[논문]저온 플라즈마 발생과 응용

이봉주

문제 정의

보다 상세한 비유전율 효과를 검토하기 위해 플라즈마의 등가회로적 고찰을 하였다. 방전 공간에 미소방전이 관측되지 않은 상태에서 얻게된 전류 및 전압파형은 정현파로 글로방전이었다.
본 논문에서는 대기압 하에서 비평형 저온 플라즈마 발생과 개발한 장치를 사용하여 식각공정에의 응용을 검토하였다.
그러나, 유전체를 임의로 선택하는 것에 의해 플라즈마 가스로서 값싼 아르곤 가스을 사용해도 헬륨과 똑같은 방전이 발생 가능하다는 것을 발견했다. 유전체 효과의 검토를 위하여, 또한 보다 광범위한 처리를 목적으로 한 씨트상의 비평형 저온 플라즈마도 개발했다. 이것들의 장치에 의해 발생한 플라즈마는 코로나 방전이나 무성방전과는 달리 연속할 뿐만 아니라 비평형 저온 플라즈마를 대기 중에 분출 가능하였다.

제안 방법

분광기는 일본분광사제(FT-25C)와 광전자 배증 관은 병송 포토닉스사제를 사용한 파장코프(휴가렛패커드사 : 54501)로 모니터를 하였다. 막의 표면은 주사형 전자 현미경(일립 제작소 : FE-SEM S-4000)을 가지고 관찰하였다.
이러한 파형은 코로나방전이나 무성방전에서 특징적으로 관찰되는 것과 유사하였다. 방전상태의 해석에는 이러한 펄스방전이 아니고 정상적인 방전이 관측되는 상태에서 행하였다. 그림 4는 유전체의 종류에 따라 해석 하의 전류밀도-전계특성을 나타내었다.
플라즈마의 상태는 발광 분광관찰을 위하여 석영관 노줄로부터 1cm의 위치에 광케이블을 설치하였다. 분광기는 일본분광사제(FT-25C)와 광전자 배증 관은 병송 포토닉스사제를 사용한 파장코프(휴가렛패커드사 : 54501)로 모니터를 하였다. 막의 표면은 주사형 전자 현미경(일립 제작소 : FE-SEM S-4000)을 가지고 관찰하였다.
5, 330, 3200이었匸}. 유전체가 플라즈마에 미치는 효과를 검토하기 위해서 전극간 전압(Vrf)과 전류(IrD, 양자간의 위상차(0)를 갖는 고압플로브 및 전류플로브를 오실로스코프에 접속해서 계측하였다. 측정후 보다 상세한 유전체 효과를 검토하기 위해서 그림 2에 나타낸 플라스마의 전기회로적 등가회로를 가정하여 플라즈마 공간에서 환산전류 및 전류밀도를 계산하였다.
입력전압을 증가시켜 방전공간에 미소전압이 관측되는 상태의 전류파형은 정현파의 전압파형에 대해서 일그러졌고 펄스 상의 파형을 하였다. 이러한 파형은 코로나방전이나 무성방전에서 특징적으로 관찰되는 것과 유사하였다.
유전체가 플라즈마에 미치는 효과를 검토하기 위해서 전극간 전압(Vrf)과 전류(IrD, 양자간의 위상차(0)를 갖는 고압플로브 및 전류플로브를 오실로스코프에 접속해서 계측하였다. 측정후 보다 상세한 유전체 효과를 검토하기 위해서 그림 2에 나타낸 플라스마의 전기회로적 등가회로를 가정하여 플라즈마 공간에서 환산전류 및 전류밀도를 계산하였다. 등가회로에 의한 방전의 해석은 지금까지 sputtering[4]이나 플라즈마 식각[5]의 해석에 이용되고 있다.
56 MHz와 출력 90 W을 사용하였다. 플라즈마는 아르곤 가스를 사용하고, 여기에 식각가스로서 메탄(0.1 %)과 수소(0.7 %)을 첨가한 후, 총 유량 300 seem을 장치 내로 도입해서 플라즈마를 발생시킨 후, 시료에 조사하였다. 시료((주)Asahi Glass에서 마그네트론 스퍼터링으로 성막 한 것)에는 막두께 3000 A, 표면저항 26 妁/□을 갖는 유리 위에 성막한 SnO₂ 박막을 사용하였다.

대상 데이터

실험[6]에 나타내었다. 구조는 중심에 직경 1 mm의 침상의 금속 캐소드와 표면을 유전체로 피복한 동심원상의 직경 5 mm의 애노드를 가지고 있다. 캐소드 전극으로서 스텐레스 (SUS)를 사용하였다.
얻게된 전류 및 전압 파형은 전류파형이 약 89° 의 위상차(8)를 갖는 정현파 글로방전이었다. 본 플라즈마는 아르곤에 수소. 메탄 등을 첨가했을 때 여기된다는 것을 확인하였다.
7 %)을 첨가한 후, 총 유량 300 seem을 장치 내로 도입해서 플라즈마를 발생시킨 후, 시료에 조사하였다. 시료((주)Asahi Glass에서 마그네트론 스퍼터링으로 성막 한 것)에는 막두께 3000 A, 표면저항 26 妁/□을 갖는 유리 위에 성막한 SnO₂ 박막을 사용하였다. 기판온도는 실온에서 150°C까지, 식각시간은 7분간 행하였다.
기판온도는 실온에서 150°C까지, 식각시간은 7분간 행하였다. 시료는 플라즈마 출구에서 4 mm 떨어진 곳에 설치하였다. 식각형 상은 촉침법을 응용한 표면형상측정기 (일본진공기술, Dektak 3030)을 가지고 측정하였다.
실험조건은 플라즈마 발생원에 고주파 13.56 MHz와 출력 90 W을 사용하였다. 플라즈마는 아르곤 가스를 사용하고, 여기에 식각가스로서 메탄(0.
200-2000 seem의 조건에서 행해졌다. 유전체의 재료는 직경 0.5 mm, 두께 10x10 mm의 석영, 알루미나(AI2O₃), YSZ, SrTiO₃, PbTiCh-PbZrO를 사용하였고, 이들의 비유전율 )은 각각 4.3, 9.3, 12.5, 330, 3200이었匸}. 유전체가 플라즈마에 미치는 효과를 검토하기 위해서 전극간 전압(Vrf)과 전류(IrD, 양자간의 위상차(0)를 갖는 고압플로브 및 전류플로브를 오실로스코프에 접속해서 계측하였다.
56MHz)을 인가하는 캐소드에 대해서 표면을 유전체로 피복한 애노드(접지)을 평행하게 배치한 구조로 되어 있다. 전극재료는 통상 스텐레스를 사용하였다. 방전공간인 전극과 유전체 표면의 사이의 간격은 1 mm이었다.
그림 5는 아르곤 플라즈마에 수소와 메탄 첨가에 의해 발광하는 각각의 스펙트럼을 나타내었다. 측정파장은 400-700 nm의 범위에 걸쳐 A* r의 스펙트럼선이 관측되었다. 그것에 의해, 아르곤은 플라스마 중에 여기된다는 것을 확인하였고, 첨가가스로서 수소와 메탄을 도입했을 경우 스펙트럼 중에서 수소에 기인하는 H/(656 nm), He*(486 nm), Hz*(434 nm), H₂*(570-630 nm)을 얻게 되었다.
구조는 중심에 직경 1 mm의 침상의 금속 캐소드와 표면을 유전체로 피복한 동심원상의 직경 5 mm의 애노드를 가지고 있다. 캐소드 전극으로서 스텐레스 (SUS)를 사용하였다.

이론/모형

시료는 플라즈마 출구에서 4 mm 떨어진 곳에 설치하였다. 식각형 상은 촉침법을 응용한 표면형상측정기 (일본진공기술, Dektak 3030)을 가지고 측정하였다. 플라즈마의 상태는 발광 분광관찰을 위하여 석영관 노줄로부터 1cm의 위치에 광케이블을 설치하였다.

성능/효과

측정파장은 400-700 nm의 범위에 걸쳐 A* r의 스펙트럼선이 관측되었다. 그것에 의해, 아르곤은 플라스마 중에 여기된다는 것을 확인하였고, 첨가가스로서 수소와 메탄을 도입했을 경우 스펙트럼 중에서 수소에 기인하는 H/(656 nm), He*(486 nm), Hz*(434 nm), H₂*(570-630 nm)을 얻게 되었다. 또, 메탄에 기인하는 C*(4H₃₀ nm, ⑻과 C₂*(515, 580 nm)의 스펙트럼도 얻게 되었다.
기판온도는 실온에서 150 °C까지 증가시켜 식각을 행하였다. 기판온도가 상승함에 따라 식각의 속도는 2차 함수적으로 증가하는 것을 알았다. 이것은 기판 온도가 증가하는 것에 의해 플라스마 중의 화학 활성 종과의 반응이 더 쉽게 일어나기 때문에 식각속도가 증가했다고 생각된다.
기판온도는 실온에서 150 'C까지 증가시켜 식각을 행하였다. 기판온도가 상승함에 따라 식각의 속도는 2차 함수적으로 증가하여, 대기압 하에서도 식각이 가능하다는 것을 확인하였다. 기판온도가 증가에 의해 플라스마 중의 화학 활성종과의 반응이 더 쉽게 일어나기 때문에 식각속도가 증가했다고 생각된다.
이러한 효과는 아르곤 가스를 사용해도 간헐적인 방전이 억제되고, 연속적이고 일정한 방전을 발생시키는데 유효하다고 여겨진다. 또한, 발광분광을 각 유전체에서 측정한 결과, 비유전율이 상승함에 따라 발광강도가 증가하였다. 보다 효과적으로 투입전력이 플라즈마 공간에 소비되었다고 생각된다.
발생시키는 것이 가능하였다. 비유전율의 증가는 전극 간의 임피던스를 감소시켜, 플라즈마 공간의 전류를 증가시킨 결과, 방전유지전압을 감소시켰다. 얻게된 전류 및 전압 파형은 전류파형이 약 89° 의 위상차(8)를 갖는 정현파 글로방전이었다.
메탄 등을 첨가했을 때 여기된다는 것을 확인하였다. 식각에의 응용을 위하여 SnO₂ 박막은 기판온도가 상승함에 따라 식각의 속도는 2차 함수적으로 증가하여, 대기압 하에서도 식각이 가능하다는 것을 확인하였다.

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