KR101395654B1 - Ｉｃｐ를 이용한 실리콘 나노입자 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 반응부에 근접하여 제1가스 주입부를 위치시키되, 제2가스 주입부는 플라즈마 반응부로부터 멀리 위치시키고, 주입가스 별로 주입관을 교차배열시킴으로서, 제1가스 간에 혼합이 충분히 이루어질 뿐 아니라, 플라즈마 반응영역에서도 제1가스와 제2가스 간의 균일한 플라즈마 반응이 가능하며, 짧은 체류시간 동안 플라즈마 밀도를 높임으로서 플라즈마 퍼짐현상도 최소화되고, 보다 입도제어가 용이하고, 생성입자 간의 입자응집 형성을 방지하기 위해 냉각가스를 주입함으로서 수율을 향상시키게 된다.

Description

ＩＣＰ를 이용한 실리콘 나노입자 제조장치{Device for Nano Particle Generation by using ＩＣＰ }
본 발명은 실리콘 나노입자를 생성하기 위해 ICP(Inductive Coupled Plasma)를 이용하는 장치로서, 종전보다 가스반응영역을 균일하게 하는 한편, 플라즈마 밀도를 높여 실리콘 나노입자의 입도제어를 용이하게 하고, 생성 수율을 향상시킨 장치이다.
최근 태양전지나 LED와 같은 광전변환/광변환 소재로 많이 이용되고 있는 실리콘 나노입자의 제조방법 중 고순도의 실리콘 나노입자의 입도제어에 유리한 기상반응법은 주로 레이저나 열플라즈마를 이용하고 있으나, 이와 같은 에너지원을 사용할 경우, 생성된 실리콘 나노입자들이 높은 열로 인하여 서로 응집되어, 수 마이크로미터(㎛) 크기의 2차 입자를 형성하는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 최근 ICP(Inductive Coupled Plasma)와 같은 저온 플라즈마를 이용하여 상기의 실리콘 나노입자의 응집 현상을 해결하고 있다.
종래의 ICP를 이용한 실리콘 나노입자 제조 장치는 반응기 외부에 ICP(Inductive Coupled Plasma) 코일을 감고, 실리콘 나노입자 형성을 위한 제1가스 및 실리콘 나노입자 표면반응을 위한 제2가스를 동시에 반응기로 공급하는 구조를 갖고 있었다.
하지만, ICP를 이용한 종래의 실리콘 나노입자 제조 장치의 경우, 반응기 내부의 플라즈마 퍼짐 현상으로 인해 넓은 범위의 플라즈마 반응영역을 가지게 되고, 이로 인해 실리콘 나노입자의 입도 제어가 어려워지는 문제점이 있으며, 상기의 플라즈마 퍼짐 현상으로 인해 제2가스가 넓은 반응영역을 가지게 되고, 반응시간 역시 길어져서 실리콘 나노입자의 입도제어가 어렵고 및 수율이 악화되는 문제점이 있었다.
따라서, ICP(Inductive Coupled Plasma)를 이용하여 실리콘 나노입자를 제조할 경우, 반응기 내부의 플라즈마 반응을 균일하게 하여, 실리콘 나노입자의 입도제어를 원할히 하고, 생성입자의 손실을 최소화시켜 수율을 향상시킬 수 있는 실리콘 나노입자 제조 장치가 요구된다.
국내특허공개 10-2010-0091554(2010.8.19)는 ICP(Inductive Coupled Plasma)를 이용한 실리콘 나노입자 제조장치에 관한 것으로, 도 1-7참조
본 발명은 고밀도 ICP(Inductive Coupled Plasma)를 이용한 기상반응법으로 실리콘 나노입자를 제조함에 있어, 반응기 내부에서 플라즈마 반응에 의한 실리콘 나노입자 생성반응이 균일하게 발생하여 입도제어가 용이하고, 냉각가스를 주입함으로서 생성입자 간의 응집에 의한 2차입자 형성을 방지하여 수율을 향상시킬수 있는 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실리콘 나노입자 제조장치는 반응기 입구의 가스 주입부, 외벽에 ICP(Inductive Coupled Plasma) 코일이 권취된 플라즈마 반응부, 생성된 실리콘 나노입자를 냉각시키는 냉각부, 냉각되어 메쉬 필터에 쌓인 입자를 수거하는 수거부로 이루어 지며, 특히, 상기 가스 주입부는 제1가스와 제2가스가 각각 수개의 주입구가 서로 교차 배열되고, 상기 제1가스의 주입관은 상기 플라즈마 반응부 상단까지 연장되어 설치되며, 노즐을 통해 냉각가스가 반응기의 냉각부로 주입되는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명은 실리콘 나노입자 형성을 위해 수개의 제1가스 및 제2가스주입관이 반응기의 상단부에서 서로 교차 배열되어 설치되고, 상기 제1가스의 주입관은 반응기의 플라즈마 반응부의 상단까지 연장되어 설치됨으로서, 반응기 내부에서 플라즈마 반응에 의한 실리콘 나노입자 생성반응이 균일하게 발생할 뿐 아니라, 플라즈마 영역이 좁고 밀도가 높아 실리콘 나노입자의 입도제어가 용이하고, 생성입자 간의 2차반응에 의한 입자응집 형성을 방지하기 위해 냉각가스를 주입함으로서 수율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 나노입자 제조장치를 개략적으로 나타낸 것이며, 도 2는 가스 주입부의 주입관이 배열된 형상이며, 도 3는 냉각용 노즐이 방사형으로 삽입된 형상이며, 도 4는 입자 수거부이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있는 바, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지는 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 나노입자 제조 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실리콘 나노입자 제조 장치는 반응기 입구의 가스 주입부(100), 외벽에 ICP(Inductive Coupled Plasma) 코일이 권취된 플라즈마 반응부(200), 생성된 실리콘 나노입자를 냉각시키는 냉각부(300), 냉각 후 메쉬 필터에 포집된 입자를 수거하는 수거부(400)로 이루어진다.
먼저, 상기 가스 주입부는 수개의 제1가스 주입관(110) 및 제2가스 주입관(111)이 반응기의 상단부에서 서로 교차 배열되어 설치되고, 상기 제1가스의 주입관(110)은 상기 플라즈마 반응부(200) 상단까지 연장되어 설치된다. 상기 제1가스는 실리콘 나노입자 형성을 위한 가스로서, 실란(SiH4)와 같은 전구체와 상기 실란의 캐리어 가스로 아르곤(Ar)과 같은 비활성기체가 이에 포함될 수 있다. 상기 제2가스는 생성된 실리콘 나노입자의 표면처리를 위한 가스로서, 수소(H2)와 상기 수소의 캐리어 가스로 아르곤(Ar)과 같은 비활성기체가 이에 포함될 수 있다. 생성된 실리콘 나노입자의 표면도핑을 위해서는 상기 제1가스 및 제2가스에 붕소(B)가 포함된 가스가 주입될 수 있으며, 보다 구체적으로는 B2H6가 그 예이며, 상기 제1가스 및 상기 제2가스에는 도핑을 위해 B2H6 또는 PH3 중 어느 한 개 이상이 포함될 수 있다. 또한, 생성된 실리콘 나노입자의 표면도핑 후, 입자 표면의 세정(cleaning)을 위해 불소(F)가 포함된 가스가 포함될 수 있으며, 보다 구체적으로는 NF3가 그 예이다. 한편, 상기 플라즈마 반응부(200) 상단까지 연장되어 설치된 상기 제1가스의 주입관(110)과는 달리, 상기 제2가스의 주입관(111)은 그 위치가 한정되지 않으나, 제2가스 간의 충분한 혼합을 위해 제1가스 주입관(110)과 평행하여 설치되데, 그 길이는 제1가스 주입관(110)에 비해 짧다. 이러한 구조로 충분히 자체 혼합된 제2가스는 플라즈마 반응부에서 제1가스와 반응함에 있어서, 그 영역 및 반응시간을 최소화 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 좁은 플라즈마 영역에서 플라즈마 퍼짐현상이 감소하여 제1가스와 제2가스 간의 플라즈마 반응이 고밀도로 균일하게 일어나는 효과를 기대할 수 있다.
도 2는 가스 주입부(100)에서 제1가스 주입관(110)과 제2가스 주입관(111)이 배열된 형태에 단면도이다. 상기 제1가스 주입관(110)과 제2가스 주입관(111)은 서로 교차되게 배열되며, 상세하게는 제1가스 주입관(110)의 좌우상하에 제2가스 주입관(111)이 위치하고, 제2가스 주입관(111)의 좌우상하에 제1가스 주입관(110)이 위치하도록 배열하되, 상기 가스 주입부의 중심점을 공유하는 가상의 정사각형 내에 그 개수를 NxN(N≥3)의 매트릭스 형태로 한정 배열할 수 있다. 상기 주입관의 형상은 튜브타입을 일 실시례로 하되, 그 단면은 원형 뿐 만 아니라, 사각형, 삼각형 등 형상을 제한하지는 않는다.
도 1을 참조하면, 상기 플라즈마 반응부(200)의 외벽에는 ICP(Inductive Coupled Plasma) 코일(210)이 권치되어 있고, 상기 ICP 코일로부터 유도되는 플라즈마에 의해 제1가스와 제2가스와의 화학반응에 의해 실리콘 나노입자가 형성된다. 이때, ICP 플라즈마 반응을 위한 내부 작동압력은 0.1-1torr이고, 인가전압은 13.56MH, 1300W의 RF(Radio Frequency)이며, 상기 작동압력과 인가전압은 반응기의 크기 및 제1가스 및 제2가스의 유량에 따라 변동될 수 있다.
상기 냉각부(300)는 상기 플라즈마 반응부(200)의 하단에 위치하는데, 상기 제1가스와 제2가스의 흐름에 대해 수직하는 방향으로 노즐을 통해 외부의 비활성가스를 주입함으로서, 플라즈마 반응부를 통과하면서 생성된 실리콘 나노입자를 급냉시키고, 상기 플라즈마 반응부에서 생성된 실리콘 나노입자가 상호 응집반응에 의해 수율이 저하되지 않도록 한다. 보다 상세하게는 반응기와 수직되게 반응기 외경을 따라 방사형으로 냉각노즐(310)이 설치되고, 상기 냉각노즐을 통해 반응기 외부로부터 아르곤(Ar)가스가 반응기 내의 냉각부(300)로 주입되며, 실시예로 냉각노즐의 개수는 방사형으로 6개가 설치되나 그 개수나 각도를 한정하지는 않는다. 상기 가스주입부, 플라즈마 반응부, 냉각부는 열적 안정성이 뛰어난 쿼츠(quartz) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 3,4를 참조하면, 상기 냉각부(300)를 통과한 실리콘 나노입자는 반응기 하부에 위치한 수거부(400)에서 메쉬필처(410)에 의해 포집되며, 모든 반응이 종료된 후에는 외부로 수거가 가능할 수 있도록 포집홀더(420)와 질소분위기의 글러브 박스(430)와 같은 별도의 수거장치를 준비한다.
일반적으로 플라즈마 내 체류시간이 증가하면, 플라즈마 밀도가 낮아지고, 플라즈마 분포도 불균일 해진다. 본 발명에 따른 실리콘 나노입자 제조 장치는 실리콘 나노입자의 입도 제어의 핵심이 되는 플라즈마 영역을 제어할 수 있는 구조를 가지고 있어서, 플라즈마 퍼짐 현상을 최소화할 수 있다. 또한, 제1가스 주입관(110)을 플라즈마 반응부의 상단까지 연장되어 위치시키되, 제2가스 주입관(111)은 플라즈마 반응부로부터 멀리 위치시키고, 도 2에서처럼 주입가스 별로 주입관을 교차배열시킴으로서, 제1가스 간에 혼합이 충분히 이루어질 뿐 아니라, 플라즈마 반응영역에서도 제1가스와 제2가스 간의 균일한 플라즈마 반응이 가능하며, 플라즈마 퍼짐현상도 최소화시켜 짧은 체류시간 동안 플라즈마 밀도를 높이고, 생성된 실리콘 나노입자를 급냉시켜 포집함으로서 나노입자의 입도제어가 용이하고, 냉각가스를 주입함으로서 생성입자 간의 2차반응에 의한 입자응집 형성을 방지하여 수율을 향상시킨다.
100 : 가스주입부
110 : 제1가스 주입관
111 : 제2가스 주입관
200 : 플라즈마 반응부
210 : ICP 코일
300 : 냉각부
310 : 냉각노즐
400 : 수거부
410 : 메쉬필터
420 : 포집홀더
430 : 글러브박스

Claims (15)

  1. 플라즈마 반응부 외벽에 ICP 코일이 권취된 반응기를 포함하며, 상기 반응기의 상단에 위치한 가스 주입부에는 교차배열된 주입관을 통해 실리콘 입자형성을 위한 제1가스와 제2가스가 각각 분리되어 주입되고, 상기 제1가스와 상기 제2가스가 상기 플라즈마 반응부를 통과한 후에는 포집부를 통과해 배기되고,
    상기 가스 주입부에 교차배열된 주입관은 상기 제1가스의 주입관의 좌우상하에 상기 제2가스의 주입관이 설치되고, 상기 제2가스의 주입관의 좌우상하에 상기 제1가스의 주입관이 설치되며, 상기 제1가스는 실란(SiH4)과 아르곤(Ar)이고, 상기 제2가스는 수소(H2)과 아르곤(Ar)이고,
    상기 제1가스 및 상기 제2가스의 주입관은 상기 가스 주입부의 중심점을 공유하는 가상의 정사각형 내에 그 개수를 NxN(N≥3)의 매트릭스 형태로 한정 배열되며,
    상기 제1가스 및 상기 제2가스에는 세정을 위해 NF3가 포함되는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1가스 및 상기 제2가스의 주입관의 형상은 튜브형상으로서 단면이 원형, 사각형, 삼각형 중 어느 한 개인 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응부는 내부 작동압력이 0.1 내지 1 torr이고, 외벽에 권취된 ICP 코일의 인가전압은 13.56MH, 1300W의 RF(Radio Frequency)이고, 2중병렬로 권취된 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응부의 하단에는 반응기 외벽을 따라 방사형으로 설치된 수개의 냉각노즐을 통해 외부의 비활성가스를 주입하는 냉각부가 반응기 내에 추가 설치된 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치
  7. 제6항에 있어서,
    상기 노즐의 설치방향은 반응기의 중심축을 향한 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치
  8. 제6항에 있어서, 상기 냉각부의 하단에는 메쉬필터가 설치되어 플라즈마 반응부를 통해 상기 제1가스 및 상기 제2가스로부터 생성된 실리콘 입자를 냉각 후 포집할 수 있도록 수거부가 추가 설치된 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1가스 및 상기 제2가스에는 도핑을 위해 B2H6 또는 PH3 중 어느 한 개 이상이 포함된 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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