JPH0936440A - Production of thermoelectric material - Google Patents

Production of thermoelectric material

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JPH0936440A
JPH0936440A JP7185337A JP18533795A JPH0936440A JP H0936440 A JPH0936440 A JP H0936440A JP 7185337 A JP7185337 A JP 7185337A JP 18533795 A JP18533795 A JP 18533795A JP H0936440 A JPH0936440 A JP H0936440A
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JP
Japan
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thermoelectric material
targets
substrate
thermoelectric
producing
Prior art date
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JP7185337A
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Japanese (ja)
Inventor
Hitoshi Nishino
仁 西野
Masataka Fujiwara
正隆 藤原
Shinichi Tada
進一 多田
Shigeru Morikawa
茂 森川
Yoshiyuki Yamada
良行 山田
Hisashi Sakai
久 坂井
Takatomo Sasaki
孝友 佐々木
Yusuke Mori
勇介 森
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.)
Osaka Gas Co Ltd
Original Assignee
Osaka Gas Co Ltd
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Publication of JPH0936440A publication Critical patent/JPH0936440A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To simplify the production process of thermoelectric material while preventing mixture of oxygen by arranging a plurality of specified targets oppositely to an objective substrate in a filming chamber sustained in evacuated state, irradiating the plurality of targets with laser light to generate a plurality of plumes and depositing the plume on the substrate. SOLUTION: A pair of targets 10 are prepared containing at least one kind of material selected from bismuth, tellurium, antimony and selenium at a specified compositional ratio. The targets 10 are disposed oppositely to an objective substrate 3 in a filming chamber 6 sustained in evacuated state. The targets 10 are then irradiated with laser light 5 to generate plumes 15 which are eventually deposited on the substrate 3 thus producing a thermoelectric material. This method simplifies the process greatly as compared with a conventional process employing powder sintering. Mixture of oxygen in the crushing process can also be prevented.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、熱電材料の作製方法に
関するものである。このような熱電材料は、例えば、ペ
ルチエ効果を利用した冷房、ペルチエ効果を利用した冷
暖房、ペルチエ効果を利用した温度制御、ゼーベック効
果を利用した熱発電、ゼーベック効果を利用した熱ある
いは赤外線センサ等の分野に利用される。そして、この
ような熱電材料にあって、これを薄膜あるいは小型の素
子とする場合は、例えば、ICなど半導体素子と一体化
した薄膜冷却素子、半導体レーザーの一体型冷却素子、
光学素子の温度制御素子、プリンタヘッドの温度制御素
子、腕時計の電池、さらには赤外線センサ、流量センサ
等の熱電変換を利用した各種センサ等として利用するこ
とができる。さて、本願は、このような熱電材料の中
で、今日、その適用温度範囲との関係から注目されてい
る、ビスマス、テルル、アンチモン、セレンから選択さ
れる少なくとも2種以上の成分を含む熱電材料を作製す
る方法に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method for producing a thermoelectric material. Such thermoelectric materials include, for example, cooling using the Peltier effect, cooling and heating using the Peltier effect, temperature control using the Peltier effect, thermoelectric generation using the Seebeck effect, heat using the Seebeck effect, or an infrared sensor, etc. Used in the field. When such a thermoelectric material is used as a thin film or a small element, for example, a thin film cooling element integrated with a semiconductor element such as an IC, an integrated cooling element of a semiconductor laser,
It can be used as a temperature control element of an optical element, a temperature control element of a printer head, a battery of a wristwatch, and various sensors using thermoelectric conversion such as an infrared sensor and a flow sensor. Now, in this thermoelectric material, the present application is a thermoelectric material containing at least two or more kinds of components selected from bismuth, tellurium, antimony, and selenium, which are attracting attention today in view of the relationship with the applicable temperature range. Relates to a method of making.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、この種の熱電材料の作製方法とし
ては、実用的な方法として粉末焼結法が知られている。
2. Description of the Related Art Heretofore, a powder sintering method has been known as a practical method for producing this type of thermoelectric material.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】この方法は、固溶体形
成工程、粉砕工程、粒子径篩い分け工程、焼結工程、ス
ライシング工程を経て素子を得るものであり、工程が煩
雑であるという問題がある。さらに、粉砕工程で酸素等
が材料内に混入しやすい。
This method involves obtaining a device through a solid solution forming step, a pulverizing step, a particle size sieving step, a sintering step, and a slicing step, and there is a problem that the steps are complicated. . Further, oxygen and the like are easily mixed in the material in the crushing process.

【0004】このような熱電材料にあっては、その温度
によって性能指数が変化する。換言すると、熱電素子と
して使用する場合は、その使用温度が異なることとなる
熱電素子の厚み方向各部位において、素子材料を構成す
る成分の成分比が変化していたり、不純物濃度が変化し
ていると、各部位において、高い性能指数を維持できる
良好な熱電素子を得ることができる。しかしながら、こ
のような構造を、粉末焼結法で得ることは、非常に難し
い。従って、本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、工
程が簡便であるとともに酸素等の混入を避けることがで
き、さらに、熱電材料として使用する場合に、素子全体
として高い性能指数を示す熱電素子を得ることができる
熱電材料の作製方法を得ることにある。
In such a thermoelectric material, the figure of merit changes depending on the temperature. In other words, when it is used as a thermoelectric element, the operating temperature will be different. At each site in the thickness direction of the thermoelectric element, the component ratio of the components that make up the element material is changing, or the impurity concentration is changing. Thus, it is possible to obtain a good thermoelectric element that can maintain a high figure of merit in each part. However, it is very difficult to obtain such a structure by the powder sintering method. Therefore, in view of the above problems, the object of the present invention is that the process is simple and can avoid the inclusion of oxygen and the like, and when used as a thermoelectric material, a thermoelectric element showing a high figure of merit as a whole element. It is to obtain a method for manufacturing a thermoelectric material capable of obtaining an element.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明による熱電材料の作製方法の第1の特徴手段
は、4種の成分のうちのいずれか1種以上を異なった組
成比で含有する複数のターゲットを作製するとともに、
減圧真空維持される成膜室内に、成膜対象の基板に対向
して前記複数のターゲットを配設し、これら複数のター
ゲットにレーザー光を照射して複数のターゲットより複
数のプルームを発生させて前記基板上に蒸着させて、レ
ーザーアブレーション法により前記熱電材料を作製する
ことにある。これが請求項1に係わる。さらに、前記の
第1の特徴手段において、前記熱電材料を作製するに、
複数のターゲット夫々から基板上に蒸着される蒸着物の
量を、熱電材料の形成に伴って、各ターゲット間で変化
させて、熱電材料を、その形成方向に於ける成分組成が
異なった傾斜性材料とすることが好ましい。これが請求
項2に係わる本願発明の第2の特徴手段である。さら
に、前記の第1の特徴手段において、前記熱電材料が材
料内に不純物を含んだ不純物半導体材料であり、複数の
ターゲットの内のいずれかが不純物を主成分とする材料
であり、熱電材料の形成に伴って、不純物の蒸着量を変
化させて、熱電材料を、その形成方向に於ける不純物濃
度が傾斜的に変化した傾斜性材料とすることが好まし
い。これが請求項3に係わる本願発明の第3の特徴手段
である。さらに、第1〜3の特徴手段のいずれかにおい
て、前記レーザーアブレーション法を適応するに、前記
レーザー光の波長を193〜1064nmに、レーザー
パワー密度を10〜10万mJ/cm2 に、前記成膜室
内の真空度を10-2Torrより高く設定し、前記基板
の温度を室温から600℃以下に設定して前記熱電材料
を作製することが好ましい。これが請求項4に係わる本
願発明の第4の特徴手段である。そして、その作用・効
果は次の通りである。
The first characteristic means of the method for producing a thermoelectric material according to the present invention for achieving this object is to provide any one or more of the four components in different composition ratios. While making multiple targets to contain,
In the film forming chamber maintained under reduced pressure vacuum, the plurality of targets are arranged facing the substrate to be film-formed, and the plurality of targets are irradiated with laser light to generate a plurality of plumes from the plurality of targets. The vapor deposition is performed on the substrate, and the thermoelectric material is produced by a laser ablation method. This relates to claim 1. Further, in the first characteristic means, in producing the thermoelectric material,
The amount of the deposits deposited on the substrate from each of the multiple targets is changed between the targets as the thermoelectric material is formed, so that the thermoelectric material has different gradients in composition in the forming direction. It is preferable to use it as a material. This is the second characteristic means of the present invention according to claim 2. Further, in the first characteristic means, the thermoelectric material is an impurity semiconductor material containing impurities in the material, and one of the plurality of targets is a material containing impurities as a main component. It is preferable that the thermoelectric material is a graded material in which the impurity concentration in the forming direction is changed in a gradient manner by changing the vapor deposition amount of the impurities along with the formation. This is the third characteristic means of the present invention according to claim 3. Furthermore, in any one of the first to third characteristic means, in order to apply the laser ablation method, the wavelength of the laser beam is 193 to 1064 nm, the laser power density is 100 to 100,000 mJ / cm 2 , and It is preferable that the thermoelectric material is manufactured by setting the degree of vacuum in the film chamber to be higher than 10 -2 Torr and the temperature of the substrate from room temperature to 600 ° C or lower. This is the fourth characteristic means of the present invention according to claim 4. The operation and effect are as follows.

【0006】[0006]

【作用】第1の特徴手段にあっては、熱電材料はレーザ
ーアブレーション法により、基板上に形成される。作製
にあたっては、ターゲットが作製されるとともに、所定
の真空度に維持された成膜室内にターゲットが配設さ
れ、これにレーザー光が照射されて、ターゲットに対し
て対向して配設される基板上に熱電材料からなる膜が形
成される。従って、工程が非常に簡略化されるととも
に、手法上、熱電材料に酸素等が混入することはない。
さらに、このレーザーアブレーション法を採用する場合
は、そのモルフォロジーを容易に制御できグレイン構造
とすることができる。従って性能指数を向上することが
できる。さて、この方法にあっては、複数のターゲット
が用意される。そして、熱電材料の作製にあたっては、
これら複数のターゲットにレーザー光を照射して、これ
ら複数のターゲットから同時的にプルームを発生させ
て、熱電材料を形成する。例えば、複数のターゲットに
あって、これらが、異なった成分の場合は、各ターゲッ
トからの蒸着量を相対制御することにより、任意の成分
組成比の熱電材料を容易に作製することができる。さら
に、一定の組成の熱電材料を作製する場合にあっても、
例えば単一のターゲットを使用する場合に必要となるよ
うに、各成分が所定の組成比で含有された固溶体を予め
用意しておく必要はない。また、一方のターゲットに不
純物半導体の半導体基礎材となる材料を備えておき、他
方のターゲットに不純物となる材料を備えて、この方法
を使用すると、不純物濃度が適切に調節された熱電材料
を容易に得ることができる。
In the first characteristic means, the thermoelectric material is formed on the substrate by the laser ablation method. In the production, a target is produced, and the target is placed in a film forming chamber maintained at a predetermined degree of vacuum, and the target is provided with laser light to face the target. A film made of a thermoelectric material is formed on top. Therefore, the process is greatly simplified, and oxygen and the like are not mixed in the thermoelectric material due to the method.
Furthermore, when this laser ablation method is adopted, its morphology can be easily controlled and a grain structure can be obtained. Therefore, the figure of merit can be improved. Now, in this method, a plurality of targets are prepared. And when making thermoelectric materials,
The plurality of targets are irradiated with laser light, and plumes are simultaneously generated from the plurality of targets to form a thermoelectric material. For example, when a plurality of targets have different components, the thermoelectric material having an arbitrary component composition ratio can be easily manufactured by relatively controlling the vapor deposition amount from each target. Furthermore, even when producing a thermoelectric material with a constant composition,
For example, it is not necessary to prepare in advance a solid solution containing each component in a predetermined composition ratio, as is necessary when using a single target. In addition, if one target is provided with a material serving as a semiconductor base material of an impurity semiconductor and the other target is provided with a material serving as an impurity, and this method is used, a thermoelectric material with an appropriately adjusted impurity concentration can be easily prepared. Can be obtained.

【0007】次に請求項2に係わる特徴手段について説
明する。この方法の実施にあたっては、複数のターゲッ
トからの蒸着量が、材料形成に伴って経時的に相対変更
される。従って、熱電材料の形成方向である材料の厚み
方向に、成分組成比の変化した傾斜性材料を容易に得る
ことができる。こういった材料は、先に説明したよう
に、熱電素子として使用する場合に、その素子各部位が
使用温度において最大の性能指数を示す組成比となるよ
うに構成できるために、全体として素子特性を非常に良
好なものとすることができる。
Next, the characteristic means according to claim 2 will be described. In carrying out this method, the vapor deposition amounts from the plurality of targets are relatively changed over time as the material is formed. Therefore, it is possible to easily obtain a graded material having a different component composition ratio in the material thickness direction, which is the direction in which the thermoelectric material is formed. As described above, when used as a thermoelectric element, such a material can be configured so that each component of the element has a composition ratio showing the maximum figure of merit at the operating temperature. Can be very good.

【0008】次に請求項3に係わる特徴手段について説
明する。この方法の実施にあたっては、半導体特性を得
るための不純物を主成分とするターゲットからの蒸着量
が、材料形成に伴って経時的に相対変更される。従っ
て、熱電材料の形成方向である材料の厚み方向に、不純
物濃度の変化した傾斜性材料を容易に得ることができ
る。こういった材料は、先に説明したように、熱電素子
として使用する場合に、その素子各部位が使用温度にお
いて最大の性能指数を示す組成比となるように構成でき
るために、全体としての素子特性を非常に良好なものと
することができる。
Next, the characteristic means according to claim 3 will be described. In carrying out this method, the amount of vapor deposition from a target containing impurities as a main component for obtaining semiconductor characteristics is relatively changed over time as the material is formed. Therefore, it is possible to easily obtain the graded material with the impurity concentration changed in the thickness direction of the material, which is the direction of forming the thermoelectric material. As described above, when used as a thermoelectric element, such a material can be configured such that each part of the element has a composition ratio showing the maximum figure of merit at the operating temperature, and therefore the element as a whole. The characteristics can be very good.

【0009】本願第4の特徴手段を採用する場合は、レ
ーザーアブレーション法により、熱電材料を得ることが
できるのであるが、レーザーの波長、パワー密度、真空
度、基板温度を記載の範囲を逸脱すると、以下のような
問題を生じることとなる。レーザーの波長が、1064
nmより長波長だと組成ずれが大きくなり制御しにく
い、一方、193nmより短波長だと、レーザー光の扱
いが困難になる。レーザーパワー密度が10mJ/cm
2 より小さいと、形成速度が極端に低下し、アブレーシ
ョンしにくくなる。一方、10万mJ/cm2 より大き
いと、形成が早すぎ、グレイン構造が崩れ、性能指数が
低下しやすい。成膜室内の真空度が10-2Torrより
低い(真空度が悪い)と、アブレーションを安定して行
い難い。一方、真空度は高ければ高い方が良いが、10
-9Torrより高く(真空度が良い)維持することは、
現状では、実用的でなく、設備系が高価となりやすい。
成膜基板温度は低くても形成速度が低下することはない
が、温度が高くなりすぎると、基板から形成物の再蒸発
が起こり、組成ずれが起こり易くなる。温度が室温より
低い場合においてもマイナス効果はないが、作製にあた
って冷却する必要はない。さらに、600℃より高い
と、ビスマス−テルル系材料では融点を越えるため、組
成ずれが著しくなり、成膜に不適となる。さらに、レー
ザー光の繰り返し数に関しては、これが高ければ高い
程、その生産性は向上できる。
When the fourth characteristic means of the present application is adopted, the thermoelectric material can be obtained by the laser ablation method, but if the wavelength of the laser, the power density, the degree of vacuum, and the substrate temperature deviate from the ranges described. However, the following problems will occur. Laser wavelength is 1064
If the wavelength is longer than nm, the composition shift becomes large and it is difficult to control. On the other hand, if the wavelength is shorter than 193 nm, it becomes difficult to handle the laser light. Laser power density is 10 mJ / cm
If it is less than 2 , the formation speed is extremely reduced and it becomes difficult to ablate. On the other hand, if it is larger than 100,000 mJ / cm 2 , the formation is too fast, the grain structure is broken, and the figure of merit tends to decrease. If the degree of vacuum in the film forming chamber is lower than 10 -2 Torr (the degree of vacuum is poor), it is difficult to perform stable ablation. On the other hand, the higher the degree of vacuum, the better, but 10
Keeping higher than -9 Torr (good vacuum)
At present, it is not practical and the equipment system tends to be expensive.
Even if the film formation substrate temperature is low, the formation rate does not decrease. However, if the temperature is too high, re-evaporation of the formed material from the substrate occurs and compositional deviation easily occurs. Even if the temperature is lower than room temperature, there is no negative effect, but it is not necessary to cool in manufacturing. Further, when the temperature is higher than 600 ° C., the melting point of the bismuth-tellurium-based material exceeds the melting point, so that the compositional deviation becomes remarkable and it becomes unsuitable for film formation. Further, with respect to the number of repetitions of laser light, the higher this is, the more the productivity can be improved.

【0010】[0010]

【発明の効果】従って、本願の第1の特徴手段を採用す
ることにより、粉末焼結法と比較して、工程の簡略化の
点で好ましく酸素等の混入の少ない性能指数の上で好ま
しい熱電材料を得ることができるようになった。さら
に、組成比の異なった熱電材料、不純物濃度の異なった
熱電材料を容易に得られるようになった。さらに、本願
の第2の特徴手段をとる場合は、熱電材料の形成方向で
ある厚み方向に成分組成が異なった傾斜性材料を容易に
得られるようになった。さらに、本願の第3の特徴手段
をとる場合は、熱電材料の形成方向である厚み方向に不
純物濃度が異なった傾斜性材料を容易に得られるように
なった。また、本願の第4の特徴手段を採用することに
より、熱電材料の形成速度を確保しながら、グレイン構
造を有する熱電材料を安定して得られるようになった。
Therefore, by adopting the first characteristic means of the present application, compared with the powder sintering method, it is preferable from the point of view of simplification of the process, and it is preferable that the thermoelectric power has a preferable figure of merit with less oxygen and the like mixed therein. Now you can get the material. Furthermore, it has become possible to easily obtain thermoelectric materials having different composition ratios and thermoelectric materials having different impurity concentrations. Furthermore, when the second characteristic means of the present application is adopted, it has become possible to easily obtain a gradient material having a different component composition in the thickness direction, which is the direction in which the thermoelectric material is formed. Furthermore, when the third characteristic means of the present application is adopted, it has become possible to easily obtain a gradient material having different impurity concentrations in the thickness direction, which is the direction in which the thermoelectric material is formed. Further, by adopting the fourth characteristic means of the present application, it has become possible to stably obtain a thermoelectric material having a grain structure while ensuring the formation rate of the thermoelectric material.

【0011】[0011]

【実施例】本願の実施例を以下に説明する。説明にあた
っては、レーザーアブレーション装置1の構成、レーザ
ーアブレーション条件について説明する。
EXAMPLES Examples of the present application will be described below. In the description, the configuration of the laser ablation apparatus 1 and laser ablation conditions will be described.

【0012】1 レーザーアブレーション装置1 図1にレーザーアブレーション装置1を使用して、シリ
コン基板3上にテルル化ビスマスを主成分とする熱電材
料2を作製している状況を示している。装置1は、ネオ
ジム(Nd3+)YAGレーザー4を備えるとともに、こ
のレーザー4から照射されるレーザー光5により、成膜
をおこなう成膜室6を備えて構成されている。前記ネオ
ジム(Nd3+)YAGレーザー4は、1パルス1000
mJのもので、照射面積0.5cm2 、10Hzのパル
ス繰り返し数を持つ基本波(1064nm)のものであ
り、この基本波を非線形光学素子40を用いて266n
mに変換して使用する。従って、エネルギーは、1パル
ス100mJで、エネルギー密度が200mJ/cm2
に低下したレーザー光となる。装置1には、このレーザ
ー4から照射されるレーザー光5を前記成膜室6内に導
くための全反射型のミラー7aとハーフミラー7bとが
所定の箇所に備えられている。さらに、成膜室6に設け
られる石英入射窓8の手前に、レーザー光成形用の成形
用レンズ系9a、9bが備えられ、この成形用レンズ系
の手前に、ターゲット10に照射されるレーザー光5の
エネルギー密度を必要に応じて調節する減衰装置9c、
9dが備えられている。前記成膜室6には、ターゲット
10を保持するための一対のターゲット保持台11と、
これらの保持台11に対向して設けられ、且つ前記基板
3を所定の成膜基板温度に維持可能な基板保持台12を
備えている。さらに、成膜室6は、室内を所定の真空度
に保持するために、真空ポンプ13を備えた排気機構1
4を備えている。熱電材料2の作製にあたっては、前記
一対のターゲット保持台11夫々に別種のターゲット1
0を保持するとともに、基板保持台12に基板3を保持
して材料の作製をおこなう。この場合に、レーザー光5
が、夫々のターゲット10に照射されて(当てられ
て)、レーザーアブレーションをおこなうことができ
る。
1 Laser Ablation Device 1 FIG. 1 shows a situation in which the laser ablation device 1 is used to produce a thermoelectric material 2 containing bismuth telluride as a main component on a silicon substrate 3. The apparatus 1 comprises a neodymium (Nd 3+ ) YAG laser 4 and a film forming chamber 6 for forming a film by a laser beam 5 emitted from the laser 4. The neodymium (Nd 3+ ) YAG laser 4 has a pulse of 1000
mJ, a fundamental wave (1064 nm) having an irradiation area of 0.5 cm 2 , and a pulse repetition rate of 10 Hz, and the fundamental wave is 266 n by using a nonlinear optical element 40.
Convert to m for use. Therefore, the energy is 100 mJ per pulse and the energy density is 200 mJ / cm 2.
The laser light is reduced to. The apparatus 1 is provided with a total reflection type mirror 7a and a half mirror 7b for guiding a laser beam 5 emitted from the laser 4 into the film forming chamber 6 at predetermined locations. Further, molding lens systems 9a and 9b for laser light molding are provided in front of the quartz entrance window 8 provided in the film forming chamber 6, and laser light irradiated to the target 10 in front of this molding lens system. A damping device 9c for adjusting the energy density of 5 as required,
9d is provided. In the film forming chamber 6, a pair of target holding bases 11 for holding the target 10,
A substrate holding table 12 is provided facing the holding table 11 and capable of maintaining the substrate 3 at a predetermined film formation substrate temperature. Further, the film forming chamber 6 has an exhaust mechanism 1 equipped with a vacuum pump 13 in order to maintain the chamber at a predetermined degree of vacuum.
It is equipped with 4. When manufacturing the thermoelectric material 2, a different type of target 1 is attached to each of the pair of target holding bases 11.
While holding 0, the substrate 3 is held on the substrate holding table 12 to fabricate the material. In this case, laser light 5
However, laser ablation can be performed by being irradiated (applied) to each target 10.

【0013】従って、熱電材料2の作製にあたっては、
原材料である各種元素(本願の場合は、ビスマス、テル
ル、アンチモン、セレンから選択される少なくとも1種
以上)を所定の組成比で含有する一対のターゲット10
(各ターゲット間においては、それらの組成比は異なっ
ている)が作製されるとともに、減圧真空維持される前
記成膜室6内で、夫々のターゲット10を成膜対象の基
板3対向して配設し、これらのターゲット10にレーザ
ー光5が照射されて、ターゲット10よりプルーム15
が発生されて、基板3上に蒸着され、熱電材料が作製さ
れる。以上が、本願の方法を採用する場合の装置構成及
び熱電材料の概略的な作製状況である。
Therefore, in producing the thermoelectric material 2,
A pair of targets 10 containing various raw material elements (in this case, at least one or more selected from bismuth, tellurium, antimony, and selenium) in a predetermined composition ratio.
(The composition ratios of the targets are different from each other), and the targets 10 are arranged facing the substrate 3 to be film-formed in the film-forming chamber 6 maintained under reduced pressure and vacuum. The target 10 is irradiated with the laser light 5, and the target 10 emits a plume 15.
Are generated and vapor-deposited on the substrate 3 to produce a thermoelectric material. The above is the schematic configuration of the apparatus and the thermoelectric material when the method of the present invention is employed.

【0014】1 先ず図2に示す材料16の作製につい
て説明する。この材料16は、所謂、Bi−Te系材料
であり、その組成がBi2Te3のものである。17は高
温側電極を18は低温側電極を示している。図1に示す
例においては、上部側に位置されるターゲット保持台1
1aにビスマス(Bi)を主成分とする材料から構成さ
れるターゲット10が、下部側に位置されるターゲット
保持材11bにテルル(Te)を主成分とする材料から
構成されるターゲット10が配設される。以下、具体的
な作製条件及び作製物の特性を下記の表1に箇条書きす
る。
1 First, the production of the material 16 shown in FIG. 2 will be described. This material 16 is a so-called Bi-Te-based material, and its composition is Bi 2 Te 3 . Reference numeral 17 denotes a high temperature side electrode and 18 denotes a low temperature side electrode. In the example shown in FIG. 1, the target holder 1 located on the upper side.
The target 10 made of a material containing bismuth (Bi) as a main component is provided in 1a, and the target 10 made of a material containing tellurium (Te) as a main component is provided in the target holding material 11b located on the lower side. To be done. Hereinafter, specific manufacturing conditions and characteristics of the manufactured products are listed in Table 1 below.

【0015】[0015]

【表1】 作製対象物 熱電材料(Bi2Te3) ターゲット Bi側 Bi単体 Te側 Te単体 基板材料 Si(100)P型 作製基板温度 室温 成膜室真空度 10-6Torr レーザー波長 266nm レーザーパワー密度 Bi側 40mJ/cm2 で一定 Te側 60mJ/cm2 で一定 レーザーパルス繰り返し数 10Hz 基板−ターゲット間距離 20mm 成膜時間 60min 作製物 Bi2Te3 作製対象膜厚 5〜10μm 蒸着粒子径 2μm以下[Table 1] Fabrication object Thermoelectric material (Bi 2 Te 3 ) Target Bi side Bi simple substance Te side Te simple substance Substrate material Si (100) P type production substrate temperature room temperature deposition chamber vacuum degree 10 −6 Torr laser wavelength 266 nm laser power Density Bi side 40 mJ / cm 2 constant Te side 60 mJ / cm 2 constant Laser pulse repetition rate 10 Hz Substrate-target distance 20 mm Film formation time 60 min Product Bi 2 Te 3 Target film thickness 5 to 10 μm Vapor deposition particle size 2 μm or less

【0016】このようにして作製された材料は、熱電特
性を示した。
The material thus produced showed thermoelectric properties.

【0017】次に本願のさらなる実施例について説明す
る。この例の傾斜性材料の構成が図4に示されている。
この傾斜性材料20は、所謂、P型のBi−Te系材料
であり、材料の表面21近傍と、その内部側部位22と
で不純物濃度(具体的にはSb濃度)が異なっているも
のであり、表面側部位23程、不純物濃度が高く設定さ
れているものである。そして、材料の厚み方向に、不純
物濃度が傾斜的に変化している。こういった傾斜性材料
20を作製する場合にあっては、複数のターゲット10
の内、一つに不純物を主成分とする材料から構成される
ターゲット24を配設し、熱電材料の形成に伴って、不
純物の蒸着量を変化させて、このような傾斜性を持たせ
るのである。装置構成を、図1に対応して図3に示し
た。実際的には、不純物を主成分とするターゲット24
に向けて照射されるレーザー光のレーザーエネルギー密
度を変化させることによって、蒸着量の変化を制御する
ことができる。図3に示す例においては、上部側に位置
されるターゲット保持台11aにアンチモン(Sb)、
テルル(Te)を主成分とする材料から構成されるター
ゲットが、下部側に位置されるターゲット保持材11b
にビスマス(Bi)、テルル(Te)の固溶体であるタ
ーゲットが配設される。以下、具体的な作製条件及び作
製物の特性を下記の表2に箇条書きする。
Next, a further embodiment of the present application will be described. The composition of the graded material of this example is shown in FIG.
The gradient material 20 is a so-called P-type Bi-Te-based material, and has a different impurity concentration (specifically, Sb concentration) between the vicinity of the surface 21 of the material and the inner side portion 22 thereof. Therefore, the impurity concentration is set to be higher at the front surface side portion 23. Then, the impurity concentration changes in a gradient in the thickness direction of the material. When manufacturing such a gradient material 20, a plurality of targets 10 are used.
Among them, one is provided with a target 24 composed of a material containing impurities as a main component, and the amount of impurities deposited is changed in accordance with the formation of the thermoelectric material, so that such a gradient is provided. is there. The device configuration is shown in FIG. 3 corresponding to FIG. Practically, the target 24 containing impurities as a main component
By changing the laser energy density of the laser light irradiated toward the target, the change in the deposition amount can be controlled. In the example shown in FIG. 3, antimony (Sb) is added to the target holding table 11a located on the upper side.
The target composed of a material containing tellurium (Te) as a main component has a target holding material 11b positioned on the lower side.
A target, which is a solid solution of bismuth (Bi) and tellurium (Te), is provided in the. Hereinafter, specific production conditions and characteristics of the produced products are listed in Table 2 below.

【0018】[0018]

【表2】 作製対象物 P型熱電材料(厚み方向に不純物濃度を
変えたもの) ターゲット組成比 Bi−Te側 Bi:Te 2:3 Sb−Te側 Sb:Te 2:3 基板材料 Si(100)P型 作製基板温度 室温 成膜室真空度 10-6Torr レーザー波長 266nm レーザーパワー密度 Bi−Te側 60mJ/cm2 で一定 Sb−Te側 (作製開始時点で20mJ/cm2 、作製終了時点で6
0mJ/cm2 に連続的変化させる) レーザーパルス繰り返し数 10Hz 基板−ターゲット間距離 20mm 成膜時間 60min 作製対象膜厚 5〜10μm 蒸着粒子径 2μm以下
[Table 2] Manufacturing target P-type thermoelectric material (impurity concentration is changed in the thickness direction) Target composition ratio Bi-Te side Bi: Te 2: 3 Sb-Te side Sb: Te 2: 3 Substrate material Si (100 ) P-type production substrate temperature room temperature deposition chamber vacuum degree 10 -6 Torr laser wavelength 266 nm laser power density Bi-Te side 60 mJ / cm 2 constant Sb-Te side (20 mJ / cm 2 at the start of production, at the end of production) 6
0 mJ / cm 2 to be continuously changed) laser pulse repetition rate 10Hz substrate - between target distance 20mm film formation time 60min prepared target thickness 5~10μm deposition particle size 2μm or less

【0019】以上のような条件で作製された熱電材料の
モルフォロジーを調べるために、SEMにより、材料表
面の形態観察を行った。本願のレーザーアブレーション
手法により得たものは、所謂、グレイン構造をとってい
た。これらは、熱電材料としての性能指数の高いもので
あった。
In order to investigate the morphology of the thermoelectric material produced under the above conditions, the morphology of the material surface was observed by SEM. What was obtained by the laser ablation method of the present application had a so-called grain structure. These had a high figure of merit as a thermoelectric material.

【0020】〔さらなる実施例〕上記の実施例において
は、テルル化ビスマスが主成分であるBi−Te系の熱
電材料を作製する例を示したが、Bi−Te系の他、B
i−Sb系、Bi−Se系等、ビスマス、テルル、アン
チモン、セレンから選択される少なくとも2種以上を含
む熱電材料の作製にあっては、本願の手法を適応でき
る。上記の実施例においては、ネオジム(Nd3+)YA
Gレーザーを採用したが、エキシマレーザー等を使用し
てもよい。この場合は、パルス繰り返し数が高くなり成
膜速度向上の利点がある。また、Ar+レーザーもパワ
ー密度が高く適している。さらに、KrFエキシマレー
ザーを使用する場合は、表1に示した成膜条件が対応す
る部分のみ下記の表3のようになる。
[Further Examples] In the above examples, an example of producing a Bi-Te-based thermoelectric material containing bismuth telluride as a main component was shown.
The method of the present application can be applied to the production of a thermoelectric material containing at least two kinds selected from bismuth, tellurium, antimony and selenium such as i-Sb type and Bi-Se type. In the above example, neodymium (Nd 3+ ) YA
Although the G laser is adopted, an excimer laser or the like may be used. In this case, the number of pulse repetitions is increased, which has the advantage of improving the film formation rate. Also, the Ar + laser is suitable because of its high power density. Further, when the KrF excimer laser is used, only the portions corresponding to the film forming conditions shown in Table 1 are as shown in Table 3 below.

【0021】[0021]

【表3】 成膜室真空度 2.0×10-6Torr レーザー波長 248nm レーザーパワー密度 200mJ/cm2 レーザーパルス繰り返し数 50Hz 成膜時間 60min 作製対象膜厚 80〜90μm 蒸着粒子径 1μm以下[Table 3] Vacuum degree of film forming chamber 2.0 × 10 −6 Torr Laser wavelength 248 nm Laser power density 200 mJ / cm 2 Laser pulse repetition rate 50 Hz Film forming time 60 min Target film thickness 80 to 90 μm Vapor deposition particle diameter 1 μm or less

【0022】よって、このレーザーを使用する場合は、
粒径が小さく、高速度の成膜が可能となる。さらに、基
板としては、シリコン基板の他、ガラス等、平滑な任意
の材料を使用できる。ガラスの場合は、製品が安価とな
る利点がある。上記の実施例においては、ターゲットに
照射されるレーザー光のパワー密度を調整するのに、減
衰装置を使用して、これをおこなったが、これ以外の方
法も採用できる。別の方法としては、レーザー光源とタ
ーゲットの数だけ備えておき、これらの光源からの照射
光量を変化して調節する。さらには、上記の実施例にお
いて採用しているハーフミラーとして、その透過率・反
射率が相対的に調節可能なものを採用し、例えば図1に
示す装置系において、前述の減衰装置に替えて、透過率
・反射率の調節が可能なものを採用して、材料の形成に
伴って透過比率を変化させることにより材料内の成分の
組成比率を変化させることもできる。さらに、上記の実
施例においては、ターゲットとして、一対のターゲット
を使用する例を示したが、本願においては、複数であれ
ば、本願の作用・効果を奏することができる。
Therefore, when using this laser,
Since the particle size is small, high speed film formation is possible. Further, as the substrate, other than a silicon substrate, any smooth material such as glass can be used. In the case of glass, there is an advantage that the product is inexpensive. In the above-mentioned embodiment, the attenuator was used to adjust the power density of the laser light with which the target was irradiated, but other methods can also be adopted. As another method, the number of laser light sources and the number of targets are provided, and the irradiation light amount from these light sources is changed and adjusted. Furthermore, as the half mirror used in the above embodiment, a mirror whose transmittance and reflectance can be relatively adjusted is adopted. For example, in the device system shown in FIG. It is also possible to change the composition ratio of the components in the material by adopting a material whose transmittance / reflectance can be adjusted and changing the transmittance ratio as the material is formed. Further, in the above-described embodiment, an example in which a pair of targets is used as a target has been described. However, in the present application, if there are a plurality of targets, the operation and effect of the present application can be achieved.

【0023】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。
It should be noted that although reference numerals are given in the claims for convenience of comparison with the drawings, the present invention is not limited to the configuration of the accompanying drawings by the entry.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】レーザーアブレーション装置の構成を示す図FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser ablation apparatus.

【図2】熱電材料の構成を示す図FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a thermoelectric material.

【図3】レーザーアブレーション装置の構成を示す図FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a laser ablation device.

【図4】熱電材料の厚み方向に不純物濃度が変化してい
る材料の構成を示す図
FIG. 4 is a diagram showing the structure of a material in which the impurity concentration changes in the thickness direction of the thermoelectric material.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 熱電材料 3 基板 4 レーザー 5 レーザー光 6 成膜室 10 ターゲット 15 プルーム 20 傾斜性材料 2 Thermoelectric material 3 Substrate 4 Laser 5 Laser light 6 Film forming chamber 10 Target 15 Plume 20 Gradient material

フロントページの続き (72)発明者 森川 茂 京都府京都市下京区中堂寺南町17 株式会 社関西新技術研究所内 (72)発明者 山田 良行 京都府京都市下京区中堂寺南町17 株式会 社関西新技術研究所内 (72)発明者 坂井 久 京都府京都市下京区中堂寺南町17 株式会 社関西新技術研究所内 (72)発明者 佐々木 孝友 大阪府吹田市山田西2―8 A9―310 (72)発明者 森 勇介 大阪府交野市私市8―16―9Front page continuation (72) Shigeru Morikawa Inventor Shigeru-ku, Kyoto City, Kyoto Prefecture 17 Kyodoji-Minami-cho, Ltd.Kansai Research Institute of Technology (72) Inventor Yoshiyuki Yamada 17 Chudo-ji, Minami-cho, Kyoto-shi, Kyoto Prefecture Inside the New Technology Research Center (72) Hisashi Sakai Hisashi Sakai 17 Nakadoteran-Minami-cho, Shimogyo-ku, Kyoto Prefecture Incorporated Kansai New Technology Research Center (72) Inventor Takatomo Sasaki 2-8 Yamada Nishi, Suita-shi, Osaka A9-310 (72) ) Inventor Yusuke Mori 8-16-9 Private City, Katano City, Osaka Prefecture

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ビスマス、テルル、アンチモン、セレン
から選択される少なくとも2種以上を含む熱電材料を作
製する熱電材料の作製方法であって、前記4種の成分の
うちのいずれか1種以上を異なった組成比で含有する複
数のターゲット(10)を作製するとともに、減圧真空
維持される成膜室(6)内に、成膜対象の基板(3)に
対向して前記複数のターゲット(10)を配設し、前記
複数のターゲット(10)にレーザー光(5)を照射し
て前記複数のターゲット(10)より複数のプルーム
(15)を発生させて前記基板(3)上に蒸着させて、
レーザーアブレーション法により前記熱電材料を作製す
る熱電材料の作製方法。
1. A method for producing a thermoelectric material comprising a thermoelectric material containing at least two or more selected from bismuth, tellurium, antimony and selenium, wherein any one or more of the four components is A plurality of targets (10) containing different composition ratios are produced, and the plurality of targets (10) are faced to a substrate (3) to be film-formed in a film-forming chamber (6) which is maintained under reduced pressure and vacuum. ) Is provided, and a plurality of plumes (15) are generated from the plurality of targets (10) by irradiating the plurality of targets (10) with a laser beam (5) and vapor-deposited on the substrate (3). hand,
A method for producing a thermoelectric material, which comprises producing the thermoelectric material by a laser ablation method.
【請求項2】 前記熱電材料を作製するに、前記複数の
ターゲット(10)夫々から前記基板(3)上に蒸着さ
れる蒸着物の量を、前記熱電材料の形成に伴って、各タ
ーゲット間で変化させて、前記熱電材料を、その形成方
向に於ける成分組成が異なった傾斜性材料とする請求項
1記載の熱電材料の作製方法。
2. When producing the thermoelectric material, the amount of the deposit deposited on each of the plurality of targets (10) on the substrate (3) is set between the targets according to the formation of the thermoelectric material. 2. The method for producing a thermoelectric material according to claim 1, wherein the thermoelectric material is made a gradient material having a different component composition in the forming direction.
【請求項3】 前記熱電材料が材料内に不純物を含んだ
不純物半導体材料であり、前記複数のターゲット(1
0)の内のいずれかが前記不純物を主成分とする材料で
あり、前記熱電材料の形成に伴って、前記不純物の蒸着
量を変化させて、前記熱電材料を、その形成方向に於け
る不純物濃度が傾斜的に変化した傾斜性材料(20)と
する請求項1記載の熱電材料の作製方法。
3. The thermoelectric material is an impurity semiconductor material containing impurities in the material, and the plurality of targets (1
0) is a material containing the impurity as a main component, and the deposition amount of the impurity is changed in accordance with the formation of the thermoelectric material, so that the thermoelectric material is formed in the direction of formation of the impurity. The method for producing a thermoelectric material according to claim 1, wherein the gradient material (20) has a concentration that changes in a gradient.
【請求項4】 前記レーザーアブレーション法を適応す
るに、前記レーザー光の波長を193〜1064nm
に、レーザーパワー密度を10〜10万mJ/cm
2 に、前記成膜室(6)内の真空度を10-2Torrよ
り高く設定し、前記基板(3)の温度を室温から600
℃以下に設定して前記熱電材料を作製する請求項1〜3
のいずれか1項に記載の熱電材料の作製方法。
4. A laser beam having a wavelength of 193 to 1064 nm for applying the laser ablation method.
And laser power density of 100,000 to 100,000 mJ / cm
2 , the degree of vacuum in the film forming chamber (6) is set higher than 10 -2 Torr, and the temperature of the substrate (3) is increased from room temperature to 600.
4. The thermoelectric material is produced by setting the temperature to ℃ or below.
The method for producing a thermoelectric material according to any one of 1.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002503556A (en) * 1998-02-17 2002-02-05 オーミク アクティエ ボラーグ Device manufacturing method

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