ICP Ar과 O2 plasma source에 따른 ignition condition에 대하여 질문 있습니다.
2019.10.28 17:18
안녕하세요. 반도체 회사에서 근무하는 엔지니어 입니다.
최근에 plasma system에 대하여 연구하고 있는데, 비전공자로서는 이해가 다소 어려운 부분이 있어 도움 요청드리고자 합니다.
현상은 ICP plasma system에서 평소에는 O2를 flow하면서 plasma를 ignition합니다.
하지만, gas line purge 등과 같은 이유로 Ar을 flow하게 되면 plasma가 죽어버립니다. 이를 단순하게 해결하기 위해서 O2의 flow만 2배로 늘려주면 다시 ignition되어 사용이 가능하지만, 그 원인을 알고싶습니다.
(Ar이 flow되는 순간에도 plasma는 죽으면 안됩니다.)
제가 짧게 이해한 바로는 plasma가 ignition되는 condition이 다르고, 현재 되어 있는 값은 O2를 ignition하는 조건이므로, Ar이 유입됨에 따라 O2의 농도가 감소하여 플라즈마 형성이 되지 않았고, O2의 유량을 늘려 단위면적당 O2의 농도를 높여줌으로써 단편적으로 해결된 것으로 보입니다.
제가 이해하고 있는 부분이 맞는지와 O2 유량 증가 말고 개선할 수 있는 아이디어가 있으시면 답변으로 부탁드리겠습니다.
감사합니다.
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상황 해석에는 장치 구조와 flow 해석 등이 포함되어야 하겠습니다만, 일단 Ar 과 O2의 플라즈마 생성 기전의 차이를 참고해 보세요.
Ar은 Ar+e --> Ar+ + 2e 및 Ar+e--> Ar* ==? Ar*+e--> Ar+ + 2e 의 step ionization 으로 metastable을 거쳐서 이온화되는 과정이 활발하여 플라즈마를 만들기가 쉽습니다. 하지만 O2의 경우에는 O2 의 이온화, 및 dissociation을 통한 O2+e -->O+O+e--> O+O+ +2e 의 dissociative ionization 즉 해리과정을 거치 후에 라디컬 만들면서 이온화 되는 경향도 큽니다. 여기에는 해리에 전자 에너지 소모가 커지게 됩니다. 더욱 방전을 방해하는 요인으로 O는 전자 친화도가 커가 O- 음이온을 만들기도 하여 가속될 전자들이 줄어드는 효과까지 있으니, 산소는 플라즈마 방전에 에너지를 더 필요로 합니다. 따라서 Ar 기반에 산소를 첨가해서 방전을 안정적으로 유지하기도 하는 까닭이 있습니다. 산소는 화학반응력이 크기 써야 하겠고, 플라즈마를 안정적으로 쓰려면 Ar를 첨가하거나 분율을 맞추어 주는 방법입니다. 분율의 절대값은 장치 특성에 따르니 몇 번의 자료를 얻으면 범위를 찾을 수가 있고, 굳이 이론적으로 해석할 가치는 없을 것 같습니다.
참, 유속에 대한 영향을 이온화 과정에 전자 가속과 충돌 반응 시간이 유지되어야 할 것입니다. 해당 공간, 즉 전자가 에너지를 받는 공간에서 이온화 반응이 일어날 시간은 보장되면 방전 유지에 훨씬 도움이 될 것입니다. 따라서 유속이 너무 빠르면 방전이 잘 유지되지 않게 됩니다. 따라서 유량 조절 throttle valve 와 MFC 제어는 방전 유지, 반응 시간 보장에 주요 운전 인자가 되겠습니다.