JP7076096B2 - Silicon-based thin film and its manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、熱電変換素子に好適なシリコン系薄膜及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon-based thin film suitable for a thermoelectric conversion element and a method for producing the same.

熱エネルギーと電気エネルギーとの相互変換が可能な素子として熱電変換素子が知られている。この熱電変換素子は、p型及びn型の二種類の熱電変換材料(熱電材料)を用いて構成されており、この二種類の熱電材料を電気的に直列に接続し、熱的に並列に配置した構成とされている。この熱電変換素子は、両端子間に電圧を印加すれば、正孔の移動及び電子の移動が起こり、両面間に温度差が発生する(ペルチェ効果)。また、この熱電変換素子は、両面間に温度差を与えれば、やはり正孔の移動及び電子の移動が起こり、両端子間に起電力が発生する(ゼーベック効果)。 A thermoelectric conversion element is known as an element capable of mutual conversion between thermal energy and electric energy. This thermoelectric conversion element is configured by using two types of thermoelectric conversion materials (thermoelectric materials), p-type and n-type, and these two types of thermoelectric materials are electrically connected in series and thermally in parallel. It is said to be arranged. In this thermoelectric conversion element, when a voltage is applied between both terminals, holes move and electrons move, and a temperature difference occurs between both sides (Perche effect). Further, in this thermoelectric conversion element, if a temperature difference is applied between both sides, holes and electrons also move, and an electromotive force is generated between both terminals (Zebeck effect).

このため、熱電変換材料は、ペルチェ効果を利用したパーソナルコンピュータのCPU、冷蔵庫、カーエアコン等の冷却用の素子としての検討や、ゼーベック効果を利用したごみ焼却炉等から生ずる廃熱を利用した発電装置用の素子としての検討が進められている。特に、自動車のエンジンの廃熱量は無視できないほど多量であるため、エンジンの廃熱を利用して発電することも検討されており、その温度域は数百度と言われている。 For this reason, the thermoelectric conversion material is studied as an element for cooling the CPU, refrigerator, car air conditioner, etc. of a personal computer using the Pelche effect, and power generation using waste heat generated from a waste incinerator using the Seebeck effect. Studies are underway as an element for a device. In particular, since the amount of waste heat of an automobile engine is so large that it cannot be ignored, it is being considered to generate electricity by using the waste heat of the engine, and the temperature range is said to be several hundred degrees.

従来、熱電変換素子を構成する熱電材料として、BiTeが主に実用化されており、Bi-Te系の材料で例えば、n型の熱電材料を形成する際には一般にSeが添加される。しかし、これらの熱電材料を構成する元素のBi、Te及びSeは毒性が強いため、環境汚染のおそれがある。そのため、環境負荷の少ない、即ち毒性を有しない熱電材料が望まれている。また、Bi-Te系の材料は100℃程度での利用が主であり、自動車の排熱利用に対しては適していない。さらには、自動車の廃熱回収に使用するには軽量で資源的に豊富な材料が望まれている。その中でも、ケイ素化合物は資源的に豊富であり、毒性も低いことから熱電材料として注目されている。 Conventionally, Bi 2 Te 3 has been mainly put into practical use as a thermoelectric material constituting a thermoelectric conversion element, and Se is generally added when forming, for example, an n-type thermoelectric material with a Bi-Te system material. To. However, since the elements Bi, Te and Se constituting these thermoelectric materials are highly toxic, there is a risk of environmental pollution. Therefore, a thermoelectric material having a low environmental load, that is, having no toxicity is desired. Further, the Bi-Te material is mainly used at about 100 ° C., and is not suitable for the use of waste heat of automobiles. Further, a lightweight and resource-rich material is desired for use in waste heat recovery of automobiles. Among them, silicon compounds are attracting attention as thermoelectric materials because they are abundant in resources and have low toxicity.

その中でも高性能のn型の中温用熱電材料としてMgSiが知られている(例えば、特許文献1参照)。また、他のケイ素化合物として、BaSiを用いた熱電素子用材料が提案されているが(例えば、特許文献2参照)、導電性に関するデータのみでゼーベック係数や熱伝導率などの熱電特性は明らかとなっておらず、一般的な考え方としては、導電性を高くするほどゼーベック係数が小さく、熱伝導率が大きくなるため、単純に導電率だけを制御しても高い熱電特性は得られない。また、シリサイドを母相とし、シリコンを添加した系も提案されているが(例えば、特許文献3参照)、このような構造ではZTは0.4程度と低く、実用には耐えない。また、Ba―Si系クラスレート化合物も提案されており(例えば、特許文献4参照)、これは、Ba:Si=4.6:33.5at%のクラスレート化合物であり、かつn型半導体であることを示しているが、その特性は不明であり、有用であるか判断できない。現在、Ba-Si系材料において、どのような結晶相、どのような組成、どのような組織が熱電特性に対し有用であるかは明確となっていない。 Among them, Mg 2 Si is known as a high-performance n-type thermoelectric material for medium temperature (see, for example, Patent Document 1). Further, as another silicon compound, a material for a thermoelectric element using BaSi 2 has been proposed (see, for example, Patent Document 2), but the thermoelectric characteristics such as Seebeck coefficient and thermal conductivity are clear only from the data on conductivity. As a general idea, the higher the conductivity, the smaller the Seebeck coefficient and the larger the thermal conductivity. Therefore, even if only the conductivity is simply controlled, high thermoelectric characteristics cannot be obtained. Further, a system in which silicide is used as a parent phase and silicon is added has been proposed (see, for example, Patent Document 3), but in such a structure, ZT is as low as about 0.4, which is not practical. A Ba—Si clathrate compound has also been proposed (see, for example, Patent Document 4), which is a Ba: Si = 4.6: 33.5 at% clathrate compound and is an n-type semiconductor. It has been shown to be present, but its properties are unknown and it cannot be determined whether it is useful. At present, it is not clear what kind of crystal phase, what kind of composition, and what kind of structure are useful for thermoelectric properties in Ba—Si materials.

特開2002-368291号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-368291 特開2015-160997号公報JP-A-2015-160997 特開2015-225951号公報JP-A-2015-225951 特開2001-335309号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-335309

本発明の目的は、シリコンを主原料とした、熱電特性の高い熱電変換素子用に好適な新規なシリコン系薄膜を及びそれを効率よく製造する方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a novel silicon-based thin film suitable for a thermoelectric conversion element having high thermoelectric characteristics using silicon as a main raw material, and a method for efficiently producing the same.

上記の背景に鑑み、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、Ba-Siの組成を特定化し、かつベースとなる結晶相を特定化し、さらに組織を特定の構造とすることで高いゼーベック係数を有する熱電変換素子材料が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。 In view of the above background, as a result of diligent studies, the present inventors have specified the composition of Ba—Si, the base crystal phase, and further made the structure a specific structure to obtain a high Seebeck coefficient. It has been found that a thermoelectric conversion element material having the above can be obtained, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明の態様は以下の通りである。
(1)構成元素としてバリウムとシリコンを含む多結晶薄膜であって、結晶シリコン粒子とそれとは異なる相の粒子とから構成され、X線回折における最も高いピークの結晶相がシリコンであることを特徴とするシリコン系薄膜。
(2)結晶シリコン粒子の平均結晶粒子径が3nm以上1μm以下である上記(1)の薄膜。
(3)結晶シリコン粒子とは異なる相の粒子の平均粒子径が1nm以上10nm以下である上記(1)又は(2)の薄膜。
(4)結晶シリコン粒子とは異なる相の粒子が非結晶相である上記(1)ないし(3)のいずれかの薄膜。
(5)薄膜を構成するバリウムとシリコンの原子比が、各々の含有量をそれぞれBa及びSiとしたときに、下記の関係を満たす上記(1)ないし(4)のいずれかの薄膜。
0.1at%≦Ba/(Ba+Si)≦12at%
(6)構成元素として含有する酸素量が20at%以下である上記(1)ないし(5)のいずれかの薄膜。
(7)結晶シリコン粒子に対する、それとは異なる相の粒子の酸素の濃度比が下記の関係を満たす上記(1)ないし(6)のいずれかの薄膜。
1<酸素(異なる相の粒子)/酸素(結晶シリコン粒子)≦5
(8)上記(1)ないし(7)のいずれかの薄膜の製造方法であって、BaSiを主な結晶相とするスパッタリングターゲットを用いて、ターゲット-基板間距離を100mm以上とし、400℃以上700℃以下で成膜することを特徴とする製造方法。
(9)成膜した後に、不活性ガス雰囲気中、350℃以上800℃以下で熱処理を行う上記(8)に記載の薄膜の製造方法
(10)上記(1)ないし(7)のいずれかの薄膜を用いる熱電変換素子。
That is, the aspects of the present invention are as follows.
(1) A polycrystalline thin film containing barium and silicon as constituent elements, which are composed of crystalline silicon particles and particles having a phase different from the crystalline silicon particles, and is characterized in that the crystal phase having the highest peak in X-ray diffraction is silicon. Silicon-based thin film.
(2) The thin film of (1) above, wherein the average crystal particle diameter of crystalline silicon particles is 3 nm or more and 1 μm or less.
(3) The thin film of (1) or (2) above, wherein the average particle diameter of particles having a phase different from that of crystalline silicon particles is 1 nm or more and 10 nm or less.
(4) The thin film according to any one of (1) to (3) above, wherein the particles having a phase different from that of crystalline silicon particles are amorphous.
(5) The thin film according to any one of (1) to (4) above, wherein the atomic ratios of barium and silicon constituting the thin film satisfy the following relationship when the respective contents are Ba and Si, respectively.
0.1 at% ≤ Ba / (Ba + Si) ≤ 12 at%
(6) The thin film according to any one of (1) to (5) above, wherein the amount of oxygen contained as a constituent element is 20 at% or less.
(7) The thin film according to any one of (1) to (6) above, wherein the oxygen concentration ratio of the particles having a different phase to the crystalline silicon particles satisfies the following relationship.
1 <oxygen (particles of different phases) / oxygen (crystalline silicon particles) ≤ 5
(8) In the method for producing a thin film according to any one of (1) to (7) above, a sputtering target having BaSi 2 as a main crystal phase is used, the distance between the target and the substrate is 100 mm or more, and the temperature is 400 ° C. A manufacturing method characterized by forming a film at 700 ° C. or higher.
(9) The method for producing a thin film according to (8) above, wherein the heat treatment is performed at 350 ° C. or higher and 800 ° C. or lower in an inert gas atmosphere after the film is formed. (10) Any of the above (1) to (7). A thermoelectric conversion element that uses a thin film.

本発明によれば、シリコンを主原料とした、熱電特性の高い熱電変換素子に好適なシリコン系材料の薄膜、及びこれを効率よく製造するための製造方法が提供される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a thin film of a silicon-based material suitable for a thermoelectric conversion element having high thermoelectric characteristics using silicon as a main raw material, and a manufacturing method for efficiently manufacturing the thin film are provided.

実施例6で得られた薄膜についての性能指数-測定温度のプロットである。It is a plot of the figure of merit-measurement temperature for the thin film obtained in Example 6. 実施例3で得られた薄膜の基板と並行方向に切断した面のTEM像である。6 is a TEM image of a surface cut in a direction parallel to the thin film substrate obtained in Example 3.

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
本発明は、構成元素としてバリウムとシリコンを含む多結晶薄膜であって、結晶シリコン相(以下、「主相」ということもある。)粒子と、それとは異なる相(以下、別相という。)粒子とから構成され、X線回折における最も高いピークの結晶相がシリコンであることを特徴とする薄膜材料にある。
Hereinafter, the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the following embodiments.
The present invention is a polycrystalline thin film containing barium and silicon as constituent elements, in which crystalline silicon phase (hereinafter, also referred to as “main phase”) particles and a phase different from the particles (hereinafter, referred to as different phases) are used. It is in a thin film material composed of particles and characterized in that the highest peak crystal phase in X-ray diffraction is silicon.

ここでの薄膜とは、厚みが0.1mm以下である自立性を有するもの、若しくは自立せずに基体または基板などに製膜された膜を指し、その厚みは均一であることが好ましい。
ここでいう、最も高いピークとは、基体または基板起因のピークを除いた、薄膜起因によるピークのうち、最も高いピークを指す。
The thin film here refers to a thin film having a thickness of 0.1 mm or less and having a self-supporting property, or a film formed on a substrate or a substrate without being self-supporting, and the thickness thereof is preferably uniform.
The highest peak here refers to the highest peak among the peaks caused by the thin film, excluding the peaks caused by the substrate or the substrate.

高い熱電変換性能を持つ材料を考える上で、高いゼーベック係数を維持しつつ、電気伝導率と低い熱伝導率を両立することは極めて重要である。本発明の薄膜では、それを実現するに当たり、特にバリウムとシリコンを有するが、バリウムは原子量約137の重元素であり、原子量が大きいほど熱伝導を司るフォノンの伝達が低下するため熱伝導率が減少する。一方、シリコンは半導体に最もよく使われている元素であり、元素添加により導電性付与が比較的容易である。 In considering a material having high thermoelectric conversion performance, it is extremely important to achieve both electric conductivity and low thermal conductivity while maintaining a high Seebeck coefficient. In order to realize this, the thin film of the present invention has barium and silicon in particular, but barium is a heavy element having an atomic weight of about 137, and the larger the atomic weight, the lower the transfer of phonon, which controls heat conduction, so that the thermal conductivity increases. Decrease. On the other hand, silicon is an element most often used in semiconductors, and it is relatively easy to impart conductivity by adding an element.

高い電気伝導率を示すためには、シリコンが結晶化していることが必要である。結晶化することで、より高い電気伝導度を実現することが可能となる。また、その電気伝導を発現するためにはドーパントが含有されていることが好ましいが、フォノンの伝達を抑制し、かつ電気伝導度を高めるため、バリウムがシリコン結晶内に特定量存在することが好ましい。さらに、薄膜は多結晶薄膜であることを特徴とする。単結晶では別相が点在することが困難であり、熱電素子として必要な特性を実現することは困難である。 Silicon must be crystallized in order to exhibit high electrical conductivity. By crystallizing, it becomes possible to realize higher electric conductivity. Further, it is preferable that a dopant is contained in order to exhibit the electric conductivity, but it is preferable that barium is present in a specific amount in the silicon crystal in order to suppress the transmission of phonons and increase the electric conductivity. .. Further, the thin film is characterized by being a polycrystalline thin film. In a single crystal, it is difficult to intersperse different phases, and it is difficult to realize the characteristics required for a thermoelectric element.

本発明の薄膜が有する結晶相は、X線回折測定により確認することができる。例えば、Cuを線源とするX線回折測定(以下、XRDという。)において検出される回折ピークを、それぞれの結晶相に対応するJCPDS(Joint Committee for Powder Diffraction Standards)のカードデータと照合することで確認可能である。 The crystal phase of the thin film of the present invention can be confirmed by X-ray diffraction measurement. For example, collating the diffraction peak detected in the X-ray diffraction measurement using Cu as the radiation source (hereinafter referred to as XRD) with the card data of JCPDS (Joint Committee for Powder Diffraction Standards) corresponding to each crystal phase. It can be confirmed at.

ここで、シリコンが結晶化しているとは、薄膜のXRDパターンにおいて、シリコン相に起因する回折ピークが確認でき、かつ、その回折ピーク群における最大強度を示す回折ピークがシリコン相に起因するピークであることを示す。例えば、XRD測定においてJCPDSカードを用いて結晶相の同定を行う場合、例えばカードNo.Si:01-077-2110における(220)面、回折角47.313°における回折ピークを、シリコンの回折ピークとする。 Here, the fact that silicon is crystallized means that the diffraction peak caused by the silicon phase can be confirmed in the XRD pattern of the thin film, and the diffraction peak showing the maximum intensity in the diffraction peak group is the peak caused by the silicon phase. Indicates that there is. For example, when the crystal phase is identified by using the JCPDS card in the XRD measurement, for example, the card No. The diffraction peak at the (220) plane and the diffraction angle 47.313 ° in Si: 01-0772-2110 is defined as the diffraction peak of silicon.

また、本発明は、結晶シリコンとは別の相の粒子が存在することを特徴とする。別相は主に熱伝導を阻害するために必要であり、シリコンとは別の相である必要がある。本発明において、別相は、XRD測定によりハローが観察される非晶質体、またはBaSi若しくはBaSi等のBaSi系合金を例示できる。前記非晶質体はシリコンまたはバリウムの少なくともいずれかを含んでいればよい。 Further, the present invention is characterized in that particles having a phase different from that of crystalline silicon are present. The separate phase is mainly required to inhibit heat conduction and needs to be a separate phase from silicon. In the present invention, as another phase, an amorphous body in which a halo is observed by XRD measurement, or a BaSi-based alloy such as BaSi 2 or BaSi 6 can be exemplified. The amorphous body may contain at least one of silicon and barium.

シリコン結晶の平均粒子径は3nm以上であることが好ましく、5nm以上であることがさらに好ましい。3nmより小さい場合、粒界の部分が相対的に多くなり、全体の結晶性が低下し、結果として電気伝導度が低下してしまう。さらに、上記平均粒子径は1μm以下であることが好ましく、100nm以下であることがより好ましく、さらに50nm以下であることが好ましく、最も好ましくは20nm以下である。上記の平均粒子径とすることで、第2成分である別相による熱伝導低下効果を効果的に示すことが可能となり、熱起電力も高い数値を示すことが可能となる。 The average particle size of the silicon crystal is preferably 3 nm or more, and more preferably 5 nm or more. If it is smaller than 3 nm, the grain boundary portion is relatively large, the overall crystallinity is lowered, and as a result, the electrical conductivity is lowered. Further, the average particle diameter is preferably 1 μm or less, more preferably 100 nm or less, further preferably 50 nm or less, and most preferably 20 nm or less. By setting the average particle size as described above, it is possible to effectively show the effect of lowering the heat conduction by another phase, which is the second component, and it is possible to show a high value of the thermoelectromotive force.

別相の平均粒子径は1nm以上10nm以下であることが好ましく、より好ましくは1nm以上5nm以下、さらに好ましくは2nm以上4nm以下である。上記の範囲とすることで電気伝導を阻害せずに熱伝導を低く抑え、高いゼーベック係数を示すことが可能となる。
ここで、シリコン結晶及び別相のいずれの平均粒子径も、中央値、いわゆるメディアン径(D50)を表す。粒子径は電子顕微鏡観察により得られた画像における計測により算出できる。
The average particle size of the different phase is preferably 1 nm or more and 10 nm or less, more preferably 1 nm or more and 5 nm or less, and further preferably 2 nm or more and 4 nm or less. Within the above range, it is possible to suppress heat conduction low without inhibiting electrical conduction and to exhibit a high Seebeck coefficient.
Here, the average particle diameters of both the silicon crystal and the different phase represent the median, the so-called median diameter (D50). The particle size can be calculated by measurement in an image obtained by observation with an electron microscope.

上記の別相はシリコン結晶相以外の様々な相が考えられるが、非結晶質であることが好ましい。非結晶質とすることで、特に熱伝導率の抑制、並びに高いゼーベック係数を維持することが可能となる。 The above-mentioned separate phase may be various phases other than the silicon crystalline phase, but is preferably amorphous. By making it amorphous, it is possible to suppress the thermal conductivity and maintain a high Seebeck coefficient.

本発明の薄膜は、それを構成するバリウムとシリコンの原子比が、各々の含有量を、それぞれ、Ba、及びSiとしたときに、Ba/(Ba+Si)が、0.1at%以上が好ましく、0.3at%以上がより好ましく、さらに、0.5at%以上が好ましい。 The thin film of the present invention preferably has a Ba / (Ba + Si) of 0.1 at% or more when the atomic ratios of barium and silicon constituting the thin film are Ba and Si, respectively. 0.3 at% or more is more preferable, and 0.5 at% or more is more preferable.

上記Ba/(Ba+Si)が0.1at%以上とすることで、バリウムが結晶シリコン中に固溶しつつ、別相を析出させることが可能となり、電気伝導度の向上、熱伝導率の低減、ゼーベック係数の向上を可能とする。これに対して、Ba/(Ba+Si)が0.1at%より小さい場合、それらの効果が低下する。 By setting Ba / (Ba + Si) to 0.1 at% or more, barium can be solidified in crystalline silicon while another phase can be precipitated, which improves electrical conductivity and reduces thermal conductivity. It enables the improvement of the Seebeck coefficient. On the other hand, when Ba / (Ba + Si) is smaller than 0.1 at%, their effects are reduced.

一方、Ba/(Ba+Si)は、12at%以下が好ましく、8at%以下がより好ましく、6at%以下がさらに好ましく、4at%以下が最も好ましい。 On the other hand, Ba / (Ba + Si) is preferably 12 at% or less, more preferably 8 at% or less, further preferably 6 at% or less, and most preferably 4 at% or less.

上記Ba/(Ba+Si)が12at%以上になると別相の割合が増加し、電気伝導度が低下することや、シリコンではない別の結晶相となるため、所望する膜構造を得ることができない。 When the Ba / (Ba + Si) is 12 at% or more, the ratio of another phase increases, the electrical conductivity decreases, and another crystal phase other than silicon is formed, so that a desired film structure cannot be obtained.

薄膜は、構成元素として含有する酸素含有量が20at%以下であることが好ましく、より好ましくは15at%以下である。そうすることで、高い結晶性のシリコン結晶を維持することができる。また、酸素含有量は5at%以上であることが好ましく、より好ましくは8at%以上である。それだけの酸素を含有することで、微結晶となっても結晶性を維持することが可能であり、また、別相においても、酸素を多く含有することで、結晶が崩れて非晶質となり、より熱伝導を阻害することが可能となる。 The thin film preferably has an oxygen content of 20 at% or less as a constituent element, and more preferably 15 at% or less. By doing so, highly crystalline silicon crystals can be maintained. The oxygen content is preferably 5 at% or more, more preferably 8 at% or more. By containing that much oxygen, it is possible to maintain crystallinity even if it becomes a microcrystal, and even in another phase, by containing a large amount of oxygen, the crystal collapses and becomes amorphous. It becomes possible to further inhibit heat conduction.

本発明の薄膜は、シリコンの多結晶相粒子に対し、別相の粒子にBaが偏析した構造を有し、シリコンの多結晶相(主相)と別相のBa濃度比(Ba(別相)/Ba(主相))が、1より大きく、30以下であるのが好ましく、5以上、20以下であるのがより好ましく、7以上、15以下であるのがさらに好ましい。 The thin film of the present invention has a structure in which Ba is segregated from the particles having a different phase with respect to the particles having a polycrystalline phase of silicon, and the Ba concentration ratio between the polycrystalline phase (main phase) of silicon and the different phase (Ba (different phase)). ) / Ba (main phase)) is more than 1, preferably 30 or less, more preferably 5 or more and 20 or less, and even more preferably 7 or more and 15 or less.

上記のように、必要最小限のBaをシリコン多結晶層に存在させ、別相にBaを偏析させることで、別相を酸化しやすい構造とすることができる。別相を意図的に結晶として不安定なBa-Si-O相とすることで非晶質化させ、かつシリコン結晶層の結晶性は向上させることが可能となる。 As described above, by allowing the minimum required amount of Ba to exist in the silicon polycrystalline layer and segregating Ba into another phase, it is possible to form a structure in which the other phase is easily oxidized. By intentionally using the other phase as an unstable Ba—Si—O phase as a crystal, it is possible to amorphize the phase and improve the crystallinity of the silicon crystal layer.

また、本発明の薄膜は、シリコンの多結晶相粒子に対する、別相の粒子の酸素の濃度比(酸素(別相)/酸素(主相))が、1より大きく、5以下であるのが好ましく、1より大きく、3以下であるのがより好ましく、1より大きく、2以下であるのがさらに好ましい。 Further, in the thin film of the present invention, the oxygen concentration ratio (oxygen (different phase) / oxygen (main phase)) of the particles of another phase to the polycrystal phase particles of silicon is larger than 1 and 5 or less. It is preferably greater than 1 and more preferably 3 or less, and even more preferably greater than 1 and less than or equal to 2.

上記のように酸素濃度に差をつけることで、シリコンの結晶性を維持しつつ、別相を非晶質とし、熱電特性を向上させることが可能となる。 By differentiating the oxygen concentration as described above, it is possible to make the other phase amorphous and improve the thermoelectric characteristics while maintaining the crystallinity of silicon.

シリコンの多結晶相のピークの中で最も高いピークと2番目に高いピークとの強度比が5以上であることが好ましく。より好ましくは10以上であり、さらに好ましくは20以上である。そうすることで、結晶の方位が揃った薄膜を得ることができ、電気伝導性を向上させることが可能となる。ここでのピーク強度は、下記の式により求めた。
ピーク強度=(最大ピーク値-(測定域のバックグラウンド平均値))
It is preferable that the intensity ratio of the highest peak to the second highest peak among the peaks of the polycrystalline phase of silicon is 5 or more. It is more preferably 10 or more, and even more preferably 20 or more. By doing so, it is possible to obtain a thin film having the same crystal orientation, and it is possible to improve the electrical conductivity. The peak intensity here was calculated by the following formula.
Peak intensity = (maximum peak value- (background mean value in the measurement range))

本発明の薄膜では、シリコンの多結晶相のピークの中で、最も高いピークが(220)面であることが好ましい。特に(220)面に配向させることで、より導電性を向上させることが可能となる。 In the thin film of the present invention, it is preferable that the highest peak among the peaks of the polycrystalline phase of silicon is the (220) plane. In particular, by orienting the surface (220), it is possible to further improve the conductivity.

本発明の薄膜は、基体上に成膜されていることが好ましい。基体は板状の基板であっても、その他複雑形状物であってもよい。基体の材質は特に限定されないが、ガラス基板、サファイア基板、石英基板、シリコン基板などが好ましい。 The thin film of the present invention is preferably formed on a substrate. The substrate may be a plate-shaped substrate or another complicated shape. The material of the substrate is not particularly limited, but a glass substrate, a sapphire substrate, a quartz substrate, a silicon substrate and the like are preferable.

本発明の薄膜の厚みは10nm以上であることが好ましく、より好ましくは100nm以上、さらに好ましくは500nm以上である。そうすることで、より熱電特性を発揮できるようになる。また、厚みは500μm以下であることが好ましく、より好ましくは10μm以下であり、さらに好ましくは5μm以下である。 The thickness of the thin film of the present invention is preferably 10 nm or more, more preferably 100 nm or more, still more preferably 500 nm or more. By doing so, the thermoelectric characteristics can be exhibited more. The thickness is preferably 500 μm or less, more preferably 10 μm or less, still more preferably 5 μm or less.

本発明の薄膜は、上記の構造を満たすことで電気伝導度として1×10S/cm以上2×10S/cm以下を示し、高い熱電特性を示す。
また、その出力因子(パワーファクター、PF)は下記の式で表され、室温から700℃まで変化させた際に、最大で0.05×10-3W/mK以上を示す。なお、式中、Sはゼーベック係数であり、σ:は電気伝導度((W/mK)である。
PF=S×σ
さらに、性能指数(ZT)は下記の式で表され、室温から700℃まで変化させた際に、最大で0.02以上を示す良好な熱電特性を示す薄膜が得られる。なお、式中、Sはゼーベック係数であり、σは電気伝導度((W/mK)であり、κは熱伝導率(無次元)である。
ZT=S×σ/κ
By satisfying the above structure, the thin film of the present invention exhibits an electric conductivity of 1 × 100 S / cm or more and 2 × 10 2 S / cm or less, and exhibits high thermoelectric characteristics.
The output factor (power factor, PF) is expressed by the following formula, and shows a maximum of 0.05 × 10 -3 W / mK 2 or more when changed from room temperature to 700 ° C. In the equation, S is the Seebeck coefficient and σ: is the electrical conductivity ((W / mK 2 ).
PF = S 2 × σ
Further, the figure of merit (ZT) is expressed by the following formula, and when the temperature is changed from room temperature to 700 ° C., a thin film showing good thermoelectric characteristics showing a maximum of 0.02 or more can be obtained. In the equation, S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity ((W / mK 2 )), and κ is the thermal conductivity (dimensionless).
ZT = S 2 × σ / κ

次に、本発明の薄膜の製造方法について説明する。ここではその一例を示すが、必ずしもその方法による必要はない。 Next, the method for producing the thin film of the present invention will be described. An example is shown here, but it is not always necessary to use that method.

本発明の薄膜の製造方法としては、蒸着法、塗布法等様々あるが、その中でもスパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。
本発明の薄膜を得るためには、成膜温度を400℃以上700℃以下とすることが好ましく、より好ましくは500℃以上650℃以下である。そうすることで、結晶化はするが、結晶成長が小さいため、シリコンの微結晶を発生させることが可能となる。さらに、成膜時に結晶成長させることで、配向性の高い膜を得ることが可能となる。高温で成膜することで個々の微結晶の結晶性が向上し、電気伝導度が向上する。さらに、添加物であるバリウムが安定的に存在しやすくなる。
There are various methods for producing the thin film of the present invention, such as a vapor deposition method and a coating method, and among them, it is preferable to form a film by using a sputtering method.
In order to obtain the thin film of the present invention, the film formation temperature is preferably 400 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, more preferably 500 ° C. or higher and 650 ° C. or lower. By doing so, although crystallization occurs, since the crystal growth is small, it becomes possible to generate microcrystals of silicon. Further, by growing crystals at the time of film formation, it is possible to obtain a film having high orientation. By forming a film at a high temperature, the crystallinity of individual crystallites is improved and the electrical conductivity is improved. Furthermore, barium, which is an additive, tends to be stably present.

本発明の薄膜は、成膜後に、熱処理を行うことが好ましい。かかる熱処理を行うことで、結晶粒子径を変化させずに、添加元素であるバリウムを偏析させることが可能となる。その熱処理の温度は350℃以上800℃以下であることが好ましく、より好ましくは450℃以上800℃以下、さらに好ましくは600℃以上800℃以下である。上記の温度範囲とすることで、粒子径を好ましい範囲にした上でバリウム偏析を促進し、シリコンの結晶性も向上させることが可能となる。
熱処理の雰囲気は過剰に酸素を入れないため、不活性雰囲気中、例えば1vol%以下の酸素を含む不活性ガス(He、Ar、N等)雰囲気中で熱処理することが好ましい。
The thin film of the present invention is preferably heat-treated after film formation. By performing such a heat treatment, it becomes possible to segregate barium, which is an additive element, without changing the crystal particle size. The temperature of the heat treatment is preferably 350 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, more preferably 450 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, and further preferably 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. By setting the temperature in the above range, it is possible to promote barium segregation and improve the crystallinity of silicon while keeping the particle size in a preferable range.
Since the heat treatment atmosphere does not allow excessive oxygen to be introduced, it is preferable to perform the heat treatment in an inert atmosphere, for example, in an inert gas (He, Ar, N 2 , etc.) atmosphere containing 1 vol% or less of oxygen.

スパッタリングで用いるターゲットは特に限定されないが、バリウム-シリコン系化合物が好ましい。そうすることで、均一な組成の膜を得ることが可能となる。様々なバリウム-シリコン化合物が考えられるが、比較的安定的なBaSiを用いることが好ましい。 The target used in sputtering is not particularly limited, but a barium-silicon compound is preferable. By doing so, it becomes possible to obtain a film having a uniform composition. Although various barium-silicon compounds can be considered, it is preferable to use BaSi 2 which is relatively stable.

さらに、スパッタリングでは、意図的に酸素を導入することが好ましい。そのため、スパッタガスとして酸素を用いることなどが挙げられるが、スパッタリングターゲット中に一定量の酸素を含むことが好ましい。その酸素量は1at%以上20at%以下であることが好ましく、より好ましくは3at%以上15at%以下、さらに好ましくは10at%以上14at%以下である。 Further, in sputtering, it is preferable to intentionally introduce oxygen. Therefore, oxygen may be used as the sputtering gas, but it is preferable that the sputtering target contains a certain amount of oxygen. The amount of oxygen is preferably 1 at% or more and 20 at% or less, more preferably 3 at% or more and 15 at% or less, and further preferably 10 at% or more and 14 at% or less.

また、ターゲットと基板の角度を50°~70°とすることが好ましい。そうすることで、バリウム-シリコン系において、微細構造を持つ膜が成長しやすくなる。
スパッタリング装置内において、基板は台座中央部または台座の端部のいずれに設置してもよい。台座に対する基板の設置位置により、BaSiのスパッタ時の元素飛散状態が変化し、Ba/Si比に違いを生じる。このため、基板は、好ましくは台座中央部に設置される。
Further, it is preferable that the angle between the target and the substrate is 50 ° to 70 °. By doing so, in the barium-silicon system, a film having a fine structure is likely to grow.
In the sputtering apparatus, the substrate may be installed at either the center of the pedestal or the end of the pedestal. Depending on the mounting position of the substrate with respect to the pedestal, the element scattering state at the time of spattering of BaSi changes, causing a difference in the Ba / Si ratio. Therefore, the substrate is preferably installed in the center of the pedestal.

スパッタガス圧は低ガス圧であることが好ましく、1.5Pa以下であることが好ましく、より好ましくは0.5Pa以下であり、さらに好ましくは0.3Pa以下である。ガス圧を低下させることで、スパッタ粒子のエネルギーを基板まで到達しやすくし、より高い結晶性、配向性の膜とすることが可能となる。上記ガス圧は0.05Pa以上が好ましく、さらに好ましくは0.1Pa以上である。その範囲とすることで安定的に放電が可能となる。 The sputter gas pressure is preferably a low gas pressure, preferably 1.5 Pa or less, more preferably 0.5 Pa or less, still more preferably 0.3 Pa or less. By lowering the gas pressure, the energy of the sputtered particles can easily reach the substrate, and a film having higher crystallinity and orientation can be obtained. The gas pressure is preferably 0.05 Pa or more, more preferably 0.1 Pa or more. Within that range, stable discharge is possible.

スパッタリングで、用いるガスは不活性ガスならば特に規定しないが、Ar、Ne、窒素などが好ましく、より好ましくはArである。
放電電力は1W/cm以上であることが好ましく、より好ましくは2W/cm以上である。そうすることで安定的にバリウムと珪素がスパッタされ、均一な膜が形成される。上限としては20W/cm以下が好ましい。そうすることでターゲットの強度が低くても割れることなく放電が可能となる。
The gas used in the sputtering is not particularly specified if it is an inert gas, but Ar, Ne, nitrogen and the like are preferable, and Ar is more preferable.
The discharge power is preferably 1 W / cm 2 or more, more preferably 2 W / cm 2 or more. By doing so, barium and silicon are stably sputtered, and a uniform film is formed. The upper limit is preferably 20 W / cm 2 or less. By doing so, even if the strength of the target is low, it is possible to discharge without cracking.

スパッタリングで用いるターゲットはバリウムとシリコンを含有するものならば特に限定しないが、バリウムは大気中で酸化されやすいなど不安定な性質であるため、均一に合金化されていることが好ましい。その中でも比較的酸化に強く、安定的な構造を持たせるため、Si/Baが2以上の合金相を持つことが好ましく、中でもBaSiのピークを持つことが好ましい。その際のSi/Ba原子量比は1.9以上2.1以下が好ましい。 The target used in sputtering is not particularly limited as long as it contains barium and silicon, but barium has unstable properties such as being easily oxidized in the atmosphere, so that it is preferably uniformly alloyed. Among them, Si / Ba preferably has an alloy phase of 2 or more, and particularly preferably has a BaSi 2 peak in order to have a relatively strong oxidation resistance and a stable structure. At that time, the Si / Ba atomic weight ratio is preferably 1.9 or more and 2.1 or less.

なお、BaSiターゲットを用いると、好ましい含有量に対して、膜中のBa量が多くなり、求める構造の膜を得ることが困難となるけため、Baを少なくする方法が必要となる。そこで、BaとSiの原子量の違い(Ba:137.33、Si:28.09)から、スパッタリングによる原子放出時のエネルギーの違いを利用し、Ba量を調整した本発明の薄膜を作製することが可能となった。
そのためには、ターゲット-基板間の距離を調整することが必要である。その距離は100mm以上であることが好ましく、より好ましくは120mm、さらに好ましくは150mm以上である。ターゲット-基板間距離を長くとることで、Baが基板まで届き難くなり、Ba量を調整することが可能となる。
When a BaSi 2 target is used, the amount of Ba in the film increases with respect to the preferable content, and it becomes difficult to obtain a film having a desired structure. Therefore, a method of reducing Ba is required. Therefore, from the difference in atomic weight between Ba and Si (Ba: 137.33, Si: 28.09), the difference in energy at the time of atom emission by sputtering is used to prepare the thin film of the present invention in which the amount of Ba is adjusted. Is now possible.
For that purpose, it is necessary to adjust the distance between the target and the substrate. The distance is preferably 100 mm or more, more preferably 120 mm, still more preferably 150 mm or more. By increasing the distance between the target and the substrate, it becomes difficult for Ba to reach the substrate, and the amount of Ba can be adjusted.

さらに、スパッタガス圧を調整することで、さらにBa量の調整が可能となる。ガス圧が低いほどArが空間中に少なくなり、Siが基板に到達し易くなるためである。 Further, by adjusting the spatter gas pressure, the Ba amount can be further adjusted. This is because the lower the gas pressure, the less Ar is in the space, and the easier it is for Si to reach the substrate.

スパッタリングにおける到達真空度は1×10-3Pa以上1×10-4Pa以下であることが好ましい。この範囲とすることで、膜中に適度に装置内に残留する酸素が導入され、高い熱電特性を持つ膜を得ることが可能となる。 The ultimate vacuum in sputtering is preferably 1 × 10 -3 Pa or more and 1 × 10 -4 Pa or less. Within this range, oxygen appropriately remaining in the apparatus is introduced into the film, and it becomes possible to obtain a film having high thermoelectric characteristics.

以下、実施例をもって説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

(各金属組成、純度)
FIB(集束イオンビーム加工観察装置)を用いて薄膜を切断後、断面方向からTEM(透過型電子顕微鏡)-EDS(エネルギー分散型X線分光器)を用いて、組成比はバリウム、シリコンの合計量に対する各元素の比率として算出した。純度は検出された全金属元素中のバリウム、シリコンを合計した量が占める割合(at%)とした。
(Each metal composition and purity)
After cutting the thin film using FIB (focused ion beam processing observation device), the composition ratio is the total of barium and silicon using TEM (transmission electron microscope) -EDS (energy dispersion type X-ray spectroscope) from the cross-sectional direction. Calculated as the ratio of each element to the amount. The purity was defined as the ratio (at%) of the total amount of barium and silicon in the detected total metal elements.

局所的な組成についてはFIBを用いて薄膜を表面と並行方向に切断後、イオンミリング法にて薄膜中心部分を剥片化し、TEM-EDSを利用して、TEMにて結晶シリコン相、別相の粒子を特定し、その粒子毎の組成比(at%)を算出した。
バリウム量=Ba/(Ba+Si)
For the local composition, after cutting the thin film in the direction parallel to the surface using FIB, the central part of the thin film is stripped by the ion milling method, and the crystalline silicon phase and another phase are separated by TEM using TEM-EDS. The particles were specified, and the composition ratio (at%) for each particle was calculated.
Barium amount = Ba / (Ba + Si)

(含有酸素量)
薄膜全体の酸素量はRBS(ラザフォード後方散乱分光法)測定により、合金中の酸素、バリウム、シリコンを合計した量に対する割合(at%)とした。
酸素量=O/(O+Ba+Si)
局所的な酸素含有量については、金属組成の測定の際と同様、EDSにより測定した。
(Oxygen content)
The amount of oxygen in the entire thin film was determined by RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy) measurement as a ratio (at%) to the total amount of oxygen, barium, and silicon in the alloy.
Oxygen amount = O / (O + Ba + Si)
The local oxygen content was measured by EDS as in the measurement of the metal composition.

焼結体中の酸素量は測定物を熱分解させ、酸素・窒素・水素分析装置(Leco社製)を用いて酸素量を熱伝導度法により測定し、合金中のバリウム、シリコンを合計した量に対する割合(at%)とした。 The amount of oxygen in the sintered body was obtained by thermally decomposing the measured object, and the amount of oxygen was measured by the thermal conductivity method using an oxygen / nitrogen / hydrogen analyzer (manufactured by Leco), and the total of barium and silicon in the alloy was added. The ratio to the amount (at%) was used.

(ゼーベック係数)
被測定物を必要な形状に加工し、熱電特性評価装置(アルバック社製:ZEM-3)を用いてJIS R 1650-1に準じて室温から700℃までのゼーベック係数の測定を行った。測定雰囲気は減圧He下で実施した。
(Seebeck coefficient)
The object to be measured was processed into a required shape, and the Seebeck coefficient from room temperature to 700 ° C. was measured according to JIS R1650-1 using a thermoelectric characterization device (manufactured by ULVAC, Inc .: ZEM-3). The measurement atmosphere was carried out under reduced pressure He.

(熱伝導率測定)
ピコサーモ社製薄膜用熱伝導率測定装置(ピコ秒サーモリフレクタンス法による薄膜熱物性測定装置(PicoTR))を用い、表層に反射膜として約100nmのモリブデンを成膜後、パルス光加熱サーモリフレクタンス法の表面加熱/表面測温(FF)により、薄膜断面方向の熱浸透を計測した。得られた温度履歴曲線(位相信号)をシミュレーション計算にてフィッティングを行い、対象薄膜の熱伝導率および層間の界面熱抵抗を算出した。比熱容量は結晶シリコンを仮定し、文献値を使用した。
(Measurement of thermal conductivity)
Using a thermal conductivity measuring device for thin films manufactured by Pico Thermo (a thin film thermophysical property measuring device (PicoTR) by the picosecond thermoreflectance method), molybdenum of about 100 nm is formed on the surface layer as a reflective film, and then pulsed light heating thermoreflectance. The heat penetration in the cross-sectional direction of the thin film was measured by the surface heating / surface temperature measurement (FF) of the method. The obtained temperature history curve (phase signal) was fitted by simulation calculation, and the thermal conductivity of the target thin film and the interfacial thermal resistance between the layers were calculated. The specific heat capacity was assumed to be crystalline silicon, and the literature values were used.

(X線回折測定)
一般的な粉末X線回折装置(装置名:UltimaIII、リガク社製)を用いた。XRD測定の条件は以下のとおりである。
(X-ray diffraction measurement)
A general powder X-ray diffractometer (device name: UltimaIII, manufactured by Rigaku Co., Ltd.) was used. The conditions for XRD measurement are as follows.

線源 : CuKα線(λ=0.15418nm)
測定モード : 2θ/θスキャン
測定間隔 : 0.01°
発散スリット: 0.5deg
散乱スリット: 0.5deg
受光スリット: 0.3mm
計測時間 : 1.0秒
測定範囲 : 2θ=20°~80°
同定する結晶相は、下記のJCPDSカードを参考に同定した。
Si:01-077-2110
BaSi:01-071-2327
BaSi:01-079-5227
Radioactive source: CuKα ray (λ = 0.15418 nm)
Measurement mode: 2θ / θ scan Measurement interval: 0.01 °
Divergence slit: 0.5 deg
Scattering slit: 0.5 deg
Light receiving slit: 0.3 mm
Measurement time: 1.0 second Measurement range: 2θ = 20 ° to 80 °
The crystal phase to be identified was identified with reference to the JCPDS card below.
Si: 01-0772-2110
BaSi 2 : 01-071-2327
BaSi 6 : 01-079-5227

(電気伝導度)
被測定物を必要な形状に加工し、熱電特性評価装置(アルバック社製:ZEM-3)を用いて、室温から700℃までの抵抗率測定を行った。測定雰囲気は減圧He下で実施した。
(出力因子、性能指数)
出力因子、性能指数は、下記の計算により求めた
出力因子(PF)=S×σ (W/mK
(S:ゼーベック係数(V/K) σ:電気伝導度(S/cm))
性能指数(ZT)=S×σ×T/κ
(T:温度(K) κ:熱伝導率(W/mK))
(Electrical conductivity)
The object to be measured was processed into a required shape, and the resistivity was measured from room temperature to 700 ° C. using a thermoelectric characterization device (manufactured by ULVAC, ZEM-3). The measurement atmosphere was carried out under reduced pressure He.
(Output factor, figure of merit)
The output factor and figure of merit are the output factor (PF) = S 2 × σ (W / mK 2 ) obtained by the following calculation.
(S: Seebeck coefficient (V / K) σ: electrical conductivity (S / cm))
Figure of merit (ZT) = S 2 x σ x T / κ
(T: temperature (K) κ: thermal conductivity (W / mK))

(平均粒子径)
局所的な組成については、FIBを用いて薄膜を表面と並行方向に切断後、イオンミリング法にて薄膜中心部分を剥片化し、TEM(透過型電子顕微鏡)により性状を観察し、シリコン多結晶相と別相の粒子径を少なくとも50個以上測定し、その中央値(D50)を算出した。
(Average particle size)
For the local composition, after cutting the thin film in the direction parallel to the surface using FIB, the central part of the thin film is stripped by the ion milling method, and the properties are observed by TEM (transmission electron microscope), and the silicon polycrystalline phase. At least 50 or more particle diameters of different phases were measured, and the median value (D50) was calculated.

実施例1~7
スパッタリングターゲットは、50mmφBaSiターゲットを用いた。ターゲット中のBa/Si原子量比は1:2.0であった。また、含有する酸素量は5at%であり、純度は98%であった。
スパッタ条件は、表1に示した通りである。基板は回転させずに行った。その結果、薄膜の物性は表2の通りとなり、所望の特性を示す薄膜が得られた。また、得られた薄膜の熱物性を表3に示す。
実施例6で得られた薄膜に関して、ZTの温度依存性を図1に示す。また、実施例3で得られた薄膜の基板と並行方向のTEM像を図2に示す。
Examples 1-7
As the sputtering target, a 50 mmφBaSi 2 target was used. The Ba / Si atomic weight ratio in the target was 1: 2.0. The amount of oxygen contained was 5 at%, and the purity was 98%.
The spatter conditions are as shown in Table 1. The substrate was not rotated. As a result, the physical characteristics of the thin film are as shown in Table 2, and a thin film showing desired characteristics was obtained. Table 3 shows the thermophysical properties of the obtained thin film.
The temperature dependence of ZT for the thin film obtained in Example 6 is shown in FIG. Further, FIG. 2 shows a TEM image in the direction parallel to the thin film substrate obtained in Example 3.

比較例1~2
スパッタリングターゲットは、75mmφBaSiターゲットを用いた。ターゲット中のBa/Si原子量比は1:2.0であった。また、含有する酸素量は5at%であり、純度は98%であった。
スパッタ条件は、表1に示した通りである。基板は回転させずに行った。
その結果、薄膜の物性は表2の通りとなり、所望の特性の薄膜が得られなかった。
Comparative Examples 1-2
As the sputtering target, a 75 mmφBaSi 2 target was used. The Ba / Si atomic weight ratio in the target was 1: 2.0. The amount of oxygen contained was 5 at%, and the purity was 98%.
The spatter conditions are as shown in Table 1. The substrate was not rotated.
As a result, the physical characteristics of the thin film are as shown in Table 2, and a thin film having desired characteristics could not be obtained.

比較例3
スパッタリングターゲットは、50mmφ多結晶シリコンを用いた。シリコンの純度は99,999%であった。
スパッタ条件は、表1に示した通りである。基板は回転させずに行った。その結果、薄膜の物性は表2の通りとなり、所望の特性の薄膜が得られなかった。
Comparative Example 3
As the sputtering target, 50 mmφ polycrystalline silicon was used. The purity of silicon was 99,999%.
The spatter conditions are as shown in Table 1. The substrate was not rotated. As a result, the physical characteristics of the thin film are as shown in Table 2, and a thin film having desired characteristics could not be obtained.

本発明のシリコン系薄膜は、熱電変換素子として好適に使用することができる。 The silicon-based thin film of the present invention can be suitably used as a thermoelectric conversion element.

Figure 0007076096000001
Figure 0007076096000001

Figure 0007076096000002
Figure 0007076096000002

Figure 0007076096000003
Figure 0007076096000003

Figure 0007076096000004
Figure 0007076096000004

Claims (9)

構成元素としてバリウムとシリコンを含む多結晶薄膜であって、結晶シリコン粒子とそれとは異なる相の粒子とから構成され、X線回折における最も高いピークの結晶相がシリコンであり、かつ、結晶シリコン粒子に対する、前記異なる相の粒子の酸素の濃度比(酸素(異なる相の粒子)/酸素(結晶シリコン粒子))が下記の関係を満たすことを特徴とするシリコン系薄膜。
1<酸素(異なる相の粒子)/酸素(結晶シリコン粒子)≦5
It is a polycrystalline thin film containing barium and silicon as constituent elements, and is composed of crystalline silicon particles and particles with a phase different from that. The crystal phase with the highest peak in X-ray diffraction is silicon , and crystalline silicon. A silicon-based thin film characterized in that the oxygen concentration ratio of the particles having different phases to the particles (oxygen (particles having different phases) / oxygen (crystalline silicon particles)) satisfies the following relationship .
1 <oxygen (particles of different phases) / oxygen (crystalline silicon particles) ≤ 5
結晶シリコン粒子の平均粒子径が3nm以上1μm以下である請求項1に記載の薄膜。 The thin film according to claim 1, wherein the average particle size of the crystalline silicon particles is 3 nm or more and 1 μm or less. 結晶シリコン粒子とは異なる相の粒子の平均粒子径が1nm以上10nm以下である請求項1又は2に記載の薄膜。 The thin film according to claim 1 or 2, wherein the average particle diameter of particles having a phase different from that of crystalline silicon particles is 1 nm or more and 10 nm or less. 結晶シリコン粒子とは異なる相の粒子が非結晶相である請求項1ないし3のいずれか一項に記載の薄膜。 The thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein the particles having a phase different from that of crystalline silicon particles are amorphous phases. 薄膜を構成するバリウムとシリコンの原子比が、各々の含有量をそれぞれBa及びSiとしたときに、下記の関係を満たす請求項1ないし4のいずれか一項に記載の薄膜。
0.1at%≦Ba/(Ba+Si)≦12at%
The thin film according to any one of claims 1 to 4, wherein the atomic ratios of barium and silicon constituting the thin film satisfy the following relationship when the respective contents are Ba and Si, respectively.
0.1 at% ≤ Ba / (Ba + Si) ≤ 12 at%
構成元素として含有する酸素含有量が20at%以下である請求項1ないし5のいずれか一項に記載の薄膜。 The thin film according to any one of claims 1 to 5, wherein the oxygen content contained as a constituent element is 20 at% or less. 請求項1ないしのいずれか一項に記載の薄膜の製造方法であって、
BaSiを主な結晶相とするスパッタリングターゲットを用いて、ターゲット-基板間距離を100mm以上とし、かつ400℃以上700℃以下で成膜することを特徴とする製造方法。
The method for producing a thin film according to any one of claims 1 to 6 .
A manufacturing method characterized by using a sputtering target having BaSi 2 as a main crystal phase, setting the distance between the target and the substrate to 100 mm or more, and forming a film at 400 ° C. or higher and 700 ° C. or lower.
成膜した後に、不活性ガス雰囲気中、350℃以上800℃以下で熱処理を行う請求項に記載の薄膜の製造方法。 The method for producing a thin film according to claim 7 , wherein the film is heat-treated at 350 ° C. or higher and 800 ° C. or lower in an inert gas atmosphere. 請求項1ないしのいずれか一項に記載の薄膜を用いる熱電変換素子。 A thermoelectric conversion element using the thin film according to any one of claims 1 to 6 .
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