질문 ::

안녕하십니까?  교수님.
이 사이트를 통해서 Plasma에 대해서 많은 학습을 하고있습니다.

요즘 RF 및 Plasma에 대해서 학습하고 있는데, 한가지 궁금한 사항이
있어서 메일드립니다. 답변 부탁드리겠습니다.
질문사항은요, ICP Source(450KHz)를 사용한다음 하부에 13.56MHz의
RF Bias를 사용하고 있습니다만, 여기에서 Bias에 대한 원리 및
적용에 대해서 알고싶습니다.

답변 ::

질문은 self bias에 관한 사항입니다.
self bias는 플라즈마를 구성하고 있는 같은 전하량을 갖고 있는 전자와 이온의 질량차이에 의해서 생깁니다.
전자와 이온의 질량차이는 매우 커서 같은 전기장하에서도 전자는 쉽게 가속되어 속도를 높일 수 있는 반면
이온은 상대적으로 매우 낮은 속도를 갖을 수 밖에 없습니다. 따라서 전자는 이온에 비해 인가되는 전기장을
따라서 쉽게 움직이게 됩니다. 이를 전자의 유동도가 이온의 유동도에 비해 매우 크다고 합니다.

만일 부도체 혹은 capacitor로 block되어 있는 substrate에 rf  전기장이 인가되고 이 substrate가
플라즈마와 접하고 있는 경우를 가정합시다. 이 경우를 단순화 하여 단지 capacitor의 한 쪽극 (A)이
플라즈마와 접하고 다른 전극(B)에는 rf power가 인가되었다면 B에 인가되는 power에 따라서 A극에는
180위상차이를 갖는 전위가 만들어지게 될 것 입니다. 이 전위가 +값을 갖으면 전가가 전극의 표면으로
들어오게 될 것이고 -값을 갖게되면 이온이 들어오게 될 것 입니다. 이 구조를 자세히 들여다 보면 capacitor에
의해 회로가 단락되어 있음으로 직류 전류는 흐르지 않음으로 들어오는 전하는 쌓이고 총 전류의 합, 즉 이온전류와
전자전류의 합은 O이 되어야 합니다. 따라서 전자의 유동도가 이온의 유동도에 비해서 매우 크기 때문에
A전극 표면에는 음전하가 상대적으로 많이 쌓이게 되어 표면의 전위는 자연히 본래의 전위에 비해서 낮아지게 됩니다.
이렇게 낮아지는 전위는 전극으로 들어오는 전자의 양과 속도를 곱한 값과 이온의 양과 속도를 곱한 값이 같은 조건을
만족시켜 net current (총 전류의 합)이 O이 될 때까지 진행됩니다. 즉, 전극이 음으로 낮아지면 들어오는 전자의 양이
점차 줄어들게 되며 속도도 떨어지게 되며 상대적으로 양전하의 경우는 속도가 증가하여 무거워서 빠르지 못한
이온을 가속하는 역할을 합니다.
이때 전극의 표면전위가 제 스스로 낮아졌다고 해서 self bias라 합니다.  
전극 표면에는 전자가 갖고온 음전하가 쌓이게 될 것 입니다.