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セラミックス 5月　11日（火）　 担当教員：永山　勝久 * 第4回目 半導体Si [ 図1 参照 ] Si???精製による高純度化→電気抵抗の増加 　　　　　　　　　　　　　　　　　　99.999%：100kΩ ( 絶縁体 ) 半導体Si ： 0.01% ( 1万分の1，100ppm ) の不純物ドープにより， 　　　　　　 電気抵抗が1Ω以下 ( 10万分の1以下に低下 ) 　???不純物ドープ：p型：3価元素添加 ( Bなど ) 電子が1個 不足 n型：5価元素添加 ( Pなど ) 電子が1個 過剰 『単結晶体の代表材料』 「Containerless Crystallization of Silicon in Microgravity の新推進体制」 テーマ提案者：永山勝久、栗林 一彦 (日本、芝浦工大) 国際宇宙ステーション 　　　　　　きぼう利用　日本実施テーマ 共同研究者：Dieter M.Herlach (ドイツ航空宇宙局：DLR) 自由落下部3ｍのショートドロップチューブを用いた次世代高効率太陽電池用球状単結晶Si生成 国際特許出願番号：PUT/JP2008/073948 国際特許出願日：2008年12月25日 本学初の国際特許：ＰＣＴ (a) アクセプタとホール (b) ドナーと電子 図1 不純物半導体のホールと電子 単結晶Si の作製 ( m.p. = 1412℃ ) 通常冷却???融点以上からの徐冷→多結晶Si 単結晶Si???単結晶を溶融部に接触させ，融体から徐々に引下げる [ CZ法 ] 　　　　　　　　　(工業的には直径300mmの単結晶が生産可能) 多結晶体??? 結晶粒 ( grain ) : 粒内の原子配列は一定 ( 整合 ) 結晶粒界 ( grain boundary ) : 原子の配列が不整合 ( エネルギーの高い状態 ) 粒界???電子の運動を妨害する ( 易動度，mobilityが低下 ) 半導体???ドープした微量元素が粒界に集中し，粒内での効果が発生しないため単結晶化する 　図 単結晶製造装置（チョクラルスキ－法） ※ 単結晶製造法［ＣＺ法：チョクラルスキ－（Czochralski）法］ 　 図 ＣＺ法で作製したＢｉ12ＳｉＯ20単結晶 単結晶の種子結晶を高周波溶解や抵抗加熱法によって加熱?溶融し、 　下部に設置された溶融体と接触し、上部に引上げ種子結晶と同じ方位 　　を有する単結晶を成長させる 　???半導体Ｓｉ製造用装置（~10インチ?ウエハ－作製用←大口径化） 固体Si-融液Siの接触界面における結晶成長（Crystal Growth） 物質創製科学 現状の材料のプロセスと既存核生成機構 ○ 材料（物質）の製造（現状の材料プロセス） （ex. 金属合金，半導体，無機，有機（含　医薬品）材料） 結晶成長（Crystal Growth） 気相プロセス（ex. 半導体，薄膜材料など） 液相プロセス（ex. 単結晶材料のMelt Growth） 固相プロセス（ex. メカニカルアロイング，粉末焼結） 核生成（Nucleation） ※ 核生成理論の推移 1926年：Volmer, Weber （Z. Phys. Chem, 119 （1926） 277. 1950年：D. Turnbull （J. Chem. Phys., 18 （1950）198. ※ 全ての材料の結晶成長の前駆段階としての 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　統一的現象および理論 （固相法の場合は，界面 growth が支配） 既存?核生成理論（核生成機構） 1. 均一核生成（Homogeneous Necleation） ???理想状態下で生じる本来の核生成現象 2. 不均一核生成（Heterogeneous Necleation） ???通常の材料製造?作製時における核生成現象 　（ex. 基板上への薄膜作製，液相からの結晶作製（←溶融?凝固） 既存核生成理論 ΔG（T, r） ： 核生成に伴う系の自由エネルギー変化 　　　r ： 核の半径 σLS ： 固－液間における界面エネルギー 　 ΔGv ： 温度 T における単位面積当たりの固液間における 自由エネルギーの差 　　 θ ： 異種固相上に形成された凝固相（結晶化する液相） のなす角???異種固相（不均一核生成サイト）と液相 （核生成する凝固相）との接触角（濡れ角） 均一核生成　 ??? 不均一核生成??? 核生成に対する駆動力 表面自由エネルギー項 体積自由エネルギー項 * *