Plasma in general 전자 온도 구하기 [쉬스 전압, 스퍼터링 효과]
2021.06.16 14:00
안녕하세요 교수님 언제나 좋은 정보 감사합니다.
저는 건식 세정 장비 회사에 다니는 엔지니어 입니다.
책을 통해서 공부를 하고 있는 중 플라즈마 전압과 플로팅 전압 차를 이용해 이온이 기판에 충돌하는 에너지를 구하는 식을 배웠습니다.
(식은 혹시 몰라 첨부파일에 사진으로 올렸습니다.)
그래서 저희 장비 기준으로 충돌 에너지를 구해 보고자 했는데, 문제는 Te 항인 전자의 온도를 어떻게 구해야하는지 모르겠어서 이렇게 문의 드립니다.
플라즈마 전자의 온도를 어떻게 구할 수 있나요?
그리고 분모에 있는 e = 1.6 * 10^-19 C 이 맞는지요 ?
감사합니다.
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플라즈마 전자 온도를 구하는 방법으로는 크기 2가지 방법이 있습니다.
하나는 직접 플라즈마 내로 도체 전극(탐침)을 넣어서 (접촉식 진단법) 인가하는 전압에 따라서 흐르는 전류로 부터 온도와 밀도 및 플라즈마 전위와 부유전위를 측정하는 Langmuir probe를 사용하는 방법이 일반적입니다. 정전탐침법으로 검색을 해 보셔도 좋을 것 같습니다.
다른 하나는 비접촉식 진단법으로 플라즈마로 부터 방출되는 빛 신호로 부터 전자온도를 해석하는 방법인 광진단법이 있습니다. 주로 OES (optical emission spectroscopy) 방법으로 공센서로 부터 얻은 신호 해석, 광진단으로 알려져 있습니다.
위에서 말씀하신 쉬스 모델은 floating sheath 모델로서, 쉬스 전위=|plasma potential - floating target surface potential|의 차이가 대략 입사하는 이온의 질량값과 전자온도에 비례한다는 관계식입니다. 만일 RF Bias를 인가하게 되면 floating target 의 potential이 더 낮아지게 됨으로 (DC offset) 쉬스 전압은 더욱 커지게 됩니다.
질문은 아마도 쉬스 전압을 알아서 입사하는 이온의 에너지를 예상해 보자는 목적인 것 같습니다. 위에서 설명드렸듯이 이는 이온 질량을 알아야 하고, 전자 온도를 알면 에상이 가능합니다. 하지만 이 값들에 대한 정보가 없는 경우, Ar (수소 질량의 40배) 경우로 가정하면 대략 쉬스 에너지를 4 - 5 x Te 이고 전자 온도 (대부분의 일반 장비에서의 플라즈마 전자 온도)는 5eV를 넘어가지 힘듭니다. 따라서 최대 25 V의 에너지를 가진다고 가정하면 대단히 보수적인 값으로 예상할 수 있겠고, 이는 충분히 세정에 효과에 영향을 미칠 수 있겠습니다. 여기에 세정을 효과적으로 진행하기 위해서는 산소등을 포함하기도 합니다. 산소의 역할을 화학적 세정 효과를 진작시키려는 것으로, Ar과 혼합하면 물리적 세정 효과와 화학적 세정효과를 모두 이용할 수 있겠습니다. 여기서 전자온도는 한번 더 역할을 하는데,. 산소의 해리률이 플라즈마 전자 온도 함수로서, 플라즈마 온도가 높으면 더 많이 해리되고 이온화도 많아져 세정효과를 더 키울 수 있게 됩니다.
따라서 이를 종합하면 전자 온도가 높아지면 쉬스 전압이 커지고 세정 이상의 스퍼터링 효과까지도 기대할 수가 있으며, 반면 해리를 키워서 산소라디컬 생성을 진작시킬 수가 있어, 전자 온도가 높은 고밀도 플라즈마의 경우, 이 두 효과가 상충되니 최적점을 운전 조건으로 찾아 보시면 좋습니다.