KR101909891B1 - 플라즈마 나노입자의 제조 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노 입자 제조 장치 및 나노 입자 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 제조 장치는 진공 용기; 상기 진공 용기의 상부면에 배치된 유전체 상판; 상기 유전체 상판 상에 배치되고 상기 진공 용기 내부에 유도 결합 플라즈마를 생성하는 유도 코일; 상기 유도 코일에 RF 전력을 공급하는 RF 전원; 상기 진공 용기에 배치되어 나노 입자를 합성하는 기판; 및 상기 기판과 상기 유전체 상판 사이에 배치되고 도전성 메쉬를 포함하는 그리드 구조물을 포함한다.

Description

플라즈마 나노입자의 제조 장치 및 그 제조 방법{ Plasma Nanoparticles Production Apparatus and Plasma Nanoparticles Production Method}
본 발명은 나노입자의 제조 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로, 저온 플라즈마 장치를 이용하여 결정성 또는 비정질 실리콘 나노입자의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.
반도체 나노입자 (Semiconductor nanoparticles)는 벌크 상태와는 달리 크기에 따라 밴드갭 에너지가 변하는 특성을 가진다. 이러한 특성으로 인해 나노입자는 발광 다이오드 (light emitting devices), 태양전지 (Photovoltaic cells), 전자소자 (Electronic devices) 등에 활용할 수 있어, 나노입자의 합성과 나노입자 물성제어가 중요하다.
나노입자를 합성하는 방법 중에서 플라즈마를 이용한 나노입자 합성은 나노입자가 플라즈마 내에서 하전을 띄는 현상 (Particle charging)을 이용하여 나노입자의 응집이 방지되는 이점과 플라즈마가 나노입자를 선택적으로 가열 (Selective nanoparticle heating)하는 현상을 이용하여 결정성 나노입자가 합성되는 이점을 가진다. 이에 따라, 플라즈마를 이용한 결정성 나노입자 합성에 대한 많은 연구가 수행되었다.
종래의 결정성 나노입자 합성방법은 튜브형 반응로(tube furnace reactor)를 사용한 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma) 장치에서, 유리(glass) 관을 반응로로 사용되었다. 따라서, 이러한 유도결합 플라즈마 장치는 유리(glass) 관의 크기에 한계가 있어 대형화할 수 없었다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 평면형 반응로를 사용하여 결정성 또는 비정질 나노입자를 기판에 직접 증착하는 저온 플라즈마를 이용한 결정성 나노입자 제조 방법 및 결정성 나노입자 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 직류 전압을 기판에 인가하여 결정성 또는 비정질 나노입자의 크기와 양을 제어하는 저온 플라즈마를 이용한 결정성 나노입자 제조 방법 및 결정성 나노입자 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 실리콘 나노크리스탈 (Silicon nanocrystal), 또는 나노다이아몬드 (Nanodiamond ) 등의 반도체 물질의 결정성 나노입자를 대면적 기판에 직접 증착시키는 나노입자 제조 방법 및 나노입자 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 제조 장치는, 진공 용기; 상기 진공 용기의 상부면에 배치된 유전체 상판; 상기 유전체 상판 상에 배치되고 상기 진공 용기 내부에 유도 결합 플라즈마를 생성하는 유도 코일; 상기 유도 코일에 RF 전력을 공급하는 RF 전원; 상기 진공 용기에 배치되어 나노 입자를 합성하는 기판; 및 상기 기판과 상기 유전체 상판 사이에 배치되고 도전성 메쉬를 포함하는 그리드 구조물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전성 메쉬는 전기적으로 접지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전성 메쉬의 사이즈는 0.5 밀리미터 내지 5 밀리미터일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전성 메쉬는 상기 유전체 상판을 향하여 볼록한 곡면 또는 오목한 곡면을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전성 메쉬는 상기 유전체 상판을 향하여 볼록한 원뿔각(conical shell) 형상 또는 오목한 원뿔각 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 원뿔각의 지름에 대한 상기 원뿔각의 높이의 비는 1/20 내지 1/5 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 그리드 구조물은 상기 도전성 메쉬를 고정하는 가드링에 배치된 온도 조절부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가드링의 온도는 냉매에 의하여 섭씨 섭씨 3 도내지 섭씨 10도로 유지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기판에 DC 바이어스를 인가하는 바이어스 전원을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 진공 용기에 나노입자를 합성하기 위한 반응 가스를 제공하고, 상기 반응가스는 사일렌 가스 (SiH4), H2 가스, 및 Ar 가스를 포함하고, 상기 진공 용기의 압력은 수백 밀리토르이고, 상기 RF 전력은 수백 와트 내지 수 킬로와트일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 진공 용기에 나노입자를 합성하기 위한 반응 가스를 제공하고, 상기 반응가스는 메탄 가스(CH4), H2, 및 Ar 가스를 포함하고, 상기 진공 용기의 압력은 수백 밀리토르이고, 상기 RF 전력은 수백 와트 내지 수 킬로와트일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 유도 결합 플라즈마를 이용한 나노 입자 제조 방법은 진공 용기의 상부면에 배치된 유전체 상판 상에 배치된 유도 코일에 RF 전력을 공급하여 상기 진공 용기 내부에 유도 결합 플라즈마를 형성하는 단계; 도전성 메쉬를 포함하는 그리드 구조체를 상기 진공 용기의 내측면에 배치하고 상기 도전성 메쉬를 접지시키는 단계; 및 상기 진공 용기에 반응 가스를 제공하여 상기 도전성 메쉬의 하부에 배치된 기판에 나노 입자를 합성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반응 가스는 SiH4, H2, 및 Ar를 포함하고, 상기 진공 용기의 압력은 수백 밀리토르(mTorr)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반응 가스는 메탄가스(CH4), H2, 및 Ar를 포함하고, 상기 진공 용기의 압력은 수백 밀리토르(mTorr)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전성 메쉬는 상기 유전체 상판을 향하여 볼록한 원뿔각(conical shell) 형상 또는 오목한 원뿔각 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 그리드 구조체 또는 상기 도전성 메쉬를 섭씨 3도 내지 10도로 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기판에 직류 바이어스 전압을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 평면형 유도결합 플라즈마(Planar type inductively coupled plasma) 장치에서 기판 바이어스를 이용하여 결정성 또는 비정질 나노입자를 합성하고 물성을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 평면형 유도결합플라즈마 장치에서, 대면적 기판에 나노입자를 직접 증착하며 기판 바이어스, 공정변수, 그리드 곡률 변화, 그리드 냉각 중에서 적어도 하나를 이용하여 나노입자 크기와 양을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 그리드 구조물을 가지는 평면형 유도결합플라즈마 장치는 결정성 또는 비정질의 나노입자를 기판 직접 증착할 수 있으며, 기판바이어스, 공정변수, 그리드 구조체의 메쉬 사이즈, 그리드 구조체의 곡률을 변경하여 나노입자의 크기와 양을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 제조 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 그리드 구조체를 설명하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자의 증착률을 나타내는 실험 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자의 라만 스펙트라(Ramman spectra)를 나타내는 실험 결과이다.
도 5는 기판에 인가된 바이어스 전압에 따른 결정성 나노입자의 크기 분포를 나타내는 실험 결과이다.
도 6은 RF 전원의 전력 및 바이어스 전압에 따른 나노 입자의 지름 분포를 나타내는 실험 결과이다.
도 7은 도전성 메쉬의 사이즈 및 바이어스 전압에 따른 나노 입자의 지름 분포를 나타내는 실험 결과이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 입자 제조 장치를 설명하는 개념도이다.
도 9 및 도 10은 도 8의 도전성 메쉬를 설명하는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 나노 입자의 주사전자현미경의 사진과 투과전자현미경의 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 결정성 또는 비정질 나노 입자를 기판 상에 형성할 수 있다. 상기 나노입자는 실리콘 나노입자, 다이아몬드 또는 카본 나노입자 일수 있다. 상기 나노 입자의 사이즈는 4nm 내지 70nm 일 수 있다. 상기 나노 입자의 평균 직경 또는 최대 분포 직경은 9 nm 내지 42 nm일 수 있다. 실리콘 나노 입자의 양은 기판에 인가되는 바이어스 전압에 크게 의존하고, 도전성 메쉬 또는 그리드 구조체의 온도에 강하게 의존하고, 그리고 상기 도전성 메쉬의 형상에도 의존한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유도 결합 플라즈마 도움 화학 기상 증착 공정(Inductively Coupled Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Process)이 나노 입자를 형성하도록 사용된다. 상기 화학 기상 증착 공정에서, 가스 페이즈(gas phase)에서 발생된 나노 입자는 음으로 대전된다. 음으로 대전된 나노 입자는 플라즈마 쉬스(plasma sheath)로부터 탈출하지 못하고 플라즈마에서 성장한다. 따라서, 음으로 대전된 나노 입자는 정상 증착 조건에서 증착에 기여하지 않는다. 한편, 마이크로-결정 필름(microcrystalline films)이 플라즈마 CVD의 전형적인 조건에서 낮은 기판 온도에서 증착되는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 증착 행동으로부터, 결정 나노 입자는 플라즈마에서 형성되고, 필름에 포함(incorporate)될 것으로 추측된다. 기판 전위(substrate potential)은 플라즈마에 대하여 음이고, 이러한 나노 입자들은 양으로 대전될 것으로 기대된다.
양으로 대전된 나노 입자의 형성에 대한 가능성과 관련하여, 플라즈마에서 나노 입자 빨리 성장한다는 사실에 기초하여, 양 및 음으로 대전된 나노 입자들이 모두 공존할 수 있는 것이 예측된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판에 기판 바이어스 전압, 그리드 구조체의 형상 및 온도를 제어함으로써 양 및 음으로 대전된 나노 입자의 증착 행동을 제어할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 실시예에 기초하여 설명한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 제조 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 그리드 구조체를 설명하는 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 나노 입자 제조 장치(100)는 진공 용기(110); 상기 진공 용기의 상부면에 배치된 유전체 상판(112); 상기 유전체 상판 상에 배치되고 상기 진공 용기 내부에 유도 결합 플라즈마를 생성하는 유도 코일(120); 상기 유도 코일에 RF 전력을 공급하는 RF 전원(124); 상기 진공 용기에 배치되어 나노 입자를 합성하는 기판(142); 및 상기 기판과 상기 유전체 상판 사이에 배치되고 도전성 메쉬(132)를 포함하는 그리드 구조물(130)을 포함한다.
진공 용기(110)는 금속 재질의 원통형 챔버일 수 있다. 상기 진공 용기의 상부면은 개방되고, 상기 유전체 상판(112)은 상기 진공 용기(110)의 상부면을 덮을 수 있다.
상기 유전체 상판(112)은 진공에 의한 압력차이를 극복할 수 있는 재질로 형성될 수 있다. 상기 유전체 상판(112)은 쿼츠, 알루미나, 또는 사파이어일 수 있다. 상기 유전체 상판은 원판 형태일 수 있다.
진공 펌프(114)는 상기 진공 용기의 하부면 또는 측면에서 연결된 배기 파이프에 연결될 수 있다. 상기 진공 펌프는 상기 진공 용기를 배기할 수 있다.
유도 코일(120)은 상기 유전체 상판(112) 상에 배치되고 유도 자기장 또는 유도 전기장을 생성할 수 있다. 이에 따라, 상기 유도 전기장은 상기 진공 용기 내부에서 유도 결합 플라즈마를 생성할 수 있다. 상기 유도 코일(120)은 원턴(one-turn) 코일 또는 멀티턴(multi-turn) 코일일 수 있다.
RF 전원(124)은 상기 유도 코(120)일에 시변 전류를 제공할 수 있다. 상기 RF 전원(122)의 주파수는 수 MHz 내지 수백 MHz일 수 있다. 상기 RF 전원의 전력은 수백 와트 내지 수 킬로 와트일 수 있다.
매칭 네트워크(122)는 상기 RF 전원(124)과 상기 유도 코일(120) 사이에 배치되어 상기 RF 전원의 전력을 상기 유도 코일에 최대로 전달하는 수단일 수 있다. 상기 매칭 네트워크(122)는 가변 리액티브 소자를 포함할 수 있다.
가스 분배부(162)는 상기 진공 용기(110)의 내부에서 상기 유전체 상판(112)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 가스 분배부(162)는 링 형태이고, 반응 가스를 분사할 수 있다. 상기 반응 가스는 제1 가스 저장부(164)에서 공급된 SiH4와 제2 가스 저장부(166)에서 공급된 H2의 혼합 가스이고, 상기 SiH4의 유랑은 5 sccm(standard cubic centimeter per mininute)이고, 상기 H2의 유량은 45 sccm일 수 있다. 상기 진공 용기(110)의 압력은 수백 밀리토르(mTorr)일 수 있다.
도전성 기판(142)은 상온으로 별도의 냉각 수단 또는 가열 수단을 포함하지 않을 수 있다. 상기 기판(142)은 그래파이트 기판 또는 도핑된 실리콘 기판일 수 있다.
상기 기판(142)을 지지하는 서셉터(144)는 스텐인레스 스틸 재질일 수 있다.
그리드 구조물(130)은 상기 기판(142) 상에 약 5 mm 내지 15 mm 의 높이를 가지고 나란히 배치될 수 있다. 상기 그리드 구조물(130)은 상기 진공 용기의 내벽에 고정될 수 있다.
상기 그리드 구조물(130)은 가드 링(134)과 상기 가드링(134)에 삽입되어 고정된 도전성 메쉬(132)를 포함할 수 있다. 상기 도전성 메쉬(132)의 사이즈(단위 간격)는 0.5 mm 내지 5 mm일 수 있다. 상기 도전성 메쉬(132)는 접지될 수 있다. 상기 도전성 메쉬의 재질은 스테인레스 스틸일 수 있다. 상기 그리드 구조물은 온도 조절부를 포함할 수 있다. 상기 온도 조절부(136)는 상기 가드링에 내부 또는 표면에 부착된 냉각 파이프를 포함할 수 있다. 상기 온도 조절부는 상기 진공 용기의 외부에 배치된 냉매 공급부(138)로 부터 냉매를 공급받아 온도를 조절할 수 있다.
바이어스 전원(152)은 상기 기판에 양의 직류 전압 또는 음의 직류 전압을 제공할 수 있다. 상기 바이어스 전원(152)은 상기 기판에 인가하는 바이어스 전압을 가변할 수 있다. 가변 범위는 -100 V 내지 +100 V일 수 있다.
결정성 나노입의 합성은 상지 나노 입자 제조 장치를 사용하여 수행되었다.상기 나노 입자 제조 장치(100)에서, 도전체로 이루어진 메쉬 형태의 그리드 구조물(130)은 진공 용기(110) 내부에 배치된 기판(142) 상에 이격되어 설치되고 접지될 수 있다. 상기 그리드 구조물(130)이 존재하지 않을 경우 상기 진공 용기에서는 나노입자가 응집되어 조밀한 박막으로 성장할 수 있다. 하지만, 접지된 메쉬 형태의 그리드 구조물이 존재하는 경우, 상기 기판에 박막이 형성되지 않고 결정성 또는 비정질의 나노입자가 합성될 수 있다. 상기 나노 입자는 상기 기판 상에 시간에 따라 적층되어 다공질 필름 형태로 적층될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 유도 결합 플라즈마를 이용한 나노 입자 제조 방법은, 진공 용기의 상부면에 배치된 유전체 상판 상에 배치된 유도 코일에 RF 전력을 공급하여 상기 진공 용기 내부에 유도 결합 플라즈마를 형성하는 단계; 도전성 메쉬를 포함하는 그리드 구조체를 상기 진공 용기의 내측면에 배치하고 상기 도전성 메쉬를 접지시키는 단계; 및 상기 진공 용기에 반응 가스를 제공하여 상기 도전성 메쉬의 하부에 배치된 기판에 나노 입자를 합성하는 단계를 포함한다.
실리콘 입자를 형성하기 위하여, 상기 반응 가스는 SiH4, H2, 및 Ar 를 포함하고, 상기 진공 용기의 압력은 수백 밀리토르 (mTorr)일 수 있다. 상기 유도 결합 플라즈마를 생성하는 RF 전원의 전력은 수백 와트 내지 수 킬로와트일 수 있다. 상기 도전성 메쉬의 사이즈는 0.5 mm 내지 5 mm일 수 있다. 상기 도전성 메쉬는 평판형, 상기 유전체 상판을 향하여 볼록한 원뿔각(conical shell) 형상 또는 오목한 원뿔각 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 다이아몬드 입자를 형성하기 위하여 상기 반응 가스는 SiH4, H2, 및 Ar 를 포함하고, 상기 진공 용기의 압력은 수백 밀리토르 (mTorr)일 수 있다.
상기 그리드 구조체 또는 상기 도전성 메쉬를 섭씨 3도 내지 10도로 냉각할 수 있다. 이에 따라, 상기 실리콘 나노 입자의 증착량은 현저히 증가할 수 있다.
상기 기판에 직류 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 상기 직류 바이어스 전압에 따라, 입자 크기 및 상기 실리콘 나노 입자의 증착량을 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자의 증착률을 나타내는 실험 결과이다.
도 3을 참조하면, 상기 실리콘 나노입자의 증착률은 상기 기판에 인가된 DC 바이어스에 의존한다. 공정 조건은 SiH4(10%)/H2(90%)의 반응 가스를 이용하였고, 압력은 350mTorr이다. -50, -25, 0, 25, 그리고 50 V의 기판 바이어스에 따라, 증착률은 각각 53758, 53951, 21748, 4925 그리고 16144 nm3/sec이다. 주요한 증착 플럭스가 양 또는 음의 하전 나노 입자인 것을 고려하면, 의 바이어스에서의 증착 플럭스는 주로 양의 하전 나노입자일 것으로 예측되고, 25V, 50V의 바이어스 하에서 플럭스는 주로 음의 하전 입자일 것으로 예측된다.
5V, 50V의 바이어스 하에서 증착률에 비해 -50, -25, 그리고 0V의 바이어스에서의 증착률은 현저히 증가하였다. 기판에 바이어스 인가하여 결정성 나노입자의 크기와 양의 제어가 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자의 라만 스펙트라(Ramman spectra)를 나타내는 실험 결과이다.
도 4를 참조하면, DC 기판 바이어스에 따라서 나노입자의 결정성 특성은 다소 변화한다. 비정질 실리콘의 라만 픽 (480 cm- 1)은 0 V 기판 바이어스에서의 나노입자인 경우 가장 뚜렷하였고 -50 V 일 때 가장 작았다. 그러나 결정성 실리콘의 라만 픽 (520 cm-1)은 공통적으로 확인되며 결정성 나노입자가 합성된다.
도 5는 기판에 인가된 바이어스 전압에 따른 결정성 나노입자의 크기 분포를 나타내는 실험 결과이다.
도 5를 참조하면, 도전성 메쉬는 접지되고, 상기 도전성 메쉬의 사이즈는 2mm이다. 또한, RF 전원의 전력은 1400 와트이다. 상기 기판에 인가되는 바이어스 전압은 -50, -25, 0V, +25V, 그리고 +50V에 대하여, 나노입자의 크기 분포가 측정되었다. 바이어스 전압이 음의 값에서 양의 값으로 증가함에 따라, 나노 입자의 플럭스는 감소하나, 입자의 크기는 증가한다. 특히, +50V의 바이어스 전압의 경우, 피크를 가지는 입자 지름은 45 nm로 증가한다. 한편, -50V의 바이어스 전압의 경우, 피크를 가지는 입자 지름은 9 nm이다. 기판에 바이어스 인가하여 결정성 나노입자의 크기 분포의 제어가 가능하다.
도 6은 RF 전원의 전력 및 바이어스 전압에 따른 나노 입자의 지름 분포를 나타내는 실험 결과이다.
도 6을 참조하면, RF 전원의 전력은 1400 와트 또는 1700 와트이고, 상기 기판에 인가되는 바이어스 전압은 -50, 0V, 그리고 +50V이다. 유도 결합 플라즈마를 생성하는 RF 전력 및 기판에 바이어스 인가하여 결정성 나노입자의 크기 분포 및 양의 제어가 가능하다. 공정변수의 일종인 플라즈마 파워의 변화에 따라 나노입자의 크기와 양이 변화하며, 파워증가를 증가시켜 나노입자 크기를 작게 조절가능하다.
도 7은 도전성 메쉬의 사이즈 및 바이어스 전압에 따른 나노 입자의 지름 분포를 나타내는 실험 결과이다.
도 7을 참조하면, 도전성 그리드의 사이즈는 1mm, 2mm이고, 상기 기판에 인가되는 바이어스 전압은 -50, 0V, 그리고 +50V이다. 도전성 그리드의 사이즈 및 기판에 바이어스 인가하여 결정성 나노입자의 크기 분포 및 양의 제어가 가능하다.
메쉬의 사이즈에 따라 나노입자의 크기와 양이 변화하며, 적절한 크기의 메쉬를 사용할 경우에만, 기판 바이어스에 따른 나노입자 크기를 조절 가능하다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 입자 제조 장치를 설명하는 개념도이다.
도 9 및 도 10은 도 8의 도전성 메쉬를 설명하는 사시도이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 나노 입자 제조 장치(100a)는 진공 용기(110); 상기 진공 용기의 상부면에 배치된 유전체 상판(112); 상기 유전체 상판 상에 배치되고 상기 진공 용기 내부에 유도 결합 플라즈마를 생성하는 유도 코일(120); 상기 유도 코일에 RF 전력을 공급하는 RF 전원(124); 상기 진공 용기에 배치되어 나노 입자를 합성하는 기판(142); 및 상기 기판과 상기 유전체 상판 사이에 배치되고 도전성 메쉬(132a)를 포함하는 그리드 구조물(130a)을 포함한다.
상기 도전성 메쉬(132a)는 상기 유전체 상판을 향하여 볼록한 곡면 또는 오목한 곡면을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 도전성 메쉬는 상기 유전체 상판을 향하여 볼록한 원뿔각(conical shell) 형상 또는 오목한 원뿔각 형상일 수 있다.
상기 원뿔각의 지름(D)에 대한 상기 원뿔각의 높이(H)의 비(H/D)는 1/20 내지 1/5 일 수 있다.
상기 도전성 메쉬의 곡률의 변화에 따라 나노입자의 양이 변화한다. 평평한 그리드 대신 위로 볼록하거나 아래로 볼록한 그리드를 사용하여 나노입자의 생성속도를 증가시킬 수 있다.
그리드 형태 위치(cm) 나노입자의 양(mg/Hour)
평판그리드 그리드 위치: 기판상 12cm 10.8
상부로 볼록 그리드 그리드 중심 위치: 기판상 14cm 15.0
하부로 볼록 그리드 그리드 위치: 기판상 12cm 54.6
하부로 볼록한 구조는 평판 그리드 구조에 바하여 500 퍼센트 이상의 나노 입자의 양을 증가시킨다.
도전성 메쉬(132a)의 곡률의 변화에 따라 나노입자의 양이 변화한다. 평평한 그리드 대신 위로 볼록하거나 아래로 볼록한 그리드를 사용하여 나노입자의 생성속도를 증가시킬 수 있다.
도전성 메쉬(132a)가 평판 그리드 형상인 경우, 나노 입자의 양은 10.8(mg/Hour)이다. 동일한 조건에서, 상기 평판 그리드를 고정하는 가드링을 냉매를 사용하여 섭씨 4도로 냉각시킨 경우, 나노 입자의 양은 130(mg/Hour)이다. 따라서, 상기 도전성 메쉬의 냉각에 의하여, 현저한 나노 입자의 양이 증가한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 나노 입자의 주사전자현미경의 사진과 투과전자현미경의 사진이다.
도 11을 참조하면, 투과전자 현미경 사진에서 나노 입자의 격자(lattice)를 확인할 수 있다. 이에 따라, 상기 나노 입자는 결정성을 가진다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 진공 용기
120: 유도 코일
130: 그리드 구조체
142: 기판
152: 바이어스 전원

Claims (17)

  1. 진공 용기;
    상기 진공 용기의 상부면에 배치된 유전체 상판;
    상기 유전체 상판 상에 배치되고 상기 진공 용기 내부에 유도 결합 플라즈마를 생성하는 유도 코일;
    상기 유도 코일에 RF 전력을 공급하는 RF 전원;
    상기 진공 용기에 배치되어 나노 입자를 합성하는 도전성 기판; 및
    상기 도전성 기판과 상기 유전체 상판 사이에 배치되고 도전성 메쉬를 포함하는 그리드 구조물을 포함하고,
    상기 도전성 메쉬는 전기적으로 접지되고,
    상기 진공 용기에 나노입자를 합성하기 위한 반응 가스를 제공하는 것을 특징으로 하는 나노 입자 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 도전성 메쉬의 사이즈는 0.5 밀리미터 내지 5 밀리미터인 것을 특징으로 하는 나노 입자 제조 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 도전성 메쉬는 상기 유전체 상판을 향하여 볼록한 곡면 또는 오목한 곡면을 가지는 것을 특징으로 하는 나노 입자 제조 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 도전성 메쉬는 상기 유전체 상판을 향하여 볼록한 원뿔각(conical shell) 형상 또는 오목한 원뿔각 형상을 것을 특징으로 하는 나노 입자 제조 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 원뿔각의 지름에 대한 상기 원뿔각의 높이의 비는 1/20 내지 1/5 인 것을 특징으로 하는 나노 입자 제조 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 그리드 구조물은 상기 도전성 메쉬를 고정하는 가드링에 배치된 온도 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 입자 제조 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 가드링의 온도는 냉매에 의하여 섭씨 섭씨 3 도내지 섭씨 10도로 유지되는 것을 특징으로 나노 입자 제조 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 도전성 기판에 DC 바이어스를 인가하는 바이어스 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 제조 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 진공 용기에 나노입자를 합성하기 위한 반응 가스를 제공하고,
    상기 반응가스는 사일렌 가스 (SiH4), H2 가스, 및 Ar 가스를 포함하고,
    상기 진공 용기의 압력은 수백 밀리토르이고,
    상기 RF 전력은 수백 와트 내지 수 킬로와트인 것을 특징으로 하는 입자 제조 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 진공 용기에 나노입자를 합성하기 위한 반응 가스를 제공하고,
    상기 반응가스는 메탄 가스(CH4), H2, 및 Ar 가스를 포함하고,
    상기 진공 용기의 압력은 수백 밀리토르이고,
    상기 RF 전력은 수백 와트 내지 수 킬로와트인 것을 특징으로 하는 입자 제조 장치.
  12. 진공 용기의 상부면에 배치된 유전체 상판 상에 배치된 유도 코일에 RF 전력을 공급하여 상기 진공 용기 내부에 유도 결합 플라즈마를 형성하는 단계;
    도전성 메쉬를 포함하는 그리드 구조체를 상기 진공 용기의 내측면에 배치하고 상기 도전성 메쉬를 접지시키는 단계; 및
    상기 진공 용기에 반응 가스를 제공하여 상기 도전성 메쉬의 하부에 배치된 도전성 기판에 나노 입자를 합성하는 단계를 포함하는 평판형 유도 결합 플라즈마를 이용한 나노 입자 제조 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 반응 가스는 SiH4, H2, 및 Ar를 포함하고,
    상기 진공 용기의 압력은 수백 밀리토르(mTorr)인 것을 특징으로 하는 평판형 유도 결합 플라즈마를 이용한 나노 입자 제조 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 반응 가스는 메탄가스(CH4), H2, 및 Ar를 포함하고,
    상기 진공 용기의 압력은 수백 밀리토르(mTorr)인 것을 특징으로 하는 평판형 유도 결합 플라즈마를 이용한 나노 입자 제조 방법.
  15. 제12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 도전성 메쉬는 상기 유전체 상판을 향하여 볼록한 원뿔각(conical shell) 형상 또는 오목한 원뿔각 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 평판형 유도 결합 플라즈마를 이용한 나노 입자 제조 방법.
  16. 제12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 그리드 구조체 또는 상기 도전성 메쉬를 섭씨 3도 내지 10도로 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 유도 결합 플라즈마를 이용한 나노 입자 제조 방법.
  17. 제12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 도전성 기판에 직류 바이어스 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 유도 결합 플라즈마를 이용한 나노 입자 제조 방법.

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