plasma
○ plasma를 발생, 유지시키는데 필요한 조건
- 충분한 에너지: 플라즈마를 형성하기 위한 가장 첫 번째 단계인 '이온화'를 충족시키기 위해서는 충분한 에너지로 가속된 전자가 필요하다. 따라서 충분한 전기장을 인가해 주어야 한다.
- 압력, 기체의 양: 바이어스가 높게 걸려도 챔버 내부의 기체 원자 양이 너무 많으면 MFP가 짧아져 전자가 충분히 가속되지 못해 '이온화'조건을 만족시키지 못한다.
반대로 압력이 너무 낮아 기체의 양이 너무 적을 경우, MFP가 길어져 '이온화'조건은 만족하지만, 가속된 전자가 기체 원자와 충돌할 확률이 매우 낮아져 플라즈마가 형성되지 않는다.
※ MFP가 짧은 경우: 전자가 가속되기 전에 다른 기체 분자와 충돌해 '이온화'조건을 만족하지 못한다.
※ MFP가 긴 경우: 전자가 다른 기체 분자와 충돌할 확률을 감소시켜, 전자가 더 많은 에너지를 축적하고 더 멀리 이동할 수 있게 한다. 그러나 너무 긴 MFP는 이온화를 위한 충분한 충돌 기회가 부족하게 만든다.
→ 파센의 법칙에 따라 기체 원자 종류에 따른 적절한 압력, 바이어스 등의 조건을 만들 수 있게 도와준다.
DC 방전
Avalanch
기체 원자가 이온화되며 전자와 양이온이 형성되고 전자가 다른 중성 원자와 부딪히며 전자가 계속하여 증가한다.
- Townsend discharge
: Avalanch에 의해 최초로 시작되는 방전. 즉, 방전을 시작하기 위한 최소한의 전압 크기(문턱 전압)을 나타낸다.
Avalanch로 인해 방전을 지속할 수는 있지만 플라즈마를 형성시킬 전자의 수가 부족하다.(이온화 충분히 진행 X)
이온화가 적어 발광을 볼 수 없거나 아주 희미한 빛만을 관찰할 수 있다.
- Normal glow discharge
: 플라즈마 내의 전류가 증가하면서 Avalanch에 의한 2차 전자와 이온이 충분히 많아져 플라즈마의 저항이 감소하여 전압이 강하하게 되고 안정화되는 영역에 도달한다.
이온이 생성되는 양과 사라지는 양 (재결합) 의 비율이 같고(플라즈마가 안정된 상태), 방전을 일으키기에 충분한 전자와 이온이 존재해 방전이 안정적으로 유지되며 밝은 빛의 발광이 일어난다.
※ 저항의 감소 이유
: 전자와 이온의 수가 증가하면 전도성이 증가하여 같은 양의 전류를 운반하기 위해 필요한 전압이 감소한다.
따라서 저항도 감소하게 된다.
- Abnormal glow discharge
: 정상 글로우 방전에서 전극에 bias를 증가시킬 때, 전류가 증가하면서 동시에 일정하던 전압이 급격히 증가하는 구간
- ARC discharge
: 전류가 더욱 증가하면서 전압이 급격히 떨어지는 구간.
즉, 이온화가 너무 많이 일어나 자유전자와 이온에 의해 전기 전도도가 올라가 전압과 저항이 낮아진다.
전류가 매우 커 음극에 전자가 넘치고 열전자가 양극으로 흘러 들어가 방전이 일어나므로 매우 강한 빛이 방출된다.
plasma sheath
양단의 전극에 바이어스를 인가한 경우, 전기장이 형성되고 방전에 의해 기체가 이온화되어 플라즈마를 형성한다.
전자는 질량이 매우 작아 빠른 속도로 Anode로 이동하는 반면에, 크고 무거운 양이온은 Cathode로 천천히 이동한다.
Cathode와 전자 사이에는 반발력이 일어나고, 전자는 양이온과 결합하므로 Cathode 앞 쪽 부분은 양이온과 중성자가 주로 남게 된다. (전기적 중성을 가지는 플라즈마의 성질이 깨진다) 이 영역을 sheath 영역이라 한다.
이러한 공간 전하에 의해 음극과 플라즈마 사이에 음극 전압 강하라고 부르는 전위차가 발생한다.
※ sheath영역이 어두운 이유
: 전자의 수가 적어 전기적 중성이 깨졌으므로 이온화에 의한 플라즈마가 생성되지 못한다.
즉, '여기' 과정 또한 일어나지 않아 빛을 방출하지 못하므로 어둡다.
※ 전극이 부도체인 경우
: 전극에 바이어스를 인가하면 초기에는 플라즈마가 형성되지만, 시간이 지나면서 부도체인 음극 표면에 양이온이 쌓인다.
쌓인 양이온에 의해 전기적 반발력으로 양이온이 이 음극 표면(Cathode)으로 갈 수 없다.
즉, 이온화가 일어나지 않아 플라즈마를 유지할 수 없다.
※ ambipolar diffusion (양극성 확산)
: 플라즈마를 준준성 상태로 유지시켜 주는 현상.
전자와 양이온의 속도 차이에 의해 상대적으로 기판 쪽에는 전자가, 플라즈마 내부는 양이온이 위치해 전기장이 형성된다.
이 전기장에 의해 전자는 양이온을 끌어당기고, 양이온은 전자를 끌어 당기면서 전자와 양이온의 확산 속도가 같아진다.
