It is required to control the nano-particle generation, growth, and crystallinity in various plasma applications. In order to achieve this, it is essential to understand the interaction between nano-particles and plasma species which can be accomplished by the accurate measurement of both plasma and nano-particle parameters. However, despite the development of many nano-particle diagnostics, not many plasma diagnostics have been developed for dusty plasmas because of the presence of the nano-particle, negative ions, and reactive species. In this dissertation, therefore, by utilizing a floating probe and plasma emission spectroscopy which are less affected by reactive species, the interaction between nano-particles and plasma species was investigated and a study for controlling nano-particle generation, growth rate, and crystallinity was undertaken. The nano-particle growth pattern, spatial distribution, and morphology as well as plasma parameters were investigated in relatively low (capacitively-coupled plasma: 10$^{9}$-10$^{10}$ cm$^{-3}$) and relatively high (inductively-coupled plasma: 10$^{10}$-10$^{11}$ cm$^{-3}$) density plasmas. It is found that the plasma parameters are significantly changed with time, i.e., with nano-particle growth in low density plasmas while they are almost constant in high density plasmas. In addition, the nano-particle transport from the bulk plasma to the edge plasma occurs in high density plasmas and shapes of the produced nano-particles are different between low and high density plasmas. These results indicate that the nano-particles alter the plasma parameters by capturing electrons and ions while the high ion density causes the nano-particle transport toward the chamber wall and crystallization. A simple zero-dimensional fluid model was developed to quantitatively understand the interaction between nano-particles and plasma species and the calculated values are in good agreement with the measured values. Using the knowledge obtained regarding the interaction between the nano-particle and the plasma, the control of nano-particle generation, growth rate, and crystallinity was attempted. The amount of produced nano-particle is suppressed by 50% and the growth rate of nano-particle increases by twice when the hydrogen gas of 6 mTorr is added. As a method for controlling nano-particle crystallinity, it is possible to improve nano-particle crystallinity by increasing the input rf power, decreasing the neutral gas pressure, and decreasing pulse duty cycle. It is also found that the hydrogen gas lowers the nano-particle crystallinity.
본 학위논문은 나노입자와 플라즈마 간의 상호작용 연구결과와 이를 이용한 나노입자의 성장속도, 생성량 및 결정성을 제어하는 방법에 관한 내용을 담고있다. 상대적으로 밀도가 낮은 플라즈마(축전결합플라즈마: 10$^{9}$-10$^{10}$ cm$^{-3}$)에서 나노입자는 $<$씨앗입자 생성$>$ - $<$씨앗입자끼리의 엉김성장$>$ - $<$나노입자로의 활성종 흡착성장$>$ 3단계 성장을 겪는다. 생성된 나노입자의 밀도는 (10$^{6}$ - 10$^{8}$) cm$^{-3}$ 범위이고 주로 전극 위쪽 벌크 플라즈마 부분에 분포한다. 나노입자의 영향으로 플라즈마 변수나 플라즈마 임피던스 등이 시간에 따라, 다시 말해 나노입자의 성장에 따라 변화한다. 상대적으로 밀도가 높은 플라즈마(유도결합플라즈마: 10$^{10}$-10$^{11}$ cm$^{-3}$)에서 나노입자는 $<$나노입자의 씨앗입자 생성$>$ - $<$씨앗입자끼리 엉김성장$>$ 2단계 성장만 겪는다. 나노입자의 밀도는 저밀도의 플라즈마에서 발생한 나노입자 밀도에 비해 1/2 이상 낮았으며 주로 플라즈마 가장자리에 분포한다. 따라서 고밀도 플라즈마에서 플라즈마 변수는 나노입자의 생성과 성장에 관계없이 시간에 대해 일정하고 플라즈마 균일도 또한 나노입자의 생성과 성장에 거의 영향을 받지 않는다. 위에서 기술한 저밀도 플라즈마와 고밀도 플라즈마 사이 차이를 분석한 결과, 높은 이온 플럭스는 나노입자로 작용하는 이온끌이힘을 강하게 만들어 벌크에서 경계 플라즈마로의 나노입자 수송을 일으키고 나노입자 표면에서 전자와의 재결합 또는 충돌을 통해 나노입자의 결정화를 유발한다. 수치적 해석결과, 방전 초기 고에너지 전자는 작은 나노입자와 충돌을 통해 나노입자의 2차전자 방출현상을 일으키고 나노입자의 전하량을 감소시키며 엉김성장을 유도한다. 입자의 성장에 따라 나노입자로 포집되는 전자의 수는 기하급수적으로 증가하고 전자밀도는 급격히 감소하며 전자온도는 상승한다.
나노입자와 플라즈마 간의 상호작용 연구를 바탕으로 나노입자의 성장속도, 생성량 및 결정성 제어를 시도하였다. 수소 기체를 플라즈마에 첨가하여 플라즈마의 온도를 낮추고 플라즈마 화학 반응을 바꾸어 나노입자 성장의 근간이 되는 씨앗입자의 생성률을 감소시켰다. 그 결과 나노입자의 생성량을 50\% 감소시킬 수 있었고 나노입자의 분자흡착 성장속도를 두 배 가량 증가시킬 수 있었다. 플라즈마 변수를 조절하여 높은 결정성의 나노입자를 합성하는 방법에 대해 연구하였다. 연구결과, 높은 결정성을 얻기 위해서는 높은 인가전력, 낮은 중성기체 압력, 낮은 수소분압, 낮은 듀티 싸이클이 필요하였다. 유도결합플라즈마가 높은 이온플럭스와 낮은 동작압력을 갖기 때문에 가장 적합하지만 강한 이온끌이힘의 영향으로 나노입자의 수송이 일어나 입자의 생성량이 낮은 단점이 있다.
