[반도체 공정] 플라즈마 쉬스(Plasma Sheath)란?

 

반도체를 공부하시는 분 또는 플라즈마를 공부하시는 분이라면 Sheath(쉬쓰)에 대해 한 번쯤은 들어보셨을 것이라 생각합니다.

 

 

이번 포스팅에서는 Sheath(쉬쓰)에 대해 알아보도록 하겠습니다. 천천히 아주 쉽게 설명해 드릴테니 끝까지 읽어주세요.

 

 

*Sheath란?

 

 Sheath란 플라즈마와 어떤 물체의 표면 사이의 영역을 말합니다. 여기서 어떤 물체의 표면이라고 하면 너무 추상적이니, 반도체 공정을 예로 들어 설명드리면 '챔버 벽면'과 '전극'의 표면이라고 생각하시면 될 것 같습니다. 이렇게 설명 드려도 확 와닿지 않으실 거에요. 저도 그랬으니까요. 실제 플라즈마 공정이 일어나는 챔버 안을 자세히 들여다 보면, 플라즈마 Bulk(플라즈마가 일어나는 덩어리라고 생각하시면 편해요)와 챔버 벽면, 전극사이에 어둡게 보이는 영역이 있습니다. 아래 그림을 보시면 더 이해가 빠르실 거에요.

 

위의 그림처럼 챔버 벽면과 전극에 어두운 영역이 생깁니다. 저 영역이 Sheath인데요. 그렇다면 Sheath는 왜 생기는 것일까요?

 

 

 

*Sheath 원인

 

 Sheath는 전자와 이온의 이동도 차이에서 부터 시작합니다. 전자의 무게는 이온보다 훨신 가볍기 때문에 이동속도가 빠릅니다. 따라서 전자와 이온을 둘이 딱 놔두면 전자가 확산하는 속도가 훨신 빠르죠. 그렇기 때문에 플라즈마 안에 있는 전자는 더 빨리 확산되고, 전극과 챔버 벽면에 이온보다 먼저 도달하게 되는 것입니다. 그렇다면 전자가 이온보다 먼저 벽면(or 전극)에 도달하게 된다면 무슨일이 벌어질까요? 먼저 도달한 전자는 벽면(or 전극)에 흡수되어 빠져나가거나 뒤따라 오는 양이온과 결합하여 중화됩니다. 따라서 이온은 아직 벽면에 도착하지도 않았는데, 전자는 먼저 도착해서 없어져 버리거나 중화되어 버립니다. 그 결과 벽면과 플라즈마 Bulk 사이에는 전자의 수는 적고 양이온과 중성자의 수가 상대적으로 많아지게 되는 것이죠. 

 

위와 같이 플라즈마와 벽면 사이에 양전하와 중성자가 상대적으로 많은 영역이 Sheath 입니다. 

 

 

*왜 어둡게 관찰되는 것인가?

 

 아마 이 포스팅을 읽으시면서, 혹은 따로 공부하시면서 "전자와 양이온이 결합하면서 빛을 내지 않나? 근데 왜 어둡지?"라고 생각하시는 분들도 계실겁니다. 그 이유는 그 때 나오는 빛은 파장이 너무 짧기 때문에 우리 눈에는 보이지 않기 때문입니다.

 

 

*음전압강하

 

 위의 그림과 같이 양이온이 분포하게 되면 벽면과 비교했을 때, 상대적으로 양이온이 밀집해 있다보니 전압이 급강하 하는 일이 벌어집니다.

 위의 그림처럼 원래는 노란색 선처럼 전압의 그래프가 그려져야.(거리에 비례하여 전압이 변하는) 합니다. 하지만, 플라즈마와 벽면 사이에 양이온의 수가 상대적으로 많기 때문에 전압이 갑자기 떨어지게 됩니다. 따라서 Sheath의 양이온은 음전압강하로 인해 벽면에 더 세게 끌려가 충돌하게 됩니다. 이러한 현상을 이용하여 Sputtering이라던지 Etch를 하는 것이죠.

 

 

 

*자칫하면 착각할 수 있는 사실

 

 구글링이나 다른 웹사이트에서 검색을 해보면 챔버 벽면을 가지고만 Sheath에 대해 설명하는 글들이 있었습니다. 하지만 이러한 글들은 챔버 벽면을 예로 들어 설명해 주신 글들이고, 실제로는 챔버 벽면 뿐만아니라 전극에서도 Sheath가 관찰됩니다. 그렇다면 Cathode, Anode 둘 다에서 관찰이 되느냐. 맞습니다. Cathode든 Anode든 모든 전극에서 Sheath는 관찰되며 양이온은 표면과 충돌을 하게 됩니다.

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 그 이유에 대해 좀 더 자세히 살펴보면, 맨 첫번째 그림으로 다시 돌아가서 아래쪽 전극과 챔버 벽면은 Ground로 묶여 있고, 위쪽의 전극은 Powered Electrode(전원이 인가되는 전극)이라고 생각해 봅시다. Powered Electrode에 +의 전압이 걸렸다고 가정을 해보죠. 그렇다면 전자는 위쪽(Anode)전극으로 이동할 것이고, 양이온은 아래쪽(Cathode)와 벽면으로 이동할 것입니다. 이때, 전자가 이동도가 크기 때문에 Anode전극에 먼저 도달하게 되고, 양이온은 느리기 때문에 아직 Cathode쪽으로 이동하고 있습니다. 실제 이동도 차이는 약 "몇 천배" 정도 차이나기 때문에 양이온은 정말 느리죠. 

 

 

 

 그런데 Anode에 먼저 도달한 수 많은 전자는 전극에 흡수되거나, 아직 이동중인 양이온과 결합하여 소모됩니다. 따라서 여기서도 Sheath가 관찰되게 되는 것입니다. 이때는 Anode에 +전압이 걸려있기 때문에 Cathode와 챔버 벽면에서 관찰되는 Sheath보다는 약하게 관찰 됩니다. 따라서 양이온의 충돌도 상대적으로 약합니다. Cathode는 굳이 자세히 설명하지 않더라도 벽면과 Cathode 에는 양이온들이 많이 몰려 있을 테니 Sheath가 관찰 되는 것입니다.