[논문]레이저 용삭법에 의한 플라즈마의 진전 모델링

소순열; 이진

doi:10.4313/jkem.2006.19.5.492

레이저 용삭법에 의한 플라즈마의 진전 모델링
Modelling of Carbon Plume by Laser-ablation Method 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.19 no.5, 2006년, pp.492 - 497

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The study on laser-ablation plasmas has been strongly interested in fundamental aspects of laser-solid interaction and consequent plasma generation. In particular, this plasma has been widely used for the deposition of thin solid films and applied to the semiconductors and insulators. In this paper, we developed and discussed the generation of carbon ablation plasmas emitted by laser radiation on a solid target, graphite. The progress of carbon plasmas by laser-ablation was simulated using Monte-Carlo particle model under the pressures of vacuum, 1 Pa, 10 Pa and 66 Pa. At the results, carbon particles with low energy were deposited on the substrate as the pressure becomes higher However, there was no difference of deposition distributions of carbon particles on the substrate regardless of the pressure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 레이저 용삭법에 의해 발생된 플라즈마의 구성요소 중에서, 탄소입자의 진전과정을 시뮬레이션하기 위하여 입자들의 충돌과 비행을 고려한 모델을 개발하였다. 탄소 입자들의 공간분포를 시간에 따라 분석하였으며, 압력 조건하에 따라서 기판에 증착된 입자들의 에너지, 입자수 및 막 퇴적 분포에 관하여 연구하였다.
본 논문은 레이저 용삭법에 의해 방출된 탄소원자들의 진전과정을 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 충돌후의 산란각을 cos5δ로 설정하였으며, 탄소 입자의 초기속도는 볼츠만 분포로 가정하고 난수를 이용하여 입자 초기속도를 결정하여 100 μs까지 시뮬레이션한 결과, 기판에 도착한 입자들은 압력이 높아질수록 챔버내에 주입된 기체와의 충돌 가능성이 높아지게 되고 에너지를 잃게 됨에 따라, 10 eV 이하의 낮은 에너지를 가진 입자들이 기판에 대부분 퇴적하는 것을 알 수 있었다.
모델을 개발하였다. 탄소 입자들의 공간분포를 시간에 따라 분석하였으며, 압력 조건하에 따라서 기판에 증착된 입자들의 에너지, 입자수 및 막 퇴적 분포에 관하여 연구하였다. 또한 진공상태와 Ar 기체 상태에서의 입자 운동도 비교 분석하였다.

가설 설정

77x10-8 cm). Ar 가스는 실온에서 열평형으로 속도는 볼츠만분포를 형성하는 것으로 가정하였다. 레이저 조사에 의해 방출된 입자들은 거의 대부분 t=0 순간에 타겟과 수직방향으로 방출되지만, 진공상태에서 퇴적된 박막의 막 두께 분포로부터 방출각도 분포는 cos "5로 추측 되 어 진다(Graphite의 경우 n=3.
따라서, 본 논문에서는 충돌후의 산란각을 cos nδ로 설정 하였다(그림 2 참조). 방출각 분포를 통하여 운동하는 탄소 입자의 초기속도는 볼츠만분포로 가정하고 난수 (Random number)를 이용하여 입자 초기속도를 결정하였다.

제안 방법

통하여 운동을 시뮬레이션 하였다. Ar 입자와의 충돌은 탄성 운동을 하는 것으로 고려하였으며, 충돌 운동의 관성 중심에서 등방향으로 산란하도록 시뮬레이션 하였다. 이러한 층돌 운동을 통하여 탄소 입자들의 운동 및 에너지 분포, 그리고기판에 도달한 입자들의 특성을 분석하였다.
탄소 입자들의 공간분포를 시간에 따라 분석하였으며, 압력 조건하에 따라서 기판에 증착된 입자들의 에너지, 입자수 및 막 퇴적 분포에 관하여 연구하였다. 또한 진공상태와 Ar 기체 상태에서의 입자 운동도 비교 분석하였다.
0 Jem-2)가 Graphite 타켓에 입사하는 것으로 고려하였으며, 방출되는 입자는 탄소 원자 (C)만을 고려하였다. 방전 챔버내의 기체는 Ar을 주입하였고, Ar 원자와 탄소 이온 및 원자와의 충돌 단면적은 각각의 원자 반경으로부터 계산하였다(π(r1 + r2)2; r1은 Ar 원자의 반경 1.91X10-8 cm, R는 C 원자의 반경 0.77x10-8 cm). Ar 가스는 실온에서 열평형으로 속도는 볼츠만분포를 형성하는 것으로 가정하였다.
기판이 놓여있는 레이저 용삭 플라즈마 모델을 그림 1에 나타내었다. 방전 챔버의 높이는 Z=2.5 cm, 챔버의 반경 R=2.5 cm, 챔버내의 가스온도는 T=300 K로 설정하였으며, 가스압력은 F=Vacuum, 1 Pa, 10 Pa, 66 Pa로 설정하였다.
Ar 입자와의 충돌은 탄성 운동을 하는 것으로 고려하였으며, 충돌 운동의 관성 중심에서 등방향으로 산란하도록 시뮬레이션 하였다. 이러한 층돌 운동을 통하여 탄소 입자들의 운동 및 에너지 분포, 그리고기판에 도달한 입자들의 특성을 분석하였다. 레이저 용삭법에 의한 플라즈마 시뮬레이션 순서도를 그림 3에 나타내었다.

대상 데이터

본 논문에서는 탄소 원자를 총 1, 000, 000개의 샘플링을 통하여 운동을 시뮬레이션 하였다. Ar 입자와의 충돌은 탄성 운동을 하는 것으로 고려하였으며, 충돌 운동의 관성 중심에서 등방향으로 산란하도록 시뮬레이션 하였다.
본 연구에서는 ArF 레이저 (λ=193 nm, r=20 ns 및 레이저 선량=3.0 Jem-2)가 Graphite 타켓에 입사하는 것으로 고려하였으며, 방출되는 입자는 탄소 원자 (C)만을 고려하였다. 방전 챔버내의 기체는 Ar을 주입하였고, Ar 원자와 탄소 이온 및 원자와의 충돌 단면적은 각각의 원자 반경으로부터 계산하였다(π(r1 + r2)2; r1은 Ar 원자의 반경 1.

성능/효과

급격히 감소하는 것을 알 수 있으며, 그러나 압력이 증가하여도 막 퇴적 분포는 그다지 변화하지 않는 것을 알 수 있었다.
기판중심부에는 충돌을 그다지 일으키지 않고 높은 에너지를 가진 입자들이 퇴적하는 것을 알 수 있었다. 압력이 증가하여도 기판의 중심부 (r=0.0 cm)에 퇴적하는 입자의 량이 다른 영역에서보다 많은 것을 볼 수 있었으며, 막 퇴적 분포는 변화하지 않는 것을 알 수 있었다.
충돌후의 산란각을 cos5δ로 설정하였으며, 탄소 입자의 초기속도는 볼츠만 분포로 가정하고 난수를 이용하여 입자 초기속도를 결정하여 100 μs까지 시뮬레이션한 결과, 기판에 도착한 입자들은 압력이 높아질수록 챔버내에 주입된 기체와의 충돌 가능성이 높아지게 되고 에너지를 잃게 됨에 따라, 10 eV 이하의 낮은 에너지를 가진 입자들이 기판에 대부분 퇴적하는 것을 알 수 있었다. 기판중심부에는 충돌을 그다지 일으키지 않고 높은 에너지를 가진 입자들이 퇴적하는 것을 알 수 있었다.

후속연구

그러나, 본 결과의 정확성을 향상시키기 위해서는 방출된 탄소 원자와의 충돌에 의한 주입 기체들의 움직임을 고려하지 않으면 안 될 것이다.
그림 4의 (a) 와같이 플라즈마의 선단부분에 피크를 가진 형상을 shock front 효과라고 불리워지고 있으며, 이것은 챔버내에 주입된 기체가 타겟으로부터 방출된 입자들과의 충돌에 의해 주입된 기체가 전반적으로 상부 방향으로 흐르게 되는 현상으로 설명되어진다[11]. 본 시뮬레이션에서도 이러한 현상을 고려하면, 더욱 유사한 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
플라즈마의 상태는 가스종, 가스압력, 온도 등의 파라메타에 의해서 결정되어지기 때문에, 플라즈마를 구성하는 전자, 이온 및 중성 입자 들의 충돌 및 비행과정을 명확히 분석하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있겠다. 이러한 분석을 위해서는 살험을 통한 실질적 측정뿐만 아니라, 시뮬레이션을 통한 운동 및 충돌과정의 분석도 매우 유효할 것으로 기대된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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