JP2008024526A - Method for forming silicon - Google Patents

Method for forming silicon Download PDF

Info

Publication number
JP2008024526A
JP2008024526A JP2006195466A JP2006195466A JP2008024526A JP 2008024526 A JP2008024526 A JP 2008024526A JP 2006195466 A JP2006195466 A JP 2006195466A JP 2006195466 A JP2006195466 A JP 2006195466A JP 2008024526 A JP2008024526 A JP 2008024526A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon
reducing metal
containing material
atoms
laser light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006195466A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tadashi Ito
忠 伊藤
Hirozumi Azuma
博純 東
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2006195466A priority Critical patent/JP2008024526A/en
Publication of JP2008024526A publication Critical patent/JP2008024526A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for forming silicon by which an environmental load can be sufficiently reduced without requiring the use of combustible gas and toxic gas, and the silicon can efficiently be formed with a sufficiently reduced energy without applying high heat. <P>SOLUTION: In the method for forming the silicon, a silicon-containing material containing silicon of 30 to 99.9 atomic% and a reducing metallic element of 0.1 to 50 atomic% is irradiated with laser light having a wavelength of 192 to 1,064 nm, a pulse width of 100 nanoseconds to 10 femtoseconds and an irradiation intensity of 10<SP>8</SP>to 10<SP>15</SP>W/cm<SP>2</SP>in a vacuum atmosphere under the oxygen partial pressure of ≤10<SP>-2</SP>Pa, so as to obtain silicon. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、シリコンの形成方法に関する。   The present invention relates to a method for forming silicon.

現在、太陽電池としては多結晶シリコン太陽電池が主流となっている。このような太陽電池用のシリコンは、主に大規模集積回路に用いられる半導体用シリコンの規格外品の再利用でまかなわれてきた。そのため、今後、現在のペースで太陽電池の普及が進んだ場合に太陽電池用のシリコンが不足することが懸念されている。そして、このような問題を解決するために、生産量が半導体用シリコンの生産量より多い低純度シリコン(以下、単に「金属シリコン」と称する。)を高純度化して太陽電池用シリコンとする方法が研究されてきた。   At present, polycrystalline silicon solar cells are mainly used as solar cells. Such silicon for solar cells has been provided mainly by the reuse of non-standard products for semiconductor silicon used in large-scale integrated circuits. For this reason, there is a concern that the silicon for solar cells will be insufficient in the future when solar cells are widely used at the current pace. In order to solve such a problem, a method for producing a silicon for solar cells by purifying low-purity silicon (hereinafter simply referred to as “metal silicon”) whose production amount is larger than that of semiconductor silicon. Has been studied.

例えば、特開平11−60228号公報(特許文献1)においては、シリコン原料である四塩化珪素を、亜鉛ガスを蒸留・凝縮して採取された溶融亜鉛で還元し、多結晶シリコンを回収するシリコンの形成方法が記載されている。また、特開平10−287413号公報(特許文献2)においては、ガス化された塩素化シリコンを原料とし、排ガスから未消費の塩素化シリコンを回収するとともに、消費された原料ガスを金属シリコンの投入により再生しつつCVD等によって多結晶シリコンを製造するシリコンの形成方法が記載されている。更に、特開平11−49508号公報(特許文献3)においては、金属シリコンと水素と四塩化珪素とを反応せしめてトリクロルシランを含む反応生成物を生成せしめる工程と、前記反応生成物を蒸留に付して精製トリクロロシランと精製四塩化珪素とに分離せしめる工程と、前記精製トリクロロシランを水素とともに反応させて高純度シリコンを生成せしめる工程とを含むシリコンの形成方法が記載されている。   For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 11-60228 (Patent Document 1), silicon tetrachloride, which is a silicon raw material, is reduced with molten zinc collected by distilling and condensing zinc gas to recover polycrystalline silicon. Is described. In Japanese Patent Laid-Open No. 10-287413 (Patent Document 2), gasified chlorinated silicon is used as a raw material, and unconsumed chlorinated silicon is recovered from exhaust gas. A silicon forming method is described in which polycrystalline silicon is manufactured by CVD or the like while being recycled by being charged. Furthermore, in JP-A-11-49508 (Patent Document 3), a step of reacting metal silicon, hydrogen and silicon tetrachloride to produce a reaction product containing trichlorosilane, and distilling the reaction product into distillation. And a method for forming silicon, which includes a step of separating purified trichlorosilane and purified silicon tetrachloride and a step of reacting the purified trichlorosilane with hydrogen to produce high-purity silicon.

しかしながら、特許文献1〜3に記載のようなシリコンの形成方法においては、金属シリコンを生成するために1500℃〜2000℃程度の温度が必要であったため、金属シリコンの製造に多大なエネルギーを必要であるという問題があった(志村史夫著、「半導体シリコン結晶光学」、丸善、1993年発行、16頁(非特許文献1)参照)。また、特許文献1〜3に記載のようなシリコンの形成方法においては、水素等の可燃性ガスや四塩化珪素等の毒性ガスを用いるため環境負荷が大きいという問題もあった。
特開平11−60228号公報 特開平10−287413号公報 特開平11−49508号公報 志村史夫著、「半導体シリコン結晶光学」、丸善、1993年発行、16頁
However, in the method for forming silicon as described in Patent Documents 1 to 3, since a temperature of about 1500 ° C. to 2000 ° C. is necessary to produce metallic silicon, a great deal of energy is required for producing metallic silicon. (Refer to Fumio Shimura, “Semiconductor Silicon Crystal Optics”, published by Maruzen, 1993, page 16 (Non-patent Document 1)). In addition, the silicon forming methods described in Patent Documents 1 to 3 have a problem that the environmental load is large because a flammable gas such as hydrogen or a toxic gas such as silicon tetrachloride is used.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-60228 JP-A-10-287413 Japanese Patent Laid-Open No. 11-49508 Fumio Shimura, “Semiconductor Silicon Crystal Optics”, Maruzen, 1993, 16 pages

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、可燃性ガスや毒性ガスを用いる必要がなく環境負荷を十分に低減することができるとともに、高熱を印加する必要がなく投入するエネルギーを十分に少なくすることができ、シリコンを効率よく形成することが可能なシリコンの形成方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and it is not necessary to use a flammable gas or a toxic gas, so that it is possible to sufficiently reduce the environmental load, and it is not necessary to apply high heat. It is an object of the present invention to provide a method for forming silicon, which can sufficiently reduce energy and can efficiently form silicon.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、特定のシリコン含有原料に、酸素分圧が10−2Pa以下の真空雰囲気下で、波長192〜1064nm、パルス幅100ナノ秒〜10フェムト秒、照射強度10〜1015W/cmのレーザー光を照射し、シリコンを得ることにより、可燃性ガスや毒性ガスを用いる必要がなく環境負荷を十分に低減することができるとともに、高熱を印加する必要がなく投入するエネルギーを十分に少なくすることができ、シリコンを効率よく形成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention have applied a specific silicon-containing raw material to a wavelength of 192 to 1064 nm and a pulse width of 100 nanometers in a vacuum atmosphere having an oxygen partial pressure of 10 −2 Pa or less. By irradiating a laser beam with a second to 10 femtoseconds and an irradiation intensity of 10 8 to 10 15 W / cm 2 to obtain silicon, it is not necessary to use a flammable gas or a toxic gas, thereby sufficiently reducing the environmental load. As a result, the inventors have found that the energy to be input can be sufficiently reduced without applying high heat and silicon can be formed efficiently, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明のシリコンの形成方法は、30〜99.9原子%の珪素と、0.1〜50原子%の還元性金属元素とを含有する珪素含有材料に、圧力10−2Pa以下の真空雰囲気下で、波長192〜1064nm、パルス幅100ナノ秒〜10フェムト秒、照射強度10〜1015W/cmのレーザー光を照射し、シリコンを得ることを特徴とする方法である。 That is, the silicon forming method of the present invention is applied to a silicon-containing material containing 30 to 99.9 atomic% of silicon and 0.1 to 50 atomic% of a reducing metal element at a pressure of 10 −2 Pa or less. In a vacuum atmosphere, silicon is obtained by irradiating a laser beam having a wavelength of 192 to 1064 nm, a pulse width of 100 nanoseconds to 10 femtoseconds, and an irradiation intensity of 10 8 to 10 15 W / cm 2 .

上記本発明のシリコンの形成方法においては、前記還元性金属元素の酸化物を生成するためのギブス自由エネルギーの変化の値が、珪素の酸化物を生成するためのギブス自由エネルギーの変化の値より小さい値であることが好ましい。   In the silicon forming method of the present invention, the Gibbs free energy change value for producing the oxide of the reducing metal element is greater than the Gibbs free energy change value for producing the silicon oxide. A small value is preferred.

また、上記本発明のシリコンの形成方法においては、還元性金属原子が飛散する雰囲気下において、前記珪素含有材料に前記レーザー光を照射することが好ましい。   In the silicon formation method of the present invention, it is preferable that the silicon-containing material is irradiated with the laser light in an atmosphere in which reducing metal atoms are scattered.

また、上記本発明のシリコンの形成方法においては、前記珪素含有材料の外表面の少なくとも一部を還元性金属層で覆う工程と、
前記還元性金属層に前記真空雰囲気下で前記レーザー光を照射して予め還元性金属原子を飛散させる工程と、
を更に含むことが好ましい。
In the method for forming silicon of the present invention, a step of covering at least a part of the outer surface of the silicon-containing material with a reducing metal layer,
Irradiating the reducing metal layer with the laser light in the vacuum atmosphere to scatter the reducing metal atoms in advance;
It is preferable that it is further included.

また、上記本発明のシリコンの形成方法においては、還元性金属元素からなるターゲットにレーザー光を照射し予め還元性金属原子を飛散させる工程を更に含んでいてもよい。   In addition, the silicon formation method of the present invention may further include a step of irradiating a target made of a reducing metal element with a laser beam to scatter the reducing metal atoms in advance.

なお、本発明のシリコンの形成方法によって上記目的が達成される理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、珪素を含有する材料に前述のようなレーザー光を照射すると、先ず、前記材料が分解され、珪素原子及び前記材料を構成する珪素以外の他の原子や分子が飛散する。そして、飛散した珪素原子を回収するための回収装置として基板を用いた場合においては、飛散した珪素原子は基板に達するまでの間に酸素分子と衝突するため、酸化して一酸化珪素分子又は二酸化珪素分子となってしまう(以下、一酸化珪素分子と二酸化珪素分子とを合わせて「酸化珪素分子」と総称する。)。また、珪素原子が、それを回収するための基板まで到達できたとしても基板上で珪素と酸素分子とが衝突し、酸化珪素分子になってしまう。そのため、単に、レーザー光を照射する方法を採用しても効率的にシリコンを形成することはできない。   The reason why the above object is achieved by the silicon formation method of the present invention is not necessarily clear, but the present inventors speculate as follows. That is, when a material containing silicon is irradiated with laser light as described above, the material is first decomposed, and silicon atoms and other atoms or molecules other than silicon constituting the material are scattered. In the case where the substrate is used as a recovery device for recovering scattered silicon atoms, the scattered silicon atoms collide with oxygen molecules before reaching the substrate. It becomes a silicon molecule (hereinafter, the silicon monoxide molecule and the silicon dioxide molecule are collectively referred to as “silicon oxide molecule”). Further, even if silicon atoms can reach the substrate for recovering them, silicon and oxygen molecules collide with each other on the substrate to become silicon oxide molecules. Therefore, silicon cannot be formed efficiently even if a method of simply irradiating laser light is employed.

そこで、本発明においては、先ず、このようなレーザー照射を酸素分圧が10−2Pa以下の真空雰囲気下で行うことで酸素分子の存在率を低下させて酸化珪素分子の発生を抑制する。しかしながら、このような真空雰囲気下においても、その圧力に応じた数の酸素分子が存在するため、酸化珪素分子の発生を十分に抑制することはできない。そこで、本発明においては、上述のような真空雰囲気下でレーザー光を照射することに加えて、更に還元性金属元素が含有された珪素含有材料を用いることで酸化珪素分子の発生を十分に抑制する。すなわち、珪素含有材料にレーザー光を照射した際には、珪素の他、還元性金属原子が飛散する。そして、このような還元性金属元素は、珪素よりも酸化され易いもの(例えば、還元性金属元素の酸化物を生成するためのギブス自由エネルギーの変化の値(ΔG:負の値)が珪素の酸化物を生成するためのギブス自由エネルギーの変化の値(ΔG:負の値)に比べて小さい(ΔG<ΔG)もの)が好適に用いられる。そのため、珪素原子と酸素分子との衝突によって酸化珪素分子が生じた場合においても、酸素原子は珪素原子と結合しているよりも還元性金属原子と結合する方が安定となり、酸化珪素分子と還元性金属原子とが接触すると、酸化珪素分子は還元されて珪素原子となり、還元性金属は酸化されて酸化物となる。あるいは、還元性金属原子が酸素分子と結合し、珪素原子と接触する酸素分子を減らすことができる。このようにして酸化珪素分子の発生を十分に抑制することができるため、本発明においては、基板上に珪素原子を効率よく到達させることができ、シリコンを効率よく得ることができる。なお、本発明においては、上述のように、レーザー光を照射する方法を採用しているため、シリコンを形成する際に可燃性ガスや毒性ガスを用いる必要がなく環境負荷を十分に低減できる。また、本発明においては、シリコンを形成する際に高熱を印加する必要がなく、レーザー光を照射する方法を採用しているため、投入するエネルギーを少なくしつつ効率よくシリコンを形成することが可能である。 Therefore, in the present invention, first, such laser irradiation is performed in a vacuum atmosphere having an oxygen partial pressure of 10 −2 Pa or less, thereby reducing the abundance of oxygen molecules and suppressing the generation of silicon oxide molecules. However, even under such a vacuum atmosphere, the number of oxygen molecules corresponding to the pressure exists, and thus generation of silicon oxide molecules cannot be sufficiently suppressed. Therefore, in the present invention, in addition to irradiating laser light in the vacuum atmosphere as described above, generation of silicon oxide molecules is sufficiently suppressed by using a silicon-containing material further containing a reducing metal element. To do. That is, when a silicon-containing material is irradiated with laser light, reducing metal atoms are scattered in addition to silicon. Such a reducible metal element is more easily oxidized than silicon (for example, a value of change in Gibbs free energy (ΔG 1 : negative value) for generating an oxide of the reducible metal element is silicon). A value (ΔG 1 <ΔG 2 ) that is smaller than the value of change in Gibbs free energy (ΔG 2 : negative value) for producing the oxide is preferably used. Therefore, even when a silicon oxide molecule is generated by collision between a silicon atom and an oxygen molecule, the oxygen atom is more stably bonded to the reducing metal atom than the silicon atom, and the silicon oxide molecule and the reduced oxygen molecule are reduced. When contact is made with the reducible metal atom, the silicon oxide molecules are reduced to silicon atoms, and the reducible metal is oxidized to become oxides. Alternatively, the reducing metal atom can be bonded to the oxygen molecule and the number of oxygen molecules in contact with the silicon atom can be reduced. Since generation of silicon oxide molecules can be sufficiently suppressed in this way, in the present invention, silicon atoms can efficiently reach the substrate, and silicon can be obtained efficiently. In addition, in this invention, since the method of irradiating a laser beam is employ | adopted as mentioned above, when forming silicon, it is not necessary to use a combustible gas or a toxic gas, and can reduce environmental impact fully. In addition, in the present invention, it is not necessary to apply high heat when forming silicon, and since a method of irradiating laser light is adopted, it is possible to efficiently form silicon while reducing input energy. It is.

また、前記珪素含有材料の外表面の少なくとも一部を還元性金属層で覆い、その還元性金属層に前記レーザー光を照射した場合には、還元性金属の原子が飛散する。そして、このような還元性金属原子が飛散すると、前記真空雰囲気中の酸素と還元性金属原子とが結合して、真空雰囲気中の酸素分圧が更に低下する。すなわち、このようにして予め還元性金属原子を飛散させることで、真空雰囲気中の単位体積中に含まれる酸素分子の数を減少させることができる。そのため、本発明のシリコンの形成方法においては、前記珪素含有材料の外表面の少なくとも一部を還元性金属層で覆う工程と、前記還元性金属層に前記真空雰囲気下で前記レーザー光を照射して予め還元性金属原子を飛散させる工程とを更に含んだ場合には、予め還元性金属原子により真空雰囲気中の単位体積あたりの酸素分子数が減少させることができるため、珪素含有材料から飛散する珪素原子と酸素分子との衝突する機会をより減少させることができ、珪素原子を回収するための基板上にはより多くの珪素原子が到達でき、これによってシリコンの大きさ又は単位時間に堆積するシリコンをより増加できる傾向にあるものと本発明者らは推察する。   Further, when at least a part of the outer surface of the silicon-containing material is covered with a reducing metal layer and the reducing metal layer is irradiated with the laser light, atoms of the reducing metal are scattered. When such reducible metal atoms are scattered, oxygen in the vacuum atmosphere and reducible metal atoms are combined to further reduce the oxygen partial pressure in the vacuum atmosphere. That is, the number of oxygen molecules contained in the unit volume in the vacuum atmosphere can be reduced by previously scattering the reducing metal atoms in this way. Therefore, in the method for forming silicon of the present invention, a step of covering at least a part of the outer surface of the silicon-containing material with a reducing metal layer, and irradiating the reducing metal layer with the laser light in the vacuum atmosphere. And the step of previously scattering the reducing metal atom, the number of oxygen molecules per unit volume in the vacuum atmosphere can be reduced by the reducing metal atom in advance, so that it is scattered from the silicon-containing material. The chance of collision between silicon atoms and oxygen molecules can be further reduced, and more silicon atoms can reach the substrate for recovering silicon atoms, thereby depositing in silicon size or unit time The present inventors speculate that the silicon tends to be increased.

本発明によれば、可燃性ガスや毒性ガスを用いる必要がなく環境負荷を十分に低減することができるとともに、高熱を印加する必要がなく投入するエネルギーを十分に少なくすることができ、シリコンを効率よく形成することが可能なシリコンの形成方法を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is not necessary to use a flammable gas or a toxic gas, and it is possible to sufficiently reduce the environmental load, and it is not necessary to apply high heat. It is possible to provide a method for forming silicon that can be efficiently formed.

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明及び図面中、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description and drawings, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and duplicate descriptions are omitted.

本発明のシリコンの形成方法は、30〜99.9原子%の珪素と、0.1〜50原子%の還元性金属元素とを含有する珪素含有材料に、酸素分圧が10−2Pa以下の真空雰囲気下で、波長192〜1064nm、パルス幅100ナノ秒〜10フェムト秒、照射強度10〜1015W/cmのレーザー光を照射し、シリコンを得ることを特徴とする方法である。 In the silicon forming method of the present invention, an oxygen partial pressure of 10 −2 Pa or less is applied to a silicon-containing material containing 30 to 99.9 atomic% of silicon and 0.1 to 50 atomic% of a reducing metal element. In this vacuum atmosphere, silicon is obtained by irradiating a laser beam having a wavelength of 192 to 1064 nm, a pulse width of 100 nanoseconds to 10 femtoseconds, and an irradiation intensity of 10 8 to 10 15 W / cm 2. .

図1は、本発明のシリコンの形成方法を実施するのに好適なシリコン形成装置の好適な一実施形態の基本構成を示す模式図である。すなわち、図1に示すシリコン形成装置は、レーザー光源1と、光学系2と、レーザー光源1から発せられたレーザー光Lが光学系1により集光されて導入される真空室3とを備えている。また、真空室3の内部にはレーザー光Lが照射される珪素含有材料4と、飛散する珪素原子を回収するための回収装置5とが配置されている。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a preferred embodiment of a silicon forming apparatus suitable for carrying out the silicon forming method of the present invention. That is, the silicon forming apparatus shown in FIG. 1 includes a laser light source 1, an optical system 2, and a vacuum chamber 3 into which laser light L emitted from the laser light source 1 is collected and introduced by the optical system 1. Yes. In addition, a silicon-containing material 4 to which the laser beam L is irradiated and a recovery device 5 for recovering scattered silicon atoms are disposed inside the vacuum chamber 3.

珪素含有材料4に照射されるレーザー光Lは、波長192〜1064nm(より好ましくは192〜532nm)、パルス幅1マイクロ秒〜1フェムト秒(より好ましくは100ナノ秒〜10フェムト秒)、照射強度10〜1016W/cm(より好ましくは10〜1015W/cm)のレーザー光である。このようなレーザー光Lの波長が前記上限を超えると、十分に珪素含有材料4が分解されず、十分な量のSi原子が生成されない傾向にある。 The laser light L applied to the silicon-containing material 4 has a wavelength of 192 to 1064 nm (more preferably 192 to 532 nm), a pulse width of 1 microsecond to 1 femtosecond (more preferably 100 nanoseconds to 10 femtoseconds), and an irradiation intensity. The laser beam is 10 7 to 10 16 W / cm 2 (more preferably 10 8 to 10 15 W / cm 2 ). When the wavelength of such laser light L exceeds the upper limit, the silicon-containing material 4 is not sufficiently decomposed and a sufficient amount of Si atoms tends not to be generated.

また、レーザー光Lのパルス幅が前記下限未満では、珪素含有材料4が蒸発、逸散し、堆積しない傾向にあり、他方、前記上限を超えると珪素含有材料4に供給されるパワーが十分ではなく、効率よく十分な量のSi原子が生成されない傾向にある。更に、レーザー光Lの照射強度が前記下限未満では珪素含有材料4に供給されるパワーが十分ではなく、効率よく十分な量のSi原子が生成されない傾向にあり、他方、前記上限を超えると珪素含有材料4が蒸発、逸散し、堆積しない傾向にある。   When the pulse width of the laser beam L is less than the lower limit, the silicon-containing material 4 tends to evaporate, dissipate, and does not accumulate. On the other hand, when the pulse width exceeds the upper limit, the power supplied to the silicon-containing material 4 is not sufficient. Therefore, there is a tendency that a sufficient amount of Si atoms is not efficiently generated. Furthermore, when the irradiation intensity of the laser beam L is less than the lower limit, the power supplied to the silicon-containing material 4 is not sufficient, and a sufficient amount of Si atoms tends not to be generated efficiently. The contained material 4 tends to evaporate, dissipate and do not accumulate.

レーザー光Lを発するレーザー光源1としては特に制限されず、波長192〜1064nm、パルス幅100ナノ秒〜10フェムト秒のレーザー光を照射することが可能なレーザー光発生装置であればよく、特に制限されず、例えばエキシマレーザー装置やYAGレーザー装置等のパルス幅がナノ秒のレーザー装置;チタンサファイアレーザー等のパルス幅がピコ秒からフェムト秒のレーザー装置等によって適宜構成させることができる。また、レーザー光源1は、真空室3の内部に配置されている珪素含有材料4に向かってレーザー光Lを照射する位置に配置されている。更に、本実施形態においては、レーザー光Lを珪素含有材料4に照射した際に珪素含有材料4の表面から飛散する粒子(珪素原子6及び還元性金属原子7等)が効率的に発生するように、レーザー光Lの光路の途中に光学系(例えば集光レンズ、鏡等)2が配置されている。そして、光学系2によりレーザー光Lのエネルギー密度や照射角度等が調整される。本発明においては、レーザー光Lの照射強度は10〜1015W/cm調整される。 The laser light source 1 that emits the laser light L is not particularly limited, and may be any laser light generator that can irradiate laser light having a wavelength of 192 to 1064 nm and a pulse width of 100 nanoseconds to 10 femtoseconds. For example, a laser device having a pulse width of nanoseconds such as an excimer laser device or a YAG laser device; a laser device having a pulse width of picoseconds to femtoseconds such as a titanium sapphire laser can be appropriately configured. Further, the laser light source 1 is disposed at a position where the laser light L is irradiated toward the silicon-containing material 4 disposed inside the vacuum chamber 3. Furthermore, in the present embodiment, when the silicon-containing material 4 is irradiated with the laser light L, particles (such as silicon atoms 6 and reducing metal atoms 7) scattered from the surface of the silicon-containing material 4 are efficiently generated. In addition, an optical system (for example, a condensing lens, a mirror, etc.) 2 is disposed in the middle of the optical path of the laser light L. Then, the energy density, irradiation angle, and the like of the laser light L are adjusted by the optical system 2. In the present invention, the irradiation intensity of the laser beam L is adjusted to 10 8 to 10 15 W / cm 2 .

真空室3は、少なくとも珪素含有材料4と回収装置5とを内部に収容するための容器(例えばステンレス製の容器)からなり、レーザー光Lを真空室3内に配置された珪素含有材料4の表面に導入するための窓(例えば石英製の窓)を備えている。また、真空室3には真空ポンプ(図示せず)が接続されており、真空室3の内部を酸素分圧が10−2Pa(より好ましくは10−3Pa)以下の真空雰囲気状態に維持することが可能となっている。このように内部の圧力10−2Pa以下とすることで、レーザー光3の照射により珪素原子6が発生した場合に空気中の酸素に接触する機会が少なくなり、回収装置5の表面に効率良く珪素原子を回収することが可能となる。 The vacuum chamber 3 is composed of a container (for example, a stainless steel container) for accommodating at least the silicon-containing material 4 and the recovery device 5 therein, and the laser beam L is irradiated with the silicon-containing material 4 disposed in the vacuum chamber 3. A window (for example, a quartz window) for introduction into the surface is provided. In addition, a vacuum pump (not shown) is connected to the vacuum chamber 3, and the inside of the vacuum chamber 3 is maintained in a vacuum atmosphere state with an oxygen partial pressure of 10 −2 Pa (more preferably 10 −3 Pa) or less. It is possible to do. Thus, by setting the internal pressure to 10 −2 Pa or less, when silicon atoms 6 are generated by the irradiation of the laser beam 3, the chance of coming into contact with oxygen in the air is reduced, and the surface of the recovery device 5 is efficiently provided. It becomes possible to recover silicon atoms.

珪素含有材料4は、30〜99.9原子%の珪素と、0.1〜50原子%(より好ましくは1〜30原子%)の還元性金属元素とを含有するものである。このような珪素の含有量が前記下限未満では、珪素の量が少なすぎて効率的にシリコンを形成させることが困難となり、他方、前記上限を超えると、珪素含有材料の価格が高くなり、コストが高騰する。また、還元性金属元素の含有量が前記下限未満では、酸素分圧を十分に低減できず、酸化珪素分子の発生を十分に抑制できないことから効率よくシリコンを形成することが困難となり、他方、前記上限を超えると、レーザー照射によって珪素含有材料の表面に形成されるプラズマP中又は珪素原子の飛散中に珪素原子と還元性金属原子とが結合する頻度が増加し、効率よくシリコンを形成することが困難となる。なお、珪素含有材料4に含有されている珪素は、珪素の単体として含有されていてもよく、二酸化珪素、窒化珪素、炭化珪素等の珪化物の単体として含有されていてもよく、あるいは、これらの混合物として含有されていてもよい。   The silicon-containing material 4 contains 30 to 99.9 atomic% of silicon and 0.1 to 50 atomic% (more preferably 1 to 30 atomic%) of a reducing metal element. If the content of silicon is less than the lower limit, the amount of silicon is too small to make it difficult to form silicon efficiently. On the other hand, if the upper limit is exceeded, the price of the silicon-containing material increases and the cost increases. Soars. Further, if the content of the reducing metal element is less than the lower limit, the oxygen partial pressure cannot be sufficiently reduced, and generation of silicon oxide molecules cannot be sufficiently suppressed, making it difficult to efficiently form silicon, When the upper limit is exceeded, the frequency of bonding of silicon atoms and reducing metal atoms increases in the plasma P formed on the surface of the silicon-containing material by laser irradiation or during the scattering of silicon atoms, and silicon is efficiently formed. It becomes difficult. The silicon contained in the silicon-containing material 4 may be contained as a simple substance of silicon, may be contained as a simple substance of silicide such as silicon dioxide, silicon nitride, silicon carbide, or the like. It may be contained as a mixture.

また、このような還元性金属元素としては、1モルの還元性金属元素の酸化物が生成されるためのギブス自由エネルギーの変化の値(ΔG:負の値)が、1モルの珪素の酸化物が生成されるためのギブス自由エネルギーの変化の値(ΔG:負の値)より小さい(ΔG<ΔG)ものを好適に用いることができる。すなわち、このような還元性金属元素としては、珪素よりも酸化され易いものが好ましい。本発明においては、珪素含有材料4にこのような還元性金属元素が含有されているため、珪素含有材料4にレーザー光Lが照射した際に、珪素原子6とともに、珪素原子6よりも酸化され易い還元性金属原子7が飛散し、珪素原子6と酸素との衝突によって酸化珪素分子が生じた場合においても、酸素原子8は珪素と結合しているよりも還元性金属原子と結合する方が安定であるため、酸化珪素分子と還元性金属原子7とが接触すると、酸化珪素分子が還元されて珪素原子となるとともに還元性金属原子7が酸化されて酸化物となり、酸化珪素分子の発生を十分に抑制して回収装置5上に珪素原子6を効率よく到達させることができるとともに、回収装置5に到達した後においても珪素が酸化されることを防止できる。 In addition, as such a reducible metal element, the value of change in Gibbs free energy (ΔG 1 : negative value) for producing 1 mol of the oxide of the reducible metal element is 1 mol of silicon. A value (ΔG 1 <ΔG 2 ) smaller than the value of change in Gibbs free energy (ΔG 2 : negative value) for generating an oxide can be suitably used. That is, such a reducing metal element is preferably one that is more easily oxidized than silicon. In the present invention, since the silicon-containing material 4 contains such a reducing metal element, when the silicon-containing material 4 is irradiated with the laser beam L, it is oxidized together with the silicon atoms 6 rather than the silicon atoms 6. Even when the reducible metal atom 7 is easily scattered and a silicon oxide molecule is generated by collision between the silicon atom 6 and oxygen, the oxygen atom 8 is more preferably bonded to the reducible metal atom than to be bonded to silicon. Since it is stable, when the silicon oxide molecule and the reducing metal atom 7 come into contact with each other, the silicon oxide molecule is reduced to become a silicon atom, and the reducing metal atom 7 is oxidized to become an oxide, thereby generating the silicon oxide molecule. The silicon atoms 6 can efficiently reach the recovery device 5 with sufficient suppression, and the silicon can be prevented from being oxidized even after reaching the recovery device 5.

このような還元性金属元素としては特に制限されないが、例えば、アルミニウムやマグネシウムが挙げられる。例えば、室温で1モルのシリコン、アルミニウム、マグネシウムが酸化され、それらの酸化物が生成されるときのギブス自由エネルギーの変化の値(ΔG)の値は、それぞれ−199kcal、−243kcal、−275kcalである(日本化学会、「化学便覧応用編」、第3版、第243頁、参照)。また、このような還元性金属元素の中でも、シリコンに対してp型不純物であってシリコンの半導体的電気特性に格別の不都合を生じない不純物であるという観点から、アルミニウムが特に好ましい。なお、還元性金属元素は、これら金属の単体あるいは還元性金属元素の酸化物、窒化物、炭化物等の化合物として含有されていてもよい。   Although it does not restrict | limit especially as such a reducible metal element, For example, aluminum and magnesium are mentioned. For example, the values of change in Gibbs free energy (ΔG) when 1 mol of silicon, aluminum, and magnesium are oxidized at room temperature are −199 kcal, −243 kcal, and −275 kcal, respectively. Yes (see Chemical Society of Japan, “Chemical Handbook Application”, 3rd edition, page 243). Among these reducing metal elements, aluminum is particularly preferable from the viewpoint that it is a p-type impurity with respect to silicon and does not cause any particular inconvenience in the semiconductor electrical characteristics of silicon. The reducing metal element may be contained as a simple substance of these metals or as a compound such as an oxide, nitride, or carbide of the reducing metal element.

また、珪素含有材料4としては、30〜99.9原子%の珪素と、0.1〜50原子%の還元性金属元素とを含有するものであればよく、特に制限されず、例えば、人工的に作られた珪素含有材料の他、自然界に存在する長石、黒雲母、角閃石、ひすい輝石、そう長石等の還元性金属を含み珪素あるいは珪化物を主成分とする鉱物や、これらの鉱物を造岩鉱物とする黒御影石、花崗岩、閃緑岩、斑レイ岩、結晶片岩、片麻岩等の岩石が挙げられる。   The silicon-containing material 4 is not particularly limited as long as it contains 30 to 99.9 atomic percent silicon and 0.1 to 50 atomic percent reducing metal element. In addition to silicon-containing materials made in the natural world, minerals that contain reducing metals such as feldspar, biotite, amphibole, jadeite, and feldspar, etc. that exist in nature, and whose main component is silicon or silicide, and these minerals Rocks such as black granite, granite, diorite, gabbro, crystalline schist, gneiss and the like.

また、回収装置5としては、珪素含有材料4にレーザー光Lを照射した際に飛散する珪素原子6を回収することが可能なものであればよく、特に制限されず、例えば、公知の基板(アルミナ製の基板等)を適宜用いることができる。さらに、珪素含有材料4と回収装置5との位置的関係(距離や角度等)は特に限定されず、飛散する珪素原子6を効率よく回収することが可能な位置に適宜配置することができる。   The recovery device 5 is not particularly limited as long as it can recover silicon atoms 6 scattered when the silicon-containing material 4 is irradiated with the laser beam L. For example, a known substrate ( An alumina substrate or the like can be used as appropriate. Furthermore, the positional relationship (distance, angle, etc.) between the silicon-containing material 4 and the recovery device 5 is not particularly limited, and can be appropriately disposed at a position where the scattered silicon atoms 6 can be efficiently recovered.

そして、このような図1に示すシリコン形成装置を用い、珪素含有材料4に、酸素分圧が10−2Pa以下の真空雰囲気下で、波長192〜1064nm、パルス幅100ナノ秒〜10フェムト秒、照射強度10〜1015W/cmのレーザー光Lを照射することによって、シリコンを得ることができる。すなわち、珪素含有材料4にレーザー光Lを照射すると、珪素含有材料4の表面においてプラズマPが発生するとともに珪素含有材料4が分解され、珪素原子6及び還元性金属原子7等が飛散する。そして、このような還元性金属原子7が珪素原子6とともに飛散することによって、真空雰囲気下において酸素8が存在していても、還元性金属原子7が優先的に酸化されることから珪素原子6の酸化が十分に防止される。そのため、回収装置5の表面上に珪素原子6を効率よく到達させることができるとともに、回収装置5に到達した後においても珪素が酸化されることを防止でき、これを集合させることで回収装置(基板)5上にシリコンの膜9を効率よく形成することができる。 Then, using such a silicon forming apparatus shown in FIG. 1, the silicon-containing material 4 is subjected to a wavelength of 192 to 1064 nm, a pulse width of 100 nanoseconds to 10 femtoseconds in a vacuum atmosphere having an oxygen partial pressure of 10 −2 Pa or less. Silicon can be obtained by irradiating the laser beam L with an irradiation intensity of 10 8 to 10 15 W / cm 2 . That is, when the silicon-containing material 4 is irradiated with the laser beam L, plasma P is generated on the surface of the silicon-containing material 4 and the silicon-containing material 4 is decomposed, and silicon atoms 6 and reducing metal atoms 7 are scattered. And since such a reducible metal atom 7 is scattered with the silicon atom 6, even if oxygen 8 exists in a vacuum atmosphere, the reductive metal atom 7 is preferentially oxidized, so that the silicon atom 6 Is sufficiently prevented from being oxidized. Therefore, the silicon atoms 6 can be efficiently reached on the surface of the recovery device 5 and silicon can be prevented from being oxidized even after reaching the recovery device 5, and the recovery device ( The silicon film 9 can be efficiently formed on the substrate 5.

以上、本発明のシリコンの形成方法の好適な実施形態について説明したが、本発明のシリコンの形成方法は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明のシリコンの形成方法においては、以下のような工程を更に含むことが好ましい。すなわち、本発明のシリコンの形成方法においては、珪素含有材料4の外表面の少なくとも一部に還元性金属層を形成する工程と、前記還元性金属層に前記真空雰囲気下で前記レーザー光を照射して予め還元性金属原子を飛散させる工程とを更に含むことが好ましい。このように、本発明においては、還元性金属原子が飛散する雰囲気下において、珪素含有材料にレーザー光を照射することで、より効率よくシリコンを形成することが可能となる。   The preferred embodiment of the silicon forming method of the present invention has been described above, but the silicon forming method of the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the silicon formation method of the present invention preferably further includes the following steps. That is, in the method for forming silicon according to the present invention, a step of forming a reducing metal layer on at least a part of the outer surface of the silicon-containing material 4 and irradiating the reducing metal layer with the laser light in the vacuum atmosphere. It is preferable to further include a step of previously scattering the reducing metal atom. As described above, in the present invention, silicon can be more efficiently formed by irradiating the silicon-containing material with laser light in an atmosphere in which reducing metal atoms are scattered.

図2は、このような本発明のシリコンの形成方法として好適な方法を実施するのに好適なシリコン形成装置の好適な実施形態の基本構成を示す模式図である。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a basic configuration of a preferred embodiment of a silicon forming apparatus suitable for carrying out a method suitable as the silicon forming method of the present invention.

図2に示すシリコン形成装置においては、レーザー光源1と、光学系2と、レーザー光源1から発せられたレーザー光Lが光学系1により集光されて導入される真空室3とを備えている。また、真空室3の内部にはレーザー光Lが照射される珪素含有材料4と、珪素含有材料4を覆う還元性金属層10と、飛散する珪素原子を回収するための回収装置5とが配置されている。   2 includes a laser light source 1, an optical system 2, and a vacuum chamber 3 into which laser light L emitted from the laser light source 1 is collected and introduced by the optical system 1. . In addition, a silicon-containing material 4 irradiated with laser light L, a reducing metal layer 10 covering the silicon-containing material 4, and a recovery device 5 for recovering scattered silicon atoms are disposed inside the vacuum chamber 3. Has been.

このような珪素含有材料4の外表面の少なくとも一部を還元性金属層10で覆う方法としては特に制限されず、例えば、真空蒸着法、スパッタ法等の公知の方法で還元性金属層10を膜状に形成させる方法を採用してもよく、あるいは、単純に還元性金属箔で覆っても、これを貼り付けることで覆ってもよい。このような還元性金属層を形成させるための材料としては、前述の還元性金属元素を好適に用いることができる。   The method for covering at least a part of the outer surface of the silicon-containing material 4 with the reducing metal layer 10 is not particularly limited. For example, the reducing metal layer 10 is formed by a known method such as a vacuum deposition method or a sputtering method. A method of forming a film may be employed, or the film may be simply covered with a reducing metal foil, or may be covered by affixing it. As a material for forming such a reducible metal layer, the aforementioned reducible metal element can be suitably used.

また、本発明の好適な実施形態においては、珪素含有材料4の外表面の少なくとも一部を還元性金属層10で覆い、その後、還元性金属層10に前記真空雰囲気下でレーザー光Lを照射して予め還元性金属原子7を飛散させる。このようにして、予め還元性金属原子7を飛散させることで、前記真空雰囲気中に存在する酸素と還元性金属原子7が結合して真空雰囲気中の酸素分圧が低下する。すなわち、予め還元性金属原子7を飛散させることで、真空雰囲気中の単位体積中に含まれる酸素分子の数を減少させることができる。そして、レーザー光Lの照射を継続した場合には、還元性金属層10が消失して珪素含有材料4の表面が現れ、珪素含有材料4にレーザー光Lが照射され、シリコンの膜9を形成することが可能となる。このとき、予め還元性金属原子を飛散させているため上述のように真空雰囲気中に存在する単位体積あたりの酸素分子数がより少ない状態となっており、珪素含有材料4から飛散する珪素原子が酸素分子と衝突する機会がより減少している。従って、基板上にはより多くの珪素原子が到達でき、得られるシリコンの大きさ又は単位時間に堆積するシリコンの量が増加する。   In a preferred embodiment of the present invention, at least a part of the outer surface of the silicon-containing material 4 is covered with the reducing metal layer 10, and then the reducing metal layer 10 is irradiated with the laser light L in the vacuum atmosphere. Then, the reducing metal atoms 7 are scattered in advance. In this way, the reducing metal atoms 7 are scattered in advance, whereby the oxygen existing in the vacuum atmosphere and the reducing metal atoms 7 are combined to reduce the oxygen partial pressure in the vacuum atmosphere. That is, the number of oxygen molecules contained in the unit volume in the vacuum atmosphere can be reduced by scattering the reducing metal atoms 7 in advance. When the irradiation with the laser beam L is continued, the reducing metal layer 10 disappears and the surface of the silicon-containing material 4 appears, and the silicon-containing material 4 is irradiated with the laser beam L to form a silicon film 9. It becomes possible to do. At this time, since the reducing metal atoms are previously scattered, the number of oxygen molecules per unit volume existing in the vacuum atmosphere is smaller as described above, and the silicon atoms scattered from the silicon-containing material 4 are reduced. Opportunities to collide with oxygen molecules are decreasing. Therefore, more silicon atoms can reach the substrate, and the size of silicon obtained or the amount of silicon deposited per unit time increases.

また、このような還元性金属層10の厚さは、還元性金属の種類や実施条件等により、酸素分圧を十分に減少させるのに好適な厚さが異なるため特に制限されないが、3μm〜15μmの厚さが好ましい。このような厚さが3μm未満では十分に酸素分圧を減少させることが困難な傾向にある。他方、このような還元性金属層10の厚さは厚ければ厚いほど酸素分圧が低下するため好ましいものではあるが、前記15μmを超えた場合には、珪素含有材料4から珪素原子を飛散させるまでに要する時間が長くなり非効率的となる傾向にある。   Further, the thickness of the reducible metal layer 10 is not particularly limited because the thickness suitable for sufficiently reducing the oxygen partial pressure varies depending on the kind of reducible metal, the implementation conditions, and the like. A thickness of 15 μm is preferred. When the thickness is less than 3 μm, it tends to be difficult to sufficiently reduce the oxygen partial pressure. On the other hand, it is preferable that the thickness of the reducing metal layer 10 is larger because the oxygen partial pressure decreases. However, when the thickness exceeds 15 μm, silicon atoms are scattered from the silicon-containing material 4. There is a tendency that the time required to make it long becomes inefficient.

なお、本実施形態においては、予め飛散させた還元性金属原子7により回収装置5の表面に形成される還元性金属の膜11が形成されるが、還元性金属原子7を予め飛散させて酸素分子を減少させている間は、回収装置5をシャッター等で覆い、還元性金属の膜11が形成されないようにしてもよい。   In the present embodiment, a reducing metal film 11 formed on the surface of the recovery device 5 is formed by the reducing metal atoms 7 scattered in advance, but the reducing metal atoms 7 are scattered in advance to form oxygen. While the molecules are being reduced, the recovery device 5 may be covered with a shutter or the like so that the reducing metal film 11 is not formed.

本発明によれば、可燃性ガスや毒性ガスを用いる必要がないため、環境負荷を十分に低減でき、更にはシリコン形成の際に高熱を印加する必要がないため、投入するエネルギーを少なくでき、効率よくシリコンを形成することができる。また、長石、黒雲母、角閃石等の自然物を原料とすることができるため、原料不足の心配もない。そして、このようにして得られるシリコンは、例えば、太陽電池用のシリコンとして好適に用いることができる。   According to the present invention, since it is not necessary to use a flammable gas or a toxic gas, it is possible to sufficiently reduce the environmental load, and furthermore, since it is not necessary to apply high heat during the formation of silicon, the energy to be input can be reduced, Silicon can be formed efficiently. Moreover, since natural materials such as feldspar, biotite, and amphibolite can be used as raw materials, there is no worry of shortage of raw materials. And the silicon obtained in this way can be used suitably as silicon for solar cells, for example.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

(試験例1)
図1に示すシリコン形成装置を用い、二酸化珪素に種々の濃度のアルミニウムを含有させた珪素含有材料4を用いた場合の真空室3内の酸素分圧を測定した。また、このような測定に際し、真空室3は真空ポンプにより予め酸素分圧を10−2Paとしておいた。測定の結果得られた酸素分圧とアルミニウムの含有量との関係を示すグラフを図3に示す。
(Test Example 1)
Using the silicon forming apparatus shown in FIG. 1, the oxygen partial pressure in the vacuum chamber 3 was measured when the silicon-containing material 4 in which various concentrations of aluminum were contained in silicon dioxide was used. In such measurement, the vacuum chamber 3 was previously set to an oxygen partial pressure of 10 −2 Pa by a vacuum pump. A graph showing the relationship between the oxygen partial pressure and the aluminum content obtained as a result of the measurement is shown in FIG.

図3に示す結果からも明らかなように、二酸化珪素中のアルミニウムの濃度が0.1原子%以上で酸素分圧が十分に低下し、アルミニウムの濃度が1原子%以上とすると二酸化珪素のみにレーザーを照射したときの酸素分圧より1桁以上低い酸素分圧となることが確認された。このような結果から、珪素含有材料の表面から飛散した珪素原子が飛散する間、あるいは基板に到達した後においても珪素が酸化しないようにするためには、珪素含有材料中に含まれる還元性金属の濃度を0.1原子%以上とする必要があり、1原子%以上とすることがより好ましいことが確認された。   As is clear from the results shown in FIG. 3, when the aluminum concentration in silicon dioxide is 0.1 atomic% or more, the oxygen partial pressure is sufficiently reduced. When the aluminum concentration is 1 atomic% or more, only silicon dioxide is present. It was confirmed that the oxygen partial pressure was one order of magnitude lower than the oxygen partial pressure when the laser was irradiated. From these results, in order to prevent silicon from being oxidized while the silicon atoms scattered from the surface of the silicon-containing material are scattered or after reaching the substrate, a reducing metal contained in the silicon-containing material is used. It was necessary to make the concentration of 0.1 atomic% or more, and it was confirmed that it is more preferably 1 atomic% or more.

(実施例1)
図1に示すシリコン形成装置を用い、シリコンを形成した。すなわち、先ず、珪素含有材料4として、還元性金属元素としてアルミニウムを5.6原子%、マグネシウムを2.3原子%含有し且つ珪素を16原子%が含有する黒御影石を用いた。なお、珪素含有材料4として用いた黒御影石中に含まれる元素の濃度をX線光電子分光法によって分析した結果を表1に示す。
(Example 1)
Silicon was formed using the silicon forming apparatus shown in FIG. That is, first, as the silicon-containing material 4, black granite containing 5.6 atomic% of aluminum, 2.3 atomic% of magnesium and 16 atomic% of silicon as a reducing metal element was used. Table 1 shows the result of analyzing the concentration of elements contained in the black granite used as the silicon-containing material 4 by X-ray photoelectron spectroscopy.

また、レーザー光源1としては、YAGレーザー装置(スペクトラフィジック社製の商品名「クワンタレイ」)を用い、更に、真空室3の内部は真空ポンプにより酸素分圧が9×10−3Paの真空雰囲気とした。また、回収装置5としては、アルミナ基板を用いた。そして、このような装置により、珪素含有材料4(黒御影石)に、酸素分圧が9×10−3Paの真空雰囲気下で、波長532nm、パルス幅7ns、照射強度9×10W/cmのYAGレーザー光Lを照射し、黒御影石から飛散する粒子をアルミナ基板上に堆積させて回収し、堆積物を得た。なお、本実施例においては、レーザー照射以外の加熱は行っていない。このようにして得られた堆積物のラマン分光スペクトルを図4に示す。 Further, as the laser light source 1, a YAG laser device (trade name “Quanta Ray” manufactured by SpectraPhysic Co., Ltd.) is used, and the inside of the vacuum chamber 3 is a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 9 × 10 −3 Pa by a vacuum pump. It was. Further, an alumina substrate was used as the recovery device 5. Then, with such an apparatus, the silicon-containing material 4 (black granite) is subjected to a wavelength of 532 nm, a pulse width of 7 ns, and an irradiation intensity of 9 × 10 8 W / cm in a vacuum atmosphere having an oxygen partial pressure of 9 × 10 −3 Pa. No. 2 YAG laser beam L was irradiated, and the particles scattered from the black granite were deposited on the alumina substrate and collected to obtain a deposit. In this embodiment, heating other than laser irradiation is not performed. FIG. 4 shows the Raman spectrum of the deposit thus obtained.

図4に示す結果からも明らかなように、このようにして得られた堆積物にはシリコン(結晶)のピークが観測されており、シリコンを効率よく得ることができることが確認された。   As is clear from the results shown in FIG. 4, a peak of silicon (crystal) was observed in the deposit thus obtained, and it was confirmed that silicon can be obtained efficiently.

(実施例2)
図2に示すシリコン形成装置を用い、シリコンを形成した。すなわち、先ず、珪素含有材料4として実施例1で用いた黒御影石と同等の黒御影石を用いた。また、珪素含有材料4は、厚さ15μmのアルミニウム箔(還元性金属層10)で覆った。また、レーザー光源1としては、YAGレーザー装置(スペクトラフィジック社製の商品名「クワンタレイ」)を用い、更に、真空室3の内部は真空ポンプにより酸素分圧が9×10−3Paの真空雰囲気とした。また、回収装置5としては、アルミナ基板を用いた。
(Example 2)
Silicon was formed using the silicon forming apparatus shown in FIG. That is, first, a black granite equivalent to the black granite used in Example 1 was used as the silicon-containing material 4. Further, the silicon-containing material 4 was covered with an aluminum foil (reducible metal layer 10) having a thickness of 15 μm. Further, as the laser light source 1, a YAG laser device (trade name “Quanta Ray” manufactured by SpectraPhysic Co., Ltd.) is used, and the inside of the vacuum chamber 3 is a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 9 × 10 −3 Pa by a vacuum pump. It was. Further, an alumina substrate was used as the recovery device 5.

そして、このような装置により、先ず、還元性金属層10に、酸素分圧が9×10−3Paの真空雰囲気下で、波長532nm、パルス幅7ns、照射強度9×10W/cmのYAGレーザー光Lを照射し、還元性金属層10から還元性金属原子を飛散させた後、引き続き、珪素含有材料4に前記レーザー光を照射して飛散する粒子をアルミナ基板上に堆積させて回収し、堆積物を得た。なお、レーザー光を照射して約3分経過した後においては、アルミニウム箔(還元性金属層10)が3μmエッチングされており、真空室3内の酸素分圧は6×10−4Paまで低下していた。また、最初のレーザー照射から約10分経過後に、アルミニウム箔(還元性金属層10)が完全に除去されて黒御影石(珪素含有材料4)の表面が露出した。また、本実施例においては、レーザー照射以外の加熱は行っていない。このようにして得られた堆積物のラマン分光スペクトルを図5に示す。 With such an apparatus, first, the reducing metal layer 10 is applied to the reducing metal layer 10 in a vacuum atmosphere having an oxygen partial pressure of 9 × 10 −3 Pa, a wavelength of 532 nm, a pulse width of 7 ns, and an irradiation intensity of 9 × 10 8 W / cm 2. The YAG laser beam L is irradiated to scatter reducing metal atoms from the reducing metal layer 10, and then the silicon-containing material 4 is irradiated with the laser beam to deposit particles on the alumina substrate. Collected to obtain a deposit. In addition, after about 3 minutes have passed since the laser beam irradiation, the aluminum foil (reducing metal layer 10) is etched by 3 μm, and the oxygen partial pressure in the vacuum chamber 3 is reduced to 6 × 10 −4 Pa. Was. Further, after about 10 minutes from the first laser irradiation, the aluminum foil (reducing metal layer 10) was completely removed, and the surface of black granite (silicon-containing material 4) was exposed. In this embodiment, heating other than laser irradiation is not performed. FIG. 5 shows the Raman spectrum of the deposit thus obtained.

図5に示す結果からも明らかなように、このようにして得られた堆積物にはシリコン(結晶)のピークが観測されており、本発明によりシリコンを効率よく得ることができることが確認された。また、図4に示すラマン分光スペクトルと比較すると、図5に示すラマン分光スペクトルの方がシリコン(結晶)のラマンピーク強度が増加していた。このような結果から、還元性金属層10で覆い、これにレーザー光を照射する工程を更に含んだ場合には、より効率よくシリコンを形成できることが確認された。   As is clear from the results shown in FIG. 5, a peak of silicon (crystal) was observed in the deposit thus obtained, and it was confirmed that silicon can be obtained efficiently according to the present invention. . Compared with the Raman spectrum shown in FIG. 4, the Raman peak intensity of silicon (crystal) was increased in the Raman spectrum shown in FIG. From these results, it was confirmed that silicon can be formed more efficiently when it is further covered with a reducing metal layer 10 and further irradiated with laser light.

(比較例1)
黒御影石(珪素含有材料4)の代わりに、石英(還元性金属を含まないシリコン化合物)を用いた以外は実施例1と同様にして堆積物を得た。このようにして得られた堆積物のラマン分光スペクトルを図6に示す。
(Comparative Example 1)
A deposit was obtained in the same manner as in Example 1 except that quartz (silicon compound containing no reducing metal) was used instead of black granite (silicon-containing material 4). FIG. 6 shows the Raman spectrum of the deposit thus obtained.

図6に示す結果から、還元性金属を含まないシリコン化合物(石英)にレーザーを照射した場合には、酸素分圧が9×10−3Paの真空雰囲気下においても酸化珪素が形成されてしまい、シリコンが得られないことが確認された。 From the results shown in FIG. 6, when a silicon compound (quartz) containing no reducing metal is irradiated with laser, silicon oxide is formed even in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 9 × 10 −3 Pa. It was confirmed that no silicon was obtained.

以上説明したように、本発明によれば、可燃性ガスや毒性ガスを用いる必要がなく環境負荷を十分に低減することができるとともに、高熱を印加する必要がなく投入するエネルギーを十分に少なくすることができ、シリコンを効率よく形成することが可能なシリコンの形成方法を提供することが可能となる。   As described above, according to the present invention, it is not necessary to use a flammable gas or a toxic gas, and it is possible to sufficiently reduce the environmental load, and it is not necessary to apply high heat, and the input energy is sufficiently reduced. Therefore, it is possible to provide a silicon formation method capable of efficiently forming silicon.

したがって、本発明のシリコンの形成方法は、特に燃料電池に用いるためのシリコンを形成する方法として有用である。   Therefore, the silicon formation method of the present invention is particularly useful as a method for forming silicon for use in fuel cells.

本発明のシリコンの形成方法を実施するのに好適なシリコン形成装置の好適な一実施形態の基本構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the basic composition of suitable one Embodiment of the silicon formation apparatus suitable for enforcing the formation method of the silicon | silicone of this invention. 本発明のシリコンの形成方法を実施するのに好適なシリコン形成装置の好適な他の実施形態の基本構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the basic composition of other suitable embodiment of the silicon forming apparatus suitable for enforcing the silicon formation method of this invention. 酸素分圧とアルミニウムの含有量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between oxygen partial pressure and aluminum content. 実施例1で得られた堆積物のラマン分光スペクトルを示すグラフである。2 is a graph showing a Raman spectrum of the deposit obtained in Example 1. FIG. 実施例2で得られた堆積物のラマン分光スペクトルを示すグラフである。4 is a graph showing a Raman spectrum of the deposit obtained in Example 2. FIG. 比較例1で得られた堆積物のラマン分光スペクトルを示すグラフである。5 is a graph showing a Raman spectrum of the deposit obtained in Comparative Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1…レーザー光源、2…光学系、3…真空室、4…珪素含有材料、5…回収装置、6…珪素原子、7…還元性金属原子、8…酸素、9…シリコンの膜、10…還元性金属層、11…還元性金属の膜、L…レーザー光、P…プラズマ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser light source, 2 ... Optical system, 3 ... Vacuum chamber, 4 ... Silicon-containing material, 5 ... Recovery apparatus, 6 ... Silicon atom, 7 ... Reducing metal atom, 8 ... Oxygen, 9 ... Silicon film, 10 ... Reducing metal layer, 11 ... reducing metal film, L ... laser beam, P ... plasma.

Claims (4)

30〜99.9原子%の珪素と、0.1〜50原子%の還元性金属元素とを含有する珪素含有材料に、酸素分圧が10−2Pa以下の真空雰囲気下で、波長192〜1064nm、パルス幅100ナノ秒〜10フェムト秒、照射強度10〜1015W/cmのレーザー光を照射し、シリコンを得ることを特徴とするシリコンの形成方法。 In a silicon-containing material containing 30 to 99.9 atomic% silicon and 0.1 to 50 atomic% of a reducing metal element, under a vacuum atmosphere having an oxygen partial pressure of 10 −2 Pa or less, a wavelength of 192 A method for forming silicon, characterized in that silicon is obtained by irradiation with a laser beam of 1064 nm, a pulse width of 100 nanoseconds to 10 femtoseconds, and an irradiation intensity of 10 8 to 10 15 W / cm 2 . 前記還元性金属元素の酸化物を生成するためのギブス自由エネルギーの変化の値が、珪素の酸化物を生成するためのギブス自由エネルギーの変化の値より小さい値であることを特徴とする請求項1に記載のシリコンの形成方法。   The Gibbs free energy change value for producing the oxide of the reducing metal element is smaller than the Gibbs free energy change value for producing the silicon oxide. 2. The method for forming silicon according to 1. 還元性金属原子が飛散する雰囲気下において、前記珪素含有材料に前記レーザー光を照射することを特徴とする請求項1又は2に記載のシリコンの形成方法。   3. The method for forming silicon according to claim 1, wherein the silicon-containing material is irradiated with the laser beam in an atmosphere in which reducing metal atoms are scattered. 前記珪素含有材料の外表面の少なくとも一部を還元性金属層で覆う工程と、
前記還元性金属層に前記真空雰囲気下で前記レーザー光を照射して予め還元性金属原子を飛散させる工程と、
を更に含むことを特徴とする請求項3に記載のシリコンの形成方法。
Covering at least part of the outer surface of the silicon-containing material with a reducing metal layer;
Irradiating the reducing metal layer with the laser light in the vacuum atmosphere to scatter the reducing metal atoms in advance;
The method of forming silicon according to claim 3, further comprising:
JP2006195466A 2006-07-18 2006-07-18 Method for forming silicon Pending JP2008024526A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006195466A JP2008024526A (en) 2006-07-18 2006-07-18 Method for forming silicon

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006195466A JP2008024526A (en) 2006-07-18 2006-07-18 Method for forming silicon

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008024526A true JP2008024526A (en) 2008-02-07

Family

ID=39115553

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006195466A Pending JP2008024526A (en) 2006-07-18 2006-07-18 Method for forming silicon

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008024526A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010030854A (en) * 2008-07-30 2010-02-12 Toyota Central R&D Labs Inc Carbon onion particle dispersed film and its manufacturing method
KR102355088B1 (en) * 2020-07-27 2022-02-07 강원대학교산학협력단 Method for manufacturing silicon using silica reduction and device therefor

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010030854A (en) * 2008-07-30 2010-02-12 Toyota Central R&D Labs Inc Carbon onion particle dispersed film and its manufacturing method
KR102355088B1 (en) * 2020-07-27 2022-02-07 강원대학교산학협력단 Method for manufacturing silicon using silica reduction and device therefor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102409503B1 (en) Photoactive devices and materials
US8883042B2 (en) Production of graphene sheets and features via laser processing of graphite oxide/ graphene oxide
Chen et al. Doped semiconductor nanomaterials
Emelyanov et al. Visible luminescence from hydrogenated amorphous silicon modified by femtosecond laser radiation
Komlenok et al. Laser induced nanoablation of diamond materials
CN1890838A (en) Semiconductor electrode, production process thereof and photovoltaic cell using semiconductor electrode
US20170190584A1 (en) Method for preparing nanoparticles by using laser
Nakamura et al. Micronization of red-emitting K2SiF6: Mn4+ phosphor by pulsed laser irradiation in liquid
Švrček et al. Semiconducting quantum confined silicon–tin alloyed nanocrystals prepared by ns pulsed laser ablation in water
Neupane et al. Highly enhanced light–matter interaction in MXene quantum dots–monolayer WS2 heterostructure
WO2007004730A1 (en) Highly pure hexagonal boron nitride single crystal powder capable of emitting far-ultraviolet light at high brightness level, and method for production thereof
JP2009260313A5 (en)
JP2008024526A (en) Method for forming silicon
Lähnemann et al. Quenching of the luminescence intensity of GaN nanowires under electron beam exposure: impact of C adsorption on the exciton lifetime
JP2006270042A (en) Forming method of silicon-containing film
US20090069611A1 (en) Stoichiometric or cyclical re-hydrogenation of silicon, nanodiamond, or nanocarbon surfaces using hydrocarbons as sources of hydrogen
Chen et al. Photoluminescence recovery by in-situ exposure of plasma-damaged n-GaN to atomic hydrogen at room temperature
Ma et al. Improvement of UV emission from highly crystalline ZnO nanoparticles by pulsed laser ablation under O2/He glow discharge
Mochalov et al. Zinc oxide nanostructured materials prepared by PECVD as a platform for biosensors
Azer et al. Core–shell defective TiO 2 nanoparticles by femtosecond laser irradiation with enhanced photocatalytic performance
JP2016216579A (en) Light emission silicon particle and manufacturing method of light emission silicon particle
Kompanets et al. The formation of carbonic and silicon dioxide structured films through the decomposition of molecules on the surface of ionic crystals under the action of IR femtosecond laser radiation
JP6819093B2 (en) Material manufacturing equipment and material manufacturing method
Koinkar et al. Effect of nanosecond and femtosecond pulse laser on the formation of WS2 nanostructures and field emission characteristics
Nakanishi et al. Deposition of polyethylene thin films using synchrotron radiation ablation