JP2021038433A - バリウム及びストロンチウムを含む珪化物薄膜及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)バリウム及びストロンチウムを含有する珪化物の多結晶体を含み、該多結晶体が立方晶SrSi2相を含有する薄膜であり、上記バリウム及びストロンチウムの含有量が、0.08≦Ba/(Ba+Sr)≦0.25の関係を満たすことを特徴とするバリウム及びストロンチウムを含有する珪化物薄膜。
(2)上記バリウム、ストロンチウム及びケイ素の含有量が、1.8≦Si/(Ba+Sr)≦2.8の関係を満たす上記(1)に記載の薄膜。
(3)前記立方晶SrSi2相の(210)面のX線回折ピーク強度に対する、正方晶相の(112)面のX線回折ピーク強度の比が0.5以下である上記(1)又は(2)に記載の薄膜。
(4)電気抵抗率が10Ω・cm以下であるり、ゼーベック係数が20μV/K以上である上記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の薄膜。
(5)薄膜の表面粗さ(Ra)が20nm以下である上記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の薄膜。
(6)サファイア、無機ガラス、又はシリコンからなる基板上に成膜されている上記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の薄膜。
(7)上記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の薄膜の製造方法であり、珪化ストロンチウムスパッタリングターゲット及び珪化バリウムスパッタリングターゲットを使用するスパッタ法により基板上に成膜する薄膜の製造方法。
(8)珪化ストロンチウムスパッタリングターゲットと珪化バリウムスパッタリングターゲットは、いずれも含有酸素量が1.5wt%以下のバルク多結晶体である上記(7)に記載の薄膜の製造方法。
(9)基板温度を650℃〜750℃とし、成膜におけるガス圧を10mtorr以上とする上記(7)又は(8)に記載の薄膜の製造方法。
(10)基板としてサファイア、無機ガラス、又はシリコンからなる基板を用いる上記(7)〜(9)のいずれか一項に記載の薄膜の製造方法。
(11)上記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の薄膜を使用する熱電変換素子。
本発明は、バリウム、ストロンチウムを含有する珪化物多結晶体を含み、該多結晶体が立方晶相SrSi2相を含有する薄膜である。熱電特性が良好な立方晶相SrSi2相を含むことにより、熱電特性を向上させることが可能となる。また、本発明では、珪化物多結晶体が立方晶相SrSi2相を含有するが、立方晶相SrSi2相以外の結晶相含有量が可能な限り少ないことが好ましい。
立方晶相SrSi2相以外の結晶相としては正方晶SrSi2が存在する場合がある。本発明の薄膜は、そのとき、結晶多形である正方晶相の112ピーク強度は、立方晶SrSi2相の210ピークの強度に対して0.5以下であることが好ましく、より好ましくは0.3以下、さらに好ましくは0.1以下であり、最も好ましくは0.05以下である。
一方、Ba+Srの合計をMとしたとき、1.8≦Si/M≦2.8であることが好ましく、さらに好ましくは、1.8≦Si/M≦2.2であり、最も好ましくは1.9≦Si/M≦2.1である。これにより、SrSi2相が主相として存在しやすくなり、熱電特性が向上する。
本発明の薄膜の厚みは50nm以上が好ましく500nm以上が更に好ましい。薄膜の厚みが50nm以上であることにより、十分な結晶性、伝導性を示し、より良好な熱電特性を得ることができる。薄膜の厚みの上限は、特に制限されないが、薄膜の厚みは、通常、100nm以下である。
本発明の薄膜の表面粗さ(Ra)は好ましくは20nm以下、より好ましくは15nm以下である。表面が平坦であることで表層の面積が減少し、表層酸化を抑制することが可能となる。表面粗さ(Ra)は、JIS R 1683により測定される。
本発明の薄膜は、好ましくは10Ω・cm以下、特に好ましくは、1.0×10−2Ω・cm以下の電気抵抗率を有することができる。これにより、熱電変換材料としての指数がより大きくなり、良好な熱電変換特性を示す。また、好ましくは20μV/K以上、特に好ましくは、50μV/K以上のゼーベック係数を有することができる。これにより、熱電変換材料としての指数がより大きくなり、良好な熱電変換特性を示す。更に、0.10×10−3W/mK2以上、特には、0.20×10−3W/mK2以上のパワーファクターを有することができる。これにより、良好な熱電変換特性を示す。
本発明の薄膜の製造方法は、スパッタ法により基板上に成膜する製造方法が好ましい。スパッタ法において、安定した放電特性や、不純物の混入を低減するため、本発明では、珪化ストロンチウムスパッタリングターゲット、珪化バリウムスパッタリングターゲットをそれぞれ用いることが好ましい。
アルカリ土類金属は表面が酸化されやすく、酸素が不純物として混入しやすく、また、空気中で発火する恐れがあるため取り扱いが煩雑である。それに対し、スパッタリングターゲットとして用いる珪化ストロンチウム、珪化バリウムは空気との反応性も小さく、酸素量を抑制することが可能である。また、スパッタリングターゲットの組成は目的とする薄膜の組成に近いものが好ましい。
本発明者によると、スパッタ法による成膜後の膜の結晶性が、成膜時の基板の温度により変化することから、結晶相である立方晶SrSi2相が得られ、熱電特性が低下する立方晶から正方晶へ変化を抑制できることから、基板温度は650℃〜750℃が好ましく、680℃〜740℃がより好ましい。前記範囲とすることで熱電特性の高い立方晶と電気伝導性の高い三方晶の混合した良好な熱電特性を有する結晶相を有する薄膜となる。
(結晶性の確認方法)
XRD装置(装置名:ブルカーAXS社 D8 Discover)を用いて20°〜50°まで走査し、あおり角0°〜90°の範囲で測定したデータを積分して得た回折図形についてピーク位置から含有される結晶相を同定した。
参考とした結晶相のJCPDSカードは、立方晶は00―020―1215であり、正方晶は00―031―1363である。
波長分散型蛍光X線分析装置(装置名:PANalytical社 PW2404)を用いて、元素分析を実施し、添加元素の含有率を計算した。
(膜の電気抵抗率の測定方法)
ゼーベック係数測定装置(装置名:アルバック社 ZEM−3)により室温から400℃まで加熱し各温度の膜抵抗率を測定した。
ゼーベック係数測定装置(装置名:アルバック社 ZEM−3)を用いて室温から400℃まで加熱した際のゼーベック係数の絶対値より判断した。正の値:p型 負の値:n型である。
(ゼーベック係数の測定方法)
ゼーベック係数測定装置(装置名:アルバック社 ZEM−3)を用いて室温から400℃まで加熱し各温度のゼーベック係数を算出した。
レーザーフラッシュ熱定数測定装置(装置名:アドバンス理工社、TC−1200RH)を用いて室温から400℃まで加熱し各温度の熱伝導率を算出した。
(結晶相の割合の測定方法)
EBSD(後方散乱電子回折)分析を用いて膜表面における結晶化している部分の各結晶相の面積比から算出した。
表1に示されるスパッタリングターゲットの組成を用いて、以下のスパッタリング条件及びターゲット1の放電パワー:50W(3.8W/cm2)、ターゲット2の放電パワー:10W(0.8W/cm2)の条件にて、(0001)サファイア基板(京セラ社製5mm角、0.5mm厚み)上に、基板加熱温度650℃にてスパッタ成膜試験を実施した。
(スパッタ条件)
放電方式 :RFスパッタ
成膜装置 :マグネトロンスパッタ装置
ターゲット1 :2inchφ珪化ストロンチウムターゲット(酸素含有量:0.7wt%)
ターゲット2 :2inchφ珪化バリウムターゲット(酸素含有量:0.4wt%)
ターゲット―基板間距離:60mm
成膜圧力 :20mTorr
導入ガス :アルゴン100sccm
表1に示されるスパッタリングターゲットの組成を用い、ターゲット1の放電パワー:50W(3.8W/cm2)、ターゲット2の放電パワー:14W(1.1W/cm2)、及び基板加熱温度700℃とした以外は実施例1と同様にして、(0001)サファイア基板上に、スパッタ成膜試験を実施した。
表1に示されるスパッタリングターゲットの組成を用い、ターゲット1の放電パワー:50W(3.8W/cm2)、ターゲット2の放電パワー:12W(1.0W/cm2)、及び基板加熱温度700℃とした以外は実施例1と同様にして、(0001)サファイア基板上に、スパッタ成膜試験を実施した。
表1に示されるスパッタリングターゲットの組成を用い、ターゲット1の放電パワー:50W(3.8W/cm2)、ターゲット2の放電パワー:20W(1.5W/cm2)、及び基板加熱温度700℃とした以外は実施例1と同様にして、(0001)サファイア基板上に、スパッタ成膜試験を実施した。
Claims (11)
- バリウム及びストロンチウムを含有する珪化物の多結晶体を含み、該多結晶体が立方晶SrSi2相を含有する薄膜であり、上記バリウム及びストロンチウムの含有量が、0.08≦Ba/(Ba+Sr)≦0.25の関係を満たすことを特徴とするバリウム及びストロンチウムを含有する珪化物薄膜。
- 上記バリウム、ストロンチウム及びケイ素の含有量が、1.8≦Si/(Ba+Sr)≦2.8の関係を満たす請求項1に記載の薄膜。
- 前記立方晶SrSi2相の(210)面のX線回折ピーク強度に対する、正方晶相の(112)面のX線回折ピーク強度の比が0.5以下である請求項1又は2に記載の薄膜。
- 電気抵抗率が10Ω・cm以下であり、ゼーベック係数が20μV/K以上である請求項1〜3のいずれか一項に記載の薄膜。
- 薄膜の表面粗さ(Ra)が20nm以下である請求項1〜4のいずれか一項に記載の薄膜。
- サファイア、無機ガラス、又はシリコンからなる基板上に成膜されている請求項1〜5のいずれか一項に記載の薄膜。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の薄膜の製造方法であり、珪化ストロンチウムスパッタリングターゲット及び珪化バリウムスパッタリングターゲットを使用するスパッタ法により基板上に成膜する薄膜の製造方法。
- 珪化ストロンチウムスパッタリングターゲットと珪化バリウムスパッタリングターゲットは、いずれも含有酸素量が1.5wt%以下のバルク多結晶体である請求項7に記載の薄膜の製造方法。
- 基板温度を650℃〜750℃とし、成膜におけるガス圧を10mtorr以上とする請求項7又は8に記載の薄膜の製造方法。
- 基板としてサファイア、無機ガラス、又はシリコンからなる基板を用いる請求項7〜9のいずれか一項に記載の薄膜の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の薄膜を使用する熱電変換素子。
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青山 航大、清水 荘雄、倉持 豪人、召田 雅実、秋池 良、井出 啓介、片瀬 貴義、神谷 利夫、木村 : "[10a−W351−6]共スパッタ法で作製したBaxSr1−xSi2膜の熱電特性", 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会[講演予稿集] EXTENDED ABSTRACTS OF THE 66TH JSAP SP, JPN6023010944, ISSN: 0005016484 * |
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