플라즈마의 특성

반도체 공정을 이해하기에 앞서 반드시 알아야 할 플라즈마의 특성에 대해 알아보자.

 

1. 플라즈마(Plasma)

고체, 액체, 기체에 이은 '제4의 물질 상태'라고 하는 플라즈마는 기체 상태의 분자나 원자가 이온화되어 양이온과 전자가 섞여 있지만 전체적으로는 중성 상태인 이온화 가스이다.

 

반도체 공정에서 사용하는 플라즈마는 기체 분자 중 한 개 정도가 이온화되어 있는 저온 플라스마이다.

플라즈마는 일종의 기체상 태이지만 이온과 전자의 존재로 인해 전기 전도체이고, 자기장에 의해 영향을 받는 특성이 있다.

 

① 플라즈마의 분류

플라즈마는 압력, 온도, 소스에 따라 분류할 수 있다.

압력 : 진공 플라즈마, 대기압 플라즈마

온도 : 열 플라즈마, 저온 플라즈마

소스 : DC, AC, MF, RF, MW

출처 : https://www.powerconversions.net/plasmais

② 플라즈마의 특성

플라즈마의 일반적인 특성은 설명하면 아래와 같다.

- 열에너지 대신 전압을 가해서 플라즈마를 발생시킨다.

- 자유전자가 전압에 의해 가속되고 중성 분자와 충돌하여 이온화시킨다.

- 플라즈마 표면에서 전극과 접촉에 의해 전자 및 이온의 손실이 있다.

- 중성 분자의 이온화에 의해 손실된 전자 및 이온이 보충되어 평형을 이룬다.

- 전자와 이온의 무게 차이로 인해 전자의 움직임이 더 빠르고, 전자의 손실 속도가 이온 손실 속도보다 더 빠르다.

 

② 플라즈마 형성 방법

ⓐ DC 플라즈마

: DC 플라즈마는 두 개의 평행 전극판 (한쪽은 ground : Anode, 다른 쪽은 전압을 걸어준다. 주로 -V : Cathode) 사이에 전압을 걸어주게 되면 Plasma가 발생된다.

 

ⓑ RF 플라즈마

: RF 플라즈마는 DC 대신 높은 주파수의 교류(13.56 MHz)를 두 개의 평행 전극판에 인가하는 것이다.

플라즈마 발생은 DC 플라즈마의 경우와 마찬가지로 자유전자가 두 개의 전극에 인가된 전압에 의해 중성 분자와 충돌하여 이온화가 된다.

DC 플라즈마와 차이점은 교류에서는 양극, 음극이 고정되어 있지 않고 계속 서로 바뀐다는 것이다.

RF 주파수에서는 이러한 극성 변경이 1초에도 수백~수천만 번 정도 발생하는데 전자는 극성 변경에 맞추어 움직이지만,

양이온은 무거워 거의 정지한 것과 같은 거동을 보인다.

이런 방식으로 전자가 두 개의 전극 사이를 빠르게 움직여 중성 분자와 충돌해 이온화될 확률이 DC 플라즈마보다 높으므로 플라즈마 효율이 더 좋은 방법이다.

 

하지만 반도체 공정에 적용하기 위해서는 특정 전극이 양극, 음극으로 고정되어 있는 것이 좋다.

RF 플라즈마의 경우에도 Self-bias 현상을 이용하여 전극의 극성이 고정된 것과 같은 효과를 나타나게 할 수 있다.

Self-bias 현상은 두 전극의 크기를 서로 다르게 하고 한쪽 전극에만 Capacitor를 직렬로 연결함으로써 극대화할 수 있다.

 

전극의 크기가 서로 다르면 큰 전극에서는 전자가 충분히 소멸되지만, 작은 전극에서는 전자가 소멸되지 못하고 점점 더 쌓이게 되고 이로 인해 작은 크기의 전극에 음의 Bias가 걸리게 된다.

이때 작은 크기의 전극에 Capacitor를 연결하면 전자가 효과적으로 축적되므로 음의 Bias를 유지할 수 있게 된다.

이러한 현상을 Self-bias라고 한다.

 

RF 플라즈마는 전극의 표면이 도체일 경우뿐만 아니라, 부도체인 경우에도 사용할 수 있기 때문에

절연막 증착이나 절연막 식각 등을 위한 플라즈마 장비에 사용된다.

 

최근 집적도 향상에 따라 고밀도 플라즈마를 형성할 필요가 있고, 이러한 목적으로 ICP(inductively coupled plasma) 플라즈마나 RF 주파수보다 더 높은 주파수를 사용하는 마이크로웨이브(microwave) 플라즈마도 상용화되어 있다.