[반도체 8대 공정] DC Plasma 생성 원리

[반도체 8대 공정] DC Plasma 생성 원리

 

DC Plasma는 Plasma를 발생시키는 방법 중 하나로, Dry Etch 공정에서도 사용되지만, 스퍼터링 공정 등 박막 증착 공정에서도 사용됩니다.

 

DC Plasma

DC 플라즈마를 이해하기 위해 우선 두 기판에 강한 전압을 가했다고 가정해 보겠습니다.

<그림 1>

위 그림 상 오른쪽에 (+) 전압을, 왼쪽은 (-) 전압을 가해주었다고 가정해 보겠습니다. 강한 전압 즉 Energy를 가하면, Chamber 내 위와 같이 Plasma 영역이 가운데 형성이 되며, 왼쪽에는 음극 Sheath 영역, 오른쪽에는 양극 Sheath 영역이 생성됩니다.

 

양극 쉬스(Anode sheath)

양극 쉬스 영역이 생성되는 원리부터 알아보겠습니다. 먼저 아셔야 할 개념은 전자는 이온 대비 약 1000분의 1 수준으로 가볍습니다. 그 결과 위 그림상 오른쪽 Sheath 영역에서 전자가 빠른 속도로 (+) 양극으로 이동하게 됩니다. 그로 인해 오른쪽 Sheath 영역은 전자의 농도가 줄어들고 양이온으로 가득 차 여기 및 탈 여기 반응이 일어날 수 없는 상태가 됩니다. 즉 빛이 발생하지 않으므로 Dark space라고도 하며 양극 쉬스라고 부릅니다. 추가로 위 <그림 1>에서 아래 Plasma potential을 보시면 Plama 영역보다 오른쪽 양극 쉬스 영역의 전위가 더 낮은 것을 볼 수 있습니다(위 그래프 상 y 축은 전위입니다). 이는 실제 양극 기판이 음극 기판에 비해 더 크게 설계되기 때문입니다. 가벼운 전자가 먼저 양극 기판으로 이동하게 되며 Plasma 영역과 전위차가 기울게 만들어졌다고 이해하시면 됩니다. 이로 인해 플라즈마 영역 내 전자가 양극 기판으로 이동하는 것을 줄여줄 수 있으며, 이를 플라즈마 전위(Plasma potential) 이라고 합니다.

 

음극 쉬스(Cathode sheath)

양극 쉬스와 마찬가지로 음극 쉬스 영역 또한, 가벼운 전자는 위 <그림 1> 상 좌측 음의 전압으로 인해 전자가 먼저 밀려나 해당 영역은 양이온으로 차게 됩니다. 이로 인해 여기 및 탈 여기 반응이 일어날 수 없는 상태이고 빛의 발생할 수 없으므로 Dark space 또는 음극 쉬스영역이라고 합니다. 쉬스 영역 내 양이온은 강한 전위차에 의해 음극 기판에 물리적으로 충돌하게 되며 이러한 원리를 이용해 Sputtering 공정이 이루어지게 됩니다.