plasma 기초 6. sheath란 무엇인가

플라즈마 쉬스(sheath)

우리는 유리구에 담긴 플라즈마를 보고 전문직 사람들은 일반적으로 챔버내에 발생한 플라즈마를 뷰포트를 통해서 보게 된다. 이렇듯 용접이나 특별한 경우가 아니고서는 대부분의 플라즈마 장치들은 보통은 챔버, 즉 벽안에 갇혀 존재하게 된다.

플라즈마는 앞선 포스팅의 정의처럼 준중성 상태를 이루는 제4의 물질이다. 준중성을 이루지만 그 안을 자세히 보면 전자와 이온으로 입자가 나누어져 각각은 전기적 중성이 아닌 상태이다. 이때 이 전하를 띤 이온과 전자가 챔버 벽을 만나게 되면 무슨 일이 발생할까?

그래서 나온 게 바로 오늘 공부할 Plasma sheath이다. 사실상 sheath는 플라즈마라고 불릴 수 없는데 이는 전쉬스(pre-sheath)부터 시작해 쉬스까지는 준 중성이 아닌 이온의 개수가 더 많은 상태가되어 플라즈마의 물성을 벗어나기 때문이다. 그렇기에 쉬스는 명백히 플라즈마라고 할 수 없고 대신 플라즈마가 발생할 때 대부분 챔버에 속해있으므로 플라즈마와 함께 형성되는 하나의 현상에 가깝다. 그럼 어떻게 쉬스가 형성되는지 알아보자

표면에 도달한 이온과 전자는 각각 재결합하여 중성으로 바뀐다. 일반적으로 이온보다 전자가 빠르기 때문에 챔버 벽이나 표면에 먼저 전자가 도달하여 표면은 플라즈마 전위보다 낮게 형성된다. 중성인 플라즈마에서 벽에 플라즈마보다 전위가 낮게되면 어떻게 될까? 바로 (+)를 띄고있는 이온들이 더 낮은 전위가 발생한 쪽으로 이동하게 된다. 여기서 중요한점은 플라즈마에 있는 이온 전체가 이동한다는 의미는 아니다. 더 낮은 전위가 영향을 끼칠 수 있는 거리까지이다.  

이렇게 이온들이 챔버벽 쪽으로 많이 이동하게 되면 이온의 밀도가 전자밀도보다 더 많은 영역이 발생하게 되는데 이러한 공간을 쉬스(sheath)라고 한다. 이때 발생하는 쉬스의 영역은 디바이 차폐를 만족하는 길이보다 수 배 정도 더 길다.

이렇게 형성되는 쉬스의 조건에는 이온 속도가 반드시 bohm velocity를 넘어서야 한다. 일반적인 계산식은 여기서는 서술하지 않고 단순히 봄이라는 사람이 계산해낸 값으로 안정된 플라즈마를 뚫고 이온과 전자가 벽과의 상호작용으로 쉬스를 만들 때 필요한 속도이다. 여기서 속도는 일반적으로 이온과 전자의 온도를 나타낸다고 생각하면 된다.

그러면 굳이 왜 플라즈마가 아닌 현상이라는 쉬스를 공부해야 할까?

쉬스는 플라즈마에 비해 항상 낮은 전위를 갖기 때문에 하나의 에너지 장벽이 된다. 여기서 전자는 빠른 속도를 갖지만 쉬스가 더 낮은 전위를 갖기 때문에 전자 입장에서는 에너지 장벽이고 이온 입장에서는 벽으로 이동하기 쉽게 된다. 놀랍게도 빠른 속도의 전자와 쉬스에 도움을 받는 이온이 중성을 유지하도록 벽으로 손실되고 매우 빠른 전자의 이동으로 인해 손실이 발생하는 것을 막아 전체적인 플라즈마가 유지되도록(중성을 유지하도록) 만들어주는 역할을 한다. 또한 전극을 연결시켜 쉬스에 있는 이온들이 타깃 하는 기판에 더 쉽게 달라붙도록 사용할 수도 있다.

이해를 돕기 위한 글과 그림은 나중에 추가하도록 하겠습니다.

 

감사합니다.

 

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