반도체 제조 공정에서 사용되는 플라즈마(Plasma)

우리는 지난 시간에는 반도체 제조 공정 중, MFC가 사용되는 박막 증착(Thin Film deposition)과정과 식각(Etching)과정 에 대해 알아보았습니다.

그런데 이 두 과정에는 공통적으로 플라즈마(Plasma)라는 물질이 사용되었습니다.

플라즈마라는 단어는 들어본 적은 있으나, 일상 생활에서는 쉽게 접할 수 없기 때문에 어떤 물질인지 정확하게 모르는 경우가 많은데, 이번 시간에는 반도체 제조 공정에서 사용되는 플라즈마(Plasma) 대해 알아보겠습니다.

플라즈마(Plasma)란?

플라즈마(Plasma)는 고대 그리스어로 성형 가능한 물질이라는 뜻으로 고체와 액체, 기체에 이어 물질의 4번째 상태라고 정의됩니다.

어떠한 물질이 강력한 전기장이나 열원에 의해 가열되어 기체 상태를 뛰어 넘은 상태를 말합니다.

플라즈마는 영국의 화학자이자 물리학자인 윌리엄 크룩스(William Crookes)에 의해 처음 발견되었으며, 플라즈마즈마라는 단어는 1928년에 미국의 물리학자인 어빙 랭뮤어(Irving Langmuir)에 의해 처음 정의되었습니다.

어떠한 물질이 가열되어 기체 상태를 지나게 되면 그 속의 기체 분자들끼리 격렬하게 충돌해 이온화가 일어나고 다수의 양이온과 전자가 중성자 등이 발생해 떠돌아다니는 상태가 되는데, 이 상태를 플라즈마 상태라고 합니다.

이 때는 전하 분리도가 매우 높기 때문에 높은 전기 전도도를 가지며, 전자기장에 대해 매우 큰 반응성을 갖게 됩니다.

또한 음과 양의 전하수가 거의 같아 중성을 띄게 되며, 이온과 전자의 밀도가 거의 같게 이온화됩니다.

우주에 존재하는 물질의 약 99%는 플라즈마로 이루어져 있으며, 지구 대기권의 전리층(Ionosphere) 또한 플라즈마로 이루어져 있습니다.

대기 중의 기체 분자들이 태양광 내 자외선의 에너지로 양이온과 자유 전자로 분리되어 플라즈마가 생성됩니다.

또한 지구 표면에서 자연적으로 확인할 수 있는 플라즈마의 예로는 번개와 오로라가 있습니다.

지구 표면에 존재하는 플라즈마의 예 번개

출처 : Wikipedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_(physics)

번개는 최대 100 메가 볼트에서 30 킬로 암페어를 방전하고 전파와 빛, X선과 감마선까지 방출합니다.

플라즈마의 온도는 30,000K에 달할 수 있고, 전자 밀도는 10^24m^−3를 넘을 수 있습니다.

플라즈마는 다양한 산업 분야에서 사용되고 있습니다.

가까이는 네온 사인이나 디스플레이, 형광등과 같은 실생활에서도 사용되고 있으며, 의료와 환경, 미용, 그리고 반도체 제조와 같은 산업 분야에서 사용되고 있습니다.

플라즈마 상태의 높은 에너지를 가진 입자는 다양한 물질의 표면에 충돌하면서 에너지를 전달할 수 있는데, 물질 표면과 상호작용을 할 때 다양한 물리적, 화학적 반응을 일으킵니다.

반응 가스가 주입된 진공 챔버에 강한 전기장을 쏘면 챔버 내의 전자가 가속되어 열전자가 됩니다.

열전자는 주입된 중성 가스와 충돌해 이온화 반응을 일으키고, 충격으로 이탈한 전자와 처음 이온화 과정에 참여했던 전자가 다시 중성 기체와 충돌하며 연쇄적인 이온화 반응이 일어나 챔버 안이 플라즈마 상태로 유지됩니다.

반도체 제조 공정 중, 플라즈마를 이용해 웨이퍼의 표면을 갂아내는 것이 식각(Etching) 과정이고, 전기적 특성을 입히는 과정이 박막 증착(Thin Film Deposition) 과정입니다.

위에 언급한 것처럼 플라즈마가 사용되는 반도체 제조 공정에는 가스가 사용되기 때문에 가스의 유량을 제어할 수 있는 Mass Flow Controller가 사용됩니다.

프로세스의 균일성과 반복성이 높은 MFC는 공정 챔버 내부로 주입되는 기체의 양을 제어하는데 중요한 역할을 합니다.

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