JP7001231B2 - ナノ粒子生産反応器 - Google Patents

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Description

関連出願との相互引用
本出願は、２０１７年９月７日に出願された大韓民国特許出願第１０－２０１７－０１１４２８８号に基づく優先権の利益を主張し、該当大韓民国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として組み込まれる。
技術分野
本発明は、ナノ粒子生産反応器に関する。
一般に、レーザー熱分解法は、原料物質にレーザーを照射して非常に短い反応時間内に原料物質を分解してナノ粒子を形成する方法である。
レーザーを用いたシランガス（ＳｉＨ４）を熱分解してシリコンナノ粒子を合成し得る。このような装置では、生産性を向上させるために合成されたナノ粒子を損失なしによく捕集することが重要である。
レーザー熱分解反応装置には、レーザービームが通過する光学レンズが設置されており、このレンズがナノ粒子により汚染される場合、破損される可能性がある。
これを防止するために、レンズは原料ガスが流動するメインチャンバから離隔されて設置されており、レンズが設置された領域には、ナノ粒子の流入を防止するためのフラッシングガス（ｆｌｕｓｈｉｎｇ ｇａｓ）注入ノズルが設けられる。しかし、従来の反応器は、ナノ粒子がレンズ側に流入されることを完璧に防止できなくてレンズがナノ粒子により汚染され、これによって、連続運転が不可能であった。
本発明は、ナノ粒子がレンズ側に流入されることを防止し得るナノ粒子生産反応器を提供することを解決しようとする課題とする。
上記した課題を解決するために、本発明の一側面によると、原料ガスが供給される第１ノズルを含むメインチャンバと、メインチャンバと流体移動可能に連結され、内部にフラッシングガスを供給するための第２ノズルを含むレンズハウジングと、レンズハウジングに装着されたレンズと、レンズを通過してメインチャンバ内の原料ガスに到逹するようにレーザーを照射するための光源と、メインチャンバで生成されたナノ粒子が排出されるフードと、を含み、レンズハウジングは、メインチャンバに向ける方向に沿って少なくとも一部領域の断面積が小さくなるように設けられたナノ粒子生産反応器が提供される。
以上のように、本発明の少なくとも一実施例と関連されたナノ粒子生産反応器は、次のような効果を有する。
レンズが設置されたレンズハウジングは、メインチャンバ方向に行くほど断面積が減少するように形成され、これによって、レンズハウジング内のフラッシングガスのモメンタムが増加するようになり、その結果、メインチャンバからレンズハウジングのレンズにナノ粒子が流入されることを防止することができる。
また、フラッシングガスの流れがメインチャンバの原料ガスの流れに直接的に触れないようにレンズハウジングの流路を曲げることで、レンズハウジングで加速されたフラッシングガスがメインチャンバの原料ガスの流れを撹乱させてナノ粒子がメインチャンバ内部の壁面を汚染させることを防止することができる。
一般的なナノ粒子生産反応器を示す概略図である。 一般的なナノ粒子生産反応器を示す概略図である。 図１に示したナノ粒子生産反応器を示す要部斜視図である。 図１に示したナノ粒子生産反応器を示す要部斜視図である。 図３の反応器で粒子の軌跡を示すシミュレーション結果である。 本発明の第１実施例と関連されたナノ粒子生産反応器を示す要部斜視図である。 本発明の第１実施例と関連されたナノ粒子生産反応器を示す要部斜視図である。 図６の反応器で粒子の軌跡を示すシミュレーション結果である。 本発明の第２実施例と関連されたナノ粒子生産反応器を示す要部斜視図である。 本発明の第２実施例と関連されたナノ粒子生産反応器を示す要部斜視図である。 図９の反応器で粒子の軌跡を示すシミュレーション結果である。 本発明の第３実施例と関連された反応器で粒子の軌跡を示すシミュレーション結果である。
以下、本発明の一実施例によるナノ粒子生産反応器を添付された図面を参考にして詳しく説明する。
また、図面符号に関係なく同一であるか対応する構成要素には同一又は類似な参照番号を付与し、これに対する重複説明は省略する。説明の便宜のために図示された各構成部材のサイズ及び形状は誇張されるか縮小され得る。
本文書でナノ粒子生産反応器は、レーザー熱分解反応装置と関連される。
図１及び図２は、一般的なナノ粒子生産反応器１００を示す概略図であり、図３及び図４は、図１に示されたナノ粒子生産反応器１００を示す要部斜視図であり、図５は、図３の反応器で粒子の軌跡を示すシミュレーション結果である。
前記反応器１００は、原料ガスが供給される第１ノズル１１１を含むメインチャンバ１１０及び、メインチャンバ１１０と流体移動可能に連結され、内部にフラッシングガスを供給するための第２ノズル１２１を含むレンズハウジング１２０を含む。また、前記反応器１００は、レンズハウジング１２０に装着されたレンズ１３０と、レンズ１３０を通過してメインチャンバ１１０内の原料ガスに到逹するようにレーザーを照射するための光源１５０と、メインチャンバ１１０で生成されたナノ粒子が排出されるフード１４０と、を含む。
一実施例で、光源１５０は、二酸化炭素（ＣＯ２）レーザーを照射するように設けられ、原料ガスは、モノシラン（ＳｉＨ４）を含み得る。また、第１ノズル１１0を通じて原料ガス及びシースガス（ｓｈｅａｔｈ ｇａｓ）（例えば、Ｎ２）が一緒に噴射され得る。このとき、第１ノズル１１0は、中央から原料ガスが噴射され、シースガスは、原料ガスを取り囲んだ状態で噴射されるように設けられ得る。
第１ノズル１１0からメインチャンバ１１０内に噴射された原料ガス（ＳｉＨ４）がレーザーを吸収して強烈な分子振動によりラジカル（Ｓｉラジカル）形態に分解され、ラジカルがナノ粒子核に発展した後、周辺ラジカルと結合して徐徐に成長しながら、球形のナノ粒子（シリコンナノ粒子）が生成される。原料ガスとレーザーが交差するメインチャンバ１１０の反応領域でナノ粒子が形成され、反応後の残余ガスは、合成された粒子を有してフード１４０に到逹する。ナノ粒子によりレンズ１３０が汚染及び破損されることを防止するために、レンズ１３０はレンズハウジング１２０を介してメインチャンバ１１０から離隔して設置されており、レンズハウジング１２０には、フラッシングガスを注入するための第２ノズル１２１が備われている。
図３及び図４に示したように、メインチャンバに向ける方向に沿ってレンズハウジング１２０の断面積（流動断面積）が一定な場合、図５を参照すると、原料ガスに含まれた粒子の一部がレンズ１３０に触れる。特に、速度ベクターを分析した結果で、メインチャンバ１１０からレンズハウジング１２０のレンズ１３０側に流動が流入されることを確認した。このような流動によってナノ粒子がレンズハウジング１２０の内部に流入されることで確認される。
図６及び図７は、本発明の第１実施例と関連されたナノ粒子生産反応器を示す要部斜視図であり、図８は、図６の反応器で粒子の軌跡を示すシミュレーション結果である。
レンズハウジング２２０は、メインチャンバ１１０に向ける方向に沿って少なくとも一部領域の断面積（流動断面積）が小さくなるように設けられる。
レンズハウジング２２０の断面、面積は多様に決定され得、例えば、レンズハウジング２２０の断面は円形であってもよい。
一実施例で、レンズハウジング２２０は、メインチャンバ１１０に向ける方向に沿って断面積が一定に維持される第１領域及び、第１領域からメインチャンバ１１０側に延長され、断面積が減少する第２領域を含み得る。
このとき、レンズ１３０は、第１領域側に配置され、第２ノズル３２１は、第１領域側に配置され得る。
また、第１領域と第２領域は、中心軸が同軸上に位置するように設けられ得る。例えば、レンズハウジング２２０は、第１領域の中心軸が第１ノズル１１１の中心軸と直交するように配置され得る。
このとき、光源１５０は、レーザーが第１領域及び第２領域を通過してメインチャンバ１１０内に照射されるように配置され得る。
メインチャンバ１１０の方向に行くほどレンズハウジング１２０の直径が減少するによって、レンズハウジング１２０とメインチャンバ１１０の連結領域でフラッシングガス（例えば、Ｎ２）の流速が増加し、フラッシングガスのモメンタムが増加するによって、メインチャンバ１１０へのナノ粒子の逆流現象が消える。図８を参照すると、レンズ側に向ける粒子の軌跡が発見されないことが確認できる。
図９及び図１０は、本発明の第２実施例と関連されたナノ粒子生産反応器を示す要部斜視図であり、図１１は、図９の反応器で粒子の軌跡を示すシミュレーション結果である。
レンズハウジング３２０は、メインチャンバ１１０に向ける方向に沿って少なくとも一部領域の断面積（流動断面積）が小さくなるように設けられる。
レンズハウジング３２０の断面、面積は多様に決定され得、例えば、レンズハウジング３２０の断面は、図９に示したように、直線部と曲線部を含んで構成され得る。
一実施例で、レンズハウジング３２０は、メインチャンバ１１０に向ける方向に沿って断面積が一定に維持される第１領域３２２及び、第１領域３２２からメインチャンバ１１０側に延長され、断面積が減少する第２領域３２３を含み得る。
このとき、レンズ１３０は、第１領域３２２側に配置され、第２ノズル３２１は、第１領域３２２側に配置され得る。
また、第１領域３２２と第２領域３２３は、中心軸が同軸上に位置するように設けられ得る。例えば、レンズハウジング３２０は、第１領域３２２の中心軸が第１ノズル１１１の中心軸と直交するように配置され得る。
このとき、光源１５０は、レーザーが第１領域３２２及び第２領域３２３を通過してメインチャンバ１１０内に照射されるように配置され得る。
メインチャンバ１１０の方向に行くほどレンズハウジング１２０の直径が減少するによって、レンズハウジング１２０とメインチャンバ１１０の連結領域でフラッシングガスの流速が増加し、フラッシングガスのモメンタムが増加するによって、メインチャンバ１１０へのナノ粒子の逆流現象が消える。図１１を参照すると、レンズ側に向ける粒子の軌跡が発見されないことが確認できる。
図１２は、本発明の第３実施例と関連された反応器で粒子の軌跡を示すシミュレーション結果である。
レンズハウジング４２０は、メインチャンバ１１０に向ける方向に沿って少なくとも一部領域の断面積（流動断面積）が小さくなるように設けられる。
一実施例で、レンズハウジング４２０は、メインチャンバ１１０に向ける方向に沿って断面積が一定に維持される第１領域４２２及び、第１領域４２２からメインチャンバ１１０側に延長され、断面積が減少する第２領域４２３を含み得る。また、レンズハウジング４２０は、第２領域４２３から延長され、第２領域４２３と中心軸が同軸上に位置しない第３領域４２４を含み得る。
このとき、レンズ１３０は、第１領域４２２側に配置され、第２ノズル４２１は、第１領域４２２側に配置され得る。
また、第１領域４２２と第２領域４２３は、中心軸が同軸上に位置するように設けられ得る。例えば、レンズハウジング４２０は、第１領域４２２の中心軸が第１ノズル１１１の中心軸と直交するように配置され得る。このとき、第３領域４２４は、第１領域４２２に対して第１ノズル１１１側に下向きに傾斜され得る。
このような構造で、レンズハウジング４２０内のフラッシングガスの流れと第１ノズル１１１から噴射された原料ガスの流れが垂直で交差することを防止し得る。
このような場合、フラッシングガスの流れが第１ノズルの外壁に衝突した後に第１ノズルを取り囲みながら上昇するため、原料ガスの拡散を防止する遮蔽ガスとしての役目も行う。
上述した本発明の好ましい実施例は、例示を目的とするものであり、本発明に対する通常の知識を有する当業者であれば、本発明の思想と範囲内で多様な修正、変更、付加が可能である。このような修正、変更及び付加は、下記の特許請求範囲に属することで理解すべきである。
本発明の少なくとも一実施例と関連されたナノ粒子生産反応器によると、レンズハウジングで加速されたフラッシングガスがメインチャンバの原料ガスの流れを撹乱させてナノ粒子がメインチャンバ内部の壁面を汚染させることを防止し得る。

Claims (7)

  1. 原料ガスが供給される第１ノズルを含むメインチャンバと、
    メインチャンバと流体移動可能に連結され、内部にフラッシングガスを供給するための第２ノズルを含むレンズハウジングと、
    レンズハウジングに装着されたレンズと、
    レンズを通過してメインチャンバ内の原料ガスに到逹するようにレーザーを照射するための光源と、
    メインチャンバで生成されたナノ粒子が排出されるフードと、を含み、
    レンズハウジングは、メインチャンバに向ける方向に沿って少なくとも一部領域の断面積が小さくなるように設けられ、
    レンズハウジングは、
    メインチャンバに向ける方向に沿って断面積が一定に維持される第１領域、
    第１領域からメインチャンバ側に延長され、断面積が減少する第２領域、及び、
    第２領域から延長され、第２領域と中心軸が同軸上に位置しない第３領域をさらに含む、
    ナノ粒子生産反応器。
  2. レンズは、第１領域側に配置される、請求項１に記載のナノ粒子生産反応器。
  3. 第２ノズルは、第１領域側に配置される、請求項１または２に記載のナノ粒子生産反応器。
  4. 第１領域と第２領域は、中心軸が同軸上に位置するように設けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載のナノ粒子生産反応器。
  5. レンズハウジングは、第１領域の中心軸が第１ノズルの中心軸と直交するように配置され、
    第３領域は、第１領域に対して第１ノズル側に下向きに傾斜される、請求項１から４のいずれか１項に記載のナノ粒子生産反応器。
  6. 光源は、レーザーが第１領域～第３領域を通過してメインチャンバ内に照射されるように配置される、請求項５に記載のナノ粒子生産反応器。
  7. 光源は、二酸化炭素（ＣＯ２）レーザーを照射するように設けられ、
    原料ガスは、モノシラン（ＳｉＨ４）を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のナノ粒子生産反応器。
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