WO2015076441A1 - Ｉｃｐ를 이용한 실리콘 나노입자 제조장치 - Google Patents

Ｉｃｐ를 이용한 실리콘 나노입자 제조장치 Download PDF

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WO2015076441A1
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gas injection
plasma
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silicon
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장보윤
김준수
이정철
송희은
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한국에너지기술연구원
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Definitions

  • the present invention is an apparatus that uses ICPC lnductive Coupled Pl asma) to produce silicon nanoparticles, which makes the gas reaction area more uniform than before, and facilitates particle size control of silicon nanoparticles by increasing plasma density. It is an apparatus which improved the production yield.
  • a vapor phase reaction method which is advantageous for controlling the particle size of high-purity silacon nanoparticles mainly uses laser or thermal plasma.
  • the generated silicon nanoparticles are agglomerated with each other due to high heat, thereby forming secondary particles having a size of several micrometers ().
  • the coagulation phenomenon of the silicon nanoparticles has been solved by using a low temperature plasma such as ICPC lnductive Coupled Pl asma).
  • the conventional silicon nanoparticle manufacturing apparatus using the ICP has a wide range of plasma reaction region due to the plasma spreading phenomenon inside the reaction vessel, which makes it difficult to control the particle size of the silicon nanoparticles. Due to the plasma spreading phenomenon, the second gas has a wide reaction region, and the reaction time is long, so that it is difficult to control the particle size of the silicon nanoparticles and the yield is deteriorated.
  • the silicon nanoparticles manufacturing apparatus of the present invention for achieving the above object is a gas injection unit at the inlet of the reactor, a plasma reaction part wound around the outer wall of the inductive coupled plasma (ICP) coil, cooling to cool the generated silicon nanoparticles
  • the collecting part comprises a collecting part for collecting the particles accumulated in the mesh filter.
  • the gas injecting part includes a plurality of inlet holes of the first gas and the second gas intersecting each other, and the first gas injection pipe It is installed extending to the upper end of the plasma reaction unit, it is characterized in that the cooling gas is injected into the indentation of the semi-unggi through the nozzle.
  • first gas and second gas injection pipes are arranged to cross each other at the upper end of the reaction vessel, and the first gas injection tube extends to the upper end of the plasma reaction chamber of the reactor.
  • the plasma is formed in a narrow range within the reactor, the formation reaction of silicon nanoparticles not only occurs uniformly but also the plasma region is narrow and the density is high, so that the particle size control of the silicon nanoparticles is easy, There is an effect of improving the yield by injecting a cooling gas to prevent the formation of particle agglomeration.
  • tr 1 is a silicon nanoparticle manufacturing apparatus according to the present invention
  • FIG. 2 is a table for explaining a silicon nanoparticle manufacturing apparatus according to Figure 1
  • Figure 3 is a gas injection unit injection.
  • Figure 11 is the best mode for the implementation of the yield invention according to the silane injection flow rate and the input inert gas (Ar) gas fraction
  • the apparatus for preparing silicon nanoparticles according to the present invention includes a gas injection unit 100 at an inlet of an inductor, a plasma insulator 200 in which an inductive coupled plasma (ICP) coil is wound on an outer wall thereof, It consists of a concave portion 300 for encapsulating the silicon nanoparticles, and a collecting portion 400 for collecting the particles collected in the mesh filter after the condensation.
  • ICP inductive coupled plasma
  • the gas injection unit may be several system 1 gas injection pipe 110 and the second gas
  • the first gas is a gas for forming silicon nanoparticles, and may include a precursor such as silane (SiH 4) and an inert gas such as argon (Ar) as a carrier gas of the silane.
  • the second gas is a gas for surface treatment of the generated silicon nanoparticles, and may include hydrogen (H 2) and an inert gas such as argon (Ar) as a carrier gas of the hydrogen.
  • a gas containing boron (B) may be injected into the first gas and the second gas, and more specifically, B2H6 or PH3 is an example.
  • B boron
  • the injection pipe 111 of the second gas is not limited in position, between the second gas It is installed in parallel with the crab 1 gas injection pipe 110 for sufficient mixing, and its length is shorter than that of the first gas injection pipe 110.
  • the second gas which is self-mixed with each other, can minimize the area and reaction time in reaction with the first gas in the plasma reaction unit, and also reduce the plasma spreading phenomenon in the narrow plasma region. The effect that the plasma reaction between the gas and the second gas occurs uniformly at a high density can be expected.
  • FIG. 2 is a table for explaining the apparatus for manufacturing silicon nanoparticles according to FIG. 1, wherein the distance L from the inlet of the first gas injection pipe 110 to the ICP coil 210 and the axial width W of the ICP coil are shown in FIG. ), It can be confirmed that the plasma shape is good when 0 ⁇ L / W ⁇ 0.3.
  • FIG. 3 shows the first gas injection pipe 110 and the second gas in the gas injection unit 100. It is sectional drawing in the form which the injection pipe 111 arrange
  • the first gas injection pipe 110 and the second gas injection pipe 111 are arranged to cross each other, and in detail, the second gas injection pipe 111 is disposed on the left and right upper and lower sides of the first gas injection pipe 110.
  • the first gas injection pipe 110 is positioned so that the first gas injection pipe 110 is located at the left and right and up and down of the second gas injection pipe 111, and the number NxN (N ⁇ 3 in a virtual square sharing the center point of the gas injection portion). Equal intervals can be arranged in the form of a matrix.
  • the shape of the injection tube is an embodiment of the type of the rib, the cross-section is not only limited to the shape, such as square, triangle, etc., as well as circular.
  • an inductive coupled plasma (ICP) coil 210 is wound around an outer wall of the plasma reaction chamber 200, and the first gas and the second gas are separated by plasma induced from the ICP coil. Silicon nanoparticles are formed by chemical reaction.
  • the internal operating pressure for the ICP plasma reaction is 0.1-lOtorr
  • the applied voltage frequency is 13.56MHz
  • the operating pressure and the applied voltage frequency may vary depending on the size of the reaction vessel and the flow rate of the first gas and the second gas. .
  • the depression 300 is located at the lower end of the plasma reaction unit 200, by injecting an external inert gas through a nozzle, thereby feeding silicon nanoparticles generated while passing through the plasma reaction unit, and in the plasma reaction unit.
  • the resulting silicon nanoparticles are not interspersed.
  • the angle nozzle 310 is radially installed along the outer diameter of the reactor perpendicular to the reaction vessel, and argon (Ar) gas is injected into the angle portion 300 in the reaction vessel from the outside of the reactor through the angle nozzle.
  • Ar argon
  • the number of cooling nozzles is radially installed six, but the number or angle is not limited.
  • the gas injection portion, the plasma reaction part, and the cooling unit are preferably made of a quartz material having excellent thermal stability.
  • the silicon nanoparticles having passed through the cooling unit 300 are collected by the mesh filter 410 at the collecting unit 400 positioned below the reaction vessel, and after all reactions are completed, as necessary.
  • a separate collection device such as a collecting holder 420 and a glove box 430 of a nitrogen atmosphere, is prepared to enable collection to the outside.
  • the plasma shape shows a completely different pattern according to the process conditions.
  • the first gas and the second gas are extended with the first gas injection pipe extending from the gas injection port to the plasma reaction part with the respective injection pipes alternately arranged with each other in the gas injection portion at the upper end of the plasma reaction vessel.
  • 6 (a) and 6 (b) show that the first gas injection pipe 110 is close to the ICP coil 210 from the gas injection portion. It is the case that the plasma formation start region is not reached or is designed to exceed the plasma shape start region. In the plasma formation start region, the plasma is concentrated around the region wrapped with the ICP coil as shown in FIG.
  • the plasma formation start region is a point at which the plasma reaction region is formed by the ICP coil and at the same time it is the end of the first gas injection tube, and the injection speed and injection amount of the first gas and the second gas are applied to the ICP. It may vary depending on the voltage.
  • the plasma shape of the present invention also affects the particle size distribution of the manufactured silicon nanoparticles.
  • FIG. 8 is an XRD analysis result of the silicon nanoparticles according to the applied power in the manufacturing apparatus of the present invention. When the applied power is 100 watts in FIG. 8 (a), pure amorphous silicon nanoparticles are manufactured, whereas the applied power is shown in FIG.
  • the crystallinity of the silicon nanoparticles increases as the 8 (b) 200 watts, 8 (c) 300 watts, and 8 (d) 400 watts. That is, the manufacturing apparatus of the present invention can manufacture the silicon nanoparticles of various crystal structures having a high crystallinity from amorphous to the prepared silicon nanoparticles, and is not limited to silicon particles only, the crystallinity according to the injection gas It is possible to produce nanoparticles of this high variety.
  • Figure 11 shows the yield according to the injection flow rate of the silane and the fraction of argon gas injected through the first gas injection pipe, the second gas injection pipe, the yield increases as the injection flow rate of the silane, the total gas injection flow If this is the same, the yield increases as the fraction of argon gas increases. This is because as the fraction of argon gas increases, the amount of silane deposited on the plasma reactor wall decreases.
  • the silicon nanoparticle manufacturing apparatus can control the plasma region which is the core of the particle size control of the silicon nanoparticles Having a structure, it is possible to minimize the plasma spread phenomenon.
  • the second gas injection pipe 110 is located far from the plasma reaction zone so as to extend the system 1 gas injection pipe 110 to the upper end of the plasma reaction zone, which is the plasma start area, and as shown in FIG.

Abstract

본 발명은 플라즈마 반응부에 근접하여 제1가스 주입관를 위치시키되, 제2가스 주입관은 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 억제하고자 한다.

Description

명세서
발명의 명칭
I C P를 이용한 실리콘 나노입자 제조장치 기술분야
본 발명은 실리콘 나노입자를 생성하기 위해 ICPC lnduct ive Coupled Pl asma)를 이용하는 장치로서， 종전보다 가스반웅영역을 균일하게 하는 한편， 플라즈마 밀도를 높여 실리콘 나노입자의 입도제어를 용이하게 하고， 나노입자 생성 수율을 향상시킨 장치이다.
배경기술
최근 태양전지， LED, 이차전지와 같은 광전변환 및 광변환 소재로 많이 이용되고 있는 실리콘 나노입자의 제조방법 중 고순도의 실라콘 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 ICPC lnduct ive Coupled Pl asma)와 같은 저온 플라즈마를 이용하여 상기의 실리콘 나노입자의 응집 현상을 해결하고 있다. 종래의 ICP를 이용한 실리콘 나노입자 제조 장치는 반웅기 외부에 ICP( Induct ive Coupled Pl asma)코일을 감고， 실리콘 나노입자 형성을 위한 게 1가스 및 실리콘 나노입자 표면반웅올 위한 제 2가스를 동시에 반웅기로 공급하는 구조를 갖고 있었다.
하지만， ICP를 이용한 종래의 실리콘 나노입자 제조 장치의 경우， 반웅기 내부의 플라즈마 퍼짐 현상으로 인해 넓은 범위의 플라즈마 반웅영역을 가지게 되고， 이로 인해 실리콘 나노입자의 입도 제어가 어려워지는 문제점이 있으며， 상기의 플라즈마 퍼짐 현상으로 인해 제 2가스가 넓은 반응영역을—가지게 되고， 반웅시간 역시 길어져서 실리콘 나노입자의 입도제어가 어렵고 및 수율이 악화되는 문제점이 있었다.
따라서， ICPUnduct ive Coupled Pl asma)를 이용하여 실리콘 나노입자를 제조할 경우， 반응기 내부의 플라즈마 반웅을 균일하게 하여， 실리콘 나노입자의 입도제어를 원할히 하고 밀도의 플라즈마를 형성시켜 반응효율을 극대화시킴으로써 수율을 향상시킬 수 있는 실리콘 나노입자 제조 장치가 요구된다. 발명의 상세한설명
기술적 과제
본 발명은 고밀도 ICP( Induct ive Coupled Plasma)를 이용한 기상반응법으로 실리콘 나노입자를 제조함에 있어， 반웅기 내부에서 플라즈마 반웅에 의한 실리콘 나노입자 생성반웅이 균일하게 발생하여 입도제어가 용이하고， 제 1가스 주입관의 위치조절을 통해 고밀도의 플라즈마를 형성시켜 수율을 향상시킬 수 있는 장치를 제공하는 데 목적이 있다. 기술적 해결방법
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실리콘 나노입자 제조장치는 반응기 입구의 가스 주입부， 외벽에 ICP( Induct ive Coupled Plasma) 코일이 권취된 플라즈마 반웅부， 생성된 실리콘 나노입자를 냉각시키는 냉각부， 넁각되어 메쉬 필터에 쌓인 입자를 수거하는 수거부로 이루어 지며， 특히， 상기 가스 주입부는 제 1가스와 제 2가스가 각각 수개의 주입구가 서로 교차 배열되고， 상기 제 1가스의 주입관은 상기 플라즈마 반응부 상단까지 연장되어 설치되며， 노즐을 통해 냉각가스가 반웅기의 넁각부로 주입되는 것을 특징으로 한다. 유리한효과
이러한 본 발명은 실리콘 나노입자 형성을 위해 수개의 제 1가스 및 제 2가스주입관이 반웅기의 상단부에서 서로 교차 배열되어 설치되고， 상기 제 1가스의 주입관은 반응기의 플라즈마 반웅부의 상단까지 연장되어 설치됨으로서， 반응기 내부에서 플라즈마를 좁은 범위에서 형성시켜, 실리콘 나노입자 생성반응이 균일하게 발생할 뿐 아니라 플라즈마 영역이 좁고 밀도가 높아 실리콘 나노입자의 입도제어가 용이하고， 생성입자 간의 2차반웅에 의한 입자응집 형성을 방지하기 위해 냉각가스를 주입함으로써 수율을 향상시키는 효과가 있다. 도면의 간단한설명
tr 1은 본 발명에 따른 실리콘 나노입자 제조장치
2는 도 1에 따른 실리콘 나노입자 제조장치를 설명하기 위한 표 도 3은 가스 주입부의 주입.관이 배열된 형상
도 4는 냉각용 노즐이 방사형으로 삽입된 형상
도 5는 입자 수거부
도 6은 ICP를 이용한 다양한 플라즈마 형상
7은 제조된 다양한 실리콘 나노입자의 사진들
8은 인가전압에 따른 실리콘 나노입자의 XRD분석결과 도 9는 실란 유량에 따른 실리콘 나노입자의 XRD분석결과
도 10은 실란 주입유량에 따른 SEM 이미지
도 11은 실란 주입유량 및 투입 미활성가스 (Ar ) 가스분율에 따른 수율 발명의 실시를 위한 최선의 형태
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 반웅기 입구의 가스 주입부 (100) , 외벽에 ICP( Induct ive Coupled Plasma) 코일이 권취된 폴라즈마 반웅부 (200)， 생성된 실리콘 나노입자를 넁각시키는 넁각부 (300)， 넁각 후 메쉬 필터에 포집된 입자를 수거하는 수거부 (400)로 이루어진다.
먼저， 상기 가스 주입부는 수개의 계 1가스 주입관 (110) 및 제 2가스
주입관 (111)이 반웅기의 상단부에서 서로 교차 배열되어 설치되고， 상기 제 1가스의 주입관 (110)은 상기 플라즈마 반웅부 (200) 상단까지 연장되어 설치된다. 상기 제 1가스는 실리콘 나노입자 형성을 위한 가스로서， 실란 (SiH4)와 같은 전구체와 상기 실란의 캐리어 가스로 아르곤 (Ar )과 같은 비활성기체가 이에 포함될 수 있다. 상기 제 2가스는 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 게 1가스 및 제 2가스에 붕소 (B)가 포함된 가스가 주입될 수 있으며，보다 구체적으로는 B2H6또는 PH3가 그 예이다. 한편， 상기 플라즈마 반웅부 (200) 상단까지 연장되어 설치된 상기 제 1가스의 주입관 ( 110)과는 달리， 상기 제 2가스의 주입관 (111)은 그 위치가 한정되지 않으나， 제 2가스 간의 충분한 흔합을 위해 상기 게 1가스 주입관 (110)과 평행하여 설치되데， 그 길이는 상기 제 1가스 주입관 ( 110)에 비해 짧다. 이러한 구조로 층분히 자체 흔합된 제 2가스는 플라즈마 반응부에서 제 1가스와 반웅함에 있어서， 그 영역 및 반웅시간을 최소화 시킬 수 있을 뿐만 아니라， 좁은 폴라즈마 영역에서 플라즈마 퍼짐현상이 감소하여 제 1가스와 제 2가스 간의 플라즈마 반응이 고밀도로 균일하게 일어나는 효과를 기대할 수 있다.
도 2는 도 1에 따른 실리콘 나노입자 제조장치를 설명하기 위한 표로서， 제 1가스 주입관 (110)의 입구로부터 ICP 코일 (210)까지의 거리 (L)와 ICP 코일의 축방향 폭 (W)의 관계가， 0≤ L/W ≤0.3인 경우 플라즈마 형상이 양호한 것을 확인할 수 있다.
도 3은 가스 주입부 (100)에서 상기 제 1가스 주입관 (110)과 상기 제 2가스 주입관 (111)이 배열된 형태에 단면도이다. 상기 제 1가스 주입관 (110)과 제 2가스 주입관 (111)은 서로 교차되게 배열되며， 상세하게는 상기 제 1가스 주입관 (110)의 좌우상하에 제 2가스 주입관 (111)이 위치하고， 상기 제 2가스 주입관 ( 111)의 좌우상하에 상기 제 1가스 주입관 ( 110)이 위치하도록 배열하되， 상기 가스 주입부의 중심점을 공유하는 가상의 정사각형 내에 그 개수를 NxN(N≥3)의 매트릭스 형태로 등간격 배열할 수 있다. 상기 주입관의 형상은 류브타입을 일 실시례로 하되， 그 단면은 원형 뿐 만 아니라， 사각형, 삼각형 등 형상을 제한하지는 않는다.
도 1올 참조하면， 상기 플라즈마 반웅부 (200)의 외벽에는 ICP( Induct ive Coupled Plasma) 코일 (210)이 권취되어 있고， 상기 ICP 코일로부터 유도되는 플라즈마에 의해 제 1가스와 제 2가스와의 화학반웅에 의해 실리콘 나노입자가 형성된다. 이때， ICP 플라즈마 반웅을 위한 내부 작동압력은 0.1-lOtorr이고， 인가전압 주파수는 13.56MHz , 상기 작동압력과 인가전압 주파수는 반웅기의 크기 및 제 1가스 및 제 2가스의 유량에 따라 변동될 수 있다.
상기 넁각부 (300)는 상기 플라즈마 반응부 (200)의 하단에 위치하는데， 노즐을 통해 외부의 비활성가스를 주입함으로써， 플라즈마 반웅부를 통과하면서 생성된 실리콘 나노입자를 급넁시키고， 상기 플라즈마 반응부에서 생성된 실리콘 나노입자가 상호 웅집되지 않도록 한다. 보다 상세하게는 반웅기와 수직되게 반응기 외경을 따라 방사형으로 넁각노즐 (310)이 설치되고, 상기 넁각노즐을 통해 반응기 외부로부터 아르곤 (Ar)가스가 반웅기 내의 넁각부 (300)로 주입되며， 실시예로 냉각노즐의 개수는 방사형으로 6개가 설치되나 그 개수나 각도를 한정하지는 않는다. 상기 가스주입부, 플라즈마 반웅부， 냉각부는 열적 안정성이 뛰어난 쿼츠 (quartz) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 5를 참조하면， 상기 냉각부 (300)를 통과한 실리콘 나노입자는 반웅기 하부에 위치한 수거부 (400)에서 메쉬필터 (410)에 의해 포집되며， 모든 반웅이 종료돤후에는 필요에 따라 외부로 수거가 가능할 수 있도록 포집홀더 (420)와 질소분위기의 글러브 박스 (430)와 같은 별도의 수거장치를 준비한다.
한편， 도 6를 참조하면 플라즈마 형상은 공정조건에 따라 전혀 다른 패턴을 보인다. 제 1가스와 제 2가스는 플라즈마 반웅기의 상단의 가스 주입부에 각각의 주입관이 서로 교대로 배열된 채， 상기 가스 주입구로부터 상기 플라즈마 반웅부 로 연장 설치된 상기 제 1가스 주입관과 연장 설치되지 않은 상기 제 2가스 주입관을 통해 각각 구분되어 주입되는데， 도 6(a)와 도 6(b)는 상기 제 1가스 주입관 ( 110)이 상기 가스 주입부로부터 상기 ICP코일 (210) 주변의 플라즈마 형성 개시영역까지 도달하지 못하거나， 상기 플라즈마 형상 개시영역을 도과하도록 설계된 경우이다. 상기 플라즈마 형성 개시영역에서는 도 6(c)에서처럼 ICP 코일로 감싼 영역을 중심으로 플라즈마가 집중된다. 여기서， 플라즈마 형성 개시영역이란， 상기 ICP 코일에 의해 플라즈마 반웅 영역이 형성되기 시작하는 지점인 동시에 게 1가스 주입관 끝단이 되며， 제 1가스와 제 2가스의 주입속도 및 주입량과 ICP에 인가되는 전압에 따라 달라질 수도 있다. 본 발명의 플라즈마 형상은 제조된 실리콘 나노입자의 입도 분포에도 영향을 미치는데， 도 6(a)와 같이 상기 플라즈마 개시영역이 상기 ICP 코일보다 상단에 형성되는 경우, 입도가 불균일하며， 결정성 실리콘을 생성할 수 없다. 도 6(b)와 같이 플라즈마 개시영역이 상기 ICP 코일보다 하단에 형성되는 경우， 상기 메쉬필터 (410)에 포집된 실리콘 나노입자는
재스퍼터링되어 수율이 감소한다. 도 6(c)와 같이 상기 ICP 코일의 중심에 플라즈마가 집증되는 경우에는 균일한 입도와 결정성을 갖는 실리콘 나노입자가 제조된다. 도 7은 제조된 실리콘 나노입자의 사진들이며, 도 7(a)와 도 7(b)는 결정질 나노입자이고， 도 7(c)와 도 7(d)는 본 발명에 의해 제조된 비정질 실리콘 나노입자이다. 도 8은 본 발명의 제조장치에서 인가전력에 따른 상기 실리콘 나노입자의 XRD 분석결과로， 인가전력이 도 8(a) 100와트인 경우, 순수한 비정질 실리콘 나노입자가 제조되는 반면， 인가전력이 도 8(b) 200와트， 도 8(c) 300와트， 도 8(d) 400와트로 증가함에 따라， 실리콘 나노입자의 결정성이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉， 본 발명의 제조장치는 제조된 실리콘 나노입자꾀 결정성을 비정질부터 높은 결정성을 갖는 다양한 결정구조의 실리콘 나노입자를 제조할 수 있으며， 실리콘 입자만으로 제한되지 않고， 주입 가스에 따라 결정성이 높은 다양한 성분의 나노입자 생성이 가능하다. 도 9는 상기 가스주입부를 통과하는 실란 (SiH4)의 주입유량에 따른 결정구조 변화를 확인하기 위해 측정한 XRD분석 결과로서， 인가전력 300 와트에서 상기 실란 주입유량을 (a) 5， (b) 10， (c) 15， (d) 20 sccm로 변화시키면서 주입함에 따라 균일한 결정성을 갖게된다는 것을 보여준다. 즉， 실리콘 나노입자의 결정성은 제조장치의 인가전력과 실란의 주입유량에 의해 결정되며， 이로부터 나노입자의 결정성은 그대로 유지하면서도 입도와 수율 제어가 가능하다. 도 10은 실란 주입유량에 따라 제조된 실리콘 나노입자의 SEM측정결과 (도 9와 동일조건)로서， 입도분포가 균일하며, 실란의 주입유량이 증가할수록 입도가 감소하며， 본 발명에서 제시한 나노입자의 결정성과 입도를 7 nm ~ 100 nm까지 제어가 가능하다.
도 11은 실란의 주입유량 및 제 1가스 주입관， 제 2가스 주입관을 통해 주입되는 아르곤 가스의 분율에 따라 수율을 나타낸 것으로， 실란의 주입유량이 증가할수록 수율이 증가하며， 전체 가스 주입유량이 동일하다면 아르곤 가스의 분율이 증가할수록 수율이 증가한다. 이는 아르곤 가스의 분율이 증가할수록 플라즈마 반응기 벽면으로 증착되는 실란의 양이 적어지기 때문이다.
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， 계 1가스 주입관 (110)을 플라즈마 개시영역인 플라즈마 반웅부의 상단용역까지 연장 설치시키되 게 2가스 주입관 ( 111)은 플라즈마 반웅부로부터 멀리 위치시키고， 도 3에서처럼 주입가스 별로 주입관을 교차배열시킴으로서, 게 1가스 간에 흔합이 충분히 이루어질 뿐 아니라， 플라즈마 반웅영역에서도 제 1가스와 제 2가스 간의 균일한 플라즈마 반웅이 가능하며, 플라즈마 퍼짐현상도 최소화시켜 짧은 체류시간 동안 플라즈마 밀도를 높이고, 생성된 실리콘 나노입자를 급넁시켜 포집함으로서 나노입자의 입도제어가 용이하고， 넁각가스를 주입함으로서 생성입자 간의 2차반웅에 의한 입자웅집 형성을 방지하여 수율을 향상시킨다.

Claims

청구의 범위
【청구항 1】
플라즈마 반응부 외벽에 ICP 코일이 권취된 플라즈마 반응기를 포함하며， 실리콘 입자의 생성을 위한 제 1가스와 제 2가스가 상기 플라즈마 반응기의 가스 주입부에 서로 교대로 배열된 채， 상기 가스 주입부로부터 상기 플라즈마 개시영역까지 연장 설치된 제 1가스 주입관과 상기 가스 주입부로부터 상기 플라즈마 개시영역까지 연장 설치되지 않은 게 2가스 주입관을 통해 구분되어 주입되고,상기 플라즈마 반응부를 통과하고 배기되면서，상기 플라즈마 반응부에서 생성된 상기 실리콘 입자가 수거부를 통해 포집되는 실리콘 나노입자 제조장치.
【청구항 2】
제 1항에 있어서，
상기 가스 주입부에는 상기 제 1가스 주입관의 좌우상하 위치에 상기 제 2가스 주입관이， 상기 제 2가스 주입관의 좌우상하 위치에 상기 제 1가스 주입관이 서로 ,교차배열되도록 설치된 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치 .
【청구항 3]
제 2항에 있어서，
상기 게 1가스 주입관 및 상기 제 2가스 주입관은 상기 가스 주입부의 중심점을 공유하는 가상의 정사각형 내에 그 개수를 NxN(N≥3)의 매트릭스 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치.
【청구항 4】
제 3항에 있어서，
상기 게 1가스 주입관의 입구로부터 상기 ICP 코일까지의 거리 (L)와 상기 ICP 코일의 축방향 폭 (W)의 관계는 0≤ L/W ≤0.3인 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치 .
【청구항 5]
제 4항에 있어서，
상기 플라즈마 반응부는 내부 작동압력이 0. 1 내지 1 torr이고， 외벽에 권취된 ICP 코일의 인가전압 주파수는 13.56MHz의 RF(Radio Frequency)인 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치 .
【청구항 6】
계 4항에 있어서，
상기 제 1가스 주입관 및 상기 제 2가스 주입관의 형상은 튜브형상으로서 단면이 원형，사각형 ,삼각형 중 어느 한 개인 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치 .
【청구항 7】
제 4항에 있어서，
상기 플라즈마 반웅부의 하단에는 반응기 외벽을 따라 방사형으로 설치된 수개의 냉각노즐을 통해 외부의 비활성가스를 주입하는 넁각부가 반웅기 내에 추가 설치된 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치.
【청구항 8]
게 7항에 있어서，
상기 냉각부의 하단에는 메쉬필터가 설치되어 플라즈마 반웅부를 통해 상기 제 1가스 및 상기 게 2가스로부터 생성된 실리콘 입자를 넁각 후 포집할 수 있도록 수거부가 추가 설치된 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치.
【청구항 9】
제 3항에 있어서，
상기 제 1가스는 실란 (SiH4)과 비활성기체인 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치 .
【청구항 10】
제 3항에 있어서,
상기 제 2가스는 수소 (H2)와 비활성기체인 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치 .
【청구항 11】
제 3항에 있어서，
상기 제 1가스 및 상기 제 2가스에는 도핑을 위해 B2H6 또는 PH3 중 어느 한 개 이상이 포함된 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치.
【청구항 12】
제 3항에 있어서，
상기 플라즈마 반웅부의 하단에는 반응기 외벽을 따라 방사형으로 설치된 넁각노즐을 통해 비활성가스가주입되는 넁각부가 상기 플라즈마 반웅기 내에 추가 설치되고， 상기 넁각부의 하단에는 메쉬필터가 설치되어 상기 플라즈마 반웅부를 통해 상기 제 1가스 및 상기 제 2가스로부터 생성된 상기 실리콘 입자를 냉각 후 포집할 수 있도록 수거부가 설치된 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자 제조장치 【청구항 13】
게 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 실리콘 나노입자 제조장치에서 제조되고， 그 직경은 7nm-100nm인 것을 특징으로 하는 실리콘 나노입자.
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