[플라즈마 개념 한방에]플라즈마란, Plasma 뜻, 반도체 플라즈마

플라즈마란? Plasma

 

 

 반도체 산업에서 사용되는 plasma(플라즈마)의 개념에 대해 정리해보고자 합니다. Plasma의 개념과 간단한 정의가 궁금하다면 아래 내용에서 Plasma의 기초 개념에 대해 확인하시기 바랍니다. 

 

Plasma(플라즈마) 기초

 plasma(플라즈마)는 Plasm, 플라즈마, 플라스마로 표기되며 우리 생활 속에서 다양하고 수많은 분야에서 활용되고 응용되고 있습니다. 특히 반도체 산업에서 plasma(플라즈마)를 이용한 중요성도 점점 높아지고 있습니다. plasma(플라즈마)를 이용하여 재료와 물질을 이용한 분야, 우주 산업과 관련된 분야, 에너지 산업과 관련된 분야로 크게 나눌 수 있습니다. plasma(플라즈마)를 알기 위해서는 이온화 개념에 대해서 파악하는 것에서부터 시작됩니다. plasma(플라즈마)는 제 4의 기체 상태로 정의되는데 물질의 상태는 기본적으로 크게 고체, 액체, 기체 상태로 나뉘어 집니다. 이들은 원자 사이에 작용하는 힘, 그리고 온도 및 압력, 배열 상태 등 다양한 환경과 조건에 따라서 상태가 변하기도 합니다.

 

• 일상 속에서 발견할 수 있는 plasma(플라즈마)

 자연 속에서 plasma(플라즈마)는 일상생활 속에서도 발견할 수 있습니다. 네온사인과 형광등, 용접 현장에서 발생하는 아크 현상 속에서도 확인할 수 있습니다. 또한, 하늘에서 번개가 칠 때 이 빛도 plasma(플라즈마)의 형태가 될 수 있습니다. 또한, 수많은 사람들이 해외 여행에서 보고 싶어하는 아름다운 색으로도 표현되는 오로라 현상도 빛을 방출하는 plasma(플라즈마)의 형태입니다. 여기서 혼돈하지 말아야 할 것은 이러한 번개와 오로라의 공통점이 빛을 내고 있기 때문에 많은 사람들이 plasma(플라즈마)는 빛을 의미한다. 라는 개념을 가질 수 있습니다.

 

 하지만 여기서의 빛 즉, plasma(플라즈마) 상태에서 나타나는 빛을 plasma(플라즈마) 안에서 발생하는 여러가지 현상 들 중 하나일 뿐입니다. plasma(플라즈마) 상태에서 에너지를 받은  전자에 의해 원래의 상태로 돌아오려는 성질로 인해서 에너지를 방출하여 빛을 나타내기 때문에 plasma(플라즈마) 상태 중 일부는 빛으로 나타내기도 하는 것입니다. 따라서 주의해야 할 부분은 plasma(플라즈마)가 꼭 빛을 낸다거나, 이 개념이 빛이라는 단어 자체를 의미하는 것은 아님을 기억해야 합니다. 

 

  plasma(플라즈마) 정의

 plasma(플라즈마)란결국 제 4의 물질 상태로 이온화된 기체 상태를 의미합니다. 기체가 이온화 될 수 있는 충분한 에너지가 공급 되면 내부에서는 자유전자, 양이온, 원자 등으로 분리되는 이온화가 이루어집니다. 결국 내부에는 수많은 자유 전자, 이온, 분자, 원자 등으로 구성되어 이들이 혼재되어 있습니다. 전체적으로 봤을 때  + 또는 - 전하의 수가 같은 중성 상태로 표현되지만, 부분적으로는 이온화된 기체들과 이온화가 되지 않은 중성 입자들이 혼재되어 있는 상태이기 때문에 이를 준중성(Quasi neutrality) 상태로 표현하기도 합니다. 즉, 전기적으로 분리되어 부분적으로 전기적 특성을 띠고 있게 됩니다. 

이로 인해 물질은 고체, 액체, 기체, plasma(플라즈마) 4가지의 상태로 구분을 할 수 있게 되어 plasma(플라즈마)를 제 4의 물질 상태로 정의하기도 합니다.

 

plasma(플라즈마) 발생원리 및 기술

 이렇게 발생한 plasma(플라즈마)는 내부에 일부 자유롭게 존재하는 입자들의 거동에 의해 plasma(플라즈마) 밀도, plasma(플라즈마) 쉬스 등 다양한 성질들을 띠게 됩니다. 이러한 성질들을 적용하여 반도체, 우주 산업등 다양한 기술 분야에서 제조, 연구를 위한 각종 장비에 응용되고 있습니다. 

 

 plasma(플라즈마)의 간단한 발생 원리로는 초고온의 열, 또는 높은 에너지를 가했을 때 매우 높은 에너지로 인해 기체 원자가 전자와 불히되어 이온화되는 상태가 나타나게 됩니다. 이러한 원리를 통해 반도체 산업에서는 주로 방전 현상에 의해 발생된plasma(플라즈마)(글로우 방전)을 이용하여 증착(Deposition), 식각(에칭, Etching) 등의 반도체 공정에 사용하고 있습니다. 

진공 Plasma는 백만개 중 1개가 이온화 된 것으로 보통 반도체 공정에서 이용되는 plasma(플라즈마)는 저온 plasma(플라즈마)로 불리며, 전기장을 가해 기체 분자를 분리시켜 plasma(플라즈마)를 생성시키게 됩니다.  (전압을 가해 자유전자가 가속되어 중성의 분자와 높은 에너지로 충돌하여 이온화되는 원리)

 

 

 plasma(플라즈마)는 DC Plasma, RF Plasma 방식으로 구분되며 이는 plasma(플라즈마)를 발생시키는 방법에 따라 달라지게 됩니다.

 간단하게 말하면 DC plasma(플라즈마)는 직류 전압을 인가하여 이온화시키는 방법입니다. 간혹 전자가 이동하는 경로를 확보하고, 높이기 위하여 마그네트론(magnetron)을 이용하여 plasma(플라즈마) 발생 효율을 높이기도 합니다.

 RF plasma(플라즈마)는 13.56MHZ의 훨씬 높은 주파수의 교류 전압을 이용하여 양극과 음극의 극성을 1초에 약 1356만번 정도 변경하게 됩니다. 따라서 DC plasma(플라즈마)와 비교했을 때 상대적으로 이온화되는 확률을 높일 수 있기 때문에 plasma(플라즈마) 효율을 높일 수 있는 방법 중 하나로 많이 사용되고 있습니다.

 

 이러한 plasma(플라즈마) 상태를 활용하여 박막의 밀도, 조성, stress(응력) 등의 박막 특성을 조절할 수도 있습니다. 물론, 반도체 공정에서 plasma(플라즈마)를 발생시키기 위해서는 일반적으로 안정적인 plasma(플라즈마) 형성을 위해 진공(Vacuum) 상태에서 공정이 이루어지게 됩니다.