1. 서 론
1)플라즈마는 전자, 이온, 중성입자가 혼재되어 있는 상태를 뜻하며 고체, 액체, 기체에 이은 제 4 의 물질 상태라고 통용되어진다. 플라즈마 상태가 되기 위해서는 외부의 추가적인 에너지로 인하여 기체상태의 원자들이 전자와 양이온원으로 분리 되는 과정을 거친다. 우주를 구성하는 물질의 99.9%는 항성 또는 성운과 같은 플라즈마 상태로 존재하며 지구상에서도 번개, 불, 오로라 등과 같 은 플라즈마 상태를 쉽게 관찰할 수 있다. 인공적 으로 발생시킨 플라즈마에 대해서 본격적으로 연 구가 시작된 것은 1920년대이며, 플라즈마연구의 개척자인 Irving Langmuir가 젤리와 같이 형상을 이룰 수 있는 물질이라는 뜻의 그리스어 πλασμα를
저자(E-mail: pdmtime@kist.re.kr)
따서 “플라즈마(plasma)”라고 명명하였다[1].
초기 플라즈마 연구는 라디오 전파를 반사시키 는 전리층(ionosphere, 상공 60~1,000 km 구역의 플라즈마화 되어있는 대기층), 우주를 구성하고 있는 플라즈마 상태의 정상물질(normal matter), 플라즈마 상태 수소원자들의 연쇄반응에 의한 수 소폭탄등과 같이 우주, 군사와 같은 거대과학 분 야에서 집중적으로 이루어졌다[2]. 1960년대 중반 부터 반도체 산업 발전에 따라 실리콘 및 실리콘 화합물을 식각하기 위한 불소 또는 염소를 반응 가스로 하는 플라즈마 식각공정, 전자빔에 의한 분해된 유기금속기를 통해 금속 박막을 증착하는 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposi- tion, 플라즈마보조 화학기상증착법) 공정 등이 개 발되면서 인공적으로 발생시킨 플라즈마를 이용 한 플라즈마 공정 연구가 폭발적으로 확대되었다
저온 플라즈마 응용 연구 동향
박 동 희
한국과학기술연구원 차세대반도체연구소 광전소재연구단
Trends in Low Temperature Plasma Applications
Donghee Park
Center for Opto-Electronic Materials and Devices, Post-silicon Semiconductor Institute, Korea Institute of Science and Technology, Seoul 06552, Republic of Korea
Abstract: 플라즈마는 가속된 전자와 중성입자의 충돌을 통해 이온화된 기체 입자들이 모여 있는 제4의 물질 상태이다.
이온화율이 낮은 저온 플라즈마는 인공적으로 발생시키기 용이하고 반응성이 높아 공정플라즈마라 일컬어진다. 이온 화 반응을 통해 생성된 플라즈마 내 이온들은 플라즈마 내 쉬스(sheath)를 통해 에너지를 얻은 후 모재 표면 입자와 충돌 반응을 일으켜 스퍼터링과 같은 물리적 반응을 일으킨다. 분자 기체의 방전 시 해리 반응을 통해 생성된 중성의 활성종들은 플라즈마 내에서 확산되어 모재 또는 플라즈마 내 다른 입자와의 화학적 반응을 한다. 플라즈마의 물리⋅
화학적 반응성은 모재의 식각, 박막 증착, 표면 전처리와 같은 다양한 공정에 응용되고 있다. 플라즈마의 반응성은 전극구조, 인가전압, 방전기체 등의 방전조건에 의해 제어되며 상압 플라즈마, 유도결합 플라즈마, 플라즈마 토치와 같은 다양한 방전 방식으로 응용된다. 플라즈마-소재 간 반응은 전자산업, 재료, 바이오, 의료, 환경 분야의 다양한 공정에 활용되고 있다.
Keywords: low temperature plasma, ion, radical, sheath, non-equilibrium
이오, 환경, 나노, 의료 등 다양한 연구분야에서도 플라즈마 공정이 사용되고 있다.
플라즈마 연구가 시작된 지 한 세기가 지나지 않았음에도 불구하고 다양한 공정 기술로 광범위 한 연구분야에 응용될 수 있었던 것에는 플라즈마 가 가지는 독특한 특성이 기인한다. 기체 상태로 존재할 때 물질 내 대부분의 입자들은 전기적으로 중성을 띠는데 반하여 플라즈마 상태일 경우에는 전하를 가지는 준중성의 특성을 가지고 있어 인접 하고 있는 다른 물질에 물리적 또는 화학적 작용 을 일으킬 수 있다. 따라서 응용분야에 적합한 온 도와 이온화율을 가지는 플라즈마를 인공적으로 생성하고 적합하게 플라즈마 변수를 제어하기 위 해서는 플라즈마 및 각 공정이 가지는 특성에 대 한 이해가 필요하다고 볼 수 있다. 본고에서는 공 정 플라즈마의 발생 및 각 플라즈마 공정의 특성 을 먼저 논의하고 공정 플라즈마가 응용되고 있는 연구사례들에 대해 살피고자 한다.
2. 본 론
2.1. 플라즈마의 정의
플라즈마는 통상적으로 이온화된 기체 상태라고 일컬어지지만 기술적으로는 기체 상태와 구별하 여 정의하면 ‘전하를 띠지 않는 중성입자들과 전 하를 가지는 이온 및 전자가 섞여있고 이들 입자 들이 서로 전⋅자기적 영향을 끼치며 함께 반응하 고 운동하는 준중성 기체 상태’라고 할 수 있다[5].
함께 반응하고 운동하는 것을 집단 거동(collective behavior)이라고 표현하기도 한다. Figure 1과 같이 플라즈마 상태의 엔탈피는 기체상태보다 높기 때 문에 외부 에너지가 필요한 이온화 반응(ionization)
을 통해 기체상태에서 플라즈마 상태로 바뀌게 된 다. 반대로 외부의 에너지가 지속적으로 공급되지 않으면 양이온들은 주위에서 운동하는 전자와의 재결합 반응(recombination)을 통해 다시 중성의 기체 원자 또는 분자가 되며 물질의 상태는 기체 상태로 되돌아가게 된다.
플라즈마를 정의하는 데 있어 중요한 척도는 플 라즈마 내 입자들의 거동 특성이다. 예를 들어 우 리 주위의 공기는 우주선(cosmic ray)으로 인하여 이온화된 입자들을 극히 일부 포함하고 있지만 이 입자들이 전체 입자들의 거동에 영향을 끼치지 못 하기 때문에 플라즈마 상태라고 칭하지는 않는다.
이에 반하여 플라즈마 상태에서는 전하를 가지는 입자들의 비율이 높기 때문에 이들 입자가 내부적 으로 운동하면서 생길 수 있는 국부적인 전하 집 중이 전⋅자기장을 형성시켜 플라즈마 내 입자들 의 거동에 영향을 끼칠 수 있다. 내부의 새로운 전
⋅자기장이 추가적으로 이온과 전자의 공간적 분 리현상에 영향을 미치며 매우 복잡한 연쇄반응을 일으키지만 주위 입자들의 반응은 거리적 한계를 가지게 된다. 플라즈마 내 국소적인 양전하 또는 음전하집중은 정전기적 인력에 의해서 반대 전하 를 가지는 입자들에게 둘러싸짐으로써 전자기적 영향은 플라즈마 전체에 영향을 끼치지 못하고 일 정거리 내에서만 작용하게 된다. 또한 플라즈마
Figure 1. Phase transitions between four different states of a matter[6].
외부에 전기장이 인가될 경우에도 국부적으로 이 를 상쇄하는 반응이 일어나기 때문에 전체 플라즈 마는 전기적으로 중성인 것과 같은 상태로 반응한 다. 이와 같이 플라즈마는 준중성(quasineutrality) 상태에 있으며 전⋅자기장을 차폐하는 물리적인 거리를 디바이 차폐 길이(Debye length, λD)라고 정의한다.
λ
ε≃
ε0: 진공유전율, k: 볼츠만 상수,
Te: 플라즈마 내 전자 평균 온도, 플라즈마 내 평균 전자 밀도, e: 전자 전하량.
플라즈마 상태로 정의하기 위해서는 3가지 조 건을 만족해야 하며 각 조건은 다음과 같다.
1. ≫ λ. 플라즈마의 전체 크기(L)보다 λD가 충분히 작아야 함.
2. ≫. λD 반경 내의 입자 수 (ND)가 충분히 많아야 함.
3. ωτ . 전자기장에 의한 플라즈마 진동이 중성입자의 충돌에 비해 자주 일어나야 함.
여기서 ω 는 플라즈마 주파수, τ는 중성입자 간 충돌.
2.2. 플라즈마의 발생
플라즈마 상태가 되기 위해서는 반드시 기체 입 자의 이온화 과정을 거치게 된다. 이온화 과정은 기체 상태로 존재하는 중성 원자 또는 분자의 전 자들이 에너지를 얻어 방출되면서 전기적으로 양 의 전하를 가진 상태로 변화하는 것이다. 따라서 이온화 과정에서는 에너지가 필요하며 대부분 전 자와 중성 기체 입자간의 충돌에 의해서 전자의 에너지가 중성 입자로 전달된다. Figure 2(a)에서 개략화된 것과 같이 플라즈마 내부에 유도된 전계 를 통해 가속된 전자가 중성 기체입자와 충돌을 통해 이온화하는 과정을 거친다. 이 과정에서 충
돌하는 전자 외에도 이온화를 통해서 튕겨져 나온 전자가 새롭게 생성되고 또다시 가속되어 이온화 과정에 기여한다. 이와 같은 연쇄반응을 통해 전자 들이 급속히 증가하는 현상을 전자사태(electron avalanche)라고 칭하며 일정 밀도 이상의 전자가 발생하여 플라즈마 상태가 되는 것을 방전(discharge) 라고 표현한다. Figure 2(b)에서 표현된 것과 같이 전자사태 이후 전자와 양이온으로 분리된 입자들 은 각각 양극과 음극으로 가속되면서 방전이 지속 된다.
플라즈마 방전 기체로 가장 많이 쓰이는 것은 단원자 기체(atomic gas)인 Ar이다. 산소와 같은 분자 기체(molecular gas)의 경우 분자가 원자로 쪼개지는 해리반응(Dissociation)이 추가되기 때문 에 플라즈마화에 있어 보다 비효율적이다. 산소의 경우 이온화 에너지가 12.1 eV로 15.8 eV의 Ar에 비해 낮지만 해리 에너지가 8 eV에 지나지 않아 가속된 전자들의 일부가 해리 반응에 소모된다.
따라서 산소 방전에서는 전자사태를 일으키기 위 해서는 보다 많은 에너지가 필요하기 때문에 방전 에 있어 비효율적이다. 또한 Ar이 다른 기체 입자 들과 반응을 하지 않고 저렴하기 때문에 대부분의 공정 플라즈마에서 플라즈마 발생을 위한 기체로 써 사용된다.
플라즈마 발생에 있어 가장 중요한 변수는 플라 즈마를 발생시키기 위한 방전에 필요한 인가전압
Figure 2. Plasma discharge mechanisms: (a) ionization and (b) electron avalanche[7].
인 파괴전압(Vd, breakdown voltage)이며 압력, 기 체 종류, 전극 구조와 밀접한 관계를 가진다. 본고 에서는 Figure 2(b)와 같은 비교적 간단한 직류방 전만 살펴보고자 하며 교류전압의 경우는 전자기 유도력에 의한 복잡한 방전원리를 가지고 있다 [1,2,5]. 일정한 간격(d)을 가지는 방전관의 양극 중 한 전극은 접지하고 다른 한 전극에는 전압(V) 를 인가한 경우 전자에 작용하는 전계(E, elec- trical field)는 E = V/d가 된다. 전자가 충돌 전 평 균이동거리 λe를 이동할 경우 전자가 얻는 에너지 는 eλeE와 같으며 중성입자의 이온화 에너지보다 클 경우 충돌로 인하여 중성입자는 이온화가 된 다. 파괴전압은 실험적으로 플라즈마 발생 장치의 압력(p, pressure)과 전극 간 간격(d, distance of the gaps)과 관계식이 규명되었고 파센의 법칙(Pashen’s law)라고 불린다. Figure 3은 헬륨, 네온, 아르곤, 수소, 질소의 방전 실험 결과를 보여주는 Pachen curve이며 Vd은 최소 Vd 보다 낮은 pd 구간에서는 반비례 관계, 높은 구간에서는 비례관계를 가진다.
최소 Vd 이하 구간, 즉 매우 낮은 압력에서는 입자 의 수가 적어서 전자사태가 일어나기 힘들고, 좁 은 전극 간격에서는 전자가 전계 안에서 이온화 에너지를 얻기까지 충분한 이동거리가 확보되지 못해서 방전에 필요한 전압이 높아진다. 보통의 플라즈마 발생 장비에서는 통상적으로 최소 Vd 이
상의 구간에서의 Vd가 pd에 비례하는 특성을 보 여준다. 대기압과 같이 높은 압력에서 플라즈마를 발생하기 위해서는 상대적으로 높은 전압 또는 매 우 좁은 전극간격이 필요한데 전자의 예가 아크플 라즈마이며 후자의 경우가 유전체 장벽 방전 (DBD, dielectric barrier discharge)에 해당한다.
따라서 플라즈마 발생을 용이하게 하기 위하여 압 력을 낮추는데, 플라즈마를 가둘 수 있는 용기 내 부의 기체를 진공펌프를 사용하여 외부로 배기한 다음 기저 압력이 충분히 낮은 상태에서 전압을 인가한다. 진공상태에서 발생한 플라즈마를 진공 플라즈마라고 부르며 대기압에 비해 매우 낮은 수 십에서 수백 볼트의 매우 낮은 전압에서도 플라즈 마 방전이 시작될 수 있다.
2.3. 플라즈마의 특성 및 분류
플라즈마는 이온화율과 입자들의 에너지에 따 라 특성을 달리하기 때문에 Figure 4과 같이 분류 한다[9]. 중성 기체 입자들이 거의 존재하지 않고 대부분이 이온화되어 있는 고온플라즈마(high temperature plasma)의 경우는 태양과 같이 매우 높은 온도 상태이거나 행성 자기권과 같은 매우 낮은 압력 상태가 필요하다. 공정용 플라즈마의 경우는 일부의 입자들만 이온화되어 있는 상태인
Figure 3. Paschen curves for He, Ne, Ar, H2, N2[8].
Figure 4. Classification of the plasma types[9].
저온플라즈마(low temperature plasma)이며 입자 들의 에너지에 따라 평형 플라즈마(equilibrium plasma)와 비평형 플라즈마(non-equilibrium plas- ma plasma)로 분류한다. 공정용 평형 플라즈마는 대기압에서 높은 전압을 인가하여 발생시키기 때 문에 플라즈마 내 중성입자 온도(Tn), 이온온도 (Ti), 전자온도(Te)가 서로 비슷한 열적 평형상태 (thermal equilibrium) 상태에 있으며 그 온도는 103에서 105 K 정도이다. 따라서 대부분 입자들의 에너지가 매우 높기 때문에 열플라즈마(thermal plasma)라고도 불린다. 비평형 플라즈마는 질량이 작은 전자의 온도가 상대적으로 높고(104~105 K) 중성입자 또는 양이온의 에너지가 수천 K 정도로 낮은 상태의 플라즈마이다. 비평형 플라즈마의 이 온화율은 10-5~10-2 정도로 매우 낮기 때문에 플라 즈마를 구성하고 있는 대부분의 기체입자들의 온 도는 상온상태를 유지한다. 따라서 열플라즈마와 대비하여 냉플라즈마(cold plasma)라고 부르기도 하며 플라즈마와 소재 반응에 있어 소재에 열변형 을 일으키지 않기 때문에 다양한 소재에 응용된 다. 평형플라즈마의 예로는 아크방전에 의한 플라 즈마 토치가 있으며 증착과 전처리에 쓰이는 대부 분의 플라즈마 공정장비들은 비평형플라즈마를 활용한다. 따라서 일반적으로 공정플라즈마라고 하면 비평형 플라즈마를 뜻하지만 열플라즈마를 포함한 저온 플라즈마를 공정플라즈마라고 통칭 하기도 한다.
플라즈마 용기 내 압력을 기준으로 대기압 플라 즈마와 진공플라즈마로, 인가하는 전압의 종류에 따라 직류 플라즈마(DC plasma, direct current plasma), 펄스 플라즈마(pulsed plasma), RF 플라 즈마(RF plasma, radio frequency plasma), 마이크 로웨이브 플라즈마(MW Plasma, microwave plas- ma)로, 전극의 구조에 따라 유도결합플라즈마 (ICP, inductively coupled plasma), 축전결합플라 즈마(CCP, conductively coupled plasma), 헬리콘 플라즈마(helicon plasma), 코로나 플라즈마(corona plasma), DBD 플라즈마 등으로 구별하기도 한다.
따라서 플라즈마 공정 장비에 쓰이는 비평형 플라
즈마들은 공정의 목적에 따라 플라즈마를 발생시 키는 방법을 달리하여 다양하게 설계되고 작동된 다고 할 수 있다.
2.4. 플라즈마 반응
앞서 살핀 것과 같이 공정용 플라즈마는 대부분 이 비평형 플라즈마이기 때문에 본고에서는 비평 형 플라즈마의 특성에 따른 플라즈마 반응에 대해 논의하고자 한다. 먼저 플라즈마 내부의 입자들 간의 반응에 대해 살핀 후 외부 소재와의 반응에 대해 논의하고자 한다.
플라즈마 내 양이온, 전자, 중성입자들은 상호 간의 충돌로 인하여 다양한 반응을 한다. 단원자 기체 플라즈마의 반응에 비해 분자 기체 플라즈마 의 경우는 해리반응이 추가되는 데 공정 플라즈마 내부의 대표적인 반응들은 아래와 같다.
- 이온화 (Ionization)
단원자 기체: e* + A → A+ + e + e 분자 기체: e* + AB → AB+ + e + e - 재결합 (Recombination)
단원자 기체: e + A+ → A 분자 기체: e + AB+ → AB - 여기 (Excitation)
단원자 기체: e* + A → A* + e 분자 기체: e* + AB → AB* + e - 천이 (Relaxation)
단원자 기체: A*→ A + hν 분자 기체: AB*→ AB + hν - 해리 (Dissociation)
분자 기체: e* + AB → A + B + e
플라즈마와 외부 소재와의 물리적 반응은 질량 이 작은 전자보다는 질량이 큰 이온들에 의해 일 어나며 양이온들이 모재 표면으로 입사하면서 표 면의 입자들과 충돌하면서 일어난다. 플라즈마 입 자와 모재 표면과의 물리적 충돌은 Figure 5에서 도식화된 것과 같이 전달되는 운동량에 따라 내부 구조 변형, 입사 이온의 주입, 표면 입자의 튕겨짐
으로 이어진다. 이 중 표면의 입자가 표면에서 물 리적으로 분리되는 현상이 물리적 식각 반응이며 스퍼터링으로 불린다. 쉬스 영역에서 가속되어진 높은 에너지의 이온들이 플라즈마와 맞닿아 있는 모재의 표면에 도달한 후 표면 입자와 충돌하여 표면입자를 튕겨내는 반응을 뜻한다. 표면에서 입 자들이 충돌에 의해 내부 결합이 분리되는 현상이 기 때문에 스퍼터링 정도는 가속된 양이온의 에너 지에 의해 결정되며 모재의 종류에 따라 차이가 생기기도 한다. 가속되는 입자의 에너지를 증가시 킬 경우 입사된 이온들이 모재 내부에 침투하는 경우가 있는데 이를 이온주입(ion implantation)이 라고 한다. 이온주입 공정은 반도체 공정에서 도 핑 공정에 많이 활용되며 가속기 또는 이온원을 통해서 이온들을 가속시킨다.
입사하는 이온의 에너지에 따라 플라즈마와 모 재간의 반응이 달라지기 때문에 쉬스(sheath)라는 플라즈마 내의 내부 영역이 주요한 변수로 작용한 다. 쉬스는 플라즈마 내부의 준중성 상태와 달리 외부의 물질과 맞닿아 있는 영역에서는 전자와 이 온의 밀도가 달라 전계가 형성되는 영역을 뜻한 다. Figure 6(a)와 같이 초기에는 플라즈마 내부 전 체에서 중성상태를 유지하지만 비평형 플라즈마 에서는 전자의 에너지가 크기 때문에 많은 수의 전자들이 이온에 비해 먼저 표면에 먼저 도달하여 표면을 음전하로 대전시킨다. 따라서 Figure 6(b) 에서 도식화된 것처럼 플라즈마 내부의 전위가 플 라즈마 외부 물질에 비해서 상대적으로 높은 상태
Figure 6. The formation of plasma sheaths: (a) initial ion and electron densities and potential; (b) densities, electric field, and potential after formation of the sheath[11].
가 되어 플라즈마 외부 방향으로 전계가 형성되며 전계는 플라즈마가 방전 상태에 있는 한 동적 평 행상태로 유지되게 된다. 형성된 전계를 따라 플 라즈마 내 이온들이 플라즈마 외부 물질의 표면을 향해 가속되게 되는데 쉬스 전위차에 따른 에너지 를 얻은 후 표면에 입사하게 된다. 따라서 플라즈 마 내부와 외부의 전위차에 따라서 표면에 도달하 는 이온의 에너지가 결정되기 때문에 플라즈마 내 부 전위(Vp, plasma potential)는 플라즈마와 물질 간의 반응 정도를 결정하는 중요한 변수라고 볼 수 있다. 또한 쉬스는 모재의 표면에 따라 형성되 기 때문에 이온은 모재에 수직방향으로 입사하는 특성을 가지며 이는 물리적 반응이 모재의 수직 방향으로 진행되는 이방성(anisotropic)을 가지게
Figure 5. Plasma-surface physical interaction[10].
되는 원인이 된다.
플라즈마의 화학적 반응에는 주로 해리과정을 통해 생성된 중성의 활성종(radical) 또는 이온화 된 활성종들이 기여한다. 활성종의 경우 직접적으 로 모재와 입자들과 화학적 반응을 하거나 표면의 반응을 도와주는 역할을 한다. 단원자 기체인 아 르곤으로 플라즈마를 방전시킬 경우 중성의 기체 입자(Ar), 양이온(Ar+), 중성의 준안정(metastable state) 입자(Ar*)가 혼재되어 있어 화학적 반응도가 매우 낮다. 아르곤과 달리 분자 기체인 산소의 경 우 플라즈마 상태에서는 중성 기체입자(O2), 양이 온(O+, O2+), 준안정입자(O2*) 이외에도 활성종(O, O3), 음이온(O-,O2-)이 존재하기 때문에 화학적 반 응성이 높다. 여기서 음이온과 오존은 중성입자와 전자 간 결합, 중성입자와 활성종간 결합을 통해 생성된다. 플라즈마 내부 반응에 의해 생성된 1차 활성종뿐만이 아니라 모재의 표면 분자들과 반응 하여 2차 활성종들도 생성되기 때문에 플라즈마와 모재 간 화학적 반응 또한 플라즈마 기체의 종류, 활성종의 에너지, 모재의 구조 및 성분 등에 따라 매우 상이한 특성을 보인다. 활성종들은 이온과 달리 전기적으로 중성이기 때문에 플라즈마 내부 또는 모재의 표면에서 확산하는 특성을 가지고 있 어 플라즈마의 모재의 화학적 반응은 특별한 방향 성이 없는 등방성(isotropic)을 보인다.
2.5. 플라즈마 공정 2.5.1. 식각
플라즈마 내 식각반응은 물리적 식각 반응과 화 학적 식각반응이 있다. 식각 공정의 대표적인 예 이며, 반도체 제작에 있어 주요한 공정 중의 하나 인 건식 식각(dry etching) 공정에서는 두 방응이 혼합한 식각반응을 이용한다. 플라즈마를 발생시 키기에 용이한 단원자 가스(Ar, Ne, Xe) 등만을 사용하는 순수 물리적 시각반응의 경우는 식각속 도가 매우 낮기 때문에 반도체 건식 식각공정에는 화학적 반응을 추가하여 식각공정에 사용한다. 화 학적 플라즈마 식각 공정의 경우 기체상태의 반응 성 가스를 플라즈마 발생 가스에 추가하기 때문에
화학 용액을 사용하는 습식 식각(wet etching)과 구분하여 건식 공정이라고 칭한다. 실리콘 또는 금속막의 경우는 Cl2가 포함된 CL계열의 플라즈 마를 발생시켜 제거하며, 반응성이 낮은 산화막의 경우는 CF4가 포함된 C-F 계열 플라즈마를 통해 서 식각반응을 일으킨다. Ar플라즈마 내에 CF4와 같은 반응성 가스를 추가하면 Ar 이온화와 더불어 주입하여 CF4의 이온화 또는 해리 반응이 일어난 다. CFx과 같이 해리반응을 통해 플라즈마 내 생 성된 중성 활성종들은 화학적 반응도가 매우 높은 특성을 가지고 있다. Figure 7에서와 같이 모재의 표면에 흡착된 활성종들은 균일하게 표면을 따라 확산한 후 모재와 반응을 한다. 이후 생성된 휘발 성 부산물(by-products)들은 탈착되어 배기되기 때 문에 모재 표면에서 식각반응이 일어나는 것이다.
또한 해리반응으로 생성된 CFx 또는 F 입자들도 일부 이온화되기도 하는데 Ar 이온과 더불어 쉬스 에 의해 가속⋅입사되어 모재의 입자들과 반응한 다. 식각 부위의 분자 간 결합력을 약화시키거나 모재의 일부분을 스퍼터링하는 물리적 식각 반응 을 일으키거나, 추가적인 화학 반응을 일으켜서 화학적 식각반응을 촉진하기도 한다. 물리적 식각 반응에 기여하는 이온들은 모재의 수직 방향으로 입사하기 때문에 이방성 식각 특성을 보이고, 화 학적 식각 반응에 기여하는 활성종들은 등방성 식 각 특성을 보인다. 이와 같은 식각 공정을 반응성 이온 식각(RIE, reactive ion etching) 또는 물리화 학식각 공정이라고 칭한다. 반도체 패턴의 종횡비 증가에 따라 이방성 식각특성을 증진하기 위하여
Figure 7. Physical and chemical interaction of the plasma with the substrate and mask[12].
Figure 8과 같은 플라즈마를 발생시키는 ICP 전원 장치 이외에 기판 아래에 CCP 방식의 전원 공급 장치를 추가하기도 한다. CCP 인가 전력을 통해 플라즈마 내 전자에 추가적인 전자기력을 인가하 여 전자의 온도 및 밀도를 조절, 플라즈마 전위를 제어한다.
2.5.2. 증착
식각과 마찬가지로 증착공정 또한 플라즈마의 물리적인 스퍼터링 반응과 화학적 반응을 이용하 는 방식으로 나뉘게 된다. 전자의 경우 대표적인 예는 스퍼터링 증착 공정이며 후자의 경우는 PEDVD가 있다. 모재에 음의 전압으로 인가할 경 우에도 가속되는 이온의 에너지가 증가하기 때문 에 스퍼터링을 증가시킬 수 있는데 이와 같은 현 상을 이용한 것이 물리기상증착법(PVD, physical vapor deposition)의 한 종류인 스퍼터링 증착 공 정이다.
Figure 9에서와 같이 스퍼터링 증착 장비는 플 라즈마를 발생시키기 위한 전극, 스퍼터링 하고자 하는 물질로 만든 스퍼터링 타겟, 증착용 기판으 로 이루어진다. 스퍼터링 증착 공정 장비 내에 플 라즈마와 가까운 위치에 모재를 두게 되면 입사 이온들에 의해 모재의 입자들이 스퍼터링되어 날 아가는데 이 입자들은 챔버 내 다른 곳에 증착하 게 된다. 이 과정에서 모재의 전면에 기판을 위치 하게 되면 입자들이 기판에 증착되는데 이를 이용 하는 것이 증착용 스퍼터링 공정이다. 쉬스 내 전
하 차이를 인위적으로 증가시키면 가속되는 이온 들의 에너지를 커지게 되는데 이 경우 스퍼터링되 는 입자의 수가 증가하게 된다. 금속과 같은 전도 성 타겟의 경우에는 수백 볼트 이상 음의 직류 전 압을 인가하여 전위차를 증가시킨다. 이에 반하여 부도체 타겟의 경우 타겟 아래에 RF 전위를 인가 시켜 전자기파를 통한 플라즈마 가열방식을 이용 한다. 이를 통하여 플라즈마가 발생하고 플라즈마 내부 전위를 증가하기 때문에 쉬스 내 전하차이가 생겨 부도체 타겟의 스퍼터링율이 증가되는 것이 다. 타겟에 인가되는 전력이 증가할수록 스퍼터링 증착율은 올라가지만 균열과 같은 타겟 손상 때문 에 통상적으로 최대 인가 전력은 금속 타겟의 경 우 50 W/inch2, 세라믹 타겟의 경우는 20 W/inch2 정도이다. 금속박막의 증착공정에서는 금속 타겟 을 사용하며 비활성 가스인 아르곤을 사용하여 순 수한 금속 입자만을 스퍼터링시킨다. 산화물, 질화 물과 같은 화합물을 증착하기 위해서는 증착하고자 하는 물질과 동일한 타겟을 제작하여 스퍼터링하 거나 금속 타겟에 반응성 가스를 추가하여 화합물 을 증착하는 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 공정을 통해서 증착한다. 예를 들어 절연물로 많 이 쓰이는 Al2O3의 경우 Al2O3 산화물 타겟에 아 르곤 가스를 주입하여 스퍼터링하거나, Al 금속 타겟에 아르곤⋅산소 혼합가스를 주입하여 스퍼 터링한다. 반응성 가스의 분압에 따라 반응성 가 스 분압이 낮은 경우 금속이 증착되는 금속 스퍼 터링 모드로 작동하고 반응성 가스 분압이 높을 경우 화합물이 증착되는 화합물 스퍼터링 모드로 작동한다.
Figure 8. Reactive ion etching system with dual RF power supplies[13].
Figure 9. Plasma sputtering deposition[14].
플라즈마가 가지는 에너지를 통해 플라즈마 내 입자들의 반응을 촉진시킬 수 있는 간접적 작용을 이용한 것은 플라즈마 보조 반응이라 불리며 이를 활용하는 것이 PECVD이다. 기체입자들이 플라즈 마 내에서 해리되어 활성종으로 존재하게 되면 기 체 상태에 비해 반응성이 커지기 때문에 보다 낮 은 공정 온도에서도 반응이 쉽게 일어날 수 있다.
또한 플라즈마 내부의 이온들을 통해 추가적으로 에너지를 공급받을 수 있다. PECVD 공정의 경우 스퍼터링 공정에 비해 공정이 복잡하고 고온 공정 이 요구되지만 박막 내 결함이 낮은 특성을 가지 게 된다. 예를 들어 SiO2의 경우 반응성 스퍼터링 을 통해 상온에서도 SiO2 박막을 증착할 수 있지 만 절연막으로써의 특성이 매우 떨어지기 때문에 용기 내 SiH4와 N2O를 주입하여 플라즈마를 방전 시킨 후 SiH4 + 2N2O → SiO2 + 2N2 + 2H2 반응 을 유도하여 SiO2 박막을 증착한다.
2.5.3. 표면처리
플라즈마를 이용한 표면처리의 예는 모재에 쌓 여있는 불순물 또는 유기물들을 제거하는 세정 공 정 또는 모재 표면에 화학적 작용기를 생성시키는 전처리 공정을 들 수 있다. 해리 과정에서 분해된 원자나 분자들은 결합되지 않은 전자를 가지고 있 기 때문에 화학적 반응성이 높다. 산소플라즈마의 경우도 O2에서 해리된 단원자 산소(O)가 플라즈 마 내 포함되어 있기 때문에 화학적 반응성이 높 다고 볼 수 있다. 플라즈마를 이용한 표면처리 공 정의 원리 또한 물리적 식각 공정이나 화학적 보 조 반응과 궤를 같이 한다. 모재 표면으로 가속된 이온이 가지는 에너지를 이용하여 접착력이 약한 불순물을 스퍼터링해서 제거하거나 표면 구조를 변화시킬 수 있다. 또는 Figure 10과 같이 활성종 들의 높은 에너지를 활용하여 표면에 화학적 작용 기를 생성시킬 수 있다. 다만 이온의 에너지가 높 거나 밀도가 높으면 표면에 손상을 주기 때문에 상대적으로 에너지가 낮거나 밀도가 낮은 저밀도 플라즈마를 이용하는 것을 특징으로 한다. 플라즈 마에 인가되는 전력 또는 플라즈마 내 이온 에너
지에 주의하여 공정을 선택하여야 한다. 고분자 표면 개질의 경우 표면의 분자 구조 파괴 또는 열 변형을 억제하기 위하여 보통 상온에서 플라즈마 를 사용하여 표면을 개질한다. 산소, 수소, 질소와 같은 반응성 가스 기반 플라즈마 전처리 공정의 경우 모재에 수산기(hydroxyl), 카보닐기(carbonyl), 과산화기(peroxyl), 탄산기(carboxylic), 아미노기 (amino), 아민기(amines)과 같은 반응기가 생성되 기 때문에 표면 에너지가 증가하여 접착력이 증가 하게 된다. 표면 접착력의 증가 정도는 표면 불순 물의 제거 정도, 표면 에너지, 화학적 작용기의 종 류에 따라 조절될 수 있다.
2.5.4. 발광
플라즈마와 외부소재 간의 직접적 반응은 아니 지만 플라즈마 내부 입자의 천이반응에 의해 플라 즈마는 외부로 빛을 발하게 되며 이를 분석 또는 발광소자로 응용한다. 원자 내의 전자들이 전자 궤도를 벗어나게 되면 이온화가 되지만 에너지가 부족한 경우 외각 전자 궤도로 여기되었다가 낮은 에너지의 궤도로 천이되면서 에너지를 잃게 되는 데 이 에너지는 빛의 형태로 방출되게 된다. 전자 궤도 간의 에너지가 물질마다 다르기 때문에 각 물질은 특정 파장대의 빛을 발하게 된다. 자연계 에서 관찰할 수 있는 오로라, 번개, 불과 같은 자 연 플라즈마들이 빛을 내는 것은 이와 같은 플라 즈마의 발광 반응에 의해서이다. 발광 현상을 분 석 장비에 이용한 것이 ICP-MS 분석법인데, 분석
Figure 10. Plasma treatment using O2 or N2 plasma[15].
대형디스플레로써 각광을 받으며 상용화가 되었 지만 전력 소비량, 발열, 해상도, 패널 두께 등의 문제가 해결되지 못하면서 LCD와 경쟁에서 패배 하며 2010년대를 기점으로 역사 속으로 사라졌다.
2.6. 공정 플라즈마의 응용 2.6.1. 전자 산업
플라즈마가 산업적으로 가장 활발하게 응용되 고 있는 분야는 반도체 및 디스플레이 분야와 같 은 전자 산업 분야이다. 앞서 살핀 것과 같이 반도 체 건식 식각 공정에 가장 널리 쓰이고 있으며 반 도체 미세 패턴화 로드맵에 맞추어 높은 종횡비를 가능하게 하는 차세대 식각 장비들이 경쟁적으로 개발되고 있다. 반도체 식각 장비 분야는 램리서 치, 도쿄일렉트론은 어플라이드 머터리얼즈 세 업 체가 시장을 각각 50%, 30%, 18% 점유하고 있는 과점 시장 분야이다[16]. 고가의 진공장비 없이 대 기압 상태에서 플라즈마를 발생시켜 실리콘[17], 산화물[18], 고분자 필름[19]과 같이 다양한 모재 에 적용할 수 있는 식각 공정을 연구하고 있으며 최근에는 미세 식각이 가능한 대기압 플라즈마 장 비가 상용화되어 미세 패턴의 폭이 상대적으로 큰 디스플레이 패널 제조 공정에 사용되고 있다[20].
실리콘 식각의 경우 상용화 연구 개발이 진행 중 이며, 질소와 헬륨 혼합가스를 플라즈마 발생 가 스로 활용하고 SF6 가스를 식각용 반응성 가스로 사용하여 720 Torr 압력 조건에서 비정질 실리콘 을 식각한 결과 식각 특성이 습식 식각 공정과 저 압플라자를 사용한 건식 식각 공정의 중간 정도 특성을 가지는 것으로 관찰되었다[17]. 공정 압력이 높으면 플라즈마 입자 간의 늘어난 충돌로 인해 입자들이 충분한 에너지를 못 얻기 때문에 등방성
식각 특성이 일부 있는 것으로 분석되었다. 이방성 식각을 높이기 위하여 전극의 구조, 반응성 가스 의 선택 등의 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.
디스플레이, 시스템 반도체, 태양전지 등에 쓰 이는 산화물 박막의 경우 스퍼터링 공정을 이용하 여 주로 증착한다. 투명전극인 ITO (indium tin oxides) 증착의 경우 높은 투명도 및 균일도, 낮은 저항 등의 특성이 요구되고 있으며 유연(flexible) 디스플레이 또는 유연 태양전지 개발에 발맞추어 300 °C 이하의 저온 증착 공정이 활발하게 연구되 고 있다[21,22]. 산화물 박막트랜지스터(TFT, thin film transistor) 분야의 경우 2000년대 초기 비정 질 산화물 박막트랜지스터 연구가 본격적으로 시 작되었으며 이중 인듐⋅갈륨⋅아연 산화물(IGZO, indium-galium-zinc oxides)의 경우 디스플레이 패 널에 n형 반도체 물질로 상용화되었다. 최근에는 다결정 IGZO 증착 공정이 정립되어 애플워치나 갤럭시 워치 같은 플래그쉽 웨어러블 장치에 사용 되고 있다[23]. IGZO 외에도 다양한 조성이 연구 되고 있으며 다결정 산화박막의 결정성은 공정압 력, 인가전력, 플라즈마 발생모드, 가스 분압 등의
Figure 11. Low magnitude SEM images after a-Si:H etching using the atmospheric pressure plasma: (a) tilted view in 5-mask process, (b) cross sectional view in 5-mask process, (c) tilted view in 4-mask process, and (d) cross sectional view in 4-mask process[17].
다양한 플라즈마 변수의 영향을 받는다. Figure 12 은 산소 분압의 비율에 따라 IGTO (indium-ga- lium-tin oxides) 박막 결정성 차이가 생기는 것을 보여주고 있으며 결정성이 개선된 트랜지스터의 경우 116 cm2/V⋅s 정도의 전하 이동도를 보여주 었다[24].
반도체 제조 공정 중 절연막용 산화물 증착 공정 에 쓰이는 ALD (atomic layer deposition) 공정에 서도 플라즈마를 도입하며 단차피복성(step cover-
age)을 증가시키고자 하는 연구가 진행 중이다.
PECVD 공정과 유사한 원리로, 원자층 증착 후 플 라즈마를 방전할 경우 전구체의 반응성이 증가되어 공정온도만으로 반응성을 제어하는 일반 ALD에 비해 공정온도를 낮출 수 있었다[25](Figure 13).
이에 따라 전구체 선택이 폭이 넓어질 수 있기 때 문에 보다 많은 종류의 산화물을 PEALD (plasma enhanced ALD) 공정으로 증착하는 연구가 활발 해질 것으로 예상한다.
Figure 12. (a) Optical image of fabricated IGTO TFT. (b) GI-XRD patterns of the 400 °C-annealed IGTO films at different oxygen flow ratios. The diffraction pattern in green was obtained from the SiO2/Si substrate without the deposition of IGTO film[24].
Figure 13. Schematic representation of thermal ALD and plasma-assisted ALD. During the co-reactant step of the cycle (the 2nd half-cycle), the surface is exposed to a reactant gas or vapor such as NH3 or H2O, or to species generated by a plasma[25].
2.6.2. 재료
플라즈마가 가지는 높은 반응성을 이용하여 기 존 재료의 한계를 넘어서는 신소재의 합성 또는 증착 연구가 널리 진행되고 있으며 특히 나노입자 성장에 공정 플라즈마가 많이 활용되고 있다. Ar 과 H2S가스를 혼합하여 플라즈마를 발생시켜 PECVD 공정을 진행한 결과 300 °C보다 낮은 온 도에서 PI 필름 상에 MoS2 2D 필름이 합성된 것 을 관찰하였다[26](Figure 14). 플라즈마가 가지는 높은 반응성을 이용하면 기존의 열화학기상증착 법(thermal CVD)에 비해 공정온도가 충분히 낮아 질 수 있기 때문에 고분자 기판에서도 열변형 없 이 안정적으로 2D 물질이 합성된다고 볼 수 있다.
터를 사용하여 DLC 박막 코팅을 진행한 결과, 필 터가 없으면 표면 거칠기가 10 nm 이상으로 매우 크지만 필터를 거칠 경우 1 nm 이하로 낮은 표면 거칠기 특성을 보여주었으며 표면 경도 또한 개선 되었다[27].
공정 플라즈마 특성을 좌우하는 중요한 변수 중 의 하나는 인가 전압의 특성인데 매우 낮은 주파 수의 펄스 전압을 인가하는 HiPIMS (high power impulse magnetron sputtering)가 활발히 연구되고 있다. HiPIMS는 수십~수백 HZ의 낮은 주파수를 가지면서 높은 파워를 인가하는 방식으로 Figure 16에서와 같이 수백 마이크로초의 짧은 시간에 매 우 높은 전압과 전류를 플라즈마에 인가하여 플라 즈마 내의 이온화율을 매우 높일 수 있는 공정이 다[28]. HiPIMS 기반 스퍼터링 공정을 이용한 박 막 증착 시 우수한 결정성 및 개선된 접착력 등의 특성을 보여주고 있어 DLC[29], 산화물/질화물 [30], 금속[31] 등의 다양한 박막 증착 공정에 이 용되고 있다.
Figure 14. The mechanism for the synthesis of a thin- layered MoS2 thin film by PECVD[26].
Figure 15. Experimental setup of magnetic filtering depositions for DLC by cathodic arc evaporation (a) with magnetic filtering, (b) without filter module with rotating metallic cage[27].
플라즈마 고분자 중합(plasma polymerization)은 플라즈마가 유기 상태의 가스 단량체(monomer)들 의 중합 과정에 에너지를 공급해줌으로써 보다 치 밀한 박막을 증착하는 공정이다. 단량체는 플라즈 마 입자들에 의해 활성화된 입자들로 파편화하는 데 이들이 보존하고 있는 부분적인 화학적 구조는 가교 반응에 영향을 끼친다. 중합과정에서 열화를 억제해야 하기 때문에 대기압에서 수백 mTorr의 비교적 높은 압력에서 방전시킨 비평형 플라즈마
방전상태에서 반응을 일으킨다. Figure 17은 플라 즈마 인가 전압의 시계열 특성에 따라 PFDA (per- fluorodecyl acrylate)과 같은 CF 단량체 기반 고분 자 중합 박막의 증착 특성 차이를 보여주고 있다.
모노머 입자 당 전달되는 에너지가 상대적으로 작 은 Pulse 방전에서는 가교화 반응이 상대적으로 줄었으나 화학적 결합이 유지되었다. 연속방전에 서는 보다 많은 가교구조가 생기면서 보다 불규칙 적인 중합구조가 형성됨을 알 수 있다[32].
플라즈마가 직접적으로 소재 합성에 기여하기도 하지만 표면 플라즈마 전처리를 통한 이종 소재 간 접합 개선과 같이 보조적으로 반응을 도와줄 수 있다. 대표적인 예가 고분자 표면에 활성종을 유도하여 금속과의 계면접착력을 증가시키는 연 구이다. Figure 18은 Co-PBA (cobalt based prus- sian blue analogues)의 산소발생반응(OER, oxy- gen evolution reaction)을 개선하기 위하여 금속- 산화물 결합을 플라즈마로 증가시킨 연구이다 [33]. 반응성 가스를 넣지 않은 대기압 플라즈마 방전하에서 처리 시간에 따라 표면의 금속-산소 결합이 증가한 것을 FTIR과 XPS 분석을 통해서 규명한 연구이다. M-O, [Fe(CN)6]4−, Fe(III), Co(II), Co(III)의 변화를 통해 M(III)/M(II)가 증가
Figure 17. Plasma polymerisation of PFDA under PW and CW plasma modes[32].
Figure 16. Current and voltage curves for HiPIMS using a 6 in. copper target. Note the high peak power, the product of voltage and current, when the current peaks.
This discharge is not an arc since the voltage at the high peak current is about 600 V, a typical magnetron value[28].
한 것을 확인할 수 있었으며 대기압 플라즈마가 Fe와 Co의 산화상태(oxidation state)를 증가시켰 음을 알 수 있다.
2.6.3. 바이오
플라즈마가 가지는 반응성은 바이오분야에도 많이 활용되고 있다. 대기압 플라즈마를 통해 생 성된 산소 또는 질소 기반의 활성종, 산소 분자 해 리반응을 통해 생성된 오존 등이 화학적 반응을 유도하여 살균효과를 증대한다. 또한 천이 반응을 통해 방출되는 자외선이 추가적으로 살균작용을 한다. 멸균 공정 평가를 위해 25% 분압의 산소가 혼합된 아르곤 플라즈마 제트를 Bacillus atro- phaeus 세균 포자에 노출시킨 후 전자현미경으로 관찰한 결과 대조군에 비해서 성장이 억제되었음 을 알 수 있다[34](Figure 19). 저온 플라즈마 내에 식품을 살균하면 세균 및 곰팡이 발생이 억제되는 효과를 거둘 수가 있어 식품의 유통기한을 늘리는 연구가 진행되고 있다[35]. 특히 농식품 관련 분야 에서는 기존 살균처리에서 쓰이는 화학물질은 환
경에 유해한 경우가 많기 때문에 친환경적 처리를 할 수 있다는 장점 때문에 각광을 받고 있다. 저온 플라즈마를 밀 종자에 적용한 결과 박테리아 또는 곰팡이의 생장이 억제된 것을 알 수 있었으며 작 물의 생장에 도움이 된 연구결과가 보고되었다 [36](Figure 20).
2.6.4. 의료
최근에는 생체 조직에 직접적으로 플라즈마를 처리하여 손상된 피부조직을 치료하거나 항암치 료에 활용하려는 연구가 활발하다. 의료용 플라즈 마는 열변형을 일으키지 않는 비평형 플라즈마의 특성을 포함하면서도 생체조직에 부작용을 유도 하지 않아야 하기 때문에 비열 생체친화 플라즈마 (nonthermal biocompatible plasma)라 불리기도 한다.
대기에 포함되어 있는 질소의 경우 플라즈마 상태 에서 산소와 반응하며 NO가 발생하고, O2-와 결합 하여 생성된 반응성 질소기가 항균작용을 하면서 제균작용을 하는 산소유리기(free oxygen radicals) 를 생성시킨다고 알려져 있다[37]. 또한 대식세포 (macrophage), 호중구(neutrophil)의 기능을 강화 함으로써 상처치유에 효과적이라는 연구결과가 보고되고 있다[38]. 이와 같은 효과를 기반으로 소 형 대기압 플라즈마 토치를 통해 저온 대기압 플
Figure 18. Spectroscopic evidence of plasma-induced changes of oxidative states of Fe and Co atoms and formation of metal-oxygen bonds. a) O 1 s XPS spectra.
b) Fe 2p3/2 XPS spectra. c) Co 2p3/2 XPS spectra. d) FTIR spectra of pristine and plasma-treated Co-PBA[33].
Figure 19. SEM images of B. atrophaeus spores: (a) untreated, (b) treated with heating gas (90 °C, 30 s), (c) treated with Ar/O2 plasma jet (85 °C, 20 s), and (d) treated with Ar/O2 plasma jet (85 °C, 30 s)[34].
Figure 20. Growth inhibition of fusarium nivale, aspergillus flavus, trichothecium roseum (c) on wheat seeds after cold atmospheric pressure plasma(CAPP) treatment for 0 and 60 s and 3-days of incubation[36].
Figure 21. Commercialized cold atmospheric pressure plasmas(CAPs) medical devices[39].
Figure 22. HSPA5 inhibits NTS-induced apoptosis through intracellular ROS control. (A) NTS-induced cytotoxicity was prevented by the caspase protease inhibitor. (B and C) HSPA5-transfected cells exhibited inhibition of NTS-induced mitochondrial apoptosis signaling and the alleviation of MMP alteration. FaDu cells were transfected with or without pcDNA3.1-HSPA5 for 24 h and then NTS treatment was given for 24 h[40].
플라즈마 처리수를 두경부 암세포에 처치한 결과 암 세포 성장에 기여하는 HSPA5 단백질을 감소 시켜 항암효과가 나타나는 연구결과를 보여준다 (Figure 22).
2.6.5. 환경
환경 분야에서는 주로 고온의 열플라즈마를 이 용하여 대량의 오염물질을 제거하는 연구가 활발 하다. 수천 °C 이상의 매우 높은 온도의 플라즈마 토치를 이용하여 난분해성 폐가스인 과불화화합 물(PFCs, perfluorinated compounds)를 분해하거 나 질소산화물(NOx) 또는 황화산화물(SOx)의 완 전 산화를 유도하는 연구가 보고되었다[41,42].
Figure 23은 화석연료 연소 시 발생하는 NOx를 저 감하기 위하여 촉매가 포함된 챔버 내에 아크 플 라즈마 발생장치를 추가하여 플라즈마 내 활성종 들과 오염물질의 산화반응을 유도하는 연구를 보 여준다[42]. 압축비를 증가함에 따라 최대 1/3 정 도로 NOx 발생이 억제되어 오염도가 저감되었음 을 알 수 있다. 비평형플라즈마로도 오염물질 제 거 공정에 활용되고 있는데 니켈 기반의 촉매가 포함된 DBD 플라즈마 반응기를 통해 수소 플라 즈마를 발생시켜 일산화탄소의 메탄화 반응을 유 도한 연구도 보고되었다[43].
3. 결 론
플라즈마는 이온화된 기체상태를 뜻하며 플라 즈마 내부에는 양이온⋅음이온⋅전자와 같이 전 하를 가지는 입자, 기체 입자⋅활성종과 같은 중 성의 입자들이 혼재하고 있다. 플라즈마의 방전은 외부 전자기력에 의해 시작되며 방전 시작 전압은
용기 내 압력 및 전극구조와 밀접한 관계가 있다.
인공적으로 발생시키기 용이하고 모재에 열변형 을 일으키지 않는 저온 플라즈마는 공정플라즈마 라 불리며 다양한 공정에 응용되고 있다. 플라즈 마 내의 이온화, 재결합, 여기, 천이, 해리 반응과 같은 다양한 반응에 의해서 이온과 활성종들이 생 성되고 이 입자들은 준중성 상태에서 집단 거동을 하고 있으며 플라즈마의 물리적, 화학적 반응에 깊이 관여한다. 스퍼터링과 같은 물리적 반응은 이방성 특성을 보이는데 이온들은 쉬스를 통해 모 재 표면에 수직방향으로 에너지를 얻으면서 입사 하기 때문이다. 화학적 반응은 등방성을 가지고 있으며 이는 중성인 활성종들이 플라즈마 내 또는 모재 표면에서 확산하면서 반응을 일으키기 때문 이다. 이러한 모재와의 물리적, 화학적 반응은 모 재 식각, 박막 증착 또는 성장, 소재 표면의 전처 리와 같은 다양한 형태로 응용된다. 분압과 같은 기체 방전 조건, 플라즈마 인가 전위, 플라즈마 발 생 장치의 구조등과 같은 다양한 플라즈마 변수를 제어하여 최적화된 공정플라즈마는 전자부품제조 에서부터 바이오, 환경에 이르기까지 다양한 분야 에 응용되고 있다. 이과 같은 높은 활용도를 통해 서 앞으로도 많은 연구분야에서 다양한 형태의 공 정 플라즈마가 응용되기를 기대한다.
Figure 23. Comparison of nitrogen oxide (NOx) and carbon monoxide (CO) production in the reference and modified burners as a function of the excess air ratio under conditions for (a) lowest NOx emission and (b) CO incineration[42].
감 사
이 논문은 국가과학기술위원회의 재원으로 한 국과학기술연구원의 지원(미래원천차세대반도체 기술개발사업, 2E31011)을 받아 작성되었음.
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박 동 희
1999~2004 서울대학교 원자핵공학과 학사 2004~2006 서울대학교 원자핵공학과 석사 2013~2018 University of Illinois at
Urbana-Champaign Department of Nuclear, Plasma, and Radiological Engineering 박사
2006~2019 한국과학기술연구원 연구원 2019~현재 한국과학기술연구원 선임연구원
