KR20130118464A

KR20130118464A - 나노 입자 합성 장치 및 나노 입자 합성 방법

Info

Publication number: KR20130118464A
Application number: KR1020120041339A
Authority: KR
Inventors: 김정형; 유신재; 이주인; 성대진; 신용현
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-04-20
Also published as: KR101353348B1

Abstract

본 발명은 나노 입자 합성 장치 및 나노 입자 합성 방법을 제공한다. 이 나노 입자 합성 장치는 유전체 튜브, 유전체 튜브의 주위에 감긴 전자기 부양 코일, 전자기 부양 코일에 의하여 부양되고 가열되어 증발하고 전자기 부양 코일의 중심 영역에 배치된 도전성 원료 물질, 전자기 부양 코일에 전력을 공급하는 부양 전원, 유전체 튜브의 일단에 배치되고 유전체 튜브 내부에 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급부, 유전체 튜브의 타단에 연결된 공정 챔버, 공정 챔버의 내부에 배치된 RF 전극, 및 RF 전극에 RF 전력을 공급하여 플라즈마를 형성하는 공정 RF 전원을 포함한다. 부양 코일에 의하여 가열된 도전성 원료 물질이 증발하여 생성된 제1 나노입자는 공정 챔버로 이동하여 플라즈마에 의하여 처리된다.

Description

나노 입자 합성 장치 및 나노 입자 합성 방법{Nanoparticle Synthesizing Apparatus and Nanoparticle Synthesizing Method}

본 발명은 나노 입자 합성 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로, 전자기 공중 부양(electromagnetic levitation) 기술을 이용하여 도전체를 부양 상태에서 증발시키고, 증발된 입자를 플라즈마 처리하는 나노 입자 합성 장치에 관한 것이다.

신물질을 합성하기 위하여, 증발법(evaporation method), 스퍼터링 방법, 또는 금속 유기 소스(metal organic source)를 사용하여 물질을 진공 중에서 합성하는 방법 등이 있다. 또한, 용액에서 화학적으로 합성하는 방법이 있다. 기존의 방법들로 잘 합성되는 물질이 있으며, 기존의 방법으로 잘 합성되지 않거나 어려운 물질들이 있다. 또한, 기존의 방법으로 합성된다고 하더라도 문제점들(불순물, 화학적 조성 등)이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치는 이러한 문제점들을 극복하기 위한 것으로, 공중 부양(levitation) 기술, 플라즈마 합성 기술, 그리고 증발 (evaporation) 기술을 융합하여 신물질을 합성할 수 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 전자기 공중 부양(levitation) 기술, 플라즈마 합성 기술, 및 증발 기술을 이용한 나노 입자 합성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치는 유전체 튜브; 상기 유전체 튜브의 주위에 감긴 전자기 부양 코일; 상기 전자기 부양 코일에 의하여 부양되고 가열되어 증발하고 상기 전자기 부양 코일의 중심 영역에 배치된 도전성 원료 물질; 상기 전자기 부양 코일에 전력을 공급하는 부양 전원; 상기 유전체 튜브의 일단에 배치되고 상기 유전체 튜브 내부에 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급부; 상기 유전체 튜브의 타단에 연결된 공정 챔버; 상기 공정 챔버의 내부에 배치된 RF 전극; 및 상기 RF 전극에 RF 전력을 공급하여 플라즈마를 형성하는 공정 RF 전원을 포함한다. 상기 부양 코일에 의하여 가열된 도전성 원료 물질이 증발하여 생성된 제1 나노입자는 상기 공정 챔버로 이동하여 상기 플라즈마에 의하여 처리된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 나노입자는 상기 플라즈마와 상호작용하여 다른 조성의 제2 나노 입자로 변환될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 공정 챔버에 배치된 제2 가스 공급부를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 가스는 불활성 가스이고, 상기 제2 가스는 상기 제1 나노 입자와 반응하여 상기 제2 나노 입자를 합성하도록 하는 공정 가스일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전성 원료 물질은 갈륨(Ga)이고, 상기 제1 가스는 아르곤이고, 상기 제2 가스는 질소(N2)이고, 상기 제1 나노입자는 갈륨(Ga)이고, 상기 제2 나노 입자는 갈륨나이트라이드(GaN)일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 부양 전원의 주파수는 300 kHz 내지 600 kHz이고, 상기 공정 RF 전원의 주파수는 5 MHz 내지 60 MHz일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 부양 코일과 상기 공정 챔버 사이의 상기 유전체 튜브를 감싸고 유도 결합 플라즈마를 형성하는 유도 코일; 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 보조 RF 전원; 및 상기 부양 코일과 상기 유도 코일 사이의 유전체 튜브 내부에 배치되는 매쉬를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 가스는 상기 제1 나노 입자와 반응하여 다른 조성의 제2 나노 입자를 합성하도록 하는 공정 가스일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 부양 코일과 상기 공정 챔버 사이의 상기 유전체 튜브를 감싸고 축전 결합 플라즈마를 형성하는 링 형태의 축전 전극; 상기 축전 전극에 전력을 공급하는 보조 RF 전원; 및 상기 부양 코일과 상기 축전 전극 사이의 유전체 튜브 내부에 배치되는 매쉬를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 가스는 상기 제1 나노 입자와 반응하여 다른 조성의 제2 나노 입자를 합성하도록 하는 공정 가스일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 합성 방법은 유전체 튜브 주위에 전자기 부양 코일을 감고 상기 전자기 부양 코일에 교류 전력을 제공하는 단계; 상기 전자기 부양 코일의 중심 영역에 배치된 도전성 원료 물질을 상기 전기 전자기 부양 코일에 의하여 부양하고 가열하고 증발시키는 단계; 상기 유전체 튜브의 일단에 배치된 제1 가스 공급부를 통하여 제1 가스를 공급하여 상기 도전성 원료 물질이 증발하여 생성된 제1 나노입자를 상기 유전체 튜브의 타단에 연결된 공정 챔버로 이동시키는 단계; 상기 공정 챔버에 RF 전극을 배치하고 상기 RF 전극에 RF 전력을 공급하여 플라즈마를 형성하는 단계; 및 상기 제1 나노입자를 상기 플라즈마와 상호작용하여 다른 조성의 제2 나노 입자로 변환하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 합성 방법은 유전체 튜브 주위에 전자기 부양 코일을 감고 상기 전자기 부양 코일에 교류 전력을 제공하는 단계; 상기 전자기 부양 코일의 중심 영역에 배치된 도전성 원료 물질을 상기 전기 전자기 부양 코일에 의하여 부양하고 가열하고 증발시키는 단계; 상기 유전체 튜브의 일단에 배치된 제1 가스 공급부를 통하여 제1 가스를 공급하여 상기 도전성 원료 물질이 증발하여 생성된 제1 나노입자를 상기 유전체 튜브의 타단에 연결된 공정 챔버로 이동시키는 단계; 상기 유전체 튜브의 하부 영역에 배치된 플라즈마 발생 수단에 의하여 상기 제1 가스를 분해하여 제1 플라즈마를 생성하고, 상기 제1 플라즈마와 상기 제1 나노 입자가 반응하여 다른 조성의 제2 나노 입자를 생성하는 단계; 상기 제2 나노 입자를 상기 유전체 튜브의 타단에 연결된 공정 챔버로 이동시키는 단계; 상기 공정 챔버에 RF 전극을 배치하고 상기 RF 전극에 RF 전력을 공급하여 제2 플라즈마를 형성하는 단계; 및 상기 제2 나노 입자를 상기 제2 플라즈마와 상호작용시켜 상기 제2 나노 입자를 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치는 전자기 부양 기술로 금속 원료를 증발시킬 때 금속 원료만 가열하기 때문에 간단한 구조를 가지며, 다른 불순물이 섞일 가능성을 낮추며, 녹는점이 높은 물질이라도 나노 입자 합성을 제공할 수 있다.

금속을 포함한 신소재( 예를 들어, GaN)일 경우, 증발된 금속 나노 입자와 도입된 가스가 플라즈마 내에서 활성화되어 신소재의 나노 입자를 용이하게 합성할 수 있다.

상기 나노 입자 합성 장치는 순수한 금속 원료를 직접 가열하여 증발시켜 사용하므로, 불순물을 감소시킬 수 있으며 용이한 조성 제어를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치는 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 전자기 부양 코일을 설명하는 도면이다.
도 3 및 도 4는 은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 나노 입자 합성 장치를 설명하는 도면들이다.

저온 비열 플라즈마(low temperature nonthermal plasma)에서 전자의 온도는 이온의 온도 또는 나노 입자의 온도보다 매우 높다. 또한, 플라즈마 내부에서 나노 입자는 전자에 의하여 음의 전하로 대전될 수 있다. 대전된 나노 입자는 서로 응집하기 어려워, 균일한 크기의 나노 입자가 생성될 수 있다. 또한, 음의 전하로 대전된 나노 입자는 플라즈마에 의하여 형성된 전위 장벽(potential barrier)에 의하여 외부로 빠져나가지 못하도록 구속될 수 있다. 또한, 나노 입자는 전자-양이온 재결합(electron-ion recombination)과 같은 상호 작용에 의하여 높은 온도로 선택적으로 가열될 수 있다. 한편, 플라즈마를 이용한 나노 입자 합성은 공급하는 가스에 전적으로 의존한다. 따라서, 다양한 물질 합성이 어렵다.

한편, 현재 III-V 족 물질을 합성하는 경우, 금속 유기 전구체(metal organic precursor)를 사용한 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 공정이 사용된다. 그러나, 금속 유기 전구체의 비용이 고가이며, 또한 불순물(impurity) 문제가 있다. 그리고 금속 유기 전구체 소스(metal organic precursor source)는 액체 상태로 있기 때문에 버블러(bubbler)가 사용되어야 한다. 따라서, MOCVD 장치는 복잡하고, 미세 제어를 하기 어렵다. 특히, 종래의 MOCVD 방법으로 형성할 수 있는 물질을 불순물없이 저온에서 합성할 필요가 있다. 예를 들어, GaN, ZnO와 같은 나노 입자를 불순물없이 저온에서 합성할 필요가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치는 이러한 점들을 극복하기 위하여 전자기 공중 부양 증발(electromagnetic levitation vaporization) 기술과 플라즈마 처리 기술을 융합하여 신물질 나노 입자를 합성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치는 기존의 방법으로 합성하기 어려운 물질을 불순물없이 합성할 수 있다. 예를 들어, 나이트라이드(nitride)계열 물질 또는 옥사이드(oxide)계열 물질을 합성할 수 있다. 이렇게 합성된 나노 입자는 태양전지(solar cell), 넓은 파장의 포토다이오드(photodiode), 양자점(quantum dots) 등에 응용할 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치는 설명하는 도면이다.

도 2는 도 1의 전자기 부양 코일을 설명하는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 나노 입자 합성 장치(100)는 유전체 튜브(110), 상기 유전체 튜브(110)의 주위에 감긴 전자기 부양 코일(120), 상기 전자기 부양 코일(120)에 의하여 부양되고 가열되어 증발하고 상기 전자기 부양 코일(120)의 중심 영역에 배치된 도전성 원료 물질(102), 상기 전자기 부양 코일(120)에 전력을 공급하는 부양 전원(130), 상기 유전체 튜브(110)의 일단에 배치되고 상기 유전체 튜브(110) 내부에 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급부(116), 상기 유전체 튜브(110)의 타단에 연결된 공정 챔버(140); 상기 공정 챔버(140)의 내부에 배치된 RF 전극(142), 및 상기 RF 전극(142)에 RF 전력을 공급하여 플라즈마를 형성하는 공정 RF 전원(144)을 포함한다. 상기 부양 코일(120)에 의하여 가열된 도전성 원료 물질(102)이 증발하여 생성된 제1 나노입자(104)는 상기 공정 챔버(140)로 이동하여 상기 플라즈마에 의하여 처리된다.

상기 전자기 부양 코일(120)은 비균일 시변 자기장을 생성하고, 시변 자기장(time warying magnetic field)은 유도 전기장(inductive electric field)을 생성한다. 상기 유도 전기장은 상기 도전성 원료 물질(102)에 유도 전류를 형성한다.

상기 원료 물질(102)에 생성된 유도 전류와 상기 전자 부양 코일(120)에 흐르는 전류는 서로 상호 작용하여 상기 원료 물질(102)에 힘을 인가하여 상기 원료 물질을 부양한다. 또한, 상기 원료 물질(102)에 흐르는 유도 전류는 유도 가열(inductive heating)에 의하여 상기 원료 물질(102)을 용융시킨다. 이에 따라, 상기 원료 물질(102)은 증발하여 증기(vapor)를 형성하고, 상기 증기는 냉각되어 제1 나노 입자(104)를 형성한다. 전자기 부양을 위하여 상기 원료 물질(104)은 도전성이다.

전자기 부양을 이용한 상기 원료 물질(102)의 증발은 불순물이 없는 상기 제1 나노 입자(104)를 제공할 수 있다. 상기 제1 나노 입자(104)를 플라즈마 처리하면, 상기 제1 나노 입자(104)는 음의 전하로 대전될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 나노 입자(104)는 반발력에 의하여 서로 응집하지 않는다. 또한, 상기 플라즈마는 합성에 필요한 활성종을 생성한다. 상기 활성종은 상기 제1 나노 입자(104)와 반응하여 새로운 조성의 제2 나노입자(106)를 생성한다. 이에 따라, 종래의 MOCVD 방법만으로 합성이 가능하였던 금속 산화물 또는 금속 질화물 화합물의 합성이 가능하다.

상기 유전체 튜브(110)는 쿼츠, 세라믹, 알루마나, 또는 사파이어로 형성될 수 있다. 상기 유전체 튜브(110)의 상부 측면에는 보조 유전체 튜브(112)가 연결될 수 있다. 상기 보조 유전체 튜브(112) 내부에는 상기 원료 물질(102)의 재질로 구성된 와이어(114)가 삽입될 수 있다. 상기 와이어(114)는 증발한 원료 물질을 보충할 수 있다.

상기 전자기 부양 코일(120)은 상부 부양 코일(122), 하부 부양 코일(124), 및 상기 상부 부양 코일(122)과 상기 하부 부양 코일(124)을 연결하는 접속부(126)를 포함할 수 있다. 상기 상부 부양 코일(122)의 감긴 방향과 상기 하부 부양 코일(124)의 감긴 방향은 서로 반대이다. 상기 상부 부양 코일(122)은 2 턴(turn)일 수 있고, 상기 하부 부양 코일(124)은 3 턴 또는 4 턴일 수 있다. 상기 전자기 부양 코일(120)은 구리 튜브로 형성될 수 있으며, 상기 구리 튜브의 내부에는 냉매가 흐를 수 있다.

상기 도전성 원료 물질(102)은 금속 또는 금속 화합물일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속은 갈륨(Ga), 아연(Zn), 또는 알루미늄(Al)일 수 있다. 상기 원료 물질은 유도 가열에 의하여 액체 상태로 부양될 수 있다.

상기 부양 전원(130)은 상기 전자기 부양 코일(120)의 양단에 RF 전력을 인가한다. 상기 부양 전원(130)의 주파수는 300 kHz 내지 600 kHz일 수 있다. 상기 부양 전원(130)의 주파수가 증가하면, 상기 유전체 튜브(110) 내에서 플라즈마가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 부양 전원(130)의 주파수는 플라즈마를 발생하지 않도록 충분히 낮을 수 있다.

상기 제1 가스 공급부(116)는 상기 유전체 튜브(110)의 일단에서 연속적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 가스 공급부(116)는 제1 가스를 상기 유전체 튜브(110)의 내부에 공급한다. 상기 제1 가스는 증발된 증기를 냉각하여 제1 나노 입자(104)를 제공할 수 있다. 또한, 상기 제1 가스의 유체 흐름은 상기 제1 나노 입자(104)를 상기 공정 챔버(140) 방향으로 이동시킨다. 예를 들어, 상기 제1 가스는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스일 수 있다.

상기 공정 챔버(140)는 도전성 물질로 형성될 수 있다. 상기 공정 챔버(140)는 원통형 형상일 수 있다. 상기 공정 챔버(140)는 상판(141)을 포함할 수 있다. 상기 상판(141)의 중심에 형성된 관통홀에 상기 유전체 튜브(110)의 타단이 연결될 수 있다. 상기 공정 챔버(140)는 접지될 수 있다. 상기 공정 챔버(140)의 측면에는 제2 가스를 공급하는 제2 가스 공급부(146)를 포함할 수 있다. 상기 제2 가스 공급부(146)는 상기 공정 챔버(140)에 제2 가스를 공급할 수 있다. 상기 제2 가스는 질소(N2) 가스와 같은 공정 가스일 수 있다. 상기 공정 챔버(140)는 배기부(147)에 의하여 배기될 수 있다. 상기 배기부(147)와 상기 공정 챔버(140)가 연결되는 부분에는 제2 나노 입자(106)의 손실을 방지하기 위하여 TEM 그리드(Grid)와 같은 필터(148)가 배치될 수 있다. 상기 공정 챔버의 상기 관통홀에는 오리피스(149a)를 가지는 차압판(149)이 배치될 수 있다. 상기 차압판(149)은 상기 유전체 튜브(110)와 상기 공정 챔버(140) 사이에 압력차를 제공할 수 있다. 상기 유전체 튜브(110) 내부의 압력은 상기 제1 나노 입자(104)의 크기를 조절할 수 있다. 상기 오리피스(149a)의 직경은 수 밀리미터일 수 있다.

상기 RF 전극(142)은 상기 공정 챔버(140)의 중심 영역에 배치될 수 있다. 상기 RF 전극(142)은 상기 공정 RF 전원(144)으로부터 임피던스 매칭 네트워크(145)를 통하여 전력을 공급받아 축전 결합 플라즈마를 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 공정 전극(142)은 상기 제1 가스 및 제2 가스를 이용하여 플라즈마를 형성할 수 있다.

상기 공정 RF 전원(144)은 플라즈마를 효율적으로 생성하기 위하여 고주파 RF 전원일 수 있다. 구체적으로, 상기 공정 RF 전원(144)의 주파수는 5 Mhz 내지 60 Mhz일 수 있다.

상기 제1 가스가 아르곤이고, 상기 제2 가스가 질소 가스이며, 상기 원료 물질(102)이 갈륨인 경우, 상기 플라즈마는 질소 원자를 형성할 수 있다. 여기 상태에 있는 질소 원자 또는 활성종은 상기 제1 나노 입자(Ga)와 기상 화학 반응하여 제2 나노 입자(GaN)를 형성할 수 있다. 또한, 상기 제2 나노 입자(106)는 플라즈마로부터 전자를 공급받아 음의 전하로 대전될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 나노 입자(106)는 상기 RF 전극(142)과 직접적으로 접촉하지 않고 부양 상태로 상기 플라즈마 내부에 구속될 수 있다. 이에 따라, 상기 음의 전하로 대전된 상기 제2 나노 입자(106)는 서로 응집하지 않고 균일한 크기를 가질 수 있다. 또한, 음의 전하로 대전된 상기 제2 나노 입자(106)는 전자-이온 재결합과 같은 반응을 통하여 플라즈마로부터 선택적으로 에너지를 얻어 가열될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 나노 입자(106)는 결정 상태 또는 다결정 상태를 가지도록 열처리될 수 있다.

도 3 및 도 4는 은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 나노 입자 합성 장치를 설명하는 도면들이다. 도 1에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.

도 3을 참조하면, 나노 입자 합성 장치(100a)는 유전체 튜브(110), 상기 유전체 튜브(110)의 주위에 감긴 전자기 부양 코일(120), 상기 전자기 부양 코일(120)에 의하여 부양되고 가열되어 증발하고 상기 전자기 부양 코일(120)의 중심 영역에 배치된 도전성 원료 물질(102), 상기 전자기 부양 코일(102)에 전력을 공급하는 부양 전원(130), 상기 유전체 튜브(110)의 일단에 배치되고 상기 유전체 튜브 내부에 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급부(116), 상기 유전체 튜브(116)의 타단에 연결된 공정 챔버(140), 상기 공정 챔버(140)의 내부에 배치된 RF 전극(142), 및 상기 RF 전극(142)에 RF 전력을 공급하여 플라즈마를 형성하는 공정 RF 전원(144)을 포함한다. 상기 부양 코일(120)에 의하여 가열된 도전성 원료 물질(102)이 증발하여 생성된 제1 나노입자(104)는 상기 공정 챔버(140)로 이동하여 상기 플라즈마에 의하여 처리된다.

제1 가스는 질소(N2) 가스일 수 있고, 상기 원료 물질은 갈륨(Ga)일 수 있다. 이에 따라, 상기 전자기 유도 코일(120)에 의하여 상기 원료 물질(102)은 부양되고 가열되어 증발한다. 증발된 증기는 냉각되어 제1 나노 입자(104)를 생성한다.

유도 코일(152)은 상기 부양 코일(120)과 상기 공정 챔버(140) 사이의 상기 유전체 튜브(110)를 감싸고 유도 결합 플라즈마를 형성한다. 즉, 상기 유도 코일(152)은 상기 유전체 튜브(110)의 하부를 감싸도록 배치될 수 있다.

상기 유도 코일(152)은 구리 튜브로 형성될 수 있다. 상기 유도 코일(152)은 적어도 한 턴(turn)으로 구성되고, 헬리칼(helical) 형태일 수 있다.

보조 RF 전원(154)은 상기 유도 코일(152)에 전력을 공급할 수 있다. 상기 보조 RF 전원(154)은 임피던스 매칭 네트워크(155)를 통하여 상기 유도 코일(152)에 RF 전력을 공급한다. 상기 유도 코일(152)은 유도 기전력을 이용하여 상기 유전체 튜브(110) 내부에 유도 결합 플라즈마를 형성한다. 상기 보조 RF 전원(154)의 주파수는 5 Mhz 내지 60 Mhz일 수 있다.

한편, 상기 유도 결합 플라즈마는 상기 부양 코일(120)이 감긴 증발 영역으로 확산될 수 있다. 증발 영역으로 플라즈마 확산을 방지하기 위하여, 상기 유도 코일(152)과 상기 부양 코일(120)의 사이의 상기 유전체 튜브(110) 내부에 매쉬(158)가 배치될 수 있다. 상기 매쉬(158)는 상기 제1 나노 입자(104)를 상기 공정 챔버(140) 방향으로 투과시키고, 전자를 상기 원료 물질(102)이 배치된 증발 영역으로 투과하지 못하게 한다. 이에 따라, 상기 원료 물질(102)이 배치된 영역에서 플라즈마 발생 또는 플라즈마 확산을 저지한다. 또한, 상기 매쉬(158)는 증발 영역과 유도 결합 플라즈마 영역 사이의 압력 차이를 제공할 수 있다.

상기 제1 가스는 증착 영역으로부터 상기 유도 결합 플라즈마 또는 제1 플라즈마가 발생하는 영역으로 공급되고, 상기 유도 코일(152)은 상기 제1 가스를 이온화시켜 플라즈마를 형성한다. 따라서, 상기 제1 가스에 형성된 활성종은 상기 제1 나노 입자(104)와 반응하여, 다른 조성의 제2 나노 입자(106)를 합성한다. 따라서, 상기 제1 가스는 질소와 같은 반응에 참여하는 공정 가스일 수 있다.

상기 제2 나노 입자(106)는 상기 공정 챔버(140)로 공급되어 다시 공정 플라즈마 또는 제2 플라즈마로 처리될 수 있다. 상기 제2 나노 입자(106)는 음 전하로 대전되고, 음의 전하로 대전된 제2 나노 입자(106)는 상기 공정 플라즈마에 의하여 구속되어 열처리된다. 한편, 상기 공정 챔버(140)의 제2 가스 공급부(146)에서 공급되는 제2 가스는 상기 제1 가스와 다른 가스일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 가스는 플라즈마 밀도를 향상시키는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스일 수 있다.

도 4를 참조하면, 나노 입자 합성 장치(100b)는 유전체 튜브 주위에 축적 결합 플라즈마를 사용하는 것을 제외하면 도 3에서 설명한 것과 동일하다.

축전 전극(252a,252b)은 상기 부양 코일과 상기 공정 챔버 사이의 상기 유전체 튜브를 감싸고 축전 결합 플라즈마를 형성하는 링 형태일 수 있다. 상기 축전 전극은 상부 링(252a)과 하부 링(ringl252b)을 포함할 수 있다. 상기 상부 링은 보조 RF 전원(254)으로부터 전력을 공급받고, 상기 하부 링은 접지될 수 있다. 이에 따라, 상기 상부 링과 상기 하부 링 사이에 형성된 전기장에 의하여 플라즈마가 유지될 수 있다.

보조 RF 전원(254)은 상기 상부 링(252a)에 전력을 공급할 수 있다. 상기 보조 RF 전원(254)은 임피던스 매칭 네트워크(255)를 통하여 상기 상부 링(252a)에 RF 전력을 공급한다. 상기 유도 코일(152)은 유도 기전력을 이용하여 상기 유전체 튜브(110) 내부에 유도 결합 플라즈마를 형성한다. 상기 보조 RF 전원(254)의 주파수는 5 Mhz 내지 60 Mhz일 수 있다.

매쉬(258)는 상기 부양 코일과 상기 축전 전극 사이의 유전체 튜브 내부에 배치될 수 있다. 상기 축전 결합 플라즈마는 상기 부양 코일(120)이 감긴 증발 영역을 확될 수 있다. 증발 영역으로 플라즈마 확산을 방지하기 위하여, 상기 축전 전극(252a,252b)과 상기 부양 코일(120)의 사이의 상기 유전체 튜브(110) 내부에 매쉬(258)가 배치될 수 있다. 상기 매쉬(258)는 상기 제1 나노 입자(104)를 상기 공정 챔버(140) 방향으로 투과시키고, 전자를 상기 원료 물질(102)이 배치된 증발 영역으로 투과하지 못하게 한다. 이에 따라, 상기 원료 물질(102)이 배치된 영역에서 플라즈마 발생 또는 플라즈마 확산을 저지한다. 또한, 상기 매쉬(258)는 증발 영역과 축전 결합 플라즈마 영역 사이의 압력 차이를 제공할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

100: 나노 입자 합성 장치 110: 유전체 튜브
120: 전자기 부양 코일 102: 도전성 원료 물질
130: 부양 전원 116: 제1 가스 공급부
140: 공정 챔버 142: RF 전극
144: 공정 RF 전원 104: 제1 나노입자
106: 제2 나노 입자

Claims

유전체 튜브;
상기 유전체 튜브의 주위에 감긴 전자기 부양 코일;
상기 전자기 부양 코일에 의하여 부양되고 가열되어 증발하고 상기 전자기 부양 코일의 중심 영역에 배치된 도전성 원료 물질;
상기 전자기 부양 코일에 전력을 공급하는 부양 전원;
상기 유전체 튜브의 일단에 배치되고 상기 유전체 튜브 내부에 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급부;
상기 유전체 튜브의 타단에 연결된 공정 챔버;
상기 공정 챔버의 내부에 배치된 RF 전극; 및
상기 RF 전극에 RF 전력을 공급하여 플라즈마를 형성하는 공정 RF 전원을 포함하고,
상기 부양 코일에 의하여 가열된 도전성 원료 물질이 증발하여 생성된 제1 나노입자는 상기 공정 챔버로 이동하여 상기 플라즈마에 의하여 처리되는 것을 특징으로 하는 나노 입자 합성 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 나노입자는 상기 플라즈마와 상호작용하여 다른 조성의 제2 나노 입자로 변환되는 것을 특징으로 하는 나노 입자 합성 장치.
제2 항에 있어서,
상기 공정 챔버에 배치된 제2 가스 공급부를 더 포함하고,
상기 제1 가스는 불활성 가스이고,
상기 제2 가스는 상기 제1 나노 입자와 반응하여 상기 제2 나노 입자를 합성하도록 하는 공정 가스인 것을 특징으로 하는 나노 입자 합성 장치.
제3 항에 있어서,
상기 도전성 원료 물질은 갈륨(Ga)이고, 상기 제1 가스는 아르곤이고, 상기 제2 가스는 질소(N2)이고, 상기 제1 나노입자는 갈륨(Ga)이고, 상기 제2 나노 입자는 갈륨나이트라이드(GaN)인 것을 특징으로 하는 나노 입자 합성 장치.
제1 항에 있어서,
상기 부양 전원의 주파수는 300 KHz 내지 600 Khz이고,
상기 공정 RF 전원의 주파수는 5 Mhz 내지 60 Mhz인 것을 특징으로 하는 나노 입자 합성 장치.
제1 항에 있어서,
상기 부양 코일과 상기 공정 챔버 사이의 상기 유전체 튜브를 감싸고 유도 결합 플라즈마를 형성하는 유도 코일;
상기 유도 코일에 전력을 공급하는 보조 RF 전원; 및
상기 부양 코일과 상기 유도 코일 사이의 유전체 튜브 내부에 배치되는 매쉬를 더 포함하고,
상기 제1 가스는 상기 제1 나노 입자와 반응하여 다른 조성의 제2 나노 입자를 합성하도록 하는 공정 가스인 것을 특징으로 하는 나노 입자 합성 장치.
제1 항에 있어서,
상기 부양 코일과 상기 공정 챔버 사이의 상기 유전체 튜브를 감싸고 축전 결합 플라즈마를 형성하는 링 형태의 축전 전극;
상기 축전 전극에 전력을 공급하는 보조 RF 전원; 및
상기 부양 코일과 상기 축전 전극 사이의 유전체 튜브 내부에 배치되는 매쉬를 더 포함하고,
상기 제1 가스는 상기 제1 나노 입자와 반응하여 다른 조성의 제2 나노 입자를 합성하도록 하는 공정 가스인 것을 특징으로 하는 나노 입자 합성 장치.
유전체 튜브 주위에 전자기 부양 코일을 감고 상기 전자기 부양 코일에 교류 전력을 제공하는 단계;
상기 전자기 부양 코일의 중심 영역에 배치된 도전성 원료 물질을 상기 전기 전자기 부양 코일에 의하여 부양하고 가열하고 증발시키는 단계;
상기 유전체 튜브의 일단에 배치된 제1 가스 공급부를 통하여 제1 가스를 공급하여 상기 도전성 원료 물질이 증발하여 생성된 제1 나노입자를 상기 유전체 튜브의 타단에 연결된 공정 챔버로 이동시키는 단계;
상기 공정 챔버에 RF 전극을 배치하고 상기 RF 전극에 RF 전력을 공급하여 플라즈마를 형성하는 단계; 및
상기 제1 나노입자를 상기 플라즈마와 상호작용하여 다른 조성의 제2 나노 입자로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 입자 합성 장치.
유전체 튜브 주위에 전자기 부양 코일을 감고 상기 전자기 부양 코일에 교류 전력을 제공하는 단계;
상기 전자기 부양 코일의 중심 영역에 배치된 도전성 원료 물질을 상기 전기 전자기 부양 코일에 의하여 부양하고 가열하고 증발시키는 단계;
상기 유전체 튜브의 일단에 배치된 제1 가스 공급부를 통하여 제1 가스를 공급하여 상기 도전성 원료 물질이 증발하여 생성된 제1 나노입자를 상기 유전체 튜브의 타단에 연결된 공정 챔버로 이동시키는 단계;
상기 유전체 튜브의 하부 영역에 배치된 플라즈마 발생 수단에 의하여 상기 제1 가스를 분해하여 제1 플라즈마를 생성하고, 상기 제1 플라즈마와 상기 제1 나노 입자가 반응하여 다른 조성의 제2 나노 입자를 생성하는 단계;
상기 제2 나노 입자를 상기 유전체 튜브의 타단에 연결된 공정 챔버로 이동시키는 단계;
상기 공정 챔버에 RF 전극을 배치하고 상기 RF 전극에 RF 전력을 공급하여 제2 플라즈마를 형성하는 단계; 및
상기 제2 나노 입자를 상기 제2 플라즈마와 상호작용시켜 상기 제2 나노 입자를 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 입자 합성 방법.