JP5142248B2 - FeSi2ドットアレイ構造体の作製方法 - Google Patents
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Description
特に、β-FeSi2は0.8-0.9 eVにバンドギャップを有し、1.5 μm光通信帯で近赤外フォトルミネッセンスおよびエレクトロルミネッセンスを示すことが報告されており、環境低負荷型の新しい近赤外発光・受光材料として注目を集めている。更に、従来の太陽電池用半導体材料に比べて極めて高い光吸収係数を示すことから、新規な高効率太陽電池材料としても期待されている。
すなわち、この出願によれば、以下の発明が提供される。
本発明のFeSi 2 ドットアレイ構造体の作製方法は、FeSi2膜を有する透明板の膜面側に基板を対向させ、透明板側からパルスレーザー光を照射し、対向基板上にβ-FeSi2結晶又はFeSi2アモルファスを含有するドットをレーザー転写することを特徴とする。
また、本発明のFeSi 2 ドットアレイ構造体の作製方法は、レーザー転写されたβ-FeSi2結晶又はFeSi2アモルファスを含有するドットを、更に結晶化処理し、高品位なβ-FeSi2結晶相に変換することを特徴とする。
また、本発明のFeSi 2 ドットアレイ構造体の作製方法は、パルスレーザー光を、その一画から一つのドットが1対1対応で形成されるように照射してもよいし、1ショットのパルスレーザー光の照射でドットの転写を行うようにしてもよい。また、本発明は、パルスレーザー照射の一画の面積が100×100μm以下であり、また、パルスレーザー光の波長が、FeSi2アモルファス相が光吸収を有する波長であり、パルス幅が1〜100ナノ秒である。更に、本発明は、FeSi2膜の厚さが10nm〜10μmであることを特徴とする。
また、本発明のFeSi2ドットアレイ構造体の作製方法は、高速・室温プロセスであるレーザー転写法を用いることから、β-FeSi2種結晶をドット構造中に析出させることも可能であり、ポリマー等低融点基板上をも含む各種基板上に、β-FeSi2結晶を含有するドット構造を簡便に形成することができる。また、その後のレーザーアニーリング等の結晶化処理を併用すれば、β-FeSi2ドットの結晶性をさらに向上させることができ、従来の手法では難しかった、β-FeSi2ドットアレイ構造体を発光層とする優れたフレキシブル近赤外発光デバイスの作製が可能となる。
ここで、β-FeSi2結晶又はFeSi2アモルファスドットアレイ構造体とは、β-FeSi2結晶もしくはFeSi2アモルファスが一部または全体に析出しているドットが基板表面に固定化されているものを意味する。また、「均質」とは、基板表面上に設けられたドットのサイズや高さがほぼ同じ大きさであり、かつ各ドットが同程度の密度(間隔)をもって整然と配列されている状態を意味する。
本発明におけるドットの直径は同じ大きさであれば特に制限はないが、通常、0.1〜100 μmとするのがよい。また、ドットの密度は同程度あれば特に制限はないが、通常、基板1平方ミリあたり102〜107個とするのがよい。
また、基板としては、Si(100)及び(111)ウエハー基板、Al2O3やMgO単結晶等の無機単結晶基板、セラミックス基板、石英ガラス等のガラス基板、そして無機基板に比べて耐熱性の低いポリマー基板やチオール等を表面に塗布したような有機分子塗布基板等、様々な基板を使用することが可能である。
すなわち、一般に、この種のレーザー転写法においては、膜原料を最終的に膜形状で対向基板に転写するものであるが、膜形状での転写の場合、転写後の膜の表面粗さや外形などの品位の低下が見られやすく、高品位な転写形状を得ることは困難とされていた。
そこで、本発明者らは、FeSi2膜を原料に用い、レーザー照射エリアの一区画の面積を減じることで、レーザー照射により溶融・アブレーションする転写体積を減少させ、その表面張力による凝集を経て球状のドットとして、レーザー光照射エリアの一区画から一つのドットが1対1対応で形成される条件を採用するとFeSi2ドットが有効に転写できることを知見したものである。
すなわち、レーザー照射エリアの一区画から一つのドットを転写するような条件(後述するが、原料膜厚、レーザーフルエンス、レーザー照射エリアの区画面積に主に依存)とすることで、均一なサイズを有するドットを非常に再現よく形成することが可能となる。
この理由は、最初のレーザーパルス照射により、膜原料のレーザー照射エリアからの対向基板へのドット転写が誘起される場合、2回目のレーザーパルスは対向基板上に形成されたドットにより吸収されるかあるいは膜原料の残存部位に吸収されるので、ドットや膜原料残存部位にレーザーアブレーションが起こり、最初のレーザー転写により形成したドット構造周辺部分に別のドットが生じ、その結果、精密にサイズ・位置制御されたドットアレイ構造の作製が困難となるからである。
FeとSiの粉末を1:2に混合・溶融して合成したFeSi2合金粉末を通常のホットプレス法で成形したFeSi2焼結体ターゲットのスパッタリングにより、石英ガラス透明基板上に、基板加熱することなく、アモルファスFeSi2薄膜(厚さ500 nm)を作製した。
次に、得られたFeSi2薄膜をシリコンウエハとコンタクトさせ、図1に示す装置のKrFエキシマレーザー光の結像位置に、石英ガラスとFeSi2薄膜の界面が一致するように設置した。
また図1のマスク縮小露光系においては、マスクには40ミクロンのグリッドパターン(40ミクロン□のレーザー照射エリア一区画が40ミクロンスペースで配置)を、縮小倍率は8倍の対物レンズを用い、結像面で5ミクロンのグリッドが1平方ミリメートルにわたりパターン露光されるように設定した。その状態で、石英ガラス側からKrFエキシマレーザーパルスを1パルスのみ入射させ、FeSi2のシリコンウエハへのレーザー転写を行った。尚、転写の際にシリコンウエハ基板の加熱は一切行っていない。照射レーザーフルエンスは2.2J/cm2とした。
FeSi2を転写したシリコンウエハ基板の表面をレーザー共焦点顕微鏡によって観察した。その結果を図2に示す。図2に示すように、このβ-FeSi2結晶ドットアレイ構造体は直径3.5ミクロン、高さ1.3ミクロンとサイズ均一化されたFeSi2ドットが、1平方ミリメートル当たり104個の密度で転写されていることが判る。さらに、ドットの結晶構造を調べるため顕微ラマン分光測定を行った。その結果を図3に示す。図3に示すように、このFeSi2結晶ドットアレイ構造体はβ−FeSi2による188ならびに242cm-1に中心を有するピークが観測され、これらのドットがβ−FeSi2結晶を含有することがわかった。
FeSi2焼結体ターゲットのスパッタリングにより、石英ガラス透明基板上に、基板加熱することなく、実施例1に比べてより薄いアモルファスFeSi2薄膜(厚さ250 nm)を作製した。得られたFeSi2薄膜をシリコンウエハとコンタクトさせ、図1に示す装置のKrFエキシマレーザー光の結像位置に、石英ガラスとFeSi2薄膜の界面が一致するように設置した。また図1のマスク縮小露光系においては、マスクには40ミクロンのグリッドパターンを、縮小倍率は8倍の対物レンズを用い、結像面で5ミクロンのグリッドが1平方ミリメートルにわたりパターン露光されるように設定した。その状態で、石英ガラス側からKrFエキシマレーザーパルスを1パルスのみ入射させ、FeSi2のシリコンウエハへのレーザー転写を行った。尚、転写の際にシリコンウエハ基板の加熱は一切行っていない。照射レーザーフルエンスは1.6J/cm2とした。FeSi2を転写させたシリコンウエハ基板の表面をレーザー共焦点顕微鏡によって観察した。その結果を図4に示す。図4に示すように、このFeSi2結晶ドットアレイ構造体は直径2.0ミクロン、高さ0.9ミクロンとサイズ均一化されたFeSi2ドットが、1平方ミリメートル当たり104個の密度で転写されていることが判る。
FeSi2焼結体ターゲットのスパッタリングにより、石英ガラス透明基板上に、基板加熱することなく、アモルファスFeSi2薄膜(厚さ500 nm)を作製した。転写用基板には、ポリジメチルシロキサン(Polydimethysiloxane、通称、PDMS)ポリマー基板を用いた。PDMS基板の厚さは約1ミリメートルとし、十分な可撓性を有する。FeSi2薄膜をPDMS基板とコンタクトさせ、図1に示す装置のKrFエキシマレーザー光の結像位置に、石英ガラスとFeSi2薄膜の界面が一致するように設置した。また図1のマスク縮小露光系においては、マスクには40ミクロンのグリッドパターンを、縮小倍率は8倍の対物レンズを用い、結像面で5ミクロンのグリッドが1平方ミリメートルにわたりパターン露光されるように設定した。その状態で、石英ガラス側からKrFエキシマレーザーパルスを1パルスのみ入射させ、FeSi2のPDMSポリマー基板へのレーザー転写を行った。尚、転写の際に基板加熱は一切行っていない。照射レーザーフルエンスは2.2J/cm2とした。FeSi2を転写させたPDMS基板の表面をレーザー共焦点顕微鏡によって観察した。その結果を図5に示す。図5に示すように、このFeSi2ドットアレイ構造体は直径3.7±0.5ミクロン、高さ1.9±0.3ミクロンとサイズ均一化されたFeSi2ドットが、1平方ミリメートル当たり104個の密度で転写されていることが判る。尚、図5写真で一部のドットがぼやけているのは、ポリマー基板の撓みに因るものである。
Claims (7)
- FeSi2膜を有する透明板の膜面側に基板を対向させ、透明板側からパルスレーザー光を照射し、対向基板上にβ-FeSi2結晶又はFeSi2アモルファスを含有するドットをレーザー転写することを特徴とするFeSi2ドットアレイ構造体の作製方法。
- レーザー転写されたβ-FeSi2結晶又はFeSi2アモルファスを含有するドットを、更に結晶化処理し、高品位なβ-FeSi2結晶相に変換することを特徴とする請求項1に記載のFeSi2ドットアレイ構造体の作製方法。
- パルスレーザー光を、その一画から一つのドットが1対1対応で形成されるように照射することを特徴とする請求項1又は2に記載のFeSi2ドットアレイ構造体の作製方法。
- 1ショットのパルスレーザー光の照射でドットの転写を行うことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のFeSi2ドットアレイ構造体の作製方法。
- パルスレーザー照射の一画の面積が100×100μm以下であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載のFeSi2ドットアレイ構造体の作製方法。
- パルスレーザー光の波長が、FeSi2アモルファス相が光吸収を有する波長であり、パルス幅が1〜100ナノ秒であることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載のFeSi2ドットアレイ構造体の作製方法。
- FeSi2膜の厚さが10nm〜10μmであることを特徴とする1〜6の何れか1項に記載のFeSi2ドットアレイ構造体の作製方法。
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