MW플라즈마 특징

♦ 플라즈마 정의
 - Langmuir(1920) : 이온화되어 있는 기체
 - 집단행동(collective behavior)을 하는 중성입자와 전하를 띤 입자들의 준중성(quasi-neutral) 기체

 

♦ 플라즈마 입자의 운동
 - 양전하와 음전하의 국부적인 밀도에 영향을 줌: 원거리 쿨롱 전기력 발생 → 입자운동에 영향

  *저압에서 원거리 전자기력이 입자에 미치는 영향이 입자들 사이의 충돌보다 더 큰 경우를 비충돌 (collisionless) 플라즈마라 한다.

 

♦ 플라즈마의 생성

-생성 조건
  1) 충돌입자는 임계치 이상 가속 필요
  2) 적당한 충돌 횟수 보장
       ☞ 압력과 전압이 중요한 공정변수임
-너무 높은 압력은 평균 자유 행로를 짧게 하므로 입자는 충분한 에너지를 갖도록 가속되지 못함 → 이온화 방해

 

♦ 플라즈마의 특성
 1) 전기적 특성
    - 전체적으로는 중성이지만 1만~100만개 정도의 이온과 자유전자가 존재
  2) 화학적 특성
    - 다른 물질을 여기 및 전리시켜 화학반응을 활성화함.
  3) 물리적 특성
    - 전자와 이온의 질량차이 및 운동량 차이가 큼. (sheath, debye 차폐)
  4) 자기적 특성
    - 플라즈마 내부의 전자와 이온들은 자계를 걸어주면 운동방향이 자계방향과 직각으로 원운동 (플라즈마 포획 및 밀도제어)
       * 플라즈마의 전하밀도는 109~1012개/cm3  이다.
       * 플라즈마는 외부 전계에 의해 전도성을 갖게 된다.

 

♦ 진공 플라즈마 (수 mTorr 이상의 진공)
    - 장점: 매우 안정되고 균일 → 여러 공정에 응용
    - 단점: ⅰ) 운전비용 부담 (반복적인 진공↔대기압)
                ⅱ) 번거로움
                ⅲ) 진공용기에 따른 플라즈마 크기 제한

♦ 대기압 플라즈마  
    - 플라즈마 발생/유지 어려움 : 기체 방전전압 高
            ex) 공기(10Torr, 300V/mm → 760Torr, 5kV/mm)
    - 입자간 충돌률 큼 : 압력↑수록 입자간 충돌확률 증가 ⇒ 입자들 사이의 온도차 줄어듬

♦ 이온화 정도(기체 이온화 정도 or 이온화된 입자들의 비)
    - 플라즈마 내의 하전 입자 밀도를 정의하는 변수
    - 이온화도 높을 수록 공정 효율 증대
    - 플라즈마 공정 중 가장 중요한 변수

♦ 플라즈마 온도 
     - 두 개의 독립된 시스템 존재: 전자(Te) & 무거운 입자(Th)
     - 전자와 무거운 입자의 충돌에 의한 에너지 평형 고려 필요
     - 전자비율 ↑ ⇒ 플라즈마 공정 전체 효율 / 속도 증가
     - 압력 ↑ ⇒ 전자와 무거운 입자 충돌확률 증가 ⇒ Te≈Th

 

 

♦ Microwave 플라즈마의 특징
   - 대기압 고온 Plasma
   - RF 플라즈마보다 고주파를 사용(2.45GHz)
   - 낮은 압력(1Torr 미만)에서 플라즈마 발생 어려움
   - RF 플라즈마는 넓게 만들어지지만 MWP는 작은 부분에서만 고밀도(1013개/cm3~) 플라즈마를 가짐
   - 전기장의 파장 길이 정도(2.45GHz는 12.24cm)내에서 전기장의 세기 달라짐 ⇒ 반응기 위치에 따라 플라즈마 밀도의 차이가 큼
   - 활성종들은 플라즈마가 없는 영역(글로우 영역 밖)에서도 존재 가능
   - 쉬스 전압이 낮아 이온 가속에 의한 스퍼터링 또는 충격이 낮음

Microwave plasma torch