안녕하세요, 송송입니다..! 계속해서 DC 플라즈마에 관한 이야기를 해보려고 합니다. 저번 시간에 DC 플라즈마 내 존재하는 여러 영역에 대해 소개해 드렸습니다. 그렇다면 이번엔 각 영역마다 어떠한 역할을 하고 있는지 같이 확인해보도록 하겠습니다.
먼저, 직류 플라즈마의 음극 지역을 먼저 보도록 하겠습니다.(1 cm 정도 음극 쉬쓰 영역 존재)
1. 음극 지역 (Cathode)
- 음극 지역은 플라즈마로부터 멀어지는 영역 중 플라즈마, 쉬쓰 천이지역, 디바이 지역, 공간전하 전류제한 지역으로 분류됩니다. 저와 함께 하나하나 살펴보겠습니다.!
1) 쉬쓰 천이지역
- 플라즈마 내 전위 차이로 인해 이온의 속도가 증가하는 구역 ( 쉬쓰 천이지역은 이전 글에서 다뤘으니 참고바랍니다~)
2) 디바이 지역
- 플로팅 전극이나 양극에 생성되는 쉬쓰로, 디바이 길이의 2배에서 3배에 해당하는 두께를 가지게 됩니다.
→ 5 ~ 15 V의 에너지 차이로 전자 밀도가 전극에 가까이 감에 따라 감소합니다.
3) 공간전하 전류제한지역
- 음극 쉬쓰 두께의 대부분을 차지하고 있는 영역입니다.
- 음극의 (-) 전압을 직접적으로 받아 전자는 거의 없으며, 이온만이 존재하는 양전하 공간 지역입니다.
→ 음극으로 입사하는 이온이 음극에 충동하여 방출하는 이차 전자를 제외하면 거의 없음 ni(x) >> ne(x) ≡ 0
2. 음극 지역의 역할
- Sheath를 통해 유지되는 높은 전압에 의해 이온이 음극 표면에 충돌하여 음극 표면에서 이차전자를 방출시킵니다.
- Sheath 내 높은 전압에 의해 가속되어 높은 에너지를 가진 전자를 형성시킵니다.
→ 이렇게 가속된 전자는 중성원자를 때려서!! 이온화(Ionization) 및 여기(Excitation) 현상을 일으키게 되는 것이죠.
이게 반복되어 플라즈마가 유지되는 것입니다. (생각보다 간단하죠?)
자, 그럼 음극은 알겠어.. 그럼 반대편 양극도 한번 봐야지?
3. 양극 쉬쓰(Anode sheath)의 구조
1) 양극(Anode) : (+) 전하를 갖기 때문에 전자가 수집되는 전극
→ 이렇게 간단하면 초중생이다. 실제로는 전자와 이온 모두 수집됩니다. 물론 Je >> Ji
여기서 문제! 왜, (+) 전하가 걸리는 양극에 전자만 수집되는게 아니라 이온까지 수집되는거야?
* 이건 제가 손가락이 닳도록 얘기한 그게 답입니다. me << mi
이 둘의 질량 차이가 양극에 흐르는 전류(Je - Ji)가 되는 것이고, 양극에서 요구되는 음의 전류(J)보다 크기 때문에 결과적으로 플라즈마에 비해 낮은 전위를 갖게 됩니다.
* 또 짚고 넘어가자구요.. 그러니까 플라즈마보다 낮은 전위를 갖는다 = 플라즈마는 어느 전극보다 더 높은 전위를 갖는다(플라즈마 전위!!) 기억하고 갈게요~
- 이곳 양극은 전자를 수집하는 전극임에도 불구하고 플라즈마에 비해 (-) 전위로 기울어져 이온은 랜덤전류가 양극으로 들어오며, 일부 전자는 전위의 기울기에 의해 밀려난 형태로 이온의 랜덤전류 보다 많이 들어와 양극에 요구되는 전류량을 만족시키게 됩니다.
4. Chathode sheath vs Anode sheath
1) Cathode sheath
- 공간 전하 전류제한지역으로 인해 cm 정도의 두꺼운 영역을 가짐
- Sheath 구역 3개(쉬쓰 천이지역, 디바이 지역, 공간전하 전류제한 지역)
- 이온만 수집
- 큰 (-) 전압으로 주변 전자밀도 거의 0에 가까움
2) Anode sheath
- 음극 쉬쓰의 약 1/10 정도의 두께를 가짐
- Shteah 구역 2개 (쉬쓰 천이지역, 디바이 지역)
- 이온과 전자를 모두 수집
- 이온과 전자를 모두 수집하여 이온밀도 존재
5. 양극에서의 이차전자 방출
- 양극에서는 전자와 이온이 수집된다고 했죠? (전자 많 / 이온 소)
* Fast electron : 양극에 입사하는 전자는 랜덤 전자 플럭스 외 음극으로부터 방출된 이차전자가 중성원자와 충돌하지 않고 플라즈마를 지나 양극으로 충돌하는 전자
이온이 표면을 칠 때, 방출하는 이차전자에 비해 전자가 표면을 쳐 방출하는 이차전자가 더 많으므로 양극에서 이차전자 방출은 음극보다 큼
→ 그러나.. 실제로는 플라즈마 전위와 양극전위 간 차이가 크지 않기 때문에 양극표면에서 발생된 이차전자로 인한 추가 중성원자의 이온화 및 여기는 기대하기 어렵습니다.
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으.. DC 플라즈마는 너무나도 지루합니다. 직류 플라즈마는 DC 스퍼터 장비에서 사용되는거 말고는 실제로 여러분들이 많이 접할지는 모르겠습니다.
보통 식각 장비에서는 RF 플라즈마를 사용하고 있으니까요.!
그래도 뭐든지 알아두면 좋습니다. RF 플라즈마를 잠깐 다루긴 했었는데요, 그 중 제가 빠뜨린 부분을 소개해드리겠습니다.