Plasma in general 플라즈마 self bias 값과 압력, 파워의 상관관계에 대해 질문있습니다. [이온과 전자의 속도 차이와 Gate valve의 위치]
2018.11.16 10:35
저희는 PT 처리를 위해 CCP 플라즈마를 사용하고 있습니다.
약 -7승 정도의 진공도의 챔버에서 ITO세정용으로 플라즈마 처리를 하고 있습니다.
제가 궁금한 것은 먼저
1. 표시되는 압력의 의미가 궁금합니다. mTorr이 플라즈마 내부로 유입된 기체(질소)가 나타내는 압력을 의미하는 것 맞나요?
그렇다면 챔버 내 압력 = 플라즈마의 압력 이라고 봐도 무방할까요
2. self bias값이 파워(W)가 증가할수록, 압력(mTorr)이 낮아질수록 증가하는데 그 이유를 알고 싶습니다.
3. 나타나는 값중 position이라는 값이 있습니다. 평소에는 position 값이 100을 유지하다가 플라즈마 처리를 위해
기체를 유입하면 그 값이 떨어지고 일정한 값을 유지를 하는데 이 position이 무엇을 뜻하는지 알고 싶습니다.
안녕하세요. PAL 석사과정 중인 이명건입니다.
1.
압력계에 표기되는 값은 챔버(혹은 압력계가 장착된 위치)의 기체 압력을 의미합니다. 압력계는 다양한 종류가 있으며 각각의 원리에 따라 기체종별로 압력값에 대한 calibration이 필요한 경우도 있으니 장치에 사용되는 압력계가 어떤 종류의 압력계인지 알아보시는 것을 추천드립니다.
플라즈마를 방전시킨 다음에도 대부분의 경우 압력계가 읽고 있는 값은 중성입자의 압력 즉 이온화되지 않은 기체의 압력입니다. 대부분의 공정에 사용되는 플라즈마의 기체 이온화율은 1%를 넘지 못합니다. 예를들어 저희 연구실에서 사용하는 CCP 장비의 경우 10mTorr 근방에서 이온화율이 0.1%정도 입니다. 따라서 플라즈마 방전 후에도 압력계에서 측정하는 99% 이상의 입자는 중성입자이므로 압력계의 표기값은 중성입자의 압력으로 해석하셔도 무방합니다.
2.
부도체 극판에 걸리는 self bias는 이온과 전자의 속도 차이에 의해서 발생합니다. 전자와 이온(1가 이온)은 같은 크기의 전하량을 가지고 있지만 전자는 이온에 비해 적어도 2000배, 대부분의 가스종에 대해서는10000배 이상 가볍습니다. 그래서 전자는 이온과 같은 에너지를 주었을 때 100배 이상의 속도를 가지게 됩니다. 극판에 RF 전위가 걸릴 경우 극판이 +전위를 띄면 전자가, -전위를 띄면 이온이 들어오는데 속도의 차이 때문에 전자와 이온의 flux에 차이가 생겨 전자가 더 많이 들어오게 됩니다. 입사된 전하를 흘려보내는 도체와 다르게 부도체 극판에 입사된 전하 입자는 극판에 쌓이게 됩니다. 음전하를 띈 전자가 더 많이 들어오게 되면서 전극이 음전하 self bias를 가지게 됩니다. Self bias가 형성되어 전체적인 전위가 낮아지면 전자의 입사량은 줄어들고 이온의 입사량은 증가합니다. 평형 상태의 self bias 값은 전자와 이온의 입사량이 동일해져 주기 당 총 전류가 0이 될 때 입니다.
Power 증가에 따른 self bias 값의 증가는 플라즈마 밀도(이온과 전자의 밀도)가 증가함에 따라 함께 증가한 것으로 예상됩니다. 플라즈마 내 이온과 전자는 거의 같은 양이 존재하지만 플라즈마 밀도가 증가해 극판에 입사되는 전자와 이온의 갯수차가 증가하면서 self bias가 높아진 것으로 예상됩니다.
압력이 낮아지면서 self bias 값이 증가한 이유는 전자의 온도가 증가했기 때문으로 추측됩니다. 같은 power가 걸릴 때 압력이 낮아짐에 따라 에너지를 전달해줄 입자의 수가 줄어들게 되면 입자당 전달되는 에너지가 증가해 전자의 온도가 증가하는 경향을 가집니다. 온도라는 표현에는 전자들이 특정한 에너지만을 가지고 있는 것이 아닌 다양한 에너지를 가질 수 있는 에너지 분포를 가지고 있다는 뜻이 내제되어 있습니다. 온도가 높아질 수록 높은 에너지를 가진 전자의 비율이 높아지고 self bias에 의해 형성되는 potential 벽을 뚫고 극판으로 입사될 수 있는 전자가 많아질 수 있습니다. 따라서 전자 온도 증가로 인해 늘어난 높은 에너지의 전자를 막기 위해 self bias가 높아진 것으로 예상됩니다.
3.
제가 해당하는 장치를 알지 못해 장치에서 표현되는 Position 값이 정확히는 알려드리지 못할 것 같습니다. 질문 내용을 토대로 추측하자면 position은 gate valve의 위치를 뜻하는 것 같습니다. Gate valve가 일정 압력을 유지하는 기능이 사용하고 계신다면 기체를 유입하셨을 때 설정된 운전 압력이 되도록 gate valve의 위치가 이동합니다. 사용하시고 계신 gate valve의 메뉴얼을 참고하신다면 이에 대해 정확한 확인이 가능할 것 같습니다.