요, 반도체분야로 취업하려는 취업준비생입니다.
얼마전에 공정실습을 다녀왔었는데요. SiO2 를 PECVD로 증착하는 과정에서 플라즈마 관찰을 했었습니다. process gas로 N2O를 SiH4보다 많이 투입했음에도 불구하고 SiH4의 플라즈마 색이 관찰된 것에 대해서 이유를 분석해보라는 문제를 주셨습니다.
당시에는 두 가스의 플라즈마 색이 갖는 파장이 합성됐을 때 푸리에와 관련해서 나온 현상이라고 이해했었는데, 다시생각해보니 정확한 정리가 잘 되지 않았습니다.
이 현상에 대해서 피드백을 받을 수 있을까요??
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좋은 질문을 받으셨군요. 저도 답은 잘 모르겠고, 다만 천이하게 된 이유가 반드시 있을 것 입니다.
제가 드릴 수 있는 답변은 일단 다음과 같은 개념에 대해서 한 번 깊이 있게 생각하시고, 문제 정의와 답변 자료를 찾아 보시기 바랍니다.
1. 일반적으로 플라즈마에서 빛이 나온다고 생각하여 플라즈마=빛으로 생각할 수 있습니다만, 이 생각을 잘 집어 보아야 합니다. 즉, 플라즈마는 이온화된 원자/분자와 전자들의 가스 덩어리입니다. 원자나 분자가 이온화 되려면 전기장 (전력)에 의해서 가속된 전자와 원자/분자와의 충돌 과정에서 이온화가 이뤄집니다. 하지만 전자가 선택적으로 이온화 충돌만 하는 것이 아니라 여기 (분자의 경우 해리 충돌 반응) 등을 하며, 특히 여기 반응으로 원자가 여기되었다가 바닥상태로 내려오면서 빛을 방출하게 됩니다. 따라서 플라즈마가 있는 곳에서는 대부분 가시광선의 빛이 나오며 (저온 플라즈마이에 가능합니다. 높은 온도의 플라즈마에서는 가시광선 이상의 빛이 방출되어 목측이 불가능할 수 있습니다), 빛이 세다면 플라즈마가 고밀도라고 판단하는 것입니다. 따라서 광진단으로 플라즈마 특성을 관찰할 수 있으며 이를 관찰하는 광학센서로 OES (optical emission spectroscopy)가 있으며, 스팩트럼 (빛의 파장)에 따른 신호 크기를 측정함으로써 분광신호를 얻고, 이로 부터 공정 플라즈마의 거동 변화의 정보를 축출하는 관찰센서로서 역할을 합니다.
2. 빛은 원자가 바닥 (기저)상태에서 여기 상태로 천이하였다가 다시 바닥상태로 되돌아 오면서 방출하는 에너지입니다. 바닥상태에서 여기상태로 천이하였다는 말은 원자 핵 외곽에 여러 궤도에 놓인 전자들이 자기가 본래 있던 궤도를 벗어났다는 의미입니다. 이는 외부로부터 에너지를 받아서 (위에서 말한 가속 전자와의 충돌)로 발생하며, 금지된 상황이 아니라면 대부분 다시 바닥상태로 전자가 내러오면서 원자는 안정하게 됩니다. 이 궤도는 양자화되어 있고, 각 원자 마다 전자의 수가 다름으로 궤도에 도달하는 에너지가 모두 다르며, 이는 각 원자는 고유의 빛, 스펙트럼을 갖고 있다고 할 수 있습니다. 따라서 여러 원자가 섞여서 빛을 낸다면 자신이 갖는 고유한 빛 스펙트럼 (단파장의 빛으로 구성된 빛)을 우리는 전체 빛으로 보게 되는 것입니다. 각 각의 원자가 낼 수 있는 파장에서 빛을 내는 것으로 이를 나누는 것을 분광이라 하고, OES는 각 파장에서의 빛의 세기 값을 측정해서 보여 주는 도구가 됩니다. 이후 원자의 파장 값은 원자물리에서 제공되므로 (혹은 NIST/ NFRI 데이터센터 등)에서 이 자료를 받아 스펙트럼을 분석합니다. 참고로 여기 에너지가 크면, 방출되는 빛의 에너지도 클 것이고 이때 방출하는 빛의 파장은 짧은 파장을 냅니다. 즉, 플라즈마 분광에서 짧은 파장의 빛은 높은 에너지의 전자 충돌로부터 발생되었다고 생각할 수가 있습니다. 또한 빛 세기, 즉 각 파장에서 스펙트럼 신호의 크기는 해당 여기가 활발하였음을 의미하므로 플라즈마 전자와의 충돌이 빈번했구나 하는 정성적 판단을 할 수 있습니다.
3, 또한 분자는 분자 자신이 다양한 운동에너지를 갖고 있어 이를 기반으로 빛을 방출하게 됩니다. 대부분의 분자 신호는 단일파장의 스텍트럼이 아닌 여러 파장대의 신호가 합성되어 넓게 퍼진 형태의 신호를 가집니다. 따라서 플라즈마 특성을 해석하기 위해서는 분자들과 섞여 쓰인 원자들의 신호를 참고하면 보다 정확한 스펙트럼 해석이 가능합니다.
4. 일반적으로 플라즈마 분광해석에서는 OES (파장대 신호를 나누어 정보를 얻는 방법)을 씁니다. 목측으로 진단하는 경우에는 다음 사항을 참고할 필요가 있겠습니다. 일반적으로 우리가 맨 눈으로 관찰하는 빛은 가시광선으로 380-750nm 정도의 파장입니다. (가시광선에 대해서는 wikipidia 참고를 권장합니다) 보라색(410nm 파장대 +-25nm 대역), 파랑(454nm 파장대), 초록(555nm 파장대),노랑(567nm 파장대),주황(600nm 파장대), 빨강(656nm 파장대)의 빛을 보게 되고, 색의 변화는 파장대역을 내는 빛의 생성량이 상대적으로 활발해졌음을 의미하게 됩니다. 따라서 어떤 빛 색깔로 천이했다는 말은 그 파장대의 빛이 상대적으로 많이 방출되고 있는 상황, 즉 해당 입자들이 많이 생성 혹은 형성되었거나, 플라즈마 속에 가속 전자들이 그 천이에 기여할 에너지를 얻거나 잃은 경우에 발생할 수 있습니다. 따라서 RGB 스텍트럼 해석에는 각 영역의 비율의 변화를 주시하게 되며, 이는 플라즈마 전자의 에너지 (분포) 변화의 요인 혹은 해당 에너지 군의 입자들의 충돌률의 변화 등의 요인을 상대적으로 해석을 해 볼 필요가 있고, 귀결을 위해서는 OES 신호를 기반으로 정확한 원자들의 거동의 정보를 얻어 비교해 보아야 합니다.