DC discharge, RF discharge

플라즈마를 만드는 게 왜 중요할까요? 

공정과정에서 보면 etching(sputtering)이나 deposition 등 많은 곳에 플라즈마를 사용합니다. 

 

오늘은 플라즈마를 형성하는 방법 두 가지를 보도록 하겠습니다. 

 

먼저 DC discharge가 있습니다. 말 그대로 DC이기 때문에 직류전류가 흐릅니다. 

 

출처 :   Prince Alex

그림과 같이 Cathode에 (-) 음극을 연결하고 Anode에 (+) 양극을 연결합니다.

전자는 양극이 걸린 Anode쪽으로 이동하고, 양공(hole)들은 음극이 걸린 Cathode 쪽으로 이동하게 됩니다.

여기서 원자들과 전자들이 서로서로 부딪치면서 라디칼, 양공, 전자 등을 계속 형성합니다. 이렇게 플라즈마를 형성하게 되죠.

 

이때, 그림을 보면 플라즈마가 양극 사이에 형성되어 있고 Cathode 쪽은 공간이 넓은 반면 Anode 쪽은 공간이 거의 없습니다. 

이 부분에는 전압이 존재합니다. 그럼 이제 그 이유를 말씀드릴게요!

 1. 전자는 Anode 쪽으로해서 통과해 흐릅니다. 직류전류 개념으로 생각하기 때문! 따라서 Anode 쪽에는 전자가 쌓이지 않습니다. 그래서 아주 약한 전압이 형성됩니다.

 2. 반면 Cathode 쪽에는 양공(hole)이  통과하지 못하기 때문에 양공이 쌓이게 됩니다. 따라서 플라즈마가 아닌 두꺼운 영역이 형성됩니다. 이 영역을 sheath층이라고 부릅니다. 여기에 전압이 존재하게 되죠.

3. 양공은 전자보다 크기가 매우 큽니다. 그래서 sheath층이 두껍게 형성되는 것이죠.

 

DC discharge의 단점이 뭘까요? 

우리가 극판을 부도체를 쓰는 경우에 문제가 생깁니다. 

양공이 쌓인 sheath층으로 인해 음극으로부터 전자를 공급받지 못해 일정 시간이 지나면 전류가 흐르지 못합니다. 즉,  플라즈마가 형성되지 않습니다. 

그래서 보통 금속 극판을 쓸 때 사용합니다.

그럼 부도체 극판을 사용하려면 어떻게 해야할까요?

 

RF discharge 방법을 쓰면 됩니다.

출처 : https://www.nature.com/articles/s41598-018-25892-w

그림과 같이 cathode영역의 절연기판의 극을 AC로 바꿔주면서 전자가 통하게 해 줍니다. 그렇게 해서 DC discharge이 단점을 보완했습니다.

 

추가로 요즘에는 플라즈마 밀도를 높이기 위해서 ICP(Inductively Coupled Plasma) 방식을 이용하기도 합니다. 이는 자기장을 이용해서 플라즈마를 형성하는 방법입니다.