[반도체 용어] Mean free path 평균자유행로 / 간단히 알아보자

 

평균자유행로(Mean free path)는 

 

물리학에서 어떤 입자가 연속적으로 충돌하면서 이동하는 평균 거리입니다. 

반도체에서 Mean free path 는 전자의 이동 거리를 결정하는 중요한 요소입니다. 

Mean free path가 길수록 전자는 더 멀리 이동할 수 있으며, 반도체의 전기 전도성도 높아집니다.

Mean free path는 다음과 같은 식으로 표현됩니다.
* 유도식은 생략하겠습니다 !

λ 평균자유행로
σ 입자의 산란단면적 (산란될때 유효 단면적)
n 입자의 밀도

 

반도체에서 평균자유행로는 다음과 같은 요인에 의해 영향을 받습니다.

Pressure(압력) 반비례 >  압력이 커질수록 Mean free path 감소 (고진공 일때 Mean free path 감소 )

 

Temperature(온도) 비례 > 온도가 높을수록 Mean free path 커짐

1) 반도체의 종류: 반도체의 종류에 따라 전자의 산란단면적이 다릅니다. 따라서 같은 압력과 밀도에서라도 반도체의 종류에 따라 평균자유행로가 달라집니다. 일반적으로 금속은 반도체보다 산란단면적이 작아서 평균자유행로가 더 깁니다. 

2) 온도: 온도가 높아지면 전자의 운동 에너지가 증가하여 산란이 더 많이 일어납니다. 따라서 온도가 높아지면 평균자유행로가 짧아집니다.

3) 압력: 압력이 낮아지면 전자의 밀도가 낮아져 산란이 덜 일어납니다. 따라서 압력이 낮아지면 평균자유행로가 길어집니다.

 

*반도체 공정에서 Mean free path를 알아야하는 이유 !!!

> 반도체 공정은 Wafer를 균일하고 일정하게 생산 해야하기 때문에 전자의 움직임은 매우 중요함

특히 대부분 진공상태에서 진행하기 때문에 Mean free path가 진공의 척도마다 다름

(Deposion, Diffusion, Etch등 대부분 공정이 밀접하게 관련되어있음)

 

Mean free path를 제어하기 위해선 다양한 요인이 있지만 보통 시간, 온도, 압력, Power 조절 !

 

 

증착 (Deposition) 공정: 증착 공정에서 평균자유행로가 길수록 증착층의 균일성이 높아집니다. 왜냐하면 평균자유행로가 긴 입자는 기판의 표면에서 멀리 떨어진 곳까지 이동할 수 있기 때문 따라서 증착층의 두께가 일정하게 되도록 하기 위해서는 평균자유행로를 길게 하는 것이 좋습니다. 

 

> 증착하는 물질이 얼마나 잘 날라가서 증착을 하냐 ! 

식각 (Etch) 공정: 반도체 소자를 제조하기 위해서는 원하는 패턴을 기판 위에 형성해야 합니다. 이때, 패턴의 깊이를 제어하기 위해서는 Mean free path를 적절하게 조절해야 합니다.  Mean free path 가 짧을수록 입자는 더 짧은 거리를 이동할 수 있기 때문입니다. 

> 식각하는 Gas가 얼마나 잘 날라가서 식각을하냐 !

소자의 성능 향상: 반도체 소자의 성능을 높이기 위해서는 전기 전도성, 트랜지스터의 스위칭 속도, 광전 효과 등을 높이는 것이 중요합니다. 이러한 성능은 평균자유행로와 밀접한 관련이 있습니다. 평균자유행로가 길수록 전자는 더 멀리 이동할 수 있기 때문입니다. 따라서 이러한 성능을 높이기 위해서는 평균자유행로를 길게 하는 것이 좋습니다.

 

 

* 어떻게 개선해야하면 좋을까요에 대한 면접 질문은 이런걸로 공부하자 !

 

 

 

 

 

* 출처 

https://chem.libretexts.org/Courses/Prince_Georges_Community_College/CHEM_2000%3A_Chemistry_for_Engineers_(Sinex)/Unit_3%3A_States_of_Matter/Chapter_6%3A_Gases/Chapter_6.7%3A_Mean_Free_Path

 

https://resources.wolframcloud.com/FormulaRepository/resources/Mean-Free-Path-Using-Pressure