WO2019194347A1 - 분말 입자를 코팅할 수 있는 증착장치 및 분말 입자의 코팅 방법 - Google Patents

분말 입자를 코팅할 수 있는 증착장치 및 분말 입자의 코팅 방법 Download PDF

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    • C23C16/52—Controlling or regulating the coating process

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method which can apply a uniform thin film to the surface of a powder or powder, and more particularly, to a reactant for forming a uniform thin film on the surface of a powder or powder.
  • the present invention relates to a device and a method for forming a thin film or coating layer having a uniform thickness on a surface of a particle through a chemical vapor deposition method through a time-divided inflow, such as a pulse).
  • ALD atomic layer deposition
  • DRC Digital Chemical Vapor Deposition
  • This technique was developed in Finland in the early 1970s and corresponds to a digitized chemical vapor deposition method that is a modification of the general chemical vapor deposition (CVD) method.
  • CVD general chemical vapor deposition
  • reactants are simultaneously injected into a reactor to synthesize solid materials, but in ALD, raw materials are separated and supplied separately, and only surface chemical reactions through adsorption of raw materials are used.
  • each raw material gas is sequentially supplied into the reactor, and the deposition process is configured by adding a purging process to remove raw materials or by-products that are not adsorbed on the substrate surface between reactant inflow steps.
  • the reactant BY which enters the reactor but does not participate in the reaction, and the reaction by-product XY is discharged out of the reactor.
  • the thickness can be precisely controlled down to nanometers.
  • the ALD process occurs under the conditions that the incoming raw materials (precursors, precursors) are adsorbed on the surface, and thus thin film growth is performed by a self-limiting reaction mechanism, thus excellent layer covering of the thin film. (step coverage) is possible, and by controlling the number of processes not only has the feature that can be precisely adjusted in nanometers, but also has the advantage that the production of high quality thin film with sufficient reaction time.
  • Atomic layer deposition has been in the spotlight as the nano-film deposition technology since 2000, as the size of semiconductor devices and the density of semiconductors are rapidly increased and the nano era is opened.
  • ALD Atomic layer deposition
  • it is not only applied to the manufacture of thin films for the gate, isolation, junction, and wiring fields of nano semiconductor devices, but also to the synthesis of various nano thin film materials such as energy storage and conversion devices, sensors, and displays.
  • ALD or digital CVD is mainly used in a continuous material such as a bulk material, that is, a plate, and many industrial applications (catalysts, sensors, semiconductors, energy storage and conversion) ALD or digital CVD technology, which can apply or deposit uniformly on the surface of powder or particles required for materials, displays, pharmaceuticals, cosmetics, etc., is a very rudimentary situation, and few reactors are commercialized for mass production. You may.
  • the fundamental cause of the differently proposed reactor types is that the nature of agglomeration between particles is a natural phenomenon in the case of powder, and the method of overcoming this becomes a criterion for determining whether coating of individual particles is possible. Therefore, the existing proposed ALD or digital CVD reactors for powders, as shown in Figs. 1 and 2, present specific methods for minimizing agglomeration between powder particles, respectively.
  • the present invention suppresses agglomeration of powder particles without vibration or rotation to enable uniform particle coating on each particle and at the same time prevent the powder to be coated from flowing out into the reactor during the process.
  • the present invention can easily disperse the carrier particles to be coated in the ALD or digital CVD process for fine particle coating without additional equipment such as vibration or rotation, while the powder to be coated is discharged to the reactor during the process. It provides an apparatus and method that can prevent the thing.
  • the external reactor (1) including an openable opening and closing door 10; And an internal reactor (2) capable of being introduced into and fixed into the external reactor (1) through the opening / closing door (10), and including an internal space (11) and an internal reactor (2) of the external reactor (1).
  • the internal spaces 12 of the internal reactors 2 are spatially separated from each other due to the internal reactors 2, the internal reactors 2 are twisted in a spiral structure or in the middle region between the ends having a curvature, and the internal reactors 2
  • Precursor or purge gas which is a reactant, is supplied in a pulsed manner through transport lines 7 and 8 from the outside of the deposition apparatus, so that particles loaded inside the internal reactor 2 are loaded on one side A. Is moved to the other side (B), through the space (C) existing due to the cross-sectional area difference between the indirect connection (3,4) and the transport line (7,8), remaining in the internal reactor (2) Reactant or purge gas may be discharged out of the deposition apparatus.
  • an ALD or digital CVD reaction is performed on the surface of particles loaded in the internal reactor 2 through a precursor and a purge gas, which are reactants introduced into the internal reactor 2 in a time-division manner.
  • the precursor and the purge gas, which are reactants introduced into the internal reactor 2 are supplied in a pulse manner to move the aggregated particles to disperse the particles or powder that are the aggregated targets to be coated. It will perform the function.
  • At least one transport line (7,8) connected to each of the connecting portions (3,4) located at both ends of the internal reactor (2) may be at least one, the internal for the ALD or digital CVD reaction
  • a heating device that can heat all or part of the reactor 2 or external reactor 1 may be further included.
  • a method of uniformly coating a particle surface using the deposition apparatus comprising the steps of: preparing a deposition apparatus; Loading particles into the interior of the reactor 2; Introducing an internal reactor (2) through the opening and closing door (10) of the external reactor (1), thereby fixing the connection (3,4) and the transport line (7,8) of the internal reactor (2); A first adsorption step of supplying a first precursor, which is a reactant, to a side of the internal reactor 2 through a transport line in a pulse manner to adsorb the particles onto a particle surface; After the first adsorption step, purge gas is supplied to one side of the internal reactor 2 in a pulse manner in the same direction as the supply direction of the first precursor so that the first precursor that is not adsorbed is supplied to the internal reactor 2.
  • purge gas is supplied to the other side of the internal reactor 2 in a pulse manner in the same direction as the supply direction of the second precursor so that the second precursor that is not adsorbed is transferred to the internal reactor 2.
  • the first adsorption step and / or the second adsorption step may be repeated at least a plurality of times, and the first purge step and / or the second purge step may be performed at least a plurality of times.
  • the particles may move in the internal reactor 2 due to the pulse supply of the first, second precursor or purge gas, whereby the aggregated particles may be dispersed.
  • the unreacted material discharged to the outside of the internal reactor 2 may be discharged to the outside of the deposition apparatus through the transport lines 7, 8, and at the same time the indirect connection portion Unreacted or purge gas remaining in the internal reactor (2) communicates via the external reactor (1) through the space (C) existing due to the cross-sectional area difference between (3,4) and the transport line (7,8) Through the external reactor outlet 9 can be discharged to the outside of the deposition apparatus.
  • the first adsorption step, the first purge step, the second adsorption step and the second purge step may be performed at least once or more times.
  • the powder or powder which is the target to be coated through the force of the pulse into which the reactant and the purging gas are introduced, has a dispersion effect in the internal reactor.
  • Purging is carried out through an external reactor, which prevents the powder from being discharged from an ALD or digital CVD reactor and lost to a vacuum pump (low pressure process) or external (normal pressure process) without the use of filters or fillers in the reactor. Can be.
  • the powder or powder which is the target to be coated, is physically moved within the internal reactor through the force of a pulse into which the reactant and the purging gas flow, so that the reactant may be uniformly coated on the powder or powder surface in addition to the dispersing effect. There is an effect.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a fluidized bed ALD reactor according to the prior art.
  • Figure 2 is a schematic diagram of a rotary rotary ALD reactor according to the prior art.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of an ALD or digital CVD dual reactor according to the present invention.
  • Figure 4 schematically shows the loading of the powder coated on the internal reactor of the ALD or digital CVD dual reactor according to the present invention.
  • FIG. 5 and 6 schematically show the movement of fine powder from the right side to the left side in the internal reactor by pulse supply of the precursor (FIG. 5) or the purge gas (FIG. 6) introduced through the right transport line of the internal reactor. .
  • FIG. 7 and 8 schematically show the movement of fine powder from left to right in the inner reactor by pulse supply of precursor (FIG. 7) or purge gas (FIG. 8) introduced through the left transport line of the inner reactor. will be.
  • first and second are used to distinguish one component from another component, and the scope of rights should not be limited by these terms.
  • first component may be named the second component, and similarly, the second component may also be named the first component.
  • each step the identification code is used for convenience of explanation, and the identification code does not describe the order of each step, and each step may be performed differently from the stated order unless the context clearly indicates a specific order. have. That is, each step may be performed in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
  • the present invention proposes a double wall reactor structure including an external reactor (1) and an internal reactor (2). Doing.
  • the deposition apparatus according to the present invention includes an internal reactor 2 in which precursor is introduced and an ALD or digital CVD process is mainly performed, and an external reactor 1 for preventing powder from flowing out into the reactor during the process. ) To solve the problems of the prior art.
  • the present invention suppresses agglomeration of particles to be coated by using the impact of the pulsed introduction of precursor or purging gas introduced into the reactor, without vibration or rotation of a separate reactor itself.
  • ALD or digital CVD equipment for fine particles which can maximize the dispersion, and enable uniform particle coating on each particle, and prevent the powder to be coated from the reactor during the process without separate filter or filler. And methods.
  • the deposition reactor according to the present invention has a dual structure in which at least two or more reactors (for example, an external reactor and an internal reactor) are overlapped, and the inflow of the reactant or the purge gas flows directly into the internal reactor where the chemical reaction takes place.
  • the step of purging is characterized in that it takes place simultaneously in the inner and outer reactor
  • an ALD or digital CVD process is carried out, in which the internal reactor 2 is effective at the force or pressure generated during the reactor inlet of the precursor and the reactor inlet of the purging gas. Particle dispersion proceeds, and purging is performed through the external reactor 1, so that the loss of powders in which the coating layer is formed can be reduced without filters or fillers.
  • FIG 3 is a view showing the overall form of the powder coating ALD or digital CVD reactor apparatus according to the present invention.
  • a double wall reactor is described as an example, but the present invention is a triple wall reactor or It can also be applied to multi-wall reactors.
  • the deposition apparatus according to the present invention in which ALD or digital CVD reaction for powder coating is performed, has a double reactor structure in which an inner reactor 2 is positioned into an outer reactor 1. .
  • the external reactor 1 includes an inlet port through which a precursor or purging gas is introduced, an outlet port 9 through which purging gas, unreacted substances, side reactants, etc. are discharged, and an external reactor opening / closing door 10.
  • the inner reactor 2 is preferably formed in a structure including a spiral or various twisted shapes so as to trap the movement of the powder particles to be coated on the surface of the reactor, more preferably the middle region between the two ends Twisted shapes with this curvature can be used, in addition to these structures with various curvatures can be used.
  • the inner reactor 2 and the outer reactor 1 can be separated from each other with a space, the inner reactor 2 can be easily mounted into the outer reactor through the opening and closing door 10 of the outer reactor 1, On the contrary, desorption can also be easily achieved.
  • the powder to be subjected to the surface coating is loaded into the inner reactor 2, preferably the central part, in advance before the inner reactor 2 is mounted into the outer reactor 1, and is subjected to ALD or digital CVD.
  • the inner reactor may be desorbed from the outer reactor, and then discharged from the inner reactor, so that the filling of the particles or powder as the reaction target and the recovery of the coated particles or powder may be easily performed.
  • the precursor and purging gas are internal reactor external to the deposition apparatus via transport lines 7, 8 directly connected to the indirect connections 3, 4 of the internal reactor 2 via inlets of the external reactor. It can be flowed directly into (2).
  • the remaining unreacted substances, side reactions, etc. are indirectly positioned at both ends of the internal reactor 2. It can be discharged through the connections 3, 4, because the cross-sectional area of the indirect connections 3, 4 is larger than the cross-sectional area of the transport lines 7, 8, so that the external reactor is allowed through the space part C present in the cross-sectional area. It can be discharged inward of (1).
  • the unreacted precursor material or the particles or powder to be coated are recovered from the inside of the external reactor and reused. It is also possible.
  • the purge (discharge) of the precursor or purge gas introduced into the internal reactor 2 is an indirect connection 3, 4 which is indirectly connected with the internal reactor 2 and the external reactor 1 and the space C. It is also possible to carry out both through the outlet 9 of the external reactor 1 at the same time.
  • purge gas may also be introduced into the internal reactor to purge the internal reactor, thereby creating a state in which only AX adsorbed on the particle surface is present in the internal reactor.
  • the BY reactant is introduced into the internal reactor in the same manner as the previous AX, and the AX reactant adsorbed on the particle surface and the introduced BY cause a chemical reaction on the surface of the substrate and form an AB coating layer as a product on the particle surface.
  • BX may include an activation reaction material such as plasma or ozone.
  • This process can be carried out in the deposition apparatus according to the present invention shown in FIG. 3. Specifically, first, the particles or the powder (with either the side (A or B region) or the middle portion of the internal reactor 2 are described. After loading 14) (see FIG. 4), the inner reactor 2 is introduced into the outer reactor 1 and fixed through the outer reactor opening and closing door 10.
  • the indirect connection (3,4) of the inner reactor (2) is connected to the transport line (7,8) connected through the outer reactor (1) and fixed, the closing door (11) to close the outer reactor (1) Seal it.
  • the AX reactant is introduced into the internal reactor through the transport line 7 or 8, and the precursor AX is transferred through the indirect connection 4 (right side in FIG. 5) located on one side of the internal reactor. It is introduced into the internal reactor (2) through, it is preferred to be introduced in the form of a pulse (pulse).
  • the precursor AX is supplied together with the transport gas in a pulsed manner, so that the powder particles previously loaded in the middle portion of the internal reactor move toward the opposite region A, and at the same time, dispersion in which the aggregated particles are pulverized occurs (FIG. 5).
  • purge gas may also be introduced in the same direction in which the precursor AX is introduced.
  • purge gas may also be introduced in the same direction in which the precursor AX is introduced.
  • the inflow of the purge gas may be reversed to the direction shown in FIG. 6 (that is, the direction in which the precursor AX is introduced).
  • the purge gas is introduced in the opposite direction, the inside of the internal reactor 2 is introduced.
  • the powder particles (which were moved toward the A region due to the pulse introduction of precursor AX) move back to the B region, and the dispersing effect may increase as the moving distance increases.
  • the introduction of the reactant precursor AX and the purge gas may be performed at once, but may be performed in a plurality of times.
  • the powder particles can be moved toward the B region of the inner reactor by sequentially injecting the pulses into the opposite region of the inner reactor 2.
  • the powder particles are again in the middle of the internal reactor 2. It moves to the area B through the area, and during this process, the surface reaction of the powder particles is performed while grinding and dispersing the powder particles described above.
  • the purge step may be performed in the same direction as the direction in which the BY precursor is introduced, and may also be performed in the opposite direction as necessary.
  • the introduction direction of the purge gas may be based on the location of the powder particles located in the internal reactor. It may be appropriately selected in consideration of.
  • this purge step may be performed in either the direction in which the AX reactant is introduced or in the direction in which the BY reactant is introduced, or may be performed through a pump connected to an external reactor without using a purge gas. .
  • the purge process through the pump outside the reactor, as described above, is possible because the internal reactor is not completely sealed due to the cross-sectional area of the indirect connection of the internal reactor and the transport line, and the space C is present.
  • the purge process using the purge process and the purge gas is introduced through the transport line may be performed at the same time, or may be performed sequentially, it may be performed by any one as necessary.
  • At least one transport line may be located at the indirect connection portions formed at both ends of the internal reactor, but it is preferable that the number of transport lines is appropriately adjusted so that at least the space portion C exists.
  • the ALD or digital CVD reaction is performed on the surface of the particles loaded in the internal reactor 2 through a precursor (precusor, AX or BY, etc.) and a purge gas, which are introduced into the internal reactor 2 in a time-division manner.
  • a precursor precusor, AX or BY, etc.
  • a purge gas which are introduced into the internal reactor 2 in a time-division manner.
  • the precursors (precusor, AX or BY, etc.) and the purge gas are introduced in the form of pulses, thereby causing the movement and grinding of the powder particles, thereby providing a more uniform surface reaction and surface coating. Can be done.
  • reactants precursor AX and BY are respectively supplied through the transport lines 7 and 8, and the outlet 9 of the external reactor 1 is not supplied with a separate purge gas. It is also possible to carry out a purge process through a), or it is possible to be carried out together with a purge process by the supply of purge gas to the transport lines 7, 8.
  • transport line (7, 8) in each of the indirect connection (3, 4), a plurality of transport lines may be located, from one side (area A) to the other (area B) of the inner reactor.
  • the surface reaction may occur while moving the powder particles more than once.
  • the inflow of the precursor material and the inflow of the purging gas are made in the form of pulses.
  • the powders loaded in the inner reactors 2 are separated from the A and B regions in the inner reactors 2 through the influx of pulses.
  • pulse inflow of the reactant and purge gas may be appropriately performed by opening and closing a valve connected to a transfer line.
  • the supply flow rate of is also controlled by using a flow controller in consideration of the size of the reservoir (reservoir) in the internal reactor (2).
  • activated reactants such as plasma or ozone may be used, and when heating for ALD or digital CVD is required, the heating part may be connected to an external reactor (1). It can be used mounted inside or outside of.
  • the generation of the plasma may be generated inside the internal reactor 1 or the entire deposition reactor.
  • precursor AX is pulsed and dispersed while moving the powder loaded in the internal reactor 2 toward the A region, and proceeds to the next step.
  • the purging gas is introduced, the powder is dispersed and moved as shown in FIG. 6.
  • the corresponding reactant or other precursor (BY) is introduced in a pulse through the transport line opposite the internal reactor as shown in Figure 7, and the same inlet
  • the purge gas is pulsed in through the fine powder to be dispersed and moved toward the B region.
  • each purge gas may be supplied in the opposite direction rather than in the same direction as the reactants, and after the purge gas is introduced, an additional purge step may be performed through a pump connected to an external reactor.
  • one cycle (A1 cycle) of ALD or digital CVD according to the present invention is carried out, and if the above steps are repeated a plurality of times, it causes continuous movement of the powder to prevent agglomeration that is aggregated with each other and is more uniform on the particles.
  • One thin film coating layer can be prepared.
  • the transport line through which the purge gas is supplied and the transport line through which the precursor is introduced may be configured separately, or by supplying a plurality of purge lines in a pulsed manner to maximize the dispersion effect of fine powder. Can be.
  • a reactor in which the number of purge gas inlet lines is increased so that a specific precursor or purge gas is repeatedly introduced or the powder is more efficiently transported and dispersed may be configured as three or more inner- and outer-reactors instead of two as in the embodiment.
  • the deposition apparatus and method for ALD or digital CVD for powder coating as described above are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but may be implemented to enable various modifications to the above embodiments. All or part of the examples may be selectively combined. That is, the technical spirit of the invention is not limited.
  • the present invention suppresses the agglomeration of powder particles without vibration or rotation to enable uniform particle coating on each particle and at the same time prevent the powder to be coated from flowing out into the reactor during the process.
  • the present invention provides an ALD or digital CVD apparatus and method for particulates, and employs a double wall reactor structure to provide a powder or powder to be coated by the force of a pulse into which a reactant and a purging gas are introduced.
  • the dispersing effect can be obtained in the internal reactor, and the purging process is carried out through the external reactor so that the powder is discharged from the ALD or digital CVD reactor without the use of filters or fillers in the reactor, and the vacuum pump (low pressure process) or external (normal pressure process) Can be prevented from being lost, so industrial applicability exists.

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Abstract

본 발명은 별도의 반응기 자체의 진동이나 회전이 없이, 반응기에 도입되는 전구체 또는 퍼징 가스의 펄스 도입에 따른 충격을 사용하여, 표면 코팅 대상인 입자들의 응집(agglomeration)을 억제하고 분산을 극대화 할 수 있으며, 각 입자에 균일한 입자 코팅이 가능하도록 하는 동시에, 별도의 필터나 충진재 없이 코팅하고자 하는 분체가 공정중에 반응기에서 손실되는 것을 방지할 수 있는 미립자용 ALD 또는 디지털 CVD 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 증착 반응기는 적어도 2개 이상의 반응기가 겹쳐 배치되는 구조로 되어 있으며, 반응물의 유입 또는 퍼징가스의 유입이 화학반응이 일어나는 내부 반응기로 직접 유입되지만, 퍼징의 단계는 내부 및 외부 반응기에서 동시에 이루어질 수 있다.

Description

분말 입자를 코팅할 수 있는 증착장치 및 분말 입자의 코팅 방법
본 발명은 분말 또는 미립자(powder)의 표면에 균일한 박막을 도포할 수 있는 장치와 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분말 또는 미립자(powder)의 표면에 균일한 박막을 형성하는 반응물을 펄스(pulse)와 같은 시분할 유입하여 화학증착 방식을 통해 미립자 표면에 두께가 균일하게 제어된 박막 혹은 코팅층을 형성할 수 있는 장치와 방법에 관한 것이다.
화학증착 기법에서 반응물의 시분할 유입을 통해 표면 화학반응을 일으키는 기술을 별도로 원자층 증착 기술(ALD, atomic layer deposition) 또는 디지털 화학증착 (Digital chemical vapor deposition)이라고 부르고 있다.
이러한 기술은 1970년대 초 핀란드에서 개발된 것으로, 일반적인 화학 기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition, CVD)을 변형한 디지털화된 화학증착 방법에 해당한다. 일반적인 CVD에서는 반응물들을 반응기에 동시에 주입하여 고체재료를 합성하지만, ALD에서는 원료 물질을 각각 분리하여 별도로 공급하고 원료 물질들의 흡착을 통한 표면 화학 반응만을 이용하도록 한 기술이다.
즉, 각 원료 물질 기체들이 순차적으로 반응기 내로 공급되는데, 이때 반응물 유입 단계 사이에 기판표면에 흡착되지 않은 원료 물질들이나 부산물들을 제거하는 퍼징 공정을 추가하여 증착공정이 구성된다.
예를 들어, AX(반응물 1, 기체)+BY(반응물 2,기체)→AB(생성물, 고체)+XY(부산물, 기체) 반응을 이용하여 AB 박막을 제조하고자 한다면, 먼저 반응물 1인 AX 기체를 반응기에 유입한 후, 다음 단계로 반응기를 퍼징함으로써 반응기 내에는 기판 표면에 흡착된 AX만 존재하는 상태가 된다.
다음 단계로 반응물 2인 BY 기체를 반응기에 유입시키면, 표면에 흡착된 반응물 1인 AX와 유입된 반응물 2인 BY가 기판 표면에서 화학 반응을 일으키고, 기판 표면에 생성물인 AB를 형성하게 된다.
이후 단계의 퍼징에서는, 반응기에 유입되었으나 반응에 참여하지 못한 반응물 BY와 반응 부산물인 XY가 반응기 밖으로 배출된다 이렇게 반응물 1 AX 유입-퍼징-반응물 2 BY유입-퍼징을 1사이클로 하면 반복하는 사이클 수로 성막두께를 나노미터까지 정밀하게 제어할 수 있다.
이렇게 ALD 공정은, 유입되는 각 원료 물질(전구체, precursor)들이 표면에 흡착되는 조건에서 반응이 일어나게 되어 자기제어 반응(Self-Limiting reaction mechanism)에 의한 박막 성장이 이루어지며, 따라서 박막의 우수한 층덮임(step coverage)이 가능하고 공정횟수를 조절함으로써 나노미터 단위의 정확한 두께조절이 가능한 특징을 가질 뿐만 아니라, 충분한 반응 시간으로 고품위 박막의 제조가 가능한 장점이 있다.
그런데 반드시 표면에 화학흡착된 반응물만을 이용하지 않고 화학 및 물리흡착된 모든 흡착물을 이용하여도 유사한 효과를 얻을 수 있는데, 이러한 경우를 디지털 CVD라 부르기도 한다.
원자층 증착기술 (Atomic layerdeposition, ALD)은 2000년 이후 반도체 소자의 크기가 작아짐과 동시에 집적도 증대가 급격히 이루어져 나노 시대가 열리게 됨에 따라 나노 박막 증착기술로 크게 각광을 받고 있다. 현재는 나노 반도체 소자의 게이트, isolation, 접합 및 배선분야에 필요한 박막 제조에 응용되고 있을 뿐 아니라 에너지 저장 및 변환 소자, 센서, 디스플레이등 다양한 나노 박막 소재의 합성에도 응용되고 있다.
다만, 이러한 ALD 또는 디지털 CVD의 활용은 주로 대상물질(substrate)이 벌크재료, 즉 평판(plate)과 같은 연속적인 고체에서 사용이 되고 있고, 많은 산업적 응용(촉매, 센서, 반도체, 에너지 저장 및 변환소재, 디스플레이, 제약, 화장품등)에서 필요로 하는 파우더 또는 입자 표면에 균일한 도포 혹은 증착을 할 수 있는 ALD 또는 디지털 CVD 기술은 아주 초보적인 상황이며, 양산을 위한 반응기를 상용화한 경우는 거의 없다 하여도 무방하다.
지난 20 여년간 파우더 위에 균일한 코팅기술 개발의 필요성으로 관련 연구자들이 미립자용 ALD 또는 디지털 CVD 반응기에 대하여 몇 가지 제안한 바가 있으며, 크게 유동화 반응기(fludization reactor) 형태(도 1)와 로터리(Rotary) 회전반응기(도 2)의 두 종류로 구분될 수 있다.
이처럼 반응기 형태가 다르게 제안된 근본적인 원인은 분체의 경우 입자간에 응집(agglomeration)하려는 성질이 자연적인 현상으로, 이를 극복하는 방법이 개별 입자의 코팅 가능성 여부를 결정하는 기준이 되기 때문이다. 따라서 기존의 제안된 분체용 ALD 또는 디지털 CVD 반응기들은 도 1과 2에 제시된 것처럼, 각각 분체 입자간에 응집(agglomeration)을 최소화 할수 있는 특정한 방법들을 제시하고 있다.
그러나 이렇게 제안된 방법들의 경우에는 여전히 많은 단점을 갖고 있는데, 예를 들어 유동화를 이용하는 ALD 형태의 반응기(그림 1)의 경우에는, 저압에서 공정이 이루어지는 ALD 또는 디지털 CVD 특성상 상압에서 이루어지는 유동화 조건을 확보하는 것은 거의 불가능하다. 특히 미세한 나노 분말의 경우에는 비록 상압의 조건에서 조차도 유동화 보다 마이크로 혹은 나노 채널이 형성되어, 유동화 자체가 거의 불가능하다.
다른 형태인 로터리 회전반응기(도 2)의 경우에는, 반응기내에 축을 통하여 회전하는 형태로 중력과 날개 또는 mixing ball을 이용하여 분산 효과를 얻는데, 중력과 회전력을 이용해서는 분체의 충분한 분산을 얻기 어렵고, 유동층 반응기와 동일하게 반응기 안의 분체 유실을 막을 마땅한 방법이 없다는 문제점이 여전히 존재한다.
기존의 제안된 대부분의 반응기들에서는, 분체가 반응기에서 반응기 밖으로 유실되는 문제를 해결하기 위하여 나노/마이크로 구조의 필터나 충진재를 이용하는 방식을 제안하고 있지만, 일정 부분의 분체 유실을 감수해야 하며, 빈번한 필터 또는 충진재의 막힘 현상은 장비의 안정적 운영에 큰 문제가 된다.
따라서 실제 활용이 가능한 미립자용 ALD 또는 디지털 CVD 반응기를 위해서는 두 가지 이슈, 즉 분산도를 극대화 시키고 반응기 안의 분체(미립자)들이 반응기 밖으로 손실되는 문제점을 해결하는 새로운 방법이 필요하다.
본 발명은 진동이나 회전이 없이 분체 입자의 응집(agglomeration)을 억제하여, 각 입자에 균일한 입자코팅이 가능하도록 하는 동시에 코팅하고자 하는 분체가 공정중에 반응기에 유출이 되는 것을 방지할 수 있는 새로운 개념의 미립자용 ALD 또는 디지털 CVD 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명은, 미립자 코팅을 위한 ALD 또는 디지털 CVD 공정에서 진동이나 회전과 같은 부가적인 설비가 없이 간단하게 코팅하고자 하는 담체 입자를 분산 시킬 수 있는 동시에 코팅하고자 하는 분체가 공정중에 반응기에 유출이 되는 것을 방지할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 증착 장치는, 개폐 가능한 개폐문(10)이 포함된 외부 반응기(1); 및 상기 개폐문(10)을 통해 외부 반응기(1)의 내부로 인입되어 고정될 수 있는 내부 반응기(2);를 포함하고, 상기 외부 반응기(1)의 내부 공간(11)과 내부 반응기(2)의 내부 공간(12)는 내부 반응기(2)로 인해 서로 공간적으로 구분되며, 상기 내부 반응기(2)는 나선형 구조 또는 양 끝단 사이의 중간 영역이 곡률을 갖는 꼬인 형태이고, 상기 내부 반응기(2)의 양 끝단에는 연결부(3,4)를 포함하여, 외부 반응기(1)의 외부로부터 반응물인 전구체(precusor) 혹은 퍼지(purge) 가스가 시분할적으로 내부 반응기(2)의 내부로 도입하는 운송라인(7,8)과 연결되되, 상기 내부 반응기(2)의 연결부(3,4)의 단면적이 상기 운송라인(7,8)의 단면적 보다 큰 것을 특징으로 한다.
반응물인 전구체(precusor) 혹은 퍼지(purge) 가스는, 증착 장치의 외부에서 운송 라인(7,8)을 통해 펄스 방식으로 공급됨으로써, 내부 반응기(2)의 내부에 로딩된 입자들을 일측(A)에서 타측(B)으로 이동시키게 되며, 상기 간접 연결부(3,4)와 운송라인(7,8)의 단면적 차이로 인해 존재하는 공간부(C)를 통해, 내부 반응기(2)에 잔류하는 미반응물 혹은 퍼지 가스가 증착 장치의 외부로 배출될 수 있다.
또한, 시분할적으로 내부 반응기(2)로 도입되는 반응물인 전구체(precusor)와 퍼지(purge) 가스를 통해, 내부 반응기(2) 내에 로딩된 입자 표면에서 ALD 또는 디지털 CVD 반응이 수행되며, 이때 시분할적으로 내부 반응기(2)로 도입되는 반응물인 전구체(precusor)와 퍼지(purge) 가스가 펄스(pulse) 방식으로 공급됨으로써, 응집된 입자를 이동시켜 응집된 피코팅 대상물인 입자 혹은 파우더를 분산시키는 기능을 수행하게 된다.
바람직하게는, 내부 반응기(2)기의 양 끝단에 위치하는 연결부(3,4) 각각에 연통되는 운송라인(7,8)은 적어도 하나 이상인 일 수 있으며, 상기 ALD 또는 디지털 CVD 반응을 위해 내부 반응기(2) 혹은 외부 반응기(1)의 전체 혹은 일부를 가열할 수 있는 가열 장치가 추가적으로 더 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태로, 본 발명의 일 실시예로 언급된 증착 장치를 사용하여 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법을 들 수 있는데, 먼저 증착 장치를 준비하는 단계; 내부 반응기(2)의 내부로 입자들을 로딩하는 단계; 외부 반응기(1)의 개폐문(10)을 통해 내부 반응기(2)를 도입하여, 내부 반응기(2)의 연결부(3,4)와 운송 라인(7,8)을 연결하는 고정 단계; 운송라인을 통해 내부 반응기(2)의 일측으로 반응물인 제1 전구체(precusor)를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 입자 표면에 흡착시키는 제1 흡착단계; 상기 제1 흡착 단계 이후, 제1 전구체의 공급 방향과 동일하게 내부 반응기(2)의 일측으로 퍼지(purge) 가스를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 흡착되지 않은 제1 전구체를 내부 반응기(2)의 바깥으로 배출시키는 제1 퍼지단계; 운송라인을 통해 내부 반응기(2)의 타측으로 반응물인 제2 전구체(precusor)를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 입자 표면에 흡착시키는 제2 흡착단계; 상기 제2 흡착 단계 이후에, 제2 전구체의 공급 방향과 동일하게 내부 반응기(2)의 타측으로 퍼지(purge) 가스를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 흡착되지 않은 제2 전구체를 내부 반응기(2)의 바깥으로 배출시키는 제2 퍼지단계; 및 외부 반응기(1) 및/또는 내부 반응기(2)의 온도를 높여 입자 표면 반응을 일으키는 표면 반응 단계;를 포함한다.
상기 제1 흡착 단계 및/또는 제2 흡착 단계는, 적어도 복수회 반복되어 수행될 수 있으며, 상기 제1 퍼지 단계 및/또는 제2 퍼지 단계는, 적어도 복수회 반복되어 수행되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 제1, 2 흡착 단계 또는 제1, 2 퍼지 단계에서, 제1, 2 전구체 혹은 퍼지 가스의 펄스 공급으로 인해 입자가 내부 반응기(2) 내에서 이동함으로써, 응집된 입자들이 분산될 수 있다.
아울러 상기 제1 퍼지 단계 또는 제2 퍼지 단계에서, 내부 반응기(2)의 바깥으로 배출되는 미반응물은 운송라인(7,8)을 통해 증착 장치외부로 배출될 수 있는데, 이러한 배출과 동시에 간접 연결부(3,4)와 운송라인(7,8)의 단면적 차이로 인해 존재하는 공간부(C)를 통해, 내부 반응기(2)에 잔류하는 미반응물 혹은 퍼지 가스가 외부 반응기(1)를 거쳐 연통된 외부 반응기 배출구(9)를 통해 증착 장치의 외부로 배출될 수 있다.
상기 제1 흡착 단계, 제1 퍼지 단계, 제2 흡착 단계 및 제2 퍼지 단계는, 적어도 1회 이상 반복되어 수행되는 것도 가능하다.
본 발명은 상술한 바와 같이, 이중 반응기(double wall reactor) 구조를 채택하고 있으므로, 반응물 및 퍼징 가스가 유입되는 펄스(pulse)의 힘을 통해 코팅되는 대상인 분체 혹은 파우더가 내부 반응기 내에서 분산 효과를 얻을 수 있으며, 외부 반응기를 통하여 퍼징과정이 수행되므로 반응기에 필터나 충진재를 사용하지 않고도 분체가 ALD 또는 디지털 CVD 반응기에서 배출되어 진공 펌프(저압공정)나 외부(상압공정)로 손실되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 반응물 및 퍼징 가스가 유입되는 펄스(pulse)의 힘을 통해 코팅되는 대상인 분체 혹은 파우더가 내부 반응기 내에서 물리적으로 이동함으로써, 분산 효과에 더하여 분체 혹은 파우더 표면에 균일하게 반응물이 코팅될 수 있는 효과가 존재한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 유동층 ALD 반응기의 모식도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 로타리(Rotary) 회전 ALD 반응기의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 ALD 또는 디지털 CVD 이중 반응기의 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 ALD 또는 디지털 CVD 이중 반응기의 내부 반응기에 코팅되는 분체가 장착(loading)된 모습을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5와 6은 내부 반응기의 우측 운송라인을 통해 도입되는 전구체(도 5) 혹은 퍼지 가스(도 6)의 펄스 공급에 의해, 내부 반응기 안에서 우측에서 좌측으로 미분체가 이동하는 모습을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 7과 도 8은 내부 반응기의 좌측 운송라인을 통해 도입되는 전구체(도 7) 혹은 퍼지 가스(도 8)의 펄스 공급에 의해, 내부 반응기 안에서 좌측에서 우측으로 미분체가 이동하는 모습을 도식적으로 나타낸 것이다.
[도면 부호의 설명]
1: 외부반응기(outer reactor) 2: 내부반응기(inner reactor)
3, 4: 간접연결부 7,8: 전구체 또는 퍼징(purge)가스 운송라인
9: 외부 반응기 배출구 10: 외부반응기 개폐문
11: 외부반응기 내부 공간(volume of outer reactor)
12: 내부반응기 내부 공간(volume of inner reactor)
13: 펌프
14: 내부 반응기에 장착(loading)된 분체(분말입자)
A, B: 내부반응기 내의 영역 C: 공간부
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 아울러, 본 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, "제 1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
아울러 본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
앞서 언급된 종래 기술의 문제점과 본 발명의 기술적 과제를 해결하고, 효과를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 외부 반응기(1)와 내부 반응기(2)를 포함하는 이중 반응기(double wall reactor)구조를 제시하고 있다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 증착 장치는, 전구체가 유입되어 ALD 또는 디지털 CVD 공정이 주로 이루어지는 내부 반응기(2)와 분체가 공정중에 반응기에 유출이 되는 것을 방지하기 위한 외부 반응기(1)로 구성이 되어 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 본 발명은 별도의 반응기 자체의 진동이나 회전이 없이, 반응기에 도입되는 전구체 또는 퍼징 가스의 펄스 도입에 따른 충격을 사용하여, 표면 코팅 대상인 입자들의 응집(agglomeration)을 억제하고 분산을 극대화 할 수 있으며, 각 입자에 균일한 입자 코팅이 가능하도록 하는 동시에, 별도의 필터나 충진재 없이 코팅하고자 하는 분체가 공정중에 반응기에서 손실되는 것을 방지할 수 있는 미립자용 ALD 또는 디지털 CVD 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 증착 반응기는 적어도 2개 이상의 반응기(예를 들어 외부 반응기와 내부 반응기)가 겹쳐 배치되는 이중 구조로 되어 있으며, 반응물의 유입 또는 퍼징가스의 유입이 화학반응이 일어나는 내부 반응기로 직접 유입되지만, 퍼징의 단계는 내부 및 외부 반응기에서 동시에 이루어지는 것을 특징으로한다
본 발명에 따른 증착 반응기에 포함된 내부 반응기(2)에서는, ALD 또는 디지털 CVD 공정이 수행되는데, 상기 내부 반응기(2)에서는 전구체의 반응기 유입과 퍼징가스의 반응기 유입시 발생하는 힘 또는 압력으로 효과적인 입자 분산이 진행되고, 외부 반응기(1)를 통하여 퍼징이 이루어지므로 코팅 층이 형성되는 분체들의 손실을 필터나 충진재 없이 감소시킬 수 있다.
또한, 내부 반응기(2)의 내부에 위치하는 분체 입자들의 분산 효과를 극대화 하기 위하여 본 발명에 따른 이중 반응기 (double wall reactor) 형태를 갖는 증착 반응기에 부가적인 물리적인 힘(예, 초음파, 자기장 등)을 부여할 수 있는 장치(예를 들어 초음파 발생 유닛, 자기장 발생 유닛, 전기장 발생 유닛 등)를 추가적으로 더 형성하는 것도 가능하다.
이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하고자 한다. 하지만, 본 발명은 이러한 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
또한, 명세서 상에 기재된 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을수도 있고, 또는 추가적인 구성요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
도 3은 본 발명에 따른 분체 코팅용 ALD 또는 디지털 CVD 반응기 장치의 전체적인 형태를 나타내는 도면이다 본 실시 예에서는 이중 반응기 (double wall reactor)를 예로 설명하지만, 본 발명은 3중(triple wall reactor) 또는 그 이상인 경우(multi wall reactor)에도 적용될 수 있다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 증착 장치는, 분체 코팅용 ALD 또는 디지털 CVD 반응이 수행되는 것으로, 외부 반응기(1)의 안으로 내부 반응기(2)가 위치하는 이중 반응기 구조를 갖는다.
외부 반응기(1)는, 전구체 혹은 퍼징 가스가 도입되는 유입구와 퍼징가스, 미반응물, 부반응물 등이 배출되는 유출구(9) 및 외부 반응기 개폐문(10)을 포함한다.
내부 반응기(2)는, 표면 코팅 대상인 파우더 입자의 움직임을 반응기 내 공간에 가두어 놓을 수 있도록 나선형이나 다양한 꼬임형 형태를 포함하는 구조로 형성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 양 끝단 사이의 중간 영역이 곡률을 갖는 꼬인 형태가 사용될 수 있으며, 이 외에도 다양한 곡률을 갖는 구조가 사용될 수 있다.
이러한 내부 반응기(2)와 외부 반응기(1)는 공간을 두고 서로 구분될 수 있는데, 내부 반응기(2)는 외부 반응기(1)의 개폐문(10)을 통해서 외부 반응기의 안으로 쉽게 장착될 수 있으며, 반대로 탈착 또한 쉽게 이루어질 수 있다.
표면 코팅이 이루어지는 대상인 분체는, 내부 반응기(2)가 외부 반응기(1)의 내부로 장착되기 전에 사전에 내부 반응기(2)의 안쪽, 바람직하게는 중심부로 도입(loading)되며, ALD 또는 디지털 CVD 반응이 종료된 후 내부 반응기가 외부 반응기에서 탈착된 후, 내부 반응기 내부에서 배출될 수 있어, 반응 대상물인 입자 혹은 분체의 충진 및 코팅된 입자 혹은 분체의 회수가 용이하게 수행될 수 있다.
도 3에 제시되어 있듯이, 전구체 및 퍼징가스는 외부반응기의 유입구를 통해 내부 반응기(2)의 간접 연결부(3,4)와 직접 연결된 운송 라인(7,8)을 통해 증착 장치의 외부에서 내부 반응기(2)로 직접적으로 유입될 수 있다.
또한, 이렇게 내부 반응기(2)에 사전에 로딩된 입자 혹은 분체의 표면에서 ALD 또는 디지털 CVD 반응이 수행된 후, 잔류하는 미반응물, 부반응물 등은 내부 반응기(2)의 양 끝단에 위치하는 간접연결부(3,4)를 통해 배출될 수 있는데, 간접 연결부(3,4)의 단면적이 상기 운송 라인(7,8)의 단면적 보다 크기 때문에 단면 영역에 존재하는 공간부(C)를 통해서 외부 반응기(1)의 안쪽으로 배출될 수 있다.
이후, 선택적으로 외부 반응기의 배출구(9)를 통해 증착 장치의 외부로 배출될 수도 있으나, 필요에 따라 이러한 미반응물인 전구체 물질이나, 코팅 대상인 입자 혹은 분체를 다시 외부 반응기의 내부에서 회수하여 재사용하는 것도 가능하다.
다른 실시 형태로, 내부 반응기(2)에 유입된 전구체나 퍼지가스의 퍼지(배출)은 내부 반응기(2)와 외부 반응기(1)와 공간(C)을 두고 간접적으로 연결된 간접 연결부(3,4)를 통해 수행되고, 동시에 이들은 외부 반응기(1)의 배출구(9)를 통해 모두 배출되는 것도 가능하다.
예를 들어, AX(반응물, 기체)+BY(반응물, 기체)→AB(생성물, 고체)+XY(부산물, 기체) 반응을 이용하여, 입자 혹은 분체의 표면에 AB 박막을 제조할 경우에는,
AX 반응물을 내부 반응기에 유입한 후, 역시 퍼지 가스를 내부 반응기로 도입하여 내부 반응기를 퍼지함으로써, 내부 반응기 내에는 입자 표면에 흡착된 AX만 존재하는 상태를 만들 수 있다.
다음 단계로 BY 반응물을 앞선 AX와 동일한 방식으로 내부 반응기에 유입시키면 입자 표면에 흡착된 AX 반응물과 유입된 BY가 기판 표면에서 화학 반응을 일으키며 입자 표면에 생성물인 AB 코팅층을 형성하게 된다.
마지막으로 다시 퍼지 단계를 거쳐 내부 반응기의 내부에 잔류하는 반응하지 못한 BY와 반응 부산물인 XY를 내부 반응기 밖으로 배출시키게 된다. 이때 BX는 플라즈마 또는 오존등의 활성화 반응 물질을 포함할 수 있다.
이러한 과정이, 도 3에 제시된 본 발명에 따른 증착 장치에서 수행될 수 있는데, 구체적으로 살펴보면, 먼저 내부 반응기(2)의 어느 한 쪽의 측부(A 혹은 B 영역) 또는 중간 부분으로 입자 혹은 분체(14)를 로딩한 후(도 4 참조), 내부 반응기(2)를 외부 반응기 개폐문(10)을 통해 외부 반응기(1)의 내부로 도입하여 고정한다.
이때 내부 반응기(2)의 간접 연결부(3,4)를 외부 반응기(1)를 관통하여 연결된 운송 라인(7,8)과 연결하여 고정하며, 계폐문(11)을 닫아 외부 반응기(1)를 밀폐시킨다.
이후 운송 라인(7 또는 8)을 통해 AX 반응물을 내부 반응기로 유입시키게 되는데, 전구체 AX를 내부 반응기의 일측에 위치하는 간접 연결부(4)(도 5의 경우에는 우측)를 통해 이송라인(8)을 통하여 내부 반응기(2)로 유입되되, 펄스(pulse) 형태로 유입되는 것이 바람직하다.
이렇게 전구체 AX가 이송가스와 함께 펄스 방식으로 공급됨으로써, 사전에 내부 반응기의 중간부에 로딩되었던 분체 입자들이 반대쪽인 A영역 쪽으로 이동하게 되며, 동시에 응집되어 있던 입자들이 분쇄되는 분산이 일어나게 된다(도 5 참조).
이후 상기 전구체 AX가 도입되는 방향과 동일하게 퍼지 가스 역시 도입될 수 있는데, 이러한 퍼지 과정을 통해 내부 반응기 내에 로딩되어 있는 분체 입자들은 더욱 이동하게 되고 역시 분산 효과를 더욱 높일 수 있다(도 6 참조).
또한, 이러한 퍼지 가스의 유입은 도 6에 제시된 방향(즉, 전구체 AX가 도입되는 방향)과는 반대로 유입되는 것도 가능한데, 이렇게 반대 방향으로 퍼지 가스가 유입될 경우에는, 내부 반응기(2)의 내부에서 (전구체 AX의 펄스 도입으로 인해 A 영역쪽으로 이동되었던) 분체 입자들은 B 영역으로 다시 이동하게되고, 이동거리가 증가함에 따라 더욱 분산 효과가 증가할 수 있다.
이러한 반응물인 전구체 AX와 퍼지 가스의 도입은 각각 한번에 수행되는 것도 가능하지만, 여러번에 걸쳐 나누어 복수회 수행되는 것도 가능하다.
또한, 이러한 퍼지 과정 중 혹은 퍼지 과정 이후에 외부 반응기(1)와 연결된 펌프(13)를 통해 진공을 걸어 퍼지 효율을 더욱 높여주는 것도 가능하다.
도 5 및 6에 제시된 반응물인 전구체 AX와 퍼지 과정을 거쳐, 내부 반응기의 A 영역 쪽으로 전구체 AX가 표면 흡착된 분체 입자들이 이동한 후, 도 7 및 8에 제시된 것처럼, 전구체 BY와 퍼지 가스를 각각 펄스 방식으로 순차적으로 내부 반응기(2)의 반대 영역으로 주입함으로써, 분체 입자들을 내부 반응기의 B 영역쪽으로 이동시킬 수 있다.
즉, 내부 반응기(2)의 (AX가 도입된 측면의) 반대쪽 측면에 위치하는 간접 연결부와 운송라인을 통해 반응물인 BY 전구체를 펄스 방식으로 도입함으로써, 분체 입자들은 다시 내부 반응기(2)의 중간 영역을 거쳐 B 영역쪽으로 이동하게 되며, 이 과정 중에서 앞서 설명하였던 분체 입자들의 분쇄와 분산이 이루어지면서 분체 입자의 표면 반응이 수행된다.
따라서, 분체의 이동과 표면 반응이 동시에 일어나게 되므로, 보다 균일한 코팅층이 분체 혹은 입자의 표면에 형성될 수 있게 된다.
이후, 퍼지 단계가 앞서 BY 전구체가 도입된 방향과 동일한 방향으로 수행될 수 있으며, 필요에 따라 반대 방향으로도 수행될 수 있는데, 이러한 퍼지 가스의 도입 방향은, 내부 반응기 내에 위치하는 분체 입자들의 위치를 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
선택적으로 이러한 퍼지 단계는, AX 반응물이 도입되는 방향 혹은 BY 반응물이 도입되는 방향 중 어느 하나의 반향으로 수행될 수 있으며, 퍼지 가스를 사용하지 않고, 외부 반응기와 연결된 펌프를 통해 수행되는 것도 가능하다.
이러한 반응기 외부의 펌프를 통한 퍼지 과정은, 앞서 살펴본 것처럼, 내부 반응기의 간접 연결부와 운송라인의 단면적 차이로 인해 완전히 내부 반응기가 밀폐되지 않고, 공간부 C가 존재하기 때문에 가능해지는 것이며, 이러한 외부 펌프를 사용한 퍼지 과정과 운송 라인을 통해 퍼지 가스가 도입되어 수행되는 퍼지 과정은 동시에 수행되거나, 순차적으로 수행될 수 있으며, 필요에 따라 어느 하나만으로 수행되는 것도 가능하다.
내부 반응기의 양 끝단에 형성되는 간접 연결부에는 적어도 하나 이상의 운송라인이 위치할 수 있으나, 적어도 공간부(C)가 존재할 수 있도록, 운송라인의 수가 적절히 조절되는 것이 바람직하다.
이렇게 시분할적으로 내부 반응기(2)로 도입되는 반응물인 전구체(precusor, AX 혹은 BY 등)와 퍼지(purge) 가스를 통해, 내부 반응기(2) 내에 로딩된 입자 표면에서 ALD 또는 디지털 CVD 반응이 수행되면서, 동시에 상기 반응물인 전구체(precusor, AX 혹은 BY 등)와 퍼지(purge) 가스가 펄스 형태로 도입됨으로써, 분체 입자의 이동과 분쇄를 일으킬 수 있어, 보다 균일한 분체의 표면 반응 및 표면 코팅을 수행할 수 있다.
앞서 설명한 다양한 변형 예들이 존재할 수 있는데, 예를 들어, 운송라인(7,8)을 통해서 반응물인 전구체 AX와 BY가 각각 공급되고, 별도의 퍼지 가스의 공급 없이 외부 반응기(1)의 배출구(9)를 통해 퍼지 과정이 수행되는 것도 가능하며, 퍼지 가스의 운송 라인(7,8)으로의 공급에 의한 퍼지 과정과 함께 수행되는 것도 가능하다.
또한, 간접 연결부(3, 4)에는 각각 하나의 운송라인(7,8)이 존재할 수도 있지만, 복수의 운송라인들이 위치될 수 있으며, 내부 반응기의 일측(A영역)에서 타측(B영역)으로 복수회 이상 분체 입자들을 이동시키면서 표면 반응을 일으킬 수 있다.
또한, 전구체 물질의 유입과 퍼징가스 유입은 펄스의 형태로 이루어 지게 되는데, 반대 방향으로 펄스 형태의 유입을 통해 내부 반응기(2) 내에 로딩된 분체들이 내부 반응기(2) 안에서 A 영역과 B 영역을 복수 회 왕복 운동을 하며 분산된 형태로 이동하면서 입자 표면 반응을 수행하여 코팅되는 것도 가능한데, 이를 위해 반응물 및 퍼지 가스의 펄스 유입은 이송라인에 연결된 밸브의 개폐 조작을 통해 적절히 수행될 수 있으며, 이때의 공급 유량 역시 내부 반응기(2) 내의 충진공간(reservoir)의 크기를 고려하여 유량조절기를 사용하여 제어하는 것이 바람직하다.
전구체 물질 AX와 반응하는 또 다른 전구체 물질 혹은 대응 반응물인 BY의 경우에는 플라즈마나 오존 등으로 활성화된 반응물들이 사용될 수 있으며, ALD 또는 디지털 CVD법을 위한 가열이 필요할 경우에는 가열부가 외부 반응기(1)의 내부 또는 외부에 장착되어 사용될 수 있다.
또한, 플라즈마의 발생은 내부 반응기(1) 또는 전체 증착 반응기의 내부에서 발생되는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 분체 입자의 표면 코팅 방법을 예를 들어 설명하면, 도 5와 같이 전구체(AX)가 펄스 유입되어 내부 반응기(2)에 로딩된 분체를 A 영역 쪽으로 이동시키면서 분산하고, 다음 단계로 퍼징가스가 유입될 경우 도 6과 같이 분체가 분산되면서 이동하게 된다
이후 외부 반응기(1)와 연결된 펌프를 사용하여 추가 퍼징 단계를 진행한 후에, 도 7와 같이 대응 반응물 혹은 다른 전구체(BY)를 내부 반응기의 반대편 운송 라인을 통해 펄스 방식으로 유입시키고, 동일한 유입구를 통하여 퍼지 가스를 펄스 유입시켜 미분체가 B 영역 쪽으로 분산되며 이동되도록 한다.
이때 선택적으로 각각의 퍼지 가스는 반응물과 동일한 방향이 아닌 반대 방향으로 공급되는 것도 가능하고, 퍼지 가스 도입 후에 외부 반응기와 연결된 펌프를 통하여 추가 퍼지 단계를 진행하할 수도 있다.
이러한 과정을 통해 본 발명에 따른 ALD 또는 디지털 CVD의 한 사이클(1 cycle)이 진행되게 되며, 상기 단계들을 복수회 반복할 경우 분체의 지속적인 이동을 야기시켜 서로 응집되는 agglomeration을 방지하며 입자 위에 보다 균일한 박막코팅층을 제조할 수 있다.
또한, 앞서 살펴본 바와 같이, 필요에 따라 퍼지 가스가 공급되는 운송라인과 전구체가 유입되는 운송 라인을 따로 구성하거나, 퍼지 라인을 여러 개 구성하여 펄스 방식으로 공급함으로써, 미분체의 분산 효과를 극대화 할 수 있다.
아울러 본 발명의 실시예에 의하면 ALD 또는 디지털 CVD법을 위한 사이클 구성을 위해서는 특정 전구체나 퍼징가스의 유입을 반복적으로 하거나 분체의 이송 및 분산을 더 효과적이 되도록 퍼징가스 유입라인 숫자를 증가시킨 반응기를 구성 할 수도 있으며, 증착 반응기는 실시예와 같이 두 개가 아닌 3개 이상 다수의 내(inner-), 외부 반응기(outer-reactor)로도 구성이 될 수 있다.
이상과 같이 상기와 같이 설명된 분체 코팅을 위한 ALD 또는 디지털 CVD용 증착장치 및 방법은 상기 설명된 실시예의 구성과 방법이 한정되게 적용될수 있는 것이 아니라, 상기 실시에의 다양한 변형이 이루어 질수 있도록 실시예의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다 즉 발명의 기술적 사상이 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 진동이나 회전이 없이 분체 입자의 응집(agglomeration)을 억제하여, 각 입자에 균일한 입자코팅이 가능하도록 하는 동시에 코팅하고자 하는 분체가 공정중에 반응기에 유출이 되는 것을 방지할 수 있는 새로운 개념의 미립자용 ALD 또는 디지털 CVD 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로, 이중 반응기(double wall reactor) 구조를 채택하여, 반응물 및 퍼징 가스가 유입되는 펄스(pulse)의 힘을 통해 코팅되는 대상인 분체 혹은 파우더가 내부 반응기 내에서 분산 효과를 얻을 수 있으며, 외부 반응기를 통하여 퍼징과정이 수행되므로 반응기에 필터나 충진재를 사용하지 않고도 분체가 ALD 또는 디지털 CVD 반응기에서 배출되어 진공 펌프(저압공정)나 외부(상압공정)로 손실되는 것을 방지할 수 있으므로, 산업상 이용가능성이 존재한다.

Claims (13)

  1. 개폐 가능한 개폐문(10)이 포함된 외부 반응기(1); 및
    상기 개폐문(10)을 통해 외부 반응기(1)의 내부로 인입되어 고정될 수 있는 내부 반응기(2);를 포함하고,
    상기 외부 반응기(1)의 내부 공간(11)과 내부 반응기(2)의 내부 공간(12)는 내부 반응기(2)로 인해 서로 공간적으로 구분되며,
    상기 내부 반응기(2)는 나선형 구조 또는 양 끝단 사이의 중간 영역이 곡률을 갖는 꼬인 형태이고,
    상기 내부 반응기(2)의 양 끝단에는 연결부(3,4)를 포함하여, 외부 반응기(1)의 외부로부터 반응물인 전구체(precusor) 혹은 퍼지(purge) 가스가 시분할적으로 내부 반응기(2)의 내부로 도입하는 운송라인(7,8)과 연결되되,
    상기 내부 반응기(2)의 연결부(3,4)의 단면적이 상기 운송라인(7,8)의 단면적 보다 큰 것을 특징으로 하는, 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    반응물인 전구체(precusor) 혹은 퍼지(purge) 가스는, 증착 장치의 외부에서 운송 라인(7,8)을 통해 펄스 방식으로 공급됨으로써, 내부 반응기(2)의 내부에 로딩된 입자들을 일측(A)에서 타측(B)으로 이동시키는 것을 특징으로 하는, 증착 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 간접 연결부(3,4)와 운송라인(7,8)의 단면적 차이로 인해 존재하는 공간부(C)를 통해, 내부 반응기(2)에 잔류하는 미반응물 혹은 퍼지 가스가 증착 장치의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는, 증착 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    시분할적으로 내부 반응기(2)로 도입되는 반응물인 전구체(precusor)와 퍼지(purge) 가스를 통해, 내부 반응기(2) 내에 로딩된 입자 표면에서 ALD 또는 디지털 CVD 반응이 수행되는 것을 특징으로 하는, 증착 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    시분할적으로 내부 반응기(2)로 도입되는 반응물인 전구체(precusor)와 퍼지(purge) 가스가 펄스(pulse) 방식으로 공급됨으로써, 응집된 입자를 이동시킴으로써 응집된 입자를 분산시키는 것을 특징으로 하는, 증착 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    내부 반응기(2)기의 양 끝단에 위치하는 연결부(3,4) 각각에 연통되는 운송라인(7,8)은 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 증착 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 ALD 또는 디지털 CVD 반응을 위해 내부 반응기(2) 혹은 외부 반응기(1)의 전체 혹은 일부를 가열할 수 있는 가열 장치가 추가적으로 포함된, 증착 장치.
  8. 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법에 있어서,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 증착 장치를 준비하는 단계;
    내부 반응기(2)의 내부로 입자들을 로딩하는 단계;
    외부 반응기(1)의 개폐문(10)을 통해 내부 반응기(2)를 도입하여, 내부 반응기(2)의 연결부(3,4)와 운송 라인(7,8)을 연결하는 고정 단계;
    운송라인을 통해 내부 반응기(2)의 일측으로 반응물인 제1 전구체(precusor)를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 입자 표면에 흡착시키는 제1 흡착단계;
    상기 제1 흡착 단계 이후, 내부 반응기(2)의 일측으로 퍼지(purge) 가스를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 흡착되지 않은 제1 전구체를 내부 반응기(2)의 바깥으로 배출시키는 제1 퍼지단계;
    운송라인을 통해 내부 반응기(2)의 타측으로 반응물인 제2 전구체(precusor)를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 입자 표면에 흡착시키는 제2 흡착단계;
    상기 제2 흡착 단계 이후에, 내부 반응기(2)의 타측으로 퍼지(purge) 가스를 펄스(pulse) 방식으로 공급하여 흡착되지 않은 제2 전구체를 내부 반응기(2)의 바깥으로 배출시키는 제2 퍼지단계; 및
    외부 반응기(1) 및/또는 내부 반응기(2)의 온도를 높여 입자 표면 반응을 일으키는 표면 반응 단계;를 포함하는 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 흡착 단계 및/또는 제2 흡착 단계는, 적어도 복수회 반복되어 수행되는 것을 특징으로 하는, 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 퍼지 단계 및/또는 제2 퍼지 단계는, 적어도 복수회 반복되어 수행되는 것을 특징으로 하는, 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1, 2 흡착 단계 또는 제1, 2 퍼지 단계에서, 제1, 2 전구체 혹은 퍼지 가스의 펄스 공급으로 인해 입자가 내부 반응기(2) 내에서 이동함으로써, 응집된 입자들이 분산되는 것을 특징으로 하는, 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    제1 퍼지 단계 또는 제2 퍼지 단계에서, 내부 반응기(2)의 바깥으로 배출되는 미반응물은 운송라인(7,8)을 통해 증착 장치외부로 배출되면서 동시에 외부 반응기(1)와 연통된 외부 반응기 배출구(9)를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는, 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제1 흡착 단계, 제1 퍼지 단계, 제2 흡착 단계 및 제2 퍼지 단계는, 적어도 1회 이상 반복되어 수행되는 것을 특징으로 하는, 입자 표면을 균일하게 코팅하는 방법.
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