Sheath self bias (rf 전압 강하)

2006.11.13 02:21

김곤호 조회 수:25424 추천:450

1.  플라즈마와 만나는 유리와 같은 절연체 표면에는 부유전위가 형성됩니다. 부유전위는 그 지점에 전류가 흐르지 않을 조건에서의 전위를 말하고, 전류는 전자 전류와 이온전류의 합임으로 두 입자의 전류가 같은 경우입니다. 일반적으로 부유전위는 공간 내의 플라즈마 전위보다 낮은데 그 이유는 이온의 유동도가 전자의 유동도 보다 매우 작기 때문에 절연체 표면의 절대 전하는 전자전하로 구성되기 때문입니다.
2. 이 경우를 확장하여, 만일 유리 기판의 한쪽 면에 도체 전극을 붙치고 rf 를 인가하면 플라즈마 내의 전자/이온의 유동도차이로 인해서 일정 시간이 지나면 기판 표면의 부유 전위는 점차 낮아지게 됩니다. 이때 전자와 이온을 유전체(유리)기판 위로 끌어 들이는 힘은 전극에 걸리는 전압이 전극을 사이에 두고 만드는 기판의 표면 전압에 의해서 입니다. 만일 같은 크기의 양 혹은 음 전압이 걸리는 경우, 양전압 대해서는 전자들이 표면으로 입사되고, 음전압이 인가되면 이온이 표면에 입사되게 되는데, 결과적으로 전자의 수가 많음으로 절연체 표면에는 전자들이 쌓이게 됩니다. (부도체 임으로 전하들이 쉽게 접지쪽 등으로 빠져나가지 못합니다). 따라서 쌓이는 전자들은 인가되는 rf 의 주파수와는 상관없는 직류적인 성질을 띄게 되며 음으로 낮은 전위를 형성하게 됩니다. 이를 self bias (혹은 DC offset)이라 합니다.
- 위의 두 경우 모두 절연체를 대상으로 함으로 절연체에 흐르는 직류전류는 그 값이 "0"이 되어야 합니다. (2)의 경우에서 표면의 전위가 음으로 낮아진다고 하였는데, 그 크기는 표면에 들어오는 이온과 전자 전류의 값이 "0"이 되는 조건의 전위를 뜻합니다. 이 문제는 전자와 이온들이 반응기 전체로 빠져 나가는 "전체 면적 대비 유전체 전극의 크기 비율", 전자는 rf  주기 동안 따라서 움직이나 이온의 거의 움직이 못한다고 가정하는 경우 (이온의 플라즈마 주파수가 인가 rf 주파수 보다 낮은 경우에 한함. 하지만 고밀도에서는 이 조건도 수정이 필요함) 입사되는 두 입자의 거동이 다름으로 "인가 주파수의 크기", 전자의 거동은 지배적으로 전자 온도에 대한 함수임으로 "전자 온도 (혹은 전자 온도 분포함수)"에 따르게 됩니다.
- Rf을 인가하는 파워는 주로 전압인가이고 전류는 거의 흐르지 않음으로 절연체의 전력을 높였다는 말의 의미는 rf 전압이 커짐을 뜻하며, 절연체 표면의 부유전위를 측정하는 방법은 현재 개발되어 있지 않으며 일부 장치는 절연체 밑에서 전위를 측정하여, 절연체의 유전 상수등을 고려하여 표면전위를 유추하고 있을 뿐입니다. 따라서 bias power는 절연체 인가 전압을 의미하고 이를 운전 인자로 활용하게 됩니다. 입력 rf 와는 구분할 필요가 있으나 입력 rf 에 의해서 플라즈마 자체가 입력 rf  주파수로 흔들리고 있는 경우에는 당연히 self bias 크기도 영향을 받게 됩니다. 하지만 그 영향은 입력 rf 에 의해서 얼마나 플라즈마 전위가 얼마나 크게 빨리 요동하는 가에 따른 문제로서, 이는 일부 플라즈마 발생 메커니즘과 연계하여 고려할 사항이 됩니다.
- Self bias를 예상하는 여러가지 수식들이 나와 있으나 위의 세가지 인자가 플라즈마 환경에 따라서 일부 변할 수 있는 값들임으로 현재까지 정확한 추정치를 예측하는 방법은 개발되어 있지 않습니다. 하지만 정해진 유전체 물체와 크기 등, 플라즈마 조건 및 반응기 조건, 개스 등이 모두 일정하다면 예측가능한 지표가 마련될 수 있을 것으로 보입니다. 절연체 시편의 표면 전위 예측은 중요한 연구 대상임에는 틀림없습니다. 많은 분들이 이 문제에 도전해 보시기 바랍니다.
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