플라즈마, 어디까지 뻗어있니? - 플라즈마의 응용분야
**** 핵심 개념 ****
1. 화학적 반응성, 물리적 에너지 전달
2. 활성종(radicals) 및 이온종 (ions)
앞선 포스팅에서 이야기 했듯이, 플라즈마는 하전입자들과 중성입자들로 구성되어 있으며 하전입자 중 양이온의 수와 음이온의 수가 거의 같은 준중성 상태(quasi-neutrality)에 놓인 녀석이라고 이야기 했다.
플라즈마는 그 응용분야갸 굉장히 넓다. 대표적으로 반도체/디스플레이 제조 기술, 에너지 생산 기술, 우주공학 기술, 광학 기술, 바이오 기술 등이 있다.
플라즈마의 응용 분야가 넓을 수 있는 이유는 플라즈마가 화학적으로 반응성이 높고 물리적 에너지 전달이 수월하기 때문이다. 조금 더 전문적으로 이야기 하자면, 플라즈마 내부에 존재하는 활성종 (radicals) 및 이온종 (ions)의 역할 때문에 화학적으로 반응성이 높고 그리고 물리적으로 에너지 전달이 수월하기 때문이다.
문장으로만 보면 굉장히 간단하다. '활성종', '이온종'의 역할이라니. 활성종과 이온종이 어떠한 역할을 하기 때문에 그럴까? 조금 더 자세히 살펴보도록 하자.
먼저 활성종의 생성과 역할에 대해 이야기해보자.
활성종이란 화학적 결합이 불안하여 반응성이 높은 녀석을 의미한다. 예를 들어, 산소 분자(O2)는 굉장히 안정적이어서 대기에 많이 존재해 있지만, 산소 원자 (O)는 화학적 결합이 매우 불안정하여 다른 원자/분자와 결합하여 안정적인 상태로 돌아가려고 하기 때문에 산소 원자 자체로는 존재하기 어렵다 (그렇기 때문에 대기에서 "산소 원자만"으론 존재하기엔 어려움이 있다). 따라서, 반응성이 높은 활성종은 화학 처리 등과 같은 곳에 많이 응용된다.
플라즈마에선 이러한 반응성 활성종들을 만들어내기가 굉장히 쉽다. 주로, 플라즈마에서 만들어진 뜨거운 전자(고에너지 전자)들이 충돌 과정을 통해 활성종 생성에 주요한 역할을 하게 된다. 이러한 활성종을 만들어내는 대표적인 충돌 과정은 해리(dissociation)가 있다. 부차적으론, 플라즈마 내에 있는 여기 상태의 원자/분자가 충돌 과정을 통해 활성종을 생성하기도 한다. 이렇게 만들어진 활성종들은 플라즈마와 맞닿아 있는 물질 표면에 화학반응을 일으키게 된다.
대표적으로, 산소 플라즈마의 경우 반도체 공정에서 사용되는 포토 레지스트(Photoresist, PR) 제거에 사용되는데, 이 경우 활성종인 산소 원자에 의한 화학 반응을 주로 이용하게 된다.
다음으로, 이온종의 생성과 역할에 대해 이야기해보자.
플라즈마 내 이온종은 양이온종과 음이온종으로 나뉜다. 플라즈마의 특성상 음이온은 플라즈마 내부에 갇혀있기 때문에 큰 역할을 하지 못하고 주로 양이온이 주요 역할을 담당하게 된다.
양이온은 활성종 생성과 마찬가지로 주로 뜨거운 전자의 출동로 인해 만들어진다. 양이온은 전자 한개를 잃은 녀석을 의미하는데, 이러한 양이온 생성 반응은 이온화 과정(ionization)이 대표적이다.
이렇게 만들어진 양이온은 플라즈마의 특성상 플라즈마 바깥으로 가속 받게 되며 쉬스라는 영역에서 엄청난 가속을 받아 고에너지 이온으로 변하게 되고 플라즈마와 맞닿아 있는 물질 표면에 충돌하게 된다. 대부분의 경우 물리적 충돌 과정을 통해 이온의 에너지를 물질 표면에 전달하게 된다. 이 경우, 물질 표면을 뜯어내는 스퍼터링(sputtering) 반응이 일어나게 된다. 부차적인 반응으로, 반응성 이온 (reactive ion)의 경우 물질 표면에 충돌 후 표면 화학 반응을 일으킬 수도 있다.
대표적으로, 아르곤 플라즈마의 경우 얇은 박막을 제조하는 스퍼터링 공정에 많이 사용되는데, 이 경우 비활성종인 아르곤 양이온에 의한 물리적 충돌 반응을 이용하게 된다.
이러한 화학적 반응 및 물리적 반응은 같이 일어날 수도 있다. 이 경우, 시너지 효과가 발생하여 엄청난 반응성 상승을 만들어내게 된다. 예를 들어, 화학적 반응에 의한 효과를 1, 물리적 반응에 의한 효과를 1이라고 한다면, 두 반응이 같이 일어난 반응에 의한 효과는 2 이상이 되게 된다. 이러한 두 가지 반응을 이용하는 대표적인 응용 분야는 반도체/디스플레이 제조 공정에서의 플라즈마 식각(etching) 공정이다. 활성종에 의한 화학적 반응과 양이온종에 의한 물리적 반응을 동시에 이용하여 원하는 패턴을 빠르게 만들어낼 수 있게 된다.
높은 화학적 반응성과 물리적 반응성. 이렇게 하여 플라즈마는 굉장히 많은 분야에서 사용되어지고 있다.
더 자세한 내용은 다음 포스팅에서 다루도록 하겠다.