플라즈마(Plasma)원리와 활용

플라즈마(Plasma)는 우주에서 가장 흔한 물질 형태로, 고온에서 이온화된 기체로 전자와 이온으로 구성되어 있습니다. 태양과 별의 대부분은 플라즈마로 이루어져 있습니다. 플라즈마는 많은 양의 양이온과 전자를 포함하고 있어 밀도가 높습니다. 양이온은 서로 모여 있으며, 전자는 전자끼리의 그룹으로 움직입니다.

 

✔️플라즈마(Plasma)의 시작

반도체 공정에서도 플라즈마가 활용됩니다. 특히 막을 형성할 때는 분자 또는 원자 단위의 화학적 및 물리적 기법을 사용합니다. 이 과정에서 섭씨 1,000도까지 온도를 높여야 하므로 다른 부위에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다. 그래서 저온 플라즈마가 다양하게 사용되고 있습니다.

 

19세기 크록스관 연구는 진공관에서 시작되었으며, 이는 현대의 반도체 및 플라즈마 기술 발전의 기초가 되었습니다. 이 연구는 기초 과학이 혁신적인 기술로 발전할 수 있는 좋은 예입니다.

 

크록스관, 즉 음극선관은 유리 공업과 진공 기술의 융합으로 만들어졌고, 여기서 발생하는 전자빔은 플라즈마의 한 형태로 간주됩니다. 전자빔의 방전 현상은 진공관 내에서 발생하며, 이는 플라즈마 기술의 발전에 기여했습니다.

 

플라즈마(Plasma)원리와 활용

 

 

✔️반도체 공정에서 플라즈마 활용

반도체 제조 공정에서는 식각, 증착(CVD, PVD, ALD), 임플란트 과정에서 플라즈마를 자주 사용합니다. 그러나 확산, 포토 및 CMP 공정 등에서는 플라즈마를 사용하지 않습니다. 최근에는 세척 공정의 효율성을 높이기 위해 플라즈마를 접목한 공정 개발이 활발히 이루어지고 있습니다.

 

일반적으로 Fab 공정이 처음 개발될 때는 플라즈마를 사용하지 않지만, 점차 진보된 방식으로 발전할 때 플라즈마를 적용하는 경향이 있습니다.

✔️플라즈마의 성생원리

플라즈마(Plasma)를 생성하기 위해서는 고체, 액체, 기체의 상태에서 기체에 높은 에너지를 가해야 합니다. 이때 기체 상태에서 섭씨 10만도 이상의 온도를 만들어야 플라즈마가 생성됩니다.

 

유리 진공관 안에 가스를 분사하면 많은 전자와 양이온이 생성됩니다. 이때 분자의 결합에서 떨어져 나온 원자(라디컬)도 발생합니다. 에너지를 받아 분자에서 분리되는 현상을 ‘해리’라고 하며, 해리 현상으로 생성된 전자, 양이온 및 라디컬이 모두 플라즈마를 형성합니다.

 

라디컬은 전자와 양이온이 결합하여 중성 원자가 되는 과정에서도 생성됩니다. 이 라디컬은 식각 공정에서 중요한 역할을 합니다. 플라즈마의 핵심은 에너지를 받은 1차 전자가 중성 원자에서 탈출하여 다른 원자와 충돌하면서 2차, 3차 전자 및 양이온을 생성하는 것입니다.

 

에너지가 일정 수준 이상으로 가해지면 전자, 양이온, 라디컬이 계속 생성되며, 이들은 서로 결합하거나 소멸하는 과정을 반복합니다. 에너지가 높으면 해리가 많아지고, 에너지가 낮으면 결합력이 강해집니다.

 

✔️플라즈마의 종류

플라즈마(Plasma)는 인가하는 에너지의 종류에 따라 구분됩니다. DC 또는 AC에 따라 직류플라즈마와 교류플라즈마로 나뉘며, 교류 플라즈마는 용량성 이면 플라즈마(CCP)와 유도성 이면 플라즈마(ICP)로 세분화됩니다. 전자빔 플라즈마 등 다양한 형태의 플라즈마가 존재하며, 그 중에서 용량성 플라즈마가 가장 일반적으로 사용됩니다.

 

자연에서도 번개, 오로라, 전리층 등에서 플라즈마 상태를 관찰할 수 있습니다.