Plasma - 플라즈마란? 플라즈마 기초 -1

플라즈마(Plasma)란?

고온의 기체 상태에서 원자 또는 분자에 에너지가 가해져 전자가 이탈, 양이온과 자유전자가 공존하는 상태.
물질의 제4상태로 불리며, 통계적으로 충분한 이온과 전자가 존재하고 전기적 중성이 유지되어야 함.

⚛️ 플라즈마의 조건

• 충분한 수의 이온과 전자가 Boundary 내 존재
• 전체적으로 전기적 중성 상태 유지
• 구성: 전자 > 이온 > Radical > 원자 > 분자 순

⚡ 플라즈마의 전기적 특징

전기적으로 양성인 플라즈마 내부에 음극(전자 및 음이온), 양극(양이온)이 동일 밀도로 존재함.

플라즈마의 종류

1. DC 플라즈마

• Anode와 Cathode 사이의 전압으로 발생
• Glow discharge 형태
• Cathode에서 sheath 효과로 음극 작용
• 전도성 물질에만 유지 가능. 부도체에서는 소멸

2. RF 플라즈마

• 주기적으로 바뀌는 RF 전압 이용
• 부도체 Etching이나 Sputtering에 활용
• DC에 비해 10~100배 이온화 속도 빠름

플라즈마 소스 종류

🔸 RIE (Reactive Ion Etching)

• 평판형 전극 구조
• Wafer가 RF 전극에 위치 → RIE
• Wafer가 접지 전극에 위치 → Plasma Etching
• RIE: DC Self-Bias로 이방성 식각
• Plasma Etching: 등방성 식각

🔸 MERIE (Magnetically Enhanced RIE)

• RIE에 자장 추가하여 이온화 확률 상승
• 고밀도 플라즈마 생성 가능

🔸 ECR (Electron Cyclotron Resonance)

• 자장 내 전자가 공진하며 회전반경 증가
• 전자 → 중성입자와 충돌 → 이온화
• Microwave 주입으로 Cyclotron 공진 발생

🔸 TCP (Transformer Coupled Plasma)

• Chamber 상부에 RF Coil 위치
• 측면 기준으로는 일자형 Coil
• 상부 기준으로는 나선형 또는 원형미로

🔸 ICP (Inductively Coupled Plasma)

• Chamber 측면에 Coil이 스프링 형태로 감김
• 상부에서는 단순 원형 Coil

🔸 Helical Plasma

• 반구형 Chamber 사용
• Downstream Plasma가 나선형 구조
• 측면: 반원형 스프링 형태 / 상부: 나선형

🔸 Helicon Plasma

• Low-Frequency Helicon Wave 기반
• Landau 감쇠 메커니즘 활용
• Dipole Magnetron을 링 형태로 배열 → 균일한 플라즈마 생성

🔸 HDP (High Density Plasma)

• Plasma Density가 10¹¹ 이상
• 수~수십 mT의 저압 환경에서 유지
• Plasma 생성과 Ion Energy 제어가 분리
• Process Window 좁고 Electron Energy 높음 → 제어 어려움
• ECR, TCP, ICP, Helicon, Helical이 여기에 속함

정리

• 플라즈마는 이온과 전자의 집합체로, 고온 또는 고에너지 상태에서 형성
• DC, RF, 자기장 이용 등 다양한 방식으로 발생 가능
• Etching, Sputtering, 반도체 공정 등에서 필수적
• 소스에 따라 이방성, 밀도, 제어 특성이 달라짐