plasma (플라즈마)
: 물질의 제4의 상태라 정의.
전기적으로 중성을 갖는 기체 원자가 전기 에너지 혹은 열 에너지를 받아 전자와 양이온으로 분리되어 있는 상태.
※ 중성 기체 원자를 이온화시키기 위한 이온화 Energy
헬륨(He): 24.5ev, 아르곤(Ar):15.8ev, 질소(N):14.5ev, 크로뮴(Cr):6.8ev, 네온(Ne):15.7ev, 크립톤(Kr):14.0ev, 제논(Xe):12.2ev, 산소(O):13.6ev
○ 구성: 전자, 양이온, 라디칼(중성)
- 전자: 가장 많이 존재한다.
- 라디칼: 반응성이 매우 높다(활성 기체), 농도가 매우 높아 저압(고진공)에서 확산을 통해 제어한다.
전자와 양이온은 plasma 발생, 유지에 중요한 역할을 한다.
○ plasma 구성 입자의 활용
○ Radical
: 라디칼은 공유결합이 끊어졌을 때 발생하며 화학적으로 하나 이상의 홀전자를 가지는 원자 또는 분자를 말한다. (완전한 상태가 되기 위해 반응성이 크다.)
ex) CF4+e−→CF3⋅+F⋅ = 에너지를 가진 전자가 CF4분자와 충돌하여 F가 떨어져 나온다.
※ 홀전자: 짝을 이루지 못한 전자
plasma 생성 과정
1. 자유 전자가 E-Field에 의해 가속
2. 중성 기체 입자와 충돌하며 이온화
3. 이온화에 의한 전자도 다른 중성 기체 입자와 충돌하여 이온화 (Avalanche)
해리: 분자 결합 상태에서 에너지를 받아 분자에서 분리되는 현상
→ 여기: 전자와 중성 원자가 부딪혀서 튀어나가지 않고 높은 에너지 궤도로 올라감 (빛 방출)
→ 이온화: 전자와 중성 원자가 부딪히면 전자가 바깥쪽으로 튀어나옴 (이러한 과정이 연쇄 반응을 일으키며 플라즈마 상태를 유지)
plasma의 특성
○ 이온화 에너지: 이온화가 일어날 수 있는 최소 에너지
Ar의 경우 15.8ev (여기: 11.56ev)
y축: 충돌 단면적(이온화 발생 확률)
= 에너지를 계속해서 높이면 전자의 속도가 너무 빨라 오히려 충돌 확률이 줄어든다.
○ 파센 커브
y축(방전 전압): plasma가 발생할 수 있는 최소 전압(낮을수록 좋다)
x축: 챔버 안 압력(p) * 전극 간 거리(d)
※ 방전 전압이 낮아졌다가 다시 높아지는 이유
: 압력이 낮을 때 MFP가 길어져 충돌 확률이 낮아진다.
따라서 이온화를 시키기 위해서는 높은 전압을 걸어주어야 한다. (반비례 영역)
반대로 압력이 점점 높아지면 전자, 가스가 많아졌음을 뜻하므로 MFP가 짧아진다. 즉, 충돌확률이 높아진다.
따라서 압력이 높아질수록 너무 많은 충돌이 일어나 이온화 에너지가 부족해진다.
= 압력과 방전 전압이 비례하게 된다. (비례 영역)
