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WO2006043640A1 - メゾポーラス薄膜およびその製造方法 - Google Patents

メゾポーラス薄膜およびその製造方法 Download PDF

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WO2006043640A1
WO2006043640A1 PCT/JP2005/019323 JP2005019323W WO2006043640A1 WO 2006043640 A1 WO2006043640 A1 WO 2006043640A1 JP 2005019323 W JP2005019323 W JP 2005019323W WO 2006043640 A1 WO2006043640 A1 WO 2006043640A1
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mesoporous
producing
mesoporous thin
metal
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Norikazu Nishiyama
Masaki Takaoka
Akira Kamisawa
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University of Osaka NUC
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Rohm Co Ltd
Osaka University NUC
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Definitions

  • the present invention relates to a mesoporous thin film, an electronic device using the mesoporous thin film, and a manufacturing method thereof, and more particularly to a conductive thin film having a periodic nanopore structure.
  • a conductive porous material As a conductive porous material, a carbon porous body having a non-periodic pore structure, a metal oxide porous body, and the like have been proposed, and among these, a conductive material such as a metal oxide porous body has been proposed.
  • the oxides possessed are now widely used in gas sensors and the like because of their electrical characteristics.
  • Transparent conductive oxides such as tin oxide (SnO) and indium tin oxide (ITO)
  • Electrodes for electronic devices such as solar cells and EL elements
  • selective transmission films such as heat ray reflective films
  • conductive films for touch panels Due to its electrical and optical characteristics, it is currently used in various fields such as electrodes for electronic devices such as solar cells and EL elements, selective transmission films, heat ray reflective films, and conductive films for touch panels.
  • Patent Document 1 an insulating film having a silica skeleton as an oxide having a periodic pore structure has also been proposed (Patent Document 1). Since this insulating film has a periodic nanopore structure, sufficient mechanical strength can be maintained even if the porosity is high, and therefore, it is widely used as an interlayer insulating film for semiconductor devices. In order to increase the speed and power consumption of semiconductor devices, it is important to reduce the dielectric constant of the interlayer insulating film.
  • the porous structure is random, so that the mechanical strength is not sufficient. Especially when used at high temperatures, the structure was damaged and immediately decreased in reliability.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-17482
  • the conventional metal oxide porous body has a problem that heat resistance, porosity and chemical stability cannot be sufficiently obtained, and mechanical strength is not sufficient.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a conductive porous membrane having a high porosity and a high mechanical strength.
  • the mesoporous thin film of the present invention comprises a metal phosphate (M—PO
  • the metal constituting the crosslinked structure contains at least one of tin (Sn), indium (In), zinc (Zn), and iridium (Ir).
  • the cross-linked structure includes a structure in which cylindrical holes are periodically arranged along the thickness direction of the mesoporous silica thin film.
  • the mesoporous thin film of the present invention includes one having a film thickness of 10 ⁇ m or less.
  • the mesoporous thin film of the present invention includes those that are translucent.
  • the electronic device of the present invention is characterized in that the mesoporous thin film is used as an electrode.
  • a highly light-transmitting and conductive thin film can be formed at a low temperature, and thus it is extremely effective as a light-transmitting electrode for solar cells, optical sensors, EL elements, and the like.
  • the method of the present invention includes a step of preparing a precursor solution containing phosphoric acid and a surfactant, a step of supplying the precursor solution to a substrate to form a precursor thin film, and a step of forming the thin film.
  • a mesoporous thin film in which pores are periodically arranged is formed as a main component of a cross-linked structure having a structure.
  • the strong configuration it is possible to provide a porous conductive thin film with extremely controllability and excellent mechanical strength.
  • the first porous structure domain layer in which cylindrical vacancies are periodically arranged and the second porous structure domain layer in which layered vacancies are periodically arranged in parallel to the substrate surface are provided. It becomes possible to easily form a conductive film having two or more different periodic structures such as a conductive thin film repeatedly laminated in parallel on the surface.
  • a conductive thin film can be formed with high reliability without affecting the base even when used in an integrated circuit. Since it can be formed without obtaining a heating process of 500 ° C. or higher, it can also be applied when using aluminum wiring.
  • the porosity can be appropriately changed by adjusting the concentration of the precursor solution.
  • the contacting step includes a step of allowing the precursor thin film to stand in a container filled with vapor containing metal.
  • the method of the present invention includes the step in which the step of releasing is a step of firing the crosslinked structure and removing the surfactant.
  • the surfactant is efficiently desorbed, and a crosslinked structure having regular pores can be formed.
  • the method of the present invention includes the step in which the detaching step is a step of baking at about 300 to 550 ° C. [0031] According to the strong configuration, since it can be fired at a low temperature, it can also be applied to a case where an aluminum wiring or the like is included in the lower layer.
  • the substrate supplied with the precursor solution is exposed to vapor containing the metal to increase the density of the metal-phosphate skeleton.
  • the density can be easily adjusted.
  • the step of leaving includes a step of extracting the surfactant with an acid.
  • the substrate supplied with the precursor solution is exposed to vapor containing the metal, and the metal-phosphate skeleton of the crosslinked structure is highly dense.
  • the metal contains at least one of tin (Sn), indium (In), zinc (Zn), and iridium (Ir).
  • the method of the present invention comprises cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), phosphorous
  • a step of applying the precursor solution to a substrate a step of exposing the thin film listed in the application step to a vapor containing tin chloride (SnCl 3), and baking the thin film,
  • the substrate is immersed in the first precursor solution and pulled up at a desired rate, and the substrate is immersed in the second precursor solution and pulled up at a desired rate.
  • the contacting step may include a step of sequentially applying the first and second precursor solutions onto the substrate.
  • the contact step may use a spin coating step of dropping the precursor solution onto the substrate and rotating the substrate.
  • the film thickness and porosity can be easily adjusted, and a porous thin film can be formed with high productivity.
  • FIG. 1 is a diagram showing a solar cell using the mesoporous thin film according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the solar cell.
  • FIG. 4 Schematic diagram showing the manufacturing process of the mesoporous thin film
  • FIG. 5 is a diagram showing a surface interval of a mesoporous thin film according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 6 shows a mesoporous thin film according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the firing temperature and the face spacing of a mesoporous thin film in Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the wavelength of the mesoporous thin film in Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the wave number of the mesoporous thin film and the light absorption rate in Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing the results of measuring high-frequency characteristics of a mesoporous thin film (firing temperature: 550 ° C.) in Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 11 High frequency of mesoporous thin film (firing temperature 400 ° C) in Embodiment 2 of the present invention The figure which shows the result of having measured the characteristic
  • FIG. 12 shows a gas sensor according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the solar battery cell includes a translucent electrode 2 made of a periodic structure tin phosphate thin film (mesoporous thin film) formed on the surface of a translucent glass substrate 1, and an upper layer thereof.
  • a formed P-type amorphous silicon layer 3, an N-type amorphous silicon layer 4 formed thereon, and a metal electrode 5 as an aluminum collector electrode formed thereon are formed. It is characterized by this.
  • an I layer may be interposed between the P-type amorphous silicon layer 3 and the N-type amorphous silicon layer 4.
  • This translucent electrode 2 is composed of a mesoporous thin film in which cylindrical holes are periodically arranged along the thickness direction, and can prevent irregular reflection. There is no need to form. Therefore, the light absorption rate can be increased, and a solar cell having high photoelectric conversion efficiency is formed.
  • a method for forming a solar cell including the step of forming the mesoporous thin film will be described with reference to Figs. 2 (a) to 2 (c).
  • the mesoporous thin film of the present invention is formed on the surface of a light-transmitting glass substrate 1.
  • a cationic cetyltrimethylan is first used as a surfactant. Moum bromide (CTAB: CH N + (CH)), phosphoric acid (H 3 PO 4), ethanol (EtO)
  • precursor solution (precursor) 102 as shown in FIG. 3 (a).
  • This solution was dropped onto a light-transmitting glass substrate 1 set in a spinner 103, and spin code coating was performed as shown in Fig. 3 (b). Initially, it was rotated at 50 rpm for 10 seconds, gradually increasing the number of rotations, and rotating at 4000 rpm for 60 seconds.
  • a spherical micelle structure formed by aggregation of several molecules is formed.
  • the surfactant is removed by baking at 523 to 823K, and a porous conductive thin film (mesoporous thin film) in which a large number of pores are periodically arranged as shown in Fig. 3 (d)
  • the translucent electrode 2 is formed.
  • the thickness of this mesoporous thin film was 100 to 300 nm, the repeating width of the periodic structure was about 4 nm, and the pore diameter was 3 nm.
  • the impedance was measured and the conductivity was 46.2.
  • a PN junction is formed by a normal method.
  • the P-type amorphous silicon layer 3 and the N-type amorphous silicon layer 4 are sequentially formed by the low pressure CVD method.
  • the P-type amorphous silicon layer 3 is formed in the vacancies of the mesoporous thin film as the translucent electrode. If the area of the interface with the N-type amorphous silicon layer 4 to be formed becomes large, there will be a habit effect.
  • the plasma CVD method is used instead of the low pressure CVD method. A little.
  • an aluminum thin film is formed on the upper layer to form a metal electrode 5.
  • a solar battery cell that uses a conductive mesoporous thin film in which cylindrical holes are periodically arranged as a translucent electrode.
  • Figure 5 shows the XR of the thin film on the silicon substrate after applying the precursor solution, after VI treatment with SnCl, and after firing at 723K.
  • the horizontal axis is the surface interval
  • the vertical axis is the intensity. This figure shows that after applying the precursor solution, a hexagonal structure is formed by electrostatic interaction between phosphoric acid and surfactant molecules.
  • FIG. 6 shows a TEM observation of the thin film after firing. a indicates after coating, b indicates after VI treatment, and c indicates after baking. It can be seen that the pores are arranged in parallel to the paper surface. The face spacing is 3.2nm, which is almost the same as the face spacing obtained from the XRD pattern.
  • Fig. 10 shows the results of measuring the high-frequency impedance characteristics of this thin film. As a result, it can be seen that it has good frequency characteristics.
  • the vertical axis is the reciprocal of the specific resistance, and the horizontal axis is the frequency.
  • Fig. 11 shows the results of measuring the high-frequency impedance characteristics when the firing temperature was lowered to 400 ° C. Also in this case, it can be seen that it has good frequency characteristics.
  • this carbon dioxide sensor is characterized in that a conductive mesoporous thin film 302 is formed on lithium carbonate 301 as a detection electrode.
  • the three-layer structure force of the ion conductor 303 and the reference electrode 304 is also obtained. That is, the material constituting the detection electrode is obtained by laminating the conductive mesoporous thin film of the present invention on the surface of lithium carbonate for directly generating contact with carbon dioxide gas to generate an electromotive force.
  • the lithium ion conductor is lithium carbonate and crystallized glass, and the reference electrode material is two types of lithium ferrite with gold added.
  • the mesoporous thin film used for the detection electrode has high conductivity and is porous, so that it easily reaches the lithium carbonate for efficiently transmitting gas and generating electromotive force.
  • the mesoporous thin film is formed in the same manner as described in the first embodiment.
  • a force using cationic cetyltrimethylamonium bromide (CTAB: C H N + (CH) Br-) as a surfactant is not limited to this.
  • Acid catalysts include HC1, nitric acid (HNO), sulfuric acid (H 2 SO 4), phosphoric acid (H PO) or the like may be used.
  • the firing atmosphere is a force using a nitrogen atmosphere.
  • the mixing ratio of the surfactant, phosphoric acid, and the solvent can be appropriately changed.
  • the firing step may be performed at a force of 300 ° C to 500 ° C for about 1 to 5 hours at 400 ° C for 1 hour. Desirably, the temperature is 350 ° C to 450 ° C.
  • the mesoporous thin film is formed by the spin coating method, but the dip coating method may be used.
  • the substrate is lowered at a speed of ImmZs to 10 mZs perpendicularly to the liquid surface of the adjusted precursor solution and submerged in the solution, and left for 1 second to 1 hour.
  • the substrate is lifted vertically at a rate of ImmZs to lOmZs and removed from the solution.
  • the surfactant is completely pyrolyzed and removed to form a pure mesoporous thin film.
  • a highly porous and uniform porous conductive film can be easily formed over a large area, and the mechanical strength is also high, so that the reliability is high. It can also be applied to solar cells, gas sensors, fuel cell electrodes, selective permeation films, heat ray reflective films, touch panel conductive films, and the like.

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Abstract

 空孔率が高く、機械的強度の強い導電性多孔質膜を提供する。  発明のメゾポーラス薄膜は、燐酸と界面活性剤とを含む前駆体溶液を調製する工程と、前記前駆体溶液を基板に供給し、前駆体薄膜を形成する工程と、前記薄膜を形成する工程で得られた前駆体薄膜に、金属を含む蒸気を接触させる接触工程と、前記金属を含む蒸気と燐酸とを反応させ自己組織化薄膜を形成する工程と、自己組織化薄膜から、界面活性剤を離脱させる離脱工程とによって形成され、燐酸金属塩(M-POX)骨格を持つ架橋構造体が、周期的に配列された空孔を囲むように配列される。

Description

明 細 書
メゾポーラス薄膜およびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、メゾポーラス薄膜、これを用いた電子デバイスおよびその製造方法に係 り、特に周期的ナノ細孔構造の導電性薄膜に関する。
背景技術
[0002] 従来、導電性ポーラス材料としては、非周期的細孔構造の炭素多孔体や、金属酸 化物多孔体などが提案されており、これらのうち、金属酸化物多孔体など、導電性を 有する酸ィ匕物は、その電気特性を利用し現在ガスセンサなどに広く用いられている。 また、透明導電性酸化物である酸化錫 (SnO )、酸化インジウム錫 (ITO)などはその
2
電気的特性および光学的特性により、現在、太陽電池セルや EL素子などの電子デ バイスの電極、選択透過膜、熱線反射膜、タツチパネル用導電膜など多方面で採用 されている。
[0003] また、周期的細孔構造の酸ィ匕物としてシリカを骨格とした絶縁膜も提案されている ( 特許文献 1)。この絶縁膜は周期的ナノ細孔構造を有することから、空孔率が高くても 、十分な機械的強度を維持することができることから、半導体デバイスの層間絶縁膜 として広く用いられている。半導体装置の高速化'低消費電力化には、層間絶縁膜 の低誘電率化が重要な課題である。
[0004] 非周期的細孔構造の場合、安定性が十分でなぐ更なる安定性と、耐熱性と、多孔 化を求めてさまざまな研究がなされて!/、る。
[0005] さらにまた前者の場合、ポーラスな構造がランダムであるために機械的強度が十分 ではなぐ特に高温下での使用には、破損しやすぐ信頼性低下の原因となっていた
[0006] また、ポーラスな構造が閉じていない場合が多ぐ閉じていないと膜の耐湿性が著 しく低下し、半導体素子の信頼性低下の原因となっていた。
特許文献 1 :特開 2003— 17482号公報
発明の開示 発明が解決しょうとする課題
[0007] このように従来の金属酸化物多孔体では、耐熱性、空孔率、化学的安定性を十分 に得ることができず、また、機械的強度も充分でないという問題があった。
[0008] 本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、空孔率が高ぐ機械的強度の強い導 電性多孔質膜を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0009] そこで本発明のメゾポーラス薄膜は、燐酸金属塩 (M— PO
X )骨格を持つ架橋構造 体
力 周期的に配列された空孔を囲むように形成されたことを特徴とする。
[0010] 力かる構成によれば、周期的ポーラス構造を有するため、機械的強度を高めること ができ、導電性薄膜を得ることが可能となる。
[0011] また本発明のメゾポーラス薄膜は、前記架橋構造体を構成する金属が、錫 (Sn)、 インジウム(In)、亜鉛 (Zn)、イリジウム(Ir)のうちの少なくとも 1つを含む。
[0012] 力かる構成によれば、導電性の多孔質薄膜を得ることができる。
[0013] また本発明のメゾポーラス薄膜は、前記架橋構造体が、前記メゾポーラスシリカ薄 膜の厚さ方向に沿って円柱状の空孔が周期的に配列されているものを含む。
[0014] 力かる構成によれば、粒界が膜の厚さ方向に沿って形成されるため、乱反射を防 止することができる。
[0015] また本発明のメゾポーラス薄膜は、膜厚が 10 μ m以下であるものを含む。
[0016] 力かる構成によれば、高精度のパターン形成が可能となる。
[0017] また本発明のメゾポーラス薄膜は、透光性であるものを含む。
[0018] 力かる構成によれば、透光性でかつ導電性の多孔質薄膜を得ることができる。
[0019] また本発明の電子デバイスは上記メゾポーラス薄膜を電極として用いたことを特徴 とする。
[0020] 力かる構成によれば、低温下で透光性の高 、導電性薄膜を形成することができる ため、太陽電池や光学センサ、 EL素子などの透光性電極として極めて有効である。
[0021] また本発明の方法は、燐酸と界面活性剤とを含む前駆体溶液を調製する工程と、 前記前駆体溶液を基板に供給し、前駆体薄膜を形成する工程と、前記薄膜を形成 する工程で得られた前駆体薄膜に、金属を含む蒸気を接触させる接触工程と、前記 金属を含む蒸気と燐酸とを反応させ自己組織化薄膜を形成する工程と、自己組織化 薄膜から、界面活性剤を離脱させる離脱工程とを含み、燐酸金属塩 (M— PO )骨格
X
を持つ架橋構造体を主成分とし、空孔が周期的に配列されたメゾポ ラス薄膜を形 成するようにしたことを特徴とする。
[0022] 力かる構成によれば、極めて制御性よく機械的強度に優れた多孔質導電性薄膜を 提供することが可能となる。また、筒状の空孔が周期的に配列された第 1のポーラス 構造ドメイン層と、層状の空孔が基板表面に平行に周期的に配列された第 2のポー ラス構造ドメイン層とが基板表面に平行に繰り返し積層されている導電性薄膜など、 2 種以上の異なる周期的構造を有する導電性膜を容易に形成することが可能となる。
[0023] また低温下での形成が可能であるため、集積回路中で用いる場合にも下地に影響 を与えることなく信頼性の高 、導電性薄膜を形成することが可能となる。 500°C以上 の加熱工程を得ることなく形成することができるため、アルミニウム配線を用いる場合 にも適用可能である。
[0024] また、液体の接触によって形成することができるため、微細な領域にも高精度のパ ターン形成を行うことが可能であるため、信頼性の向上を図ることが可能となる。
[0025] さらにまた、前駆体溶液の濃度を調整することにより空孔度は適宜変更可能であり
、極めて作業性よく所望の導電率をもつ多孔質薄膜を形成することが可能となる。
[0026] また本発明の方法は、前記接触させる工程が、金属を含む蒸気の充填された容器 内に、前記前駆体薄膜を静置する工程とを含むものを含む。
[0027] カゝかる構成によれば、静置するのみで生産性よぐ導電性の多孔質薄膜を形成す ることが可能となる。
[0028] また本発明の方法は、前記離脱する工程が、前記架橋構造体を焼成し、界面活性 剤を除去する工程であるものを含む。
[0029] カゝかる構成によれば、効率よく界面活性剤が脱離し、規則的な細孔を有する架橋 構造体を形成することができる。
[0030] また本発明の方法は、前記離脱する工程は、 300〜550°C程度で焼成する工程で あるものを含む。 [0031] 力かる構成によれば、低温下で焼成可能であるため、下層にアルミニウム配線など を含む場合にも適用可能である。
[0032] また本発明の方法は、前記界面活性剤の除去に先立ち、前記前駆体溶液の供給 された基体を前記金属を含む蒸気にさらし、前記金属-燐酸骨格を高密度化するェ 程を含むものを
含む。
[0033] 力かる構成によれば、容易に密度の調整が可能となる。
[0034] また本発明の方法は、前記離脱する工程は、界面活性剤を酸で抽出する工程を含 むものを含む。
[0035] 力かる構成によれば、焼成工程を経ることなく形成可能であるため、より低温下での 形成が可能となる。
[0036] また本発明の方法は、前記酸で抽出する工程に先立ち、前記前駆体溶液の供給さ れた基体を前記金属を含む蒸気にさらし、前記架橋構造体の金属-燐酸骨格を高密 度化する工程
を含むものを含む。
[0037] 力かる構成によれば、容易に密度の微調整が可能となる。
[0038] また本発明の方法は、前記金属は、錫(Sn)、インジウム (In)、亜鉛 (Zn)、イリジゥ ム(Ir)のうちの少なくとも 1つを含むものを含む。
[0039] 力かる構成によれば、信頼性の高い多孔質の導電性薄膜を形成することが可能と なる。
[0040] また本発明の方法は、セチルトリメチルアンモ-ゥムブロミド(C TAB)と、燐
16
酸 (H PO )と、エタノール (EtOH)と、水とを含む前駆体溶液を調製する工程
3 4
と、 前記前駆体溶液を基体に塗布する工程と、前記塗布工程で掲載された薄膜を 、塩化錫 (SnCl )を含む蒸気にさらす工程と、前記薄膜を焼成することにより、前記
4
薄膜
から界面活性剤を除去し錫-燐酸骨格を持つ架橋構造体を形成する工程とを含むも のを含
む。 [0041] この構成によれば、信頼性の高!、多孔質の導電性薄膜を形成することが可能とな る。
[0042] また望ましくは、前記接触工程は、基板を前記第 1の前駆体溶液に浸せきし、所望 の速度で引き上げる工程と前記第 2の前駆体溶液に浸せきし、所望の速度で引き上 げる工程とを含むようにしてもょ 、。
[0043] また望ましくは、前記接触工程は、前記第 1および第 2の前駆体溶液を基板上に順 次繰り返し塗布する工程を用いるようにしてもょ 、。
[0044] これにより、容易に周期構造の異なる複数層の多孔質薄膜を形成することができる
[0045] 更に望ましくは、前記接触工程は、前記前駆体溶液を基板上に滴下し、前記基板 を回転させる回転塗布工程を用いるようにしてもょ ヽ。
[0046] 力かる構成によれば、膜厚や空孔率を容易に調整可能であり、生産性よく多孔質 薄膜を形成することが可能となる。
図面の簡単な説明
[0047] [図 1]本発明の実施の形態 1のメゾポーラス薄膜を用いた太陽電池セルを示す図 [図 2]同太陽電池セルの製造工程図
[図 3]同メゾポーラス薄膜の製造工程図
[図 4]同メゾポーラス薄膜の製造工程を示す模式図
[図 5]本発明の実施の形態 2におけるメゾポーラス薄膜の面間隔を示す図
[図 6]本発明の実施の形態 2におけるメゾポーラス薄膜を示す図
[図 7]本発明の実施の形態 2におけるメゾポーラス薄膜の焼成温度と面間隔との関係 を示す図
[図 8]本発明の実施の形態 2におけるメゾポーラス薄膜の波長との関係を示す図 [図 9]本発明の実施の形態 2におけるメゾポーラス薄膜の波数と光吸収率との関係を 示す図
[図 10]本発明の実施の形態 2におけるメゾポーラス薄膜 (焼成温度 550°C)の高周波 特性を測定した結果を示す図
[図 11]本発明の実施の形態 2におけるメゾポーラス薄膜 (焼成温度 400°C)の高周波 特性を測定した結果を示す図
[図 12]本発明の実施の形態 3のガスセンサを示す図
符号の説明
[0048] 1 透光性のガラス基板
2 透光性電極
3 P型アモルファスシリコン層
4 N型ァモノレファスシリコン層
発明を実施するための最良の形態
[0049] 以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
(実施の形態 1)
本発明の実施の形態 1として、この導電性薄膜を透光性の導電性薄膜として用い た太陽電池セルにっ 、て説明する。
[0050] この太陽電池セルは、図 1に示すように、透光性のガラス基板 1の表面に形成され た周期構造燐酸錫薄膜 (メゾポーラス薄膜)からなる透光性電極 2と、この上層に形 成された P型アモルファスシリコン層 3とさらにその上層に形成された N型ァモルファ スシリコン層 4と、さらにこの上層に形成されたアルミニウム製の集電電極としての金 属電極 5とを形成したことを特徴とするものである。ここで P型アモルファスシリコン層 3 と N型アモルファスシリコン層 4との間に I層を介在させるようにしてもよい。
[0051] この透光性電極 2は厚さ方向にそって筒状の空孔が周期的に配列されたメゾポー ラス薄膜で構成されており、乱反射を防止することができることから、別に反射防止層 を形成する必要がない。従って、光の吸収率を高めることができ、光電電変換効率の 高い太陽電池セルを形成したことを特徴とするものである。
[0052] 他の部分については図示および説明を省略するが通常の構造である。
[0053] 図 2 (a)乃至 (c)にこのメゾポーラス薄膜の形成工程を含む太陽電池セルの形成方 法について説明する。
[0054] まず、図 2 (a)に示すように、透光性のガラス基板 1表面に、本発明のメゾポーラス薄 膜を形成する。
[0055] すなわち、容器 100内にまず界面活性剤として陽イオン型のセチルトリメチルアン モ-ゥムブロミド(CTAB : C H N+ (CH ) )と、燐酸(H PO )と、エタノール(EtO
16 33 3 3 3 4
H)と水(H O)とを、溶液比 C TAB : H PO: EtOH : H 0 = 0.75 : 1.5 : 50 : 100となるよう
2 16 3 4 2
に充填して蓋 101をした後、混合し、図 3 (a)に示すように、 10分間マグネチックスタ ーラ Mで攪拌し前駆体溶液 (プレカーサ一) 102を調製した。
[0056] この溶液をスピナ一 103にセットされた透光性のガラス基板 1上に滴下し、図 3 (b) に示すように、スピンコード塗布を行なった。最初 50rpmで 10秒間回転し、除々に回 転数を上げ、 4000rpmで 60秒回転した。
その後、図 3 (c)および図 4に示すように、密閉容器 200内に、骨格源として SnC14' 5 H Oを配置して、この塗布膜 41の形成されたガラス基板 1を配し、塗布膜 41内に骨
2
格源となる SnC14' 5H Oの蒸気粒子 42を仕込み 363Kで 21時間熱処理を行った(
2
蒸気浸透 (Vapor
Infiltration;VI)処理)。このときの蒸気浸透の状態を図 4に模式的に示す。図中 は!3 、黒丸は Snである。前駆体溶液は、界面活性剤の周期的な自己凝集体を形成する 。すなわちこの自己凝集体は図 4に示すように C H ?^+ (じ11 ) 81:_を1分子とする複
16 33 3
数の分子が凝集してなる球状のミセル構造体を形成する。
[0057] このようにして 21時間熱処理を行った後、図 3 (c)に示すように、自己組織ィ匕が起る
[0058] そして、 523〜823Kで焼成することで界面活性剤を除去し、図 3 (d)に示すように 、多数の空孔が周期的に配列された多孔質導電性薄膜 (メゾポーラス薄膜)力 なる 透光性電極 2を形成する。このメゾポーラス薄膜の膜厚は 100〜300nm、周期構造 の繰り返し幅は約 4nm、細孔径は 3nmであった。またインピーダンス測定を行なった ところ導電性は 46.2
S/cm(1.0 X 105 Hz)であった。
[0059] この後、図 2 (b)に示すように、通常の方法で、 PN接合を形成する。ここでは、減圧 CVD法により P型アモルファスシリコン層 3、 N型アモルファスシリコン層 4を順次し、 このとき透光性電極としてのメゾポーラス薄膜の空孔に P型アモルファスシリコン層 3 が形成されこの上層に形成される N型アモルファスシリコン層 4との界面の面積が大 きくなると ヽぅ効果もある。なおここで減圧 CVD法に代えてプラズマ CVD法を用いて ちょい。
[0060] 続、て、図 2 (c)に示すように、この上層にアルミニウム薄膜を形成し金属電極 5とす る。
[0061] このようにして、筒状の空孔が周期的に配列された導電性のメゾポーラス薄膜を透 光性電極とする太陽電池セルを得る。
(実施の形態 2)
次に、このメゾポーラス薄膜について、評価を行なう。図 5に前駆体溶液を塗布した 後、 SnClによる VI処理後、 723Kでの焼成後におけるシリコン基板上の薄膜の XR
4
Dパターンを示す。図中横軸は面間隔、縦軸は強度である。この図から前駆体溶液 塗布後に燐酸と界面活性剤分子間の静電的相互作用によりへキサゴナル構造を形 成していることがわ力る。
[0062] さらに、 SnClによる VI処理後では面間隔 (dlOO)が大きくなつていることから Snが薄
4
膜内部に浸透しへキサゴナル構造の面間隔が大きくなつたものと考えられる。これら のこと力も考えられる VI処理時の骨格部の形成メカニズムは図 4力もあきらかである。 図 4 (a)に示すように、界面活性剤のミセル凝集体が燐 Pを含む蒸気に曝されると、図 4 (b)に示すように、ミセル凝集体の間に燐 Pが入り、図 4 (c)に示すようにミセル凝集 体の面間隔を大きくするものと考えられる。
[0063] また、焼成後も周期構造を維持したメゾポーラス薄膜を得ることができた (dl00= 3.1 nm)。焼成後の薄膜の TEM観察図を図 6に示す。 aは塗布後、 bは VI処理後、 cは焼 成後を示す。紙面に対して平行に細孔が配列していることがわかる。面間隔は 3.2nm で XRDパターンより得られた面間隔とほぼ一致している。
[0064] 次に焼成温度を変化させ面間隔を測定した。図 7に焼成温度 573〜823Kで焼成 することで得られた薄膜の XRDパターンを示す。焼成温度を高くするにつれ、薄膜 は面間隔が収縮しているが、周期性は維持されており、 823Κまでの耐熱性を確認し た。また、 EDAX測定結果より、焼成後の薄膜内では Snと Ρが Sn/P = 36. 57から 5 4. 91 :45. 09力ら 63. 43の _b匕で存在して!/ヽること力 ^わ力つた。
[0065] また、波長に対する吸収率を測定した結果を曲線 aで示す。比較のために酸ィ匕錫( SnO )を曲線 bで示す。この曲線から 300nm以上では極めて良好な透光性を有し ていることがわ力つた。また 300nm近傍では酸ィ匕錫よりも良好な透光性を示し、 300 nmを超えても同程度の透光性を有して!/ヽることがゎカゝる。また赤外域での吸収率を 測定した結果を図 9に示す。この図では横軸は波数、縦軸は吸収率を示す。
[0066] この薄膜の高周波インピーダンス特性を測定した結果を図 10に示す。この結果、 良好な周波数特性を有していることがわかる。ここで縦軸は比抵抗の逆数、横軸は周 波数である。
[0067] また焼成温度を 400°Cに下げたときの高周波インピーダンス特性を測定した結果を 図 11に示す。この場合も、良好な周波数特性を有していることがわかる。
(実施形態 3)
本発明の第 3の実施形態として、このメゾポーラス薄膜を、ガスセンサに適用した例に ついて説明する。
[0068] この炭酸ガスセンサは、図 12に示すように、検知極として炭酸リチウム 301上に導 電性のメゾポーラス薄膜 302を形成したもので構成したことを特徴とするもので、検知 極と、リチウムイオン伝導体 303、および基準極 304の三層構造力もなるものである。 すなわち、検知極を構成する材料は、直接的に炭酸ガスと接触して起電力を生ず るための炭酸リチウムの表面に本発明の導電性のメゾポーラス薄膜を積層したもので ある。また、リチウムイオン伝導体は、炭酸リチウムおよび結晶化ガラス、基準極材料 は、 2種類のリチウムフェライトに金を添加したものである。
[0069] この構成により検知極に用いられて 、るメゾポーラス薄膜は導電性が高くかつ多孔 質であるため、ガスが効率よく透過し起電力を生ずるための炭酸リチウムに到達し易 い。なおここで、このメゾポーラス薄膜は前記実施の形態 1で説明したものと同様に形 成する。
[0070] なお、前記実施の形態では、界面活性剤として陽イオン型のセチルトリメチルアン モ-ゥムブロマイド(CTAB: C H N+ (CH ) Br-)を用いた力 これに限定されるこ
16 33 3 3
となぐ他の界面活性剤を用いてもょ ヽことは言うまでもな 、。
[0071] ただし、触媒として Naイオンなどのアルカリイオンを用いると半導体材料としては、 劣化の原因となるため、陽イオン型の界面活性剤を用い、触媒としては酸触媒を用 いるのが望ましい。酸触媒としては、 HC1の他、硝酸 (HNO )、硫酸 (H SO )、燐酸 (H PO )等を用いてもよい。
3 4
[0072] また金属を含む物質としては SnClのほか、 Sn In CI、酢酸スズ、スズのアルコ キシド、など種々の化合物材料を用いることができる。
[0073] また溶媒としては水 H O/エタノール混合溶媒を用いた力 水のみでもよ 、。
2
[0074] さらにまた、焼成雰囲気としては窒素雰囲気を用いた力 減圧下でもよぐ大気中で ちょい。
[0075] また、界面活性剤、燐酸、溶媒の混合比については適宜変更可能である。
[0076] さらに、焼成工程は、 400°C1時間とした力 300°Cから 500°Cで 1乃至 5時間程度 としてもよい。望ましくは 350°Cから 450°Cとする。
(実施の形態 4)
なお、前記実施の形態 1では、メゾポーラス薄膜の形成は、スピンコート法によって 行なったが、ディップコート法を用いてもょ 、。
[0077] すなわち、調整された前駆体溶液の液面に対して基板を垂直に ImmZs乃至 10 mZsの速度で下降させて溶液中に沈め、 1秒間乃至 1時間静置する。
[0078] そして所望の時間経過後再び、基板を垂直に ImmZs乃至 lOmZsの速度で上 昇させて溶液から取り出す。
[0079] そして最後に、前記実施の形態 1と同様に、焼成することにより、界面活性剤を完全 に熱分解、除去して純粋なメゾポーラス薄膜を形成する。
産業上の利用可能性
[0080] 以上説明してきたように、本発明によれば、容易に強度が高く大面積にわたって均 一な多孔質導電性膜を形成することができ、機械的強度も高いため、信頼性の高い 太陽電池セル、ガスセンサ、燃料電池用電極、選択透過膜、熱線反射膜、タツチパ ネル用導電膜などにも適用可能となる。

Claims

請求の範囲
[1] 燐酸金属塩 (M— PO )骨格を持つ架橋構造体が、周期的に配列された空孔を囲
X
むように形成されたメゾポ ラス薄膜。
[2] 請求項 1に記載のメゾポーラス薄膜であって、
前記架橋構造体を構成する金属は、錫 (Sn)、インジウム (In)、亜鉛 (Zn)、イリジゥ ム(Ir)のうちの少なくとも 1つを含むメゾポーラス薄膜。
[3] 請求項 1または 2に記載のメゾポーラス薄膜であって、
前記架橋構造体は、前記メゾポーラスシリカ薄膜の厚さ方向に沿って円柱状の空 孔が周期的に配列されているメゾポーラス薄膜。
[4] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載のメゾポーラス薄膜であって、膜厚が 10 m以 下であるメゾポーラス薄膜。
[5] 請求項 1乃至 4の 、ずれかに記載のメゾポーラス薄膜であって、
前記メゾポーラス薄膜は透光性であるメゾポーラス薄膜。
[6] 請求項 1乃至 5に記載のメゾポーラス薄膜を電極として用いた電子デバイス。
[7] 燐酸と界面活性剤とを含む前駆体溶液を調製する工程と、
前記前駆体溶液を基板に供給し、前駆体薄膜を形成する工程と、
前記薄膜を形成する工程で得られた前駆体薄膜に、金属を含む蒸気を接触させる 接触工程と、
前記金属を含む蒸気と燐酸とを反応させ自己組織化薄膜を形成する工程と、 自己組織ィ匕薄膜から、界面活性剤を離脱させる離脱工程とを含み、
燐酸金属塩 (M— PO )骨格を持つ架橋構造体を主成分とし、空孔が周期的に配
X
列されたメゾポ ラス薄膜を形成するようにしたメゾポーラス薄膜の製造方法。
[8] 請求項 7に記載のメゾポーラス薄膜の製造方法であって、
前記接触させる工程は、金属を含む蒸気の充填された容器内に、前記前駆体薄膜 を静置する工程を含むメゾポーラス薄膜の製造方法。
[9] 請求項 7または 8に記載のメゾポーラス薄膜の製造方法であって、
前記離脱する工程は、
前記架橋構造体を焼成し、界面活性剤を除去する工程であることを特徴とするメゾ ポーラス薄膜の製造方法。
[10] 請求項 9に記載のメゾポーラス薄膜の製造方法であって、
前記離脱する工程は、 300〜550°C程度で焼成する工程であることを特徴とするメ ゾポーラス薄膜の製造方法。
[11] 請求項 10に記載のメゾポーラス薄膜の製造方法であって、
前記界面活性剤の除去に先立ち、前記前駆体溶液の供給された基体を前記金属 を含む蒸気にさらし、前記金属-燐酸骨格を高密度化する工程を含むメゾポーラス薄 膜の製造方法。
[12] 請求項 9に記載のメゾポーラス薄膜の製造方法であって、
前記離脱する工程は、界面活性剤を酸で抽出する工程を含むメゾポーラス薄膜の 製造方法。
[13] 請求項 12に記載のメゾポーラス薄膜の製造方法であって、
前記酸で抽出する工程に先立ち、前記前駆体溶液の供給された基体を前記金属 を含む蒸気にさらし、前記架橋構造体の金属-燐酸骨格を高密度化する工程を含む メゾポーラス薄膜の製造方法。
[14] 請求項 7乃至 13のいずれかに記載のメゾポーラス薄膜の製造方法であって、 前記金属は、錫(Sn)、インジウム (In)、亜鉛 (Zn)、イリジウム (Ir)のうちの少なくと も 1つを含むメゾポーラス薄膜の製造方法。
[15] 請求項 7乃至 14のいずれかに記載のメゾポーラス薄膜の製造方法であって、 セチルトリメチルアンモ-ゥムブロミド(C TAB)と、燐酸(H PO )と、
16 3 4
エタノール (EtOH)と、水とを含む前駆体溶液を調製する工程と、
前記前駆体溶液を基体に塗布する工程と、
前記塗布工程で掲載された薄膜を、塩化錫 (SnCl )を含む蒸気にさらす工程と、
4
前記薄膜を焼成することにより、前記薄膜から界面活性剤を除去し燐酸錫骨格を 持つ架橋構造体を形成する工程とを含むメゾポーラス薄膜の製造方法。
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