Basic of Plasmas & Discharges

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1 Basic of Plasmas & Discharges
이민형

2 플라즈마란? 2. 플라즈마의 발생 원리 (CCP, ICP) Collisional Heating, Collisionless Heating 플라즈마는 어떻게 에너지를 잃는가? CCP & ICP & ECR Chamber

3 1. 플라즈마란 ?

4 플라즈마(PLASMA) 란? 전자 (electron) 양이온 (neutral species) (positive ion) 중성종

5 플라즈마(PLASMA) 란?

6 플라즈마(PLASMA) 란? 플라즈마 챔버 중성종 양이온 전자
가스압력 = 2 mTorr, 플라즈마 밀도 = 1 x 1011 cm-3 중성종 밀도 ~ 6.5 x 1013 cm-3 양이온 밀도 = 전자 밀도 (= 플라즈마 밀도) = 1 x 1011 cm-3 약 0.15% 만이 플라즈마 상태로 존재 (650개 중 1개)

7 플라즈마(PLASMA) 란? Energy 중성종 양이온 전자

8 2. 플라즈마는 어떻게 생겨나는가?

9 플라즈마 발생 (PLSMA GENERATION)
17.5 eV 중성종 양이온 전자

10 CCP (Capacitively Coupled Plasmas) Collisional Heating of Electrons

11 CCP (Capacitively Coupled Plasmas) Collisional Heating of Electrons
가속 (gain energy) 가속 (gain energy)

12 CCP (Capacitively Coupled Plasmas) Collisional Heating of Electrons
Electrons can’t gain energy from electric field without collisions with neutral species.

13 CCP (Capacitively Coupled Plasmas) Collisional Heating of Electrons
Electrons can gain energy from electric field with collisions with neutral species.  Collisional Heating

14 ICP (Inductively Coupled Plasmas) Collisional Heating of Electrons
자기장 전기장 유도 전기장

15 ICP (Inductively Coupled Plasmas) Collisional Heating of Electrons
Electrons can’t gain energy from electric field without collisions with neutral species.

16 ICP (Inductively Coupled Plasmas) Collisional Heating of Electrons
Electrons gain energy from electric field with collisions with neutral species.  Collisional Heating

17 쉬스 (SHEATH) 란? Sheath: 플라즈마와 플라즈마가 아닌 영역(챔버벽 또는 wafer등)이
만나는 부분에 생기는 ‘준중성’이 깨지는 영역.

18 쉬스 (SHEATH) 란? 전자의 평균 속도: ve ~ 106 m/s (1000 km/s)
양이온의 평균 속도 : vion ~ 103 m/s (1 km/s)

19 Collisionless Heating in CCP
W V V+2W

20 Electron Heating 전자가 플라즈마 챔버에서 에너지를 얻는 과정
Collisional Heating (Ohmic heating)  전기장 + 중성종과의 충돌 2. Collisionless Heating (Stochastic heating)  전자가 진동하는 쉬스(sheath)에 충돌 낮은 압력 (수 mTorr) : Collisionless heating > Collisional heating 높은압력 (> 수십 mTorr) : Collisional heating > Collisionless heating

21 전자 에너지 분포 (Electron energy distribution EED)
전자 에너지 (Energy of electrons, eV) 전자 에너지 분포 전자온도 = 전자온도 Te = 2.0 eV

22 전자 에너지 분포 (Electron energy distribution EED)
Te = 4.0 eV Te = 2.0 eV 전자 에너지 (Energy of electrons, eV) 전자 에너지 분포 Te = 6.0 eV

23 3. 플라즈마는 어떻게 에너지를 잃는가?

24 1. 충돌 (Collisions)에 의한 에너지 손실
전자와 이온은 어떻게 에너지를 잃는가? 1. 충돌 (Collisions)에 의한 에너지 손실 양이온 전자 17.5 eV 중성종 이온화(Ionization) 여기(Excitation) 해리 (Dissociation)

25 전자와 이온은 어떻게 에너지를 잃는가? 2. Wall loss에 의한 에너지 손실 이온 폭격 에너지 전자의 운동에너지
(Kinetic Energy of Electrons) 이온 폭격 에너지 (Ion Bombardment Energy)

26 전자와 이온은 어떻게 에너지를 잃는가? 플라즈마 밀도는 어떻게 결정되나?
같은 Power에서 ICP는 CCP에 비해 높은 플라즈마 밀도를 얻을 수 있다.

27 4. CCP & ICP & ECR Chamber

28 CCP (Capacitively Coupled Plasmas) Chamber
Dual frequency CCP 플라즈마 밀도와 이온폭격 에너지를 따로 조절 할 수 있음 높은 주파수의 전극은 주로 플라즈마를 발생 시키기 위한 용도 낮은 주파수의 전극은 이온폭격을 위한 용도

29 ICP (Inductively Coupled Plasmas) Chamber
Cylindrical type Planar type

30 Ferrite ICP Chamber Ferrite core를 이용하여 기존 ICP보다 더 높은 플라즈마 밀도를 얻을 수 있다.
Kyeonghyo Lee, Youngkwang Lee, Sungwon Jo, Chin-Wook Chung and Valery Godyak, Plasma Sources Sci. Technol. 17, (2008)

31 ECR (Electron Cyclotron Resonance) Chamber
Microwave (2.45 GHz) DC 자기장 (~ 875 G) 전자 heating 지역 (Zone)

32 ECR (Electron Cyclotron Resonance) Chamber
HWP : Helicon Wave Plasma ICP : Inductively Coupled Plasma CCP : Capacitively Coupled Plasma CCP ICP HWP ECR Phys. Plasmas, vol. 10, 323 (2003)

33 감사합니다