책의 4.6. RF 쉬스(RF Sheath) 부분의 마지막에 이온이 충돌하는 에너지가 RF 주파수에 따라 달라진다는 내용이 나와있습니다. 물론 읽어보면 모두 이해될 정도로 핵샘적인 것들은 설명을 했다고 생각하지만 그림을 포함한 세부적인 설명은 좀 부족한것 같아서 추가로 만든겁니다. 그러나 아쉽게도 이 내용을 넣기에는 이미 책의 편집이 상당히 진행된 상태여서 넣지 못했습니다. ㅠㅠ
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우리는 이미 여러 글에서 이온의 충돌에 대해서 많은 이야기를 해왔습니다. 충돌시 이온의 에너지는 음극의 쉬스(sheath)에 의해 얻어지고, 쉬스는 음극과 플라즈마 사이에 형성되며, 플라즈마는 음극과 양극사이에 걸린 전기장에 관련됩니다. 우리는 파워서플라이를 통해 쉬스의 크기를 조절할 수 있고, 결국 이온이 타겟에 충돌하는 에너지를 직접적으로 조절하는 것이 가능합니다. 그러나 같은 전력에서도 이온이 가진 에너지는 모두 다르며, 중심부가 높고 양끝이 낮은 맥스웰-볼츠만 분포(Maxwell-Bolzmann distribution)를 갖고있을 겁니다. DC 방전의 경우는 그렇습니다.
DC에서 타겟에 충돌하는 이온의 에너지 분포
Bohm velocity는 쉬스에 진입하는 이온이 가진 최소한의 속도를 말합니다.
그래프는 폭이 넓고 대칭으로 그려졌지만 실제 측정값은 조건과 x축 설정에 따라 많이 다를겁니다.
RF에서는 이온이 가진 에너지분포가 조금 다르게 나타납니다. 잘 알고 계시겠지만 RF는 음극과 양극이 고정되지 않고 빠른 속도로 교차하고 있죠. 즉, RF는 주파수를 가집니다. 대부분 RF의 주파수는 상업적으로 사용하기로 약속된 13.56MHz를 사용하고 있지만, 이보다 낮거나 높은 값을 쓰는 경우도 있습니다. 그리고 RF는 같은 전력에서 주파수에 따라 이온의 에너지를 변화시킬 수 있습니다.
RF 장치의 형태를 다시 생각해 봅시다. RF는 타겟이 부도체일 때 그 장점을 최대한 발휘하는데, 부도체 타겟에서 발생되는 이온전하의 축적을 막고, 플로팅전위(floating potential)의 셀프바이어스(self bias)를 만들어 음극으로 작용하여 지속적인 방전을 일으킬 수 있습니다. 부도체 타겟은 두 전극사이에 존재하며, 이것은 전자기기에서 전자를 축적하는 부품인 캐패시터(capacitor)의 형태와 똑같습니다.
RF에서 전극전위와 플라즈마전위
위 그림은 RF에서 셀프바이어스가 형성된 전극전위와 플라즈마전위(plasma potential)의 형성을 나타낸 것으로, 플라즈마는 주변의 어떠한 물체보다도 전위가 높아서 항상 양(+)의 값을 가지므로 파란색으로 표현한 전위처럼 변동됩니다. 그림에서 a는 전극이 음극일 때의 쉬스전압으로 이때 이온의 에너지가 최대를 나타내고, b는 전극이 양극일 때 쉬스전압이 되며 이온의 에너지는 최소가 됩니다. 그래서 RF에서 음극에 충돌하는 이온들은 아래 그림의 A, B, C 처럼 최대에너지를 가진 이온과 최소의 에너지를 가진 이온이 번갈아가며 들어옵니다. 그런데 이온은 전자보다 질량이 커서 속도가 무척 느리기 때문에 쉬스로부터 에너지를 받고 가속되어 충돌하기까지 어느 정도 시간이 필요합니다.
RF 주파수에 따른 이온 충돌에너지 변화 (주파수 : A > B > C)
같은 주파수에서 이온의 에너지는 전극이 (-)일 때 최대, 전극이 (+)일 때 최소를 나타내면서 peak가 분리된다.
주파수가 어느 이상으로 높아지면 peak가 합쳐져 평균적인 값을 보인다.
RF는 음극과 양극이 교차됩니다. 이온이 최대 에너지를 얻기 위해서는 전극이 최대의 (-)값을 가져서 쉬스의 크기도 최대가 되어야 하며, 이때 최대한 많은 에너지를 받아 가속되어 음극에 충돌해야 하죠. RF의 주파수가 낮으면 전극이 (-)일 때 이온은 충분한 시간을 가속하여 쉬스로부터 주어진 에너지를 모두 받아 최대의 에너지를 얻고, 전극이 (+)일 때는 최소의 에너지를 얻습니다. 그래서 C와 같이 피크가 넓게 분리된 에너지 분포 형태가 나타납니다. 그러나 이온이 쉬스를 통과하는 속도보다 RF의 교차시간이 빨라서 이온이 충돌하기도 전에 RF의 방향이 바뀌어 전극이 (+)가 되면, 이온은 감속되고 이온이 얻는 에너지는 최대를 갖지 못하여 최대 에너지의 피크가 낮은 쪽으로 이동합니다. 또한 충분히 감속되기 전에 다시 방향이 바뀌므로 최소 에너지 피크는 높은 쪽으로 이동합니다. 그래서 RF 주파수가 높으면 A와 같이 피크가 모인 에너지 분포 형태가 나타나고, 이보다 더 높은 주파수에서는 분리되지 않은 단일 피크를 볼 수 있습니다. 그리고 이때, 전력이 동일한 상태라면 플라즈마의 에너지도 변화합니다. 같은 전력에서 주파수가 높으면 이온이 얻는 에너지는 작아지므로, 나머지 에너지는 이온화에 기여하며 플라즈마의 에너지가 증가합니다. 반대로 주파수가 낮으면 이온이 얻는 에너지가 증가하면서 이온화에 기여하는 에너지가 감소하고 플라즈마가 약화됩니다. 그리고 이 부분은 RF 타겟의 부도체 특성을 가지고 설명하는 경우도 있습니다. 위에서 부도체 타겟은 캐패시터와 같다고 했습니다. 그래서 주파수가 낮을 때의 부도체 타겟은 저항성분으로 작용하므로 전압이 증가하면서 쉬스가 커져 이온 충돌에너지가 증가하며, 주파수가 높으면 저항이 낮아지면서 전압도 낮아지고 쉬스가 작아져 이온 충돌에너지 역시 감소하게 됩니다.
같은 파워, 같은 주파수에서도 이온의 질량에 따라 분포는 달라집니다. 당연히 가벼운 이온이라면 같은 에너지에서 속도가 빠르기 때문에 RF가 바뀌기 전에 음극에 충돌하여 최대의 에너지를 가질 수 있습니다. 그래서 위 그림의 C와 같이 좌우로 피크가 분리되며 최대와 최소의 에너지를 모두 얻는 것이 가능하죠. 좀 더 무거운 이온인 경우 B처럼 속도가 느려 에너지의 변동폭이 좁아집니다. 매우 무거운 이온은 변동폭이 더욱 좁아져 A같이 되며 평균의 형태만을 보입니다. 그래서 무거운 이온의 에너지가 최댓값을 갖게 하려면 주파수를 적절하게 낮추면 됩니다. 그렇다면 여기서 하나 더 예측할 수 있는것이 있습니다. A처럼 나타난 에너지 분포에 전력을 증가시키면? 플라즈마의 밀도가 동일하다고 가정하면, 전력의 증가는 전극의 전압을 증가시킵니다. 그로 인해 이온이 받는 에너지가 증가하고 속도가 증가하기 때문에 C와 같은 분포로 변화할 겁니다. 마찬가지로 C와 같은 경우에 전극의 전압이 감소되면 이온의 에너지가 감소하면서 A와 같은 분포로 변하겠죠. 당연한 이야기지만 위 그림들은 대략적인 분포 형태를 나타낸 것이며, 실제 형태는 조건마다 다를 수 있습니다.
우왕... 방학인데 나 왜 못놀고 이러고 있지 ㅠㅠ
글 : 개날라리연구원
그림 : 개날라리연구원
업로드 : 개날라리연구원
발행한곳 : 개날라리연구소
........ - _-y~
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