JP4241123B2

JP4241123B2 - β‐ＦｅＳｉ２の製造方法

Info

Publication number: JP4241123B2
Application number: JP2003081963A
Authority: JP
Inventors: 浩一立岡; 琢也大石; 弘桑原; 剛松山
Original assignee: Hamamatsu Foundation for Science and Technology Promotion; Pulstec Industrial Co Ltd
Current assignee: Hamamatsu Foundation for Science and Technology Promotion; Pulstec Industrial Co Ltd
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: JP2004289045A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶融塩法を用いてβ‐ＦｅＳｉ₂を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
β‐ＦｅＳｉ₂は，環境への負荷が少ない半導体材料として期待されている。環境への負荷が少ない半導体（環境半導体）というのは，資源が豊富で，生体への毒性が低くて，環境汚染の心配がない元素を基本材料としたものである。β‐ＦｅＳｉ₂は，このような環境半導体であり，特に太陽光発電素子や熱電素子の材料として注目を浴びている。
【０００３】
β‐ＦｅＳｉ₂を実用的に製造する試みについては，これまでに数多くの報告がなされている。例えば，以下に列挙するような従来技術が知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１‐２４４１９９号公報
【特許文献２】
特開２００１‐１３１７４７号公報
【特許文献３】
特開平７‐１６６３２３号公報
【特許文献４】
特開平６‐１７７４３６号公報
【非特許文献１】
Suzuki, R. ほか４名, Electroless coating of Fe₃Si on steel in the molten salt, 「steel research」 71 (2000) No.4, p.130-137
【０００５】
特許文献１はスパッタリング法を使うものであり，特許文献２は化学蒸着法を使うものであり，特許文献３はＳｉ基板上にＦｅを気相堆積させてから固相反応を用いるものである。これらの技術は，いずれも，真空容器を用いた気相堆積装置が必要であり，装置が大掛かりになる。
【０００６】
一方，特許文献４は，ＦｅとＳｉを溶かして，その融液からβ‐ＦｅＳｉ₂を作るものである。すなわち，ＦｅとＳｉを１対２の原子数比で混合して，これを溶融し，その融液を冷却することで，まず，α‐ＦｅＳｉ₂を作る。次に，α‐ＦｅＳｉ₂を８４０℃で長時間熱処理することによって，α‐ＦｅＳｉ₂をβ‐ＦｅＳｉ₂に相転移させている。
【０００７】
さらに，非特許文献１は，溶融塩法を用いてＦｅ‐Ｓｉ系の材料を製造することを開示している。この文献は，溶融塩法を用いて鉄基板または鉄鋼基板上にＦｅ₃Ｓｉを形成するものであるが，Ｆｅ₃Ｓｉのほかに，ＦｅＳｉやＦｅＳｉ₂も一緒に形成されることを述べている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
β‐ＦｅＳｉ₂を製造するための上述の各種の従来技術は，次のような問題がある。気相堆積装置を用いる方法は，大掛かりで高価な装置が必要となる。一方，α‐ＦｅＳｉ₂からβ‐ＦｅＳｉ₂に相転移させる方法は，まず，ＦｅとＳｉを溶かすために１６００℃程度の高温が必要になり，かつ，α‐ＦｅＳｉ₂からβ‐ＦｅＳｉ₂に相転移させるのに長時間の熱処理を要する。また，溶融塩法を用いて鉄基板上にβ‐ＦｅＳｉ₂を形成する方法は，ＦｅＳｉ₂のほかにＦｅ₃ＳｉやＦｅＳｉも一緒に形成されてしまい，β‐ＦｅＳｉ₂だけを製造することが難しい。
【０００９】
本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり，その目的は，気相堆積装置などの大掛かりな装置を必要とすることなく，また，ＦｅやＳｉを溶かすほどの高温にすることもなく，簡単な装置を用いて，β‐ＦｅＳｉ₂を大面積でも安価に製造できる方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
まず，Ｆｅ‐Ｓｉ系の相図（phase diagram）を用いて，本発明の原理を説明する。なお，この明細書では，鉄をその元素記号のＦｅで表し，シリコン（ケイ素）をその元素記号のＳｉで表す。
【００１１】
図１は，Ｆｅ‐Ｓｉ系の相図である。横軸はＦｅ‐Ｓｉ系におけるＳｉの原子数％であり，縦軸は温度である。Ｆｅ‐Ｓｉ系は，このようにきわめて複雑な相図をしており，その組成比に応じて，Ｆｅ₃Ｓｉ，Ｆｅ₂Ｓｉ，Ｆｅ₅Ｓｉ₃，ＦｅＳｉ，ＦｅＳｉ₂などのさまざまな結晶形態が存在する。さらに，同じＦｅＳｉ₂でも，高温域で安定なα‐ＦｅＳｉ₂と，それよりも低温域で安定なβ‐ＦｅＳｉ₂とが存在する。これらの各種の結晶形態のうち，β‐ＦｅＳｉ₂だけが半導体特性を示し，それ以外の結晶は金属である。
【００１２】
ＦｅとＳｉを１対２の原子数比率（Ｓｉが約６６．７％）にして，これを溶かしてから冷却すると，この相図から分かるように，α‐ＦｅＳｉ₂（あるいは，α‐ＦｅＳｉ₂とわずかなＦｅＳｉとの混晶）が形成される。これをそのまま室温まで冷却しても，α‐ＦｅＳｉ₂のままである。α‐ＦｅＳｉ₂をβ‐ＦｅＳｉ₂に相転移させるには，９３７℃よりも低い温度で，きわめて長時間熱処理する必要がある。
【００１３】
一方，Ｆｅ基板の上に溶融塩法でＦｅ‐Ｓｉ系の材料を製造することを考えると，Ｆｅ₃Ｓｉ，Ｆｅ₂Ｓｉ，Ｆｅ₅Ｓｉ₃，ＦｅＳｉ，ＦｅＳｉ₂などの各種の結晶形態が形成される可能性がある。所望の結晶形態だけを作ろうとすると，製造条件を厳しく管理する必要がある。また，そのように管理したとしても，ほかの結晶形態が混じらないようにするのが困難な場合もある。発明者らの実験によれば，Ｆｅ基板の上に溶融塩法でβ‐ＦｅＳｉ₂を製造することを試みたが，Ｆｅ₅Ｓｉ₃やＦｅＳｉなどの結晶形態が混じることが避けられなかった。
【００１４】
そこで，発明者らは，上述の相図を検討するうちに，ＦｅＳｉ基板を使うことに思い至り，その着想に基づいて実験を行った結果，本発明を完成するに至ったものである。本発明は，まず，基板としてＦｅＳｉを使うことを特徴としている。Ｓｉ原子を含む溶融塩をＦｅＳｉ基板に接触させると，ＦｅＳｉよりもＳｉの含有量が少ない結晶形態は形成されずに，ＦｅＳｉ₂だけが製造できた。また，そのときの溶融塩の温度を９３７℃（α‐ＦｅＳｉ₂とβ‐ＦｅＳｉ₂の間の転移温度）以下に保つことで，α‐ＦｅＳｉ₂ができずにβ‐ＦｅＳｉ₂だけが製造できた。
【００１５】
本発明は，Ｓｉ原子とフッ素原子とを含む溶融塩をＦｅＳｉ基板に接触させて，これを前記溶融塩の融点から９３７℃までの温度範囲内に所定時間維持することにより，前記ＦｅＳｉ基板上にβ‐ＦｅＳｉ₂を形成するものである。ＦｅＳｉ基板を用いることで，Ｆｅ基板を使う場合と比較して，Ｆｅ₃ＳｉやＦｅＳｉの混じらないβ‐ＦｅＳｉ₂だけを作ることができる。また，β‐ＦｅＳｉ₂の安定温度域の上限値である９３７℃以下の温度に保つことで，α‐ＦｅＳｉ₂が混じることなく，β‐ＦｅＳｉ₂だけを作ることができる。本発明は，基本的に加熱装置があれば足りるので，大面積の基板上にβ‐ＦｅＳｉ₂を安価に作ることができる。
【００１６】
一般に，溶融塩とは，塩（いろいろな種類のものがある）を溶融したものであって，熱処理の熱伝達媒体などに使われており，１００〜５００℃の比較的低温用にはＫＮＯ₃（硝酸カリウム）やＮａＮＯ₃（硝酸ナトリウム）などの硝酸塩が利用される。５００〜１０００℃程度の用途にはＫＣｌ（塩化カリウム）やＮａＣｌ（塩化ナトリウム）などの塩化物が利用され，それ以上の温度についてはＢａＣｌ₂（塩化バリウム）などが利用される。
【００１７】
本発明では，溶融塩を９００℃付近に維持することが必要なので，溶融塩としてはＫＣｌやＮａＣｌなどの塩化物を利用するのが好ましい。このうち，ＫＣｌは，膜表面にカリウムシリサイドができてしまうという問題が生じやすいので，ＮａＣｌを用いるのが最適である。
【００１８】
溶融塩の組成としては，上述のＮａＣｌを主体にするのが好ましく，これに，Ｓｉ原子を含む物質とフッ素原子を含む物質とを添加する。例えば，ＮａＣｌに，ＮａＦ（フッ化ナトリウム），Ｎａ₂ＳｉＦ₆（ケイフッ化ナトリウム）及びＳｉを添加する。溶融塩中のフッ素イオンは，ＳｉがＦｅＳｉ中に移行してβ‐ＦｅＳｉ₂を作る際の不均化反応に関与していると考えられる。このような不均化反応については，上述の非特許文献１に詳しい説明がある。ＮａＦは，このフッ素イオンを供給するものである。Ｎａ₂ＳｉＦ₆は，ＳｉＦ₆ ^2-イオンとともにＳｉ原子を供給するものである。また，Ｎａ₂ＳｉＦ₆以外に，Ｓｉ単体（例えば，粉末Ｓｉ）も供給するのが好ましい。Ｓｉ単体を添加することで，溶融塩中のＳｉ濃度を容易に調節することができる。
【００１９】
ＦｅＳｉ基板は，ＦｅＳｉの結晶からなる基板であり，多結晶基板または単結晶基板である。このＦｅＳｉを製造するには，ＦｅとＳｉを原子数比が１対１になるように混ぜて，これを溶融してから冷却するだけでよい。図１の相図によれば，ＦｅとＳｉが原子数比で１対１のところ（Ｓｉが５０％）では，ＦｅＳｉ結晶の相が固相と液相の境界線のところまで達しているのが分かる。したがって，融液から冷却して凝固させるだけで，容易にＦｅＳｉ結晶を得ることができる。このようなＦｅＳｉ材料はフェロシリコンとして市販されている。
【００２０】
溶融塩をＦｅＳｉ基板に接触させて維持するときの温度（これを，反応温度と呼ぶことにする）としては，β‐ＦｅＳｉ₂の安定温度域の上限値である９３７℃以下の温度にすることが必要である。そして，それよりも低い温度に維持するに当たっては，できれば９３７℃に近い温度にするのが好ましい。温度が低すぎると，ＦｅＳｉ中にＳｉが拡散するのに時間がかかる（すなわち，β‐ＦｅＳｉ₂の製造に時間がかかる）ことになる。温度の下限は，溶融塩の融点である。それよりも低い温度では，溶融塩が固体になり，液体状態に比べて，ＦｅＳｉ基板へのＳｉの供給がほとんど停止してしまう。ＮａＣｌを主体にした溶融塩の場合，反応温度の下限値はＮａＣｌの融点である８０１℃である。
【００２１】
溶融塩の融点を下げたい場合には，ＫＣｌ（融点は７７６℃）をＮａＣｌに混ぜることができる。これにより，ＮａＣｌとＫＣｌの混合比に応じて融点が下がる。ただし，膜表面上にカリウムシリサイドができるという問題が生じるので，膜形成後に膜表面を除去することが必要になる。
【００２２】
溶融塩をＦｅＳｉ基板に接触させて所定温度に維持するときの時間（これを，反応時間と呼ぶことにする）は，基本的に，製造すべき膜厚に依存する。反応時間を長くするほど，β‐ＦｅＳｉ₂の膜厚が厚くなる。一例を挙げると，９００℃において１時間程度の反応時間で８μｍ程度の膜厚が得られる。膜の成長速度は拡散法則に支配されていて，膜厚は反応時間の平方根にほぼ比例する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に，本発明の実施形態を説明する。図２は材料供給の説明図である。まず，多結晶または単結晶のＦｅＳｉ基板１０を準備する。次に，溶融塩の材料を準備する。例えば，ＮａＣｌを基塩として，これに，ＮａＦとＮａ₂ＳｉＦ₆を添加する。具体的には，ＮａＣｌを７３．１６mol％，ＮａＦを２１．９５mol％，Ｎａ₂ＳｉＦ₆を４．８９mol％の割合で準備する。さらに，Ｓｉ粉末を添加する。Ｓｉ粉末の分量は，例えば，Ｎａ₂ＳｉＦ₆を基準にして，Ｓｉ粉末をその４．５倍のモル比になるようにする。Ｓｉ粉末が少なすぎると，薄膜の成長速度が低下することになる。Ｓｉ粉末が多すぎると，溶融塩の融液の粘性が高くなるなどの弊害が生じるおそれがある。
【００２４】
ＮａＣｌ，ＮａＦ，Ｎａ₂ＳｉＦ₆及びＳｉの割合はそれほど厳密に規定する必要はない。後述するように，β‐ＦｅＳｉ₂の成長速度は拡散法則によって律速されているので，拡散法則に従って拡散するだけの十分な量のＳｉ原子と，不均化反応をもたらす適量のフッ素イオン，ＳｉＦ₆ ^2-イオンとが，融液中に存在すれば，溶融塩の組成比が異なっても，ほぼ同じ速度でβ‐ＦｅＳｉ₂が成長すると考えられる。
【００２５】
以上のようにして準備した材料をセラミック製のるつぼ１２の中に入れて，蓋をし，図３に示す加熱装置で加熱する。図３は加熱装置の構成図である。電気炉１４の内部にセラミック管１６があり，その内部にるつぼ１２を配置する。るつぼ１２の温度は熱電対１８で測定する。そして，図示しない加熱制御装置を用いて，所定の温度制御プログラムに従って温度が変化するように，電気炉１４のヒータ２０の供給電力を調節する。
【００２６】
図４は加熱時の温度曲線を示すグラフである。横軸は電気炉のスイッチを入れた時刻からの経過時間であり，縦軸はるつぼの温度（すなわち，基板及び溶融塩材料の温度）である。加熱スタート時（電気炉１４のスイッチを入れた時刻）の温度は室温であり，そこから１時間で所定の反応温度（例えば９００℃）に達する。すなわち，そのような昇温曲線２２に沿うように，温度を制御する。昇温曲線２２の傾きに特別な意味はなく，時間節約の観点から，可能な限り短時間で９００℃に達すればよい。
【００２７】
次に，反応温度（例えば９００℃）の状態を反応時間ｔだけ維持する。図４では反応時間ｔ＝６時間の例を示している。反応時間ｔの間は，温度一定の定温曲線２４となる。所定の反応時間ｔが経過したら，電気炉のスイッチを切って，室温まで自然冷却する。このとき降温曲線２６に沿って温度が低下する。スイッチを切ってから５分後には温度は８００℃まで降下し，ここで溶融塩が凝固する。それ以後は反応が進まない。実験では，自然冷却により一晩放置して室温に戻ってから，試料を電気炉から取り出した。
【００２８】
図４の温度曲線において，反応温度と反応時間が重要である。この実施例ではＮａＣｌを主体とした溶融塩を用いているので，反応温度は，ＮａＣｌの融点の８０１℃よりも高い温度に設定する必要がある。一方で，反応温度は，β‐ＦｅＳｉ₂の安定温度域の上限値である９３７℃以下に設定する必要がある。ゆえに反応温度を例えば９００℃に設定することができる。
【００２９】
次に，反応時間の意義について説明する。図５は反応時間ｔと膜厚ｄの関係を示したグラフである。横軸は図４に示す反応時間ｔであり，縦軸は得られたβ‐ＦｅＳｉ₂の膜厚ｄである。このグラフを求めたときの反応温度は９００℃であり，溶融塩としては，ＮａＣｌ（７３．１６mol％）・ＮａＦ（２１．９５mol％）・Ｎａ₂ＳｉＦ₆（４．８９mol％）・Ｓｉ（Ｎａ₂ＳｉＦ₆：Ｓｉ＝１：４．５のモル比）を用いている。実験によれば，図５のグラフ中の（１）式で示すように，膜厚ｄは反応時間ｔの平方根にほぼ比例している。曲線２８は（１）式を示している。（１）式中の拡散係数Ｄは約２×１０のマイナス１１乗（ｃｍ²／sec）となった。
【００３０】
したがって，反応時間ｔを調節することでβ‐ＦｅＳｉ₂の膜厚ｄを制御することが可能になる。例えば，９００℃のときに，１時間で約８μｍの膜厚が得られ，６時間で約１２μｍ，１２時間で約２６μｍが得られる。
【００３１】
膜厚が反応時間の平方根にほぼ比例することから，β‐ＦｅＳｉ₂の成膜過程が拡散法則に支配されていることが分かる。すなわち，構成元素であるＦｅ及びＳｉの拡散速度によってβ‐ＦｅＳｉ₂の成長速度が律速される。
【００３２】
【実施例】
次に，具体的な実施例を説明する。図２において，まず，ＦｅＳｉ基板１０を準備する。純度９９．９％の粒状（数ｍｍ程度のもの）の多結晶ＦｅＳｉを，機械研磨によって板状に加工する。次に，この基板を，４００番のサンドペーパーと１５００番のサンドペーパーとを用いて，水を流しながら研磨し，さらに，布を用いてポリッシュ仕上げをする。次に，この基板を硝酸：酢酸：フッ酸＝２：１：１のエッチング液に３０秒浸して，表面をエッチングする。その後，この基板を，フッ酸：水＝１：９の水溶液に１０秒以上浸して，水溶液から取り出し，乾燥させる。これで，ＦｅＳｉ基板１０が完成する。
【００３３】
次に，溶融塩の材料を準備する。ＮａＣｌを１．９ｇ，ＮａＦを０．４ｇ，Ｎａ₂ＳｉＦ₆を０．４ｇ，Ｓｉ粉末を０．３ｇだけ用意する。いずれも粒状または粉末状である。実験に用いたるつぼ１２の容量が５ミリリットルなので，それに合わせた分量にしている。大面積のβ‐ＦｅＳｉ₂を製造する場合には，大きなるつぼを用意して，それに合わせて，基板サイズを大きくするとともに溶融塩の材料を増やせばよい。
【００３４】
以上の基板と溶融塩材料とをるつぼ１２に入れて，反応温度を９００℃にして，反応時間ｔを０．２５時間〜１６８時間の間で各種の条件にして，ＦｅＳｉ基板上にβ‐ＦｅＳｉ₂薄膜を形成した。温度曲線の形状は図４に示したものである。
【００３５】
実験の終了した基板をるつぼから取り出して，これをイオン交換水で洗浄した。これにより，基板に付着した塩類やシリコン粉末を除去した。その後，各種の測定を行った。まず，試料の断面を光学顕微鏡で観測した。その結果，どの反応時間においても平坦な連続膜が成長していることが分かった。β‐ＦｅＳｉ₂の膜厚は，この光学顕微鏡による観測から求めた。その値は，図５のグラフに示した通りである。
【００３６】
次に，ＦｅＳｉ基板上の薄膜をＸ線回折装置で測定した。その結果，どの反応時間のものでも，β‐ＦｅＳｉ₂の回折パターンが得られた。すなわち，β‐ＦｅＳｉ₂の標準の粉末回折パターンに一致するような回折パターンが得られた。この回折パターンは次のようにして得たものである。薄膜が形成されたＦｅＳｉ基板を，粉末にすることなくそのままの状態で，Ｘ線ディフラトメータの試料ホルダーに取り付けて，試料とＸ線検出装置とをθ‐２θ走査させて，回折パターンを測定した。このことから，基板上の薄膜が，優先配向性をもたない多結晶のβ‐ＦｅＳｉ₂薄膜であることが分かった。β‐ＦｅＳｉ₂以外の，例えばＦｅ₅Ｓｉ₃やＦｅＳｉなどに起因する回折ピークは観測されなかった。
【００３７】
また，透過形電子顕微鏡により大きさ約１μｍ程度のドメインが観察され，さらに，各ドメインからβ‐ＦｅＳｉ₂を示す制限視野回折（ＳＡＤ：selected area diffraction）パターンが確認できた。このことから，得られた薄膜が大きさ１μｍ程度の結晶粒からなる多結晶であることが確認できた。
【００３８】
図６（ａ）は，ＦｅＳｉ基板上のβ‐ＦｅＳｉ₂の断面図である。この断面図は，９００℃・７２時間の条件で得られたβ‐ＦｅＳｉ₂の断面を走査型電子顕微鏡で撮影した画像の概略図である。このβ‐ＦｅＳｉ₂の膜厚は約３８μｍである。β‐ＦｅＳｉ₂は柱状構造をしているのが分かる。この試料の四つの深さ地点ａ〜ｄについて，エネルギー分散型Ｘ線分光法により，簡易定量分析を実施した。その結果を図６（ｂ）に示す。図６（ａ）のａ点はβ‐ＦｅＳｉ₂薄膜の表面付近であり，ｂ点はβ‐ＦｅＳｉ₂薄膜の深さ方向のほぼ中間位置であり，ｃ点はβ‐ＦｅＳｉ₂薄膜の基板に近い位置であり，ｄ点はＦｅＳｉ基板の内部の位置である。図６（ｂ）に示すように，ａ点〜ｃ点では，ＦｅとＳｉの組成比がほぼ１対２になっている。このうち，ａ点では溶融塩の成分のＮａとＣｌがわずかに残留している。表面付近のこのようなＮａとＣｌは，自然冷却の過程で形成されたものと推測される。基板内のｄ点では，当然ながら，ＦｅとＳｉの組成比は１対１になっている。
【００３９】
最後に，半導体特性を実験で確認した。形成されたβ‐ＦｅＳｉ₂について，電極としてＩｎを用いたＩｎ／β‐ＦｅＳｉ₂／ＦｅＳｉ／Ｉｎ構造の電流・電圧特性を調べたところ，整流特性が観測された。したがって，金属・半導体接合が実現できていることが確認できた。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は，溶融塩法を用いてＦｅＳｉ基板上にβ‐ＦｅＳｉ₂を形成しているので，（１）気相堆積装置などの大掛かりな装置を必要としない，（２）ＦｅやＳｉを溶かすほどの高温にする必要がない，（３）加熱装置だけの簡単な装置で済むので大面積のβ‐ＦｅＳｉ₂を安価に製造できる，という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｆｅ‐Ｓｉ系の相図である。
【図２】材料供給の説明図である。
【図３】加熱装置の構成図である。
【図４】試料加熱時の温度曲線を示すグラフである。
【図５】反応時間ｔと膜厚ｄの関係を示したグラフである。
【図６】β‐ＦｅＳｉ₂の断面図と簡易定量分析結果である。
【符号の説明】
１０ＦｅＳｉ基板
１２るつぼ
１４電気炉
１６セラミック管
１８熱電対
２０ヒータ

Claims

Ｓｉ原子とフッ素原子とを含む溶融塩をＦｅＳｉ基板に接触させて，これを前記溶融塩の融点から９３７℃までの温度範囲内に所定時間維持することにより，前記ＦｅＳｉ基板上にβ‐ＦｅＳｉ₂を形成することを特徴とするβ‐ＦｅＳｉ₂の製造方法。
請求項１に記載の製造方法において，前記溶融塩は，ＮａＣｌ，ＮａＦ，Ｎａ₂ＳｉＦ₆及びＳｉを混合して溶融したものであることを特徴とする製造方法。
請求項２に記載の製造方法において，８０１℃から９３７℃までの温度範囲内に所定時間維持することを特徴とする製造方法。