CN105008578B - 圆筒形Cu‑Ga合金溅射靶材和其制造方法 - Google Patents
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Abstract
得到无裂纹、破裂、无相对密度和Ga浓度的波动的圆筒形Cu‑Ga合金溅射靶材。使用热等静压法,在厚度为1.0mm以上且小于3.5mm的圆筒形的包套(1)中以填充密度为60%以上的方式填充Cu‑Ga合金粉末或Cu‑Ga合金成型体,进行热等静压,从而得到Cu‑Ga合金烧结体。
Description
技术领域
本发明涉及CIGS(Cu-In-Ga-Se四元系合金)太阳能电池的光吸收层的形成中使用的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材和其制造方法。本申请以2013年1月25日在日本申请的日本专利申请号特愿2013-012023为基础要求优先权,通过参照该申请,引入至本申请。
背景技术
近年来,作为清洁能源之一,太阳光发电受到关注,主要使用有结晶系Si的太阳能电池,出于供给方面、成本的问题,在薄膜太阳能电池中,转换效率高的CIGS(Cu-In-Ga-Se四元系合金)系的太阳能电池受到关注而被实用化。
对于CIGS系太阳能电池,作为基本结构,具备:形成于钠钙玻璃基板上的作为背面电极的Mo电极层、形成于该Mo电极层上的作为光吸收层的Cu-In-Ga-Se四元系合金膜、形成于包含该Cu-In-Ga-Se四元系合金膜的光吸收层上的包含ZnS、CdS等的缓冲层、和形成于该缓冲层上的透明电极。
作为包含Cu-In-Ga-Se四元系合金膜的光吸收层的形成方法,已知有蒸镀法,为了以更宽的面积得到均匀的膜,提出了通过溅射法形成的方法。
溅射法为以下方法:首先,使用In靶材通过溅射而成膜为In膜,通过使用Cu-Ga合金溅射靶材进行溅射从而将Cu-Ga合金膜成膜在该In膜上,将包含所得In膜和Cu-Ga合金膜的层叠膜在Se气氛中进行热处理,从而形成Cu-In-Ga-Se四元系合金膜。
通过溅射法形成的Cu-In-Ga-Se四元系合金膜的品质大大依赖于Cu-Ga合金溅射靶材的品质,因此期望高品质的Cu-Ga合金溅射靶材。
Cu-Ga合金溅射靶材中,平板形(planer)溅射靶材变为主流。然而,平板形溅射靶材有使用效率为30%左右的缺点。特别是Cu-Ga合金溅射靶材的情况下,Ga金属为稀少资源,因此需要使用效率优异的靶材。
因此,最近,圆筒形(rotary)的溅射靶材受到关注。对于圆筒形溅射靶材,在靶材的内侧配置有磁体和冷却设备,边使其旋转边进行溅射,整个面变为侵蚀区,因此使用效率高达60%以上,为高效率。另外,与平板型相比,能够对每单位面积投入大的能量,因此能够进行高速成膜,从而近年来受到关注。
作为圆筒形溅射靶材的制造方法,例如提出了利用旋压加工的制法(例如参照专利文献1)。然而,CIGS系太阳能电池用途的组成的Cu-Ga合金脆,有非常容易破裂的问题,因此,进行旋压加工那样的强加工时,容易发生破裂而不适当。
另外,专利文献2中提出了利用喷镀制造圆筒形溅射靶材的方法。该制法为对基材(也称为衬管(backing tube))直接吹送靶材原料的制法,可以比较简易地制造圆筒形溅射靶材。然而,对于基于喷镀的制法,在溅射靶材形成较多空隙,因此有溅射时容易发生异常放电的缺点。另外,喷镀法的情况下,在使Cu-Ga合金熔融颗粒堆积于基材的过程中,产生未堆积于基材的Cu-Ga合金熔融颗粒,有收率低于其他制法的问题。
另外,专利文献3中提出了以下制法:在模具(包套(capsule))中插入不锈钢制的圆柱状或圆筒状基材,在模具与圆柱状基材之间填充靶材原料,进行热等静压(HIP)处理,从而制作与基材接合的靶材,然后对于圆柱状基材,进行内周加工,从而制作圆筒形靶材。
烧结温度在Cu-Ga合金的情况下取决于组成,但需要在大致500~1000℃程度的高温下进行处理。越为高温处理,随着基材与Cu-Ga合金的热膨胀差而越产生大的热应力。专利文献3中虽然没有记载关于圆柱状基材或圆筒状基材的大小,但基材越大,随着热膨胀差而越产生大的热应力。特别是在脆性的Cu-Ga合金中,在微弱的热应力下就发生破裂,因此不适当。
另外,热等静压(HIP)处理后,靶材与基材为接合了的状态,但通常不限定于圆筒形的基材的形状,根据溅射装置而其大小、形状为多种多样。专利文献3所述的制法中,靶材与基材接合,因此根据基材的大小、形状而难以制造,因此不常用。
进而,近年来,圆筒形溅射靶材被长尺寸化,也期望大至3000mm以上的靶材,但利用专利文献3的制法无法分割靶材,而限于一体型。另外,专利文献3的制法中,想要制作3000mm以上的靶材时,HIP处理时的靶材原料的填充变困难,因此随着填充不足而产生烧结体的密度降低和密度的波动。对于包括这样的烧结密度不足、且密度的波动的溅射靶材,有溅射时容易产生异常放电的缺点。
另外,专利文献4中提出了以下制法:为了与靶材的密合性和随着对靶材负载的热膨胀差而热应力的缓和,利用喷镀在圆柱状基材上形成底涂层,进行HIP处理,从而制作圆筒状的靶材。
然而,通过喷镀形成的底涂层由于喷镀时的气体的混入而含有空隙。因此,形成的底涂层的密度低、较多含有气体成分。使用形成有这样的底涂层的基材进行HIP处理时,由于底涂层中含有的气体成分的影响而所得烧结体的密度不会变高,而且烧结体中含有大量气体成分。因此,对于由专利文献4的制法得到的溅射靶材,有溅射时容易产生异常放电的缺点。
另一方面,由Cu-Ga合金形成的平板形溅射靶材中,开发也推进,例如专利文献5中提出了通过加压烧结得到平板形的溅射靶材的方法。
例如,想要利用该制法制作圆筒形溅射靶材的情况下,加压烧结中使用热压时,需要碳制的加压容器,作为圆筒形的加压容器,产生需要复杂的部件的不合适。另外,即使进行了热压处理,不均等地施加压力时,密度也产生波动,圆筒形状与平板形状不同,均等加压不容易,因此产生所得烧结体的密度也降低的问题。另外,专利文献5中对于利用HIP处理的平板形溅射靶材没有记载,对于如何得到圆筒形的溅射靶材没有记载。
另外,专利文献6中提出了,Cu-Ga合金的平板形溅射靶材中利用熔化·铸造法进行制造的方法。然而,一般来说,在合金系中的铸造后的凝固过程中,发生偏析,Ga浓度产生波动。因此,通过将该铸锭利用机械加工加工为圆筒形形状,即使可以得到圆筒形溅射靶材,组成也有波动,使用该溅射靶材时,产生所得膜的组成不会变为一定的问题。
上述的圆筒形溅射靶材的各制造方法中,只要为一般的富于加工性的材质就是有效的,但对于用于CIGS系太阳能电池的Cu-Ga合金,形成脆弱的化合物,因此难以利用上述的专利文献所述的制造方法进行制作。
另外,利用平板形的Cu-Ga合金溅射靶材的制造方法制造圆筒形溅射靶材,也产生随着应力负载而发生破裂等不良情况的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2007-302981号公报
专利文献2:日本特开平5-171428号公报
专利文献3:日本特开平5-039566号公报
专利文献4:日本特开平7-026374号公报
专利文献5:日本特开2012-031508号公报
专利文献6:日本特开2000-073163号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明鉴于上述那样的情况,目的在于,提供不产生破裂等不良情况、制造相对密度的波动小、高密度、且Ga浓度的波动也小的高品质的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的制造方法和通过该制造方法得到的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材。
用于解决问题的方案
达成上述目的的本发明的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的特征在于,Ga的量以重量比计为Ga 20~40质量%,余量包含Cu和不可避免的杂质,所述圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的相对密度为99%以上、相对密度的波动为1.0%以内、Ga浓度的波动为1.0质量%以内。
达成上述目的的本发明的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的制造方法的特征在于,其为使用热等静压法,制造Ga的量以重量比计为20~40质量%、余量包含Cu和不可避免的杂质的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的方法,在厚度为1.0mm以上且小于3.5mm的圆筒形的包套中以填充密度为60%以上的方式填充Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体,进行热等静压,从而得到Cu-Ga合金烧结体。
发明的效果
本发明中,制造工序中不产生裂纹、破裂等,可以制造相对密度的波动小、高密度、且Ga浓度的波动也小的高品质的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材。
附图说明
图1为本发明的Cu-Ga合金溅射靶材的制造方法的HIP工序中使用的包套的立体图。
图2为同一包套的截面图。
图3为同一包套的俯视图。
具体实施方式
以下,对本发明的实施方式(以下称为“本实施方式”)边参照附图边按照以下的顺序详细地说明。
1.Cu-Ga合金溅射靶材
2.Cu-Ga合金溅射靶材的制造方法
2-1.粉末制造工序
2-2.成型工序
2-3.HIP工序
2-4.机械加工工序
[1.Cu-Ga合金溅射靶材]
对于圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材(以下也简单称为靶材),Ga的量以质量比计为20~40质量%,余量包含Cu和不可避免的杂质。
Cu-Ga合金中,Ga量越多,越形成脆弱的化合物,因此,Ga量大于40质量%时,后述的热等静压(HIP)处理时由于受到的应力而发生破裂,无法得到靶材,故不优选。
另一方面,Ga的量小于20质量%时,使用所制作的靶材形成太阳能电池的光吸收层时,无法得到目标电池特性,故不优选。
圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的相对密度为99%以上。此处,相对密度是指,通过阿基米德法测定的密度除以其物质的真密度所得的值的百分率。
靶材的相对密度低于99%时,由于存在于靶材的空隙内的气体成分的影响而产生溅射时的异常放电等不良情况。因此,圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的相对密度为99%以上。
圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的相对密度的波动为1.0%以内。此处,相对密度的波动被定义为,减去靶材的各部位处的相对密度的最大值和最小值所得的值。对于各部位的密度的测定,首先,在靶材的长度方向的一个面(例如圆筒的底面)任意确定多个点。然后,在靶材的长度方向的两端部分和位于全长的1/2的中间部分,测定与任意确定的多个点的位置相同的位置的靶材的密度。然后,根据所得密度求出各部位的相对密度。任意的多个点以测定密度的部位分散的方式确定。例如,在靶材的长度方向的一个面内划出直线,将在该直线上的2点、和与该线垂直地划出的线上的2点共计4点作为任意的多个点。需要说明的是,直线上的点不限于2点,可以为2点以上。
圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的密度的波动为1.0%以内。相对密度有波动时,在各部位溅射速度有不同,因此溅射的膜厚根据部位而不同。特别是,太阳能电池用的靶材中,膜厚的波动成为特性的波动的原因,因此相对密度的波动必须为1.0%以内。
另外,圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材在各部位的组成中Ga浓度的波动为1.0质量%以内。此处,浓度的波动被定义为,减去各部位处的浓度的最大值和最小值所得的值。各部位与上述相对密度的波动同样地确定。
对于靶材,Ga浓度有波动时,根据部位而形成富含Ga的脆弱的化合物,因此对圆筒形溅射靶材进行机械加工时产生脱落的问题。另外,使用Ga浓度有波动的圆筒形溅射靶材进行溅射时,所形成的膜中,Ga浓度也不同,因此对太阳能电池特性有影响,从而将Ga浓度的波动设为1.0质量%以内。
对于以上那样的、圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材,高密度且密度的波动小,因此溅射时不会产生异常放电等不良情况。另外,对于圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材,Ga浓度的波动小,因此通过溅射形成的膜中,也可以减小Ga浓度的波动,可以抑制膜产生不良情况。因此,使用上述靶材形成例如太阳能电池的光吸收层时,Ga浓度没有波动,可以形成规定的Ga浓度的光吸收层。因此,对于圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材,可以稳定地进行溅射,可以形成高品质的溅射膜。
[2.Cu-Ga合金溅射靶材的制造方法]
上述圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材可以如下制造。
圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的制造方法中,将调整为规定组成的Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金粉末成型,将所得Cu-Ga合金成型体作为原料,使用控制了厚度的热等静压(HIP)法用的模具(以下也简单称为包套)。然后,对于圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的制造方法,控制填充密度和与包套的间隙,在包套中填充原料从而进行HIP处理。由此,利用该制造方法,可以得到没有破裂的烧结体,对烧结体进行机械加工,可以制造高密度、且相对密度和Ga浓度没有波动的高品质的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材。
具体而言,圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的制造方法具备粉末制造工序、成型工序、HIP工序、和机械加工工序。
<2-1.粉末制造工序>
粉末制造工序中,制作Cu-Ga合金粉末。对Cu-Ga合金粉末的制造方法没有特别限定,例如可以使用粉碎法、或雾化法。
粉碎法是将Cu原料和Ga原料在熔炼炉等中熔化后进行铸造的。将所得Cu-Ga合金铸锭用捣碎机、盘磨机等进行粉碎,从而可以得到块状的粉末。
雾化法在将Cu原料和Ga原料熔化后进行雾化。后续工序中,优选进行HIP处理后为振实密度高的球形状的气体雾化粉。
对热等静压法中使用的Cu-Ga合金粉末的粒度没有特别限定,优选的是,包套中填充越多的Cu-Ga合金粉末,进行HIP处理时压力负载时的收缩率变得越低,因此振实密度越高。因此,优选Cu-Ga合金粉末的粒度分布宽、1μm以下的微粉少、且200μm以上的粗粒粉少。
<2-2.成型工序>
成型工序中,在后续HIP工序前将Cu-Ga合金粉末成型。后述的HIP处理中,填充至包套的Cu-Ga合金的填充密度高时,压力负载时的收缩率变低,因此破裂的发生被抑制,且产量提高。由此,优选在HIP处理前将Cu-Ga合金粉末成型。但是,如果使用的Cu-Ga合金粉末的振实密度高而可以充分地填充至包套,则无需进行成型。
作为Cu-Ga合金粉末的成型方法,可以为冷等静压(CIP)法,也可以为利用模压的成型等。利用CIP的成型与模压不同,没有与金属的摩擦,且各向同性地负载压力,因此密度变均匀。另外,模压的模具为高价,而CIP使用廉价的橡胶模具,因此是经济的,从而优选利用CIP的成型。
通过CIP成型为圆筒状时,使用的橡胶模具具有:圆筒状的外框、在外框的中央作为靶材的中空部分的中筒、闭塞外框的上下开口的上盖和下盖。冷等静压时各向同性向地负载压力,但为了对成型体赋予充分的密度,橡胶模具的变形阻力小者好。因此,上下盖和外框优选为软质的橡胶。另一方面,中筒必须保持内径尺寸,因此优选为硬质的橡胶,另外,也可以不是橡胶而是金属制的中筒。
成型工序中,在橡胶模具中填充Cu-Ga合金粉末,各向同性向地加压从而得到成型体。对CIP处理的条件没有特别限定,为了得到充分的压实效果,优选为100MPa以上、进而更优选为200~350MPa。
CIP处理后的Cu-Ga合金成型体由于CIP处理时的加压而发生变形,因此可以对于变形了的Cu-Ga合金成型体进行机械加工等,加工成没有变形的圆筒状的Cu-Ga合金成型体。Cu-Ga合金成型体例如加工成外径为50~500mm。
<2-3.HIP工序>
HIP工序中,将粉末制造工序中得到的Cu-Ga合金粉末或成型体工序中得到的Cu-Ga合金成型体通过热等静压(HIP)法进行烧结。
作为进行加热·加压处理的方法,可以考虑例如利用热压的制法,但利用热压的制法的情况下,由于加压方向为单轴,所以所得烧结体的相对密度的波动变大。另外,为了通过热压得到烧结体,需要石墨模具,但为了得到圆筒状的烧结体,石墨模具的部件变复杂,故不优选。
另一方面,HIP法中,由于为橡胶模具,所以也可以容易地制作圆筒状的形状,而且可以各向同性向地负载压力,因此所得烧结体的密度的波动少,且其密度也取决于材质,一般来说,可以得到大致95%以上的高密度的烧结体。
为了进行HIP处理,需要将Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体填充至模具等模(包套)。关于包套的材质,没有特别限定,例如使用铁系、不锈钢系等。使用Mo、W等高强度材质时,耗费用于制作包套所需的工夫,除此之外,由于HIP处理而压力负载时导致变为对被处理体施加的应力的阻力,因此所得烧结体的密度降低,故不优选。
作为为了得到圆筒状的烧结体而使用的包套,例如使用图1那样的带底的包套1。对该包套1的制作方法没有特别限定,例如可以如下得到:将圆筒状的外框2、配置于外框2的中央的作为靶材的中空部分的圆筒状的中筒3、和闭塞外框2的下侧开口部的下盖4分别焊接从而得到。
包套1的厚度必须为1.0mm以上且小于3.5mm。厚度小于1.0mm时,各包套部件的焊接变困难,因此根据情况变得焊接不良,HIP处理时在焊接不良部包套破裂,在经减压的包套1内混入作为HIP处理的加压介质的气体。在包套1内混入气体时,内压升高,因此与外压的差压变小,对被处理体施加的压力不足,因此烧结体的密度不足。
另一方面,包套1的厚度为3.5mm以上时,可以减轻HIP处理时的包套1破裂的风险,但是HIP处理时的被处理体与包套1的热膨胀差的影响变大,因此通过热应力而产生裂纹或破裂。由此,包套1的厚度必须为1.0mm以上且小于3.5mm。
HIP工序中,在包套1的外框2与中筒3之间填充Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体,用上盖5密封外框2的开口,将包套1内脱气进行HIP处理。
在包套1内填充Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体时,将填充密度设为60%以上。
此处,填充密度是指,填充至包套1的Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体的重量除以包套1的体积,将所得的值除以该物质的真密度所得的值的百分率。填充密度小于60%时,进行HIP处理时包套1发生较大变形,随着过度的变形而被处理体受到的应力变大,但Cu-Ga合金为脆性,因此不耐受来自包套1的应力,发生裂纹或破裂。另外,包套1的变形量达到极限,包套1破裂,对被处理体施加的压力不足,因此导致密度不足。
另一方面,如果填充密度为60%以上,则可以消除裂纹、密度不足等不良情况的发生,且HIP处理后的Cu-Ga合金的相对密度变高,故优选,填充密度越高,越可以得到高密度,故优选。进而,填充密度越高,HIP时的收缩率变得越低,因此可以得到更接近制品形状的烧结体,从而是经济的,故优选。因此,将填充密度设为60%以上。
对将Cu-Ga合金粉末填充至包套1的方法没有特别限定,可以少量一点点填充并进行轻敲,例如在包套1之下配置振动盘,边施加振动边进行填充。另外,可以边施加压力边进行填充。
在包套1中填充Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体时,将包套1与被处理体之间(间隙)优选设为1mm以下。仅使用Cu-Ga合金粉末进行填充时,表观间隙为0mm。另一方面,使用Cu-Ga合金成型体时,为了调整间隙,在Cu-Ga合金粉末与包套1的间隙中填充与Cu-Ga合金成型体同样组成的Cu-Ga合金粉末,或者填充与包套1同样材质的箔。
在包套1与被处理体的间隙大于1.0mm的状态下进行HIP处理时,包套1发生变形,一般来说,变形在中央部最变形。间隙大于1.0mm时,包套1的最变形的部分与被处理体部分接触,此时由于应力集中而产生裂纹或破裂,或者Cu-Ga合金烧结体的相对密度降低。因此,包套1与被处理体的间隙优选为1.0mm以下。
在包套1中填充Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体后,如图2和图3所示那样,将上盖5通过焊接密封于外框2的开口。对上盖5的焊接的方法没有特别限定,例如可以为钨隋性气体焊接(TIG(Tungsten Inert Gas)焊接),也可以为电子束焊接(EB(electron beamwelding)焊接)。其中,包套1的厚度薄的情况下,特别优选焊接精度良好、对包套1的热影响少的EB焊接。
将包套1密封后,将包套1内脱气。脱气通过图2和图3所示的脱气管6减压至1×101Pa以下后,将脱气管6压接、焊接从而密封。
脱气优选在150℃以上进行加热脱气。在附着于包套1和被处理体的微量的气体成分存在的状态下进行HIP处理时,在烧结体中残留气体成分,除此之外,变为空隙的原因,而成为使靶材的密度降低的要因。因此,HIP前的脱气时,优选进行加热,特别是通过在150℃以上进行加热,从而可以得到高密度、且高纯度的烧结体。
然后,对如此填充有Cu-Ga合金或Cu-Ga合金成型体的包套1实施HIP处理。对HIP处理的条件没有特别限定,优选在温度为500~900℃、压力为50~200MPa下处理时间为2小时以上。
温度低于500℃时,烧结的进行变慢,因此难以得到高密度的烧结体。另一方面,高于900℃时,Ga的液相出现,由于与包套1合金化,所以产生明显的不良情况,故不优选。
为了得到高密度的烧结体,压力优选为50MPa以上。对于压力的上限,一般的装置的最大压力为200MPa,变为其以上时,使用特殊的HIP装置,费用增大,因此优选为200MPa以下。
如以上那样,HIP工序中,在厚度为1.0mm以上且小于3.5mm的圆筒状的包套1内以优选间隙为1.0mm以下的方式填充Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体,密闭包套1后,将包套1内脱气,例如将温度在500~900℃的范围内设定、压力在50~200MPa的范围内设定,实施2小时以上的HIP处理。该HIP工序中,不产生裂纹等,可以形成高密度的Cu-Ga合金烧结体。
<2-4.机械加工工序>
机械加工工序中,将附着于所得Cu-Ga合金烧结体的包套1去除。例如用车床去除包套1。然后,机械加工工序中,对去除了包套1的烧结体进行精加工。根据组成而加工方法不同,Ga的含量小于30质量%的Cu-Ga合金的情况下,直接用车床进行加工,从而进行精加工。另一方面,Ga的含量为30质量%以上的Cu-Ga合金的情况下,由于脆弱所以利用使用车床的加工有破裂的担心,因此可以利用使用磨石的例如圆筒研削盘进行精加工。
如以上详细描述那样,圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的制造方法中,使用HIP法进行制造时,抑制负载于Cu-Ga合金的应力,因此,在厚度为1.0mm以上且小于3.5mm的包套中以填充密度为60%以上的方式填充Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体,实施HIP处理。由此,利用该制造方法,可以制造没有破裂、高密度、相对密度的波动小、且Ga浓度的波动也小的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材。
进而,利用上述圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的制造方法,以包套1与Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体的间隙为1.0mm以下的方式填充Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体,从而能够更有效地防止由包套1的变形导致的裂纹的发生。
另外,通过该圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的制造方法得到的靶材由于没有裂纹、破裂、高密度、且相对密度和Ga浓度的波动小,所以可以防止产生溅射时的异常放电、溅射膜的组成的波动等不良情况。由此,通过使用该靶材,可以得到稳定的太阳能电池特性。
实施例
以下,对于本发明的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材和其制造方法,边与比较例对比边说明实施例。需要说明的是,本发明不受该实施例的限定。
(实施例1)
实施例1中,首先进行粉末制造工序。粉末制造工序中,为了制作圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材,以作为起始原料的Ga为25质量%、余量为Cu的方式配混并熔化·铸造,从而得到Cu-Ga合金铸锭。之后,利用盘磨机粉碎铸锭,进行分级,从而得到Cu-Ga合金粉末。分级后的Cu-Ga合金粉末的平均粒径为90μm,振实密度为5.0g/cm3。
接着,进行成型工序。成型工序中,为了将制作好的Cu-Ga合金粉末用CIP进行成型,在橡胶模具中填充Cu-Ga合金粉末,在压力250MPa下进行处理,从而得到Cu-Ga合金成型体。
接着,进行HIP工序。HIP工序中,首先,为了将Cu-Ga合金成型体利用热等静压(HIP)处理进行烧结,自厚度3.2mm的钢板,利用机械加工制作上下盖、外框、中空的中筒,将下盖、外框、中筒进行电子束(EB)焊接,从而得到带底的外径φ180mm、内径φ130mm、长度为300mmL的包套(参照图1)。
接着,在包套的中筒与外框之间填充Cu-Ga合金成型体,进而边轻敲Cu-Ga合金粉末边追加,结果填充密度相对于Cu-Ga合金的比重8.6g/cm3为65.2%。之后,边加热边自脱气管进行脱气,将上盖压接、焊接,从而将包套密封。
接着,对包套进行HIP处理,作为其条件,在温度650℃、压力100MPa下进行处理时间3小时的处理,从而得到Cu-Ga合金烧结体。
此处,为了确认由HIP处理导致的裂纹和破裂有无发生,进行了辐射线透射检查,但未见裂纹和破裂。
然后,对附着于Cu-Ga合金烧结体的包套用车床加工去除后,将Cu-Ga合金的外径、内径用车床进行加工,精加工成任意尺寸。之后,为了确认对于表面的裂纹,进行了渗透探伤检查,但未见裂纹和破裂。
接着,为了确认所得圆筒形Cu-Ga合金烧结体的相对密度、和相对密度的波动,对圆筒的底面积从任意的划出的线上选择2点、且从在该线上垂直地划出的线上选择2点,共计4点,在长度方向的上部、下部、和全长的1/2的距离的中部分别取样,总计12点取样。另外,将各样品加工成10mm见方,分别利用阿基米德法进行密度测定。
所得值除以真密度8.6g/cm3,所除得的值作为百分率,从而算出相对密度。其结果,相对密度的平均值为99.8%。另外,相对密度的最大值为100%,最小值为99.6%,从最大值减去最小值的波动为0.4%。
接着,为了确认所得Cu-Ga合金烧结体的组成的波动,评价相对密度的波动时所使用的样品中通过ICP(Inductively Coupled Plasma)发射光谱分析进行各部位的Ga浓度的分析。其结果,各部位的Ga浓度的平均值为25.2质量%。另外,Ga浓度的最大值为25.3质量%,最小值为25.1质量%,从最大值减去最小值的波动为0.2质量%。
(实施例2)
实施例2中,粉末制造工序中,以作为起始原料的Ga为25质量%、余量为Cu的方式配混并熔化,利用气体雾化制作,进行分级,从而得到Cu-Ga合金粉末。分级后的Cu-Ga合金粉末的平均粒径为45μm,振实密度为6.2g/cm3。
接着,HIP工序中,在与实施例1同样地制作的包套的中筒与外框之间边轻敲Cu-Ga合金粉末边填充,结果填充密度相对于Cu-Ga合金的比重8.6g/cm3为71.8%。之后,边加热边自脱气管进行脱气,将上盖压接、焊接,从而将包套密封(参照图2)。
接着,与实施例1同样地进行HIP处理,得到Cu-Ga合金烧结体。然后,为了确认由HIP处理导致的裂纹和破裂有无发生,进行了辐射线透射检查,但未见裂纹和破裂。
接着,自Cu-Ga合金烧结体与实施例1同样地去除包套后,进行加工,精加工为任意尺寸。之后,为了确认对于表面的裂纹,进行了渗透探伤检查,但未见破裂。
接着,为了确认所得圆筒形Cu-Ga合金烧结体的相对密度和相对密度的波动,在与实施例1同样的部位取样,将各样品加工成10mm见方,分别用阿基米德法进行密度测定,结果相对于真密度8.6g/m3相对密度的平均值为99.9%。另外,相对密度的波动为0.2%。进而,对各部位的Ga浓度进行分析,结果Ga浓度的平均值为25.1质量%,Ga浓度的波动为0.1质量%。
(实施例3)
实施例3中,粉末制造工序中,以作为起始原料的Ga为25质量%、余量为Cu的方式配混并熔化·铸造,从而得到Cu-Ga合金铸锭。之后,将铸锭用盘磨机粉碎并分级,从而得到Cu-Ga合金粉末。分级后的Cu-Ga合金粉末的平均粒径为90μm,振实密度为5.0g/cm3。
接着,成型工序中,与实施例1同样地得到Cu-Ga合金成型体。
接着,HIP工序中,使用厚度1.0mm的钢板,与实施例1同样地制作包套。
接着,在包套的中筒与外框之间填充Cu-Ga合金成型体,进而边轻敲Cu-Ga合金粉末边填充,结果填充密度相对于Cu-Ga合金的比重8.6g/cm3为65.2%。之后,边加热边自脱气管进行脱气,将上盖压接、焊接,从而将包套密封。
接着,与实施例1同样地进行HIP处理,得到Cu-Ga合金烧结体。然后,为了确认由HIP处理导致的裂纹和破裂有无发生,进行了辐射线透射检查,但未见裂纹和破裂。
接着,自Cu-Ga合金烧结体与实施例1同样地去除包套后,进行加工,精加工为任意尺寸。之后,为了确认对于表面的裂纹,进行了渗透探伤检查,但未见破裂。
接着,为了确认所得圆筒形Cu-Ga合金烧结体的相对密度和相对密度的波动,在与实施例1同样的部位进行取样,将各样品加工成10mm见方,分别用阿基米德法进行密度测定,结果相对于真密度8.6g/m3相对密度的平均值为99.8%。另外,相对密度的波动为0.1%。进而,对各部位的Ga浓度进行分析,结果Ga浓度的平均值为25.1质量%,Ga浓度的波动为0.2质量%。
实施例4中,粉末制造工序中,以作为起始原料的Ga为25质量%、余量为Cu的方式配混并熔化·铸造,从而得到Cu-Ga合金铸锭。之后,将铸锭用盘磨机粉碎并分级,从而得到Cu-Ga合金粉末。分级后的Cu-Ga合金粉末的平均粒径为90μm,振实密度为5.0g/cm3。
接着,成型工序中,与实施例1同样地得到Cu-Ga合金成型体。
接着,HIP工序中,使用厚度3.2mm的钢板,与实施例1同样地制作包套。
接着,在包套的中筒与外框之间填充Cu-Ga合金成型体,结果填充密度相对于Cu-Ga合金的比重8.6g/cm3为65.0%。之后,边加热边自脱气管进行脱气,将上盖压接、焊接,从而将包套密封。
接着,与实施例1同样地进行HIP处理,得到Cu-Ga合金烧结体。然后,为了确认由HIP处理导致的裂纹和破裂有无发生,进行了辐射线透射检查,但未见裂纹和破裂。
接着,自Cu-Ga合金烧结体与实施例1同样地去除包套后,进行加工,精加工为任意尺寸。之后,为了确认对于表面的裂纹,进行了渗透探伤检查,但未见破裂。
接着,为了确认所得圆筒形Cu-Ga合金烧结体的相对密度和相对密度的波动,在与实施例1同样的部位进行取样,将各样品加工成10mm见方,分别用阿基米德法进行密度测定,结果相对于真密度8.6g/m3相对密度的平均值为99.1%。另外,相对密度的波动为0.2%。进而对各部位的Ga浓度进行分析,结果Ga浓度的平均值为25.2质量%,Ga浓度的波动为0.1质量%。
(实施例5)
实施例5中,粉末制造工序中,以作为起始原料的Ga为35质量%、余量为Cu的方式配混并熔化·铸造,从而得到Cu-Ga合金铸锭。之后,将铸锭用盘磨机粉碎并分级,从而得到Cu-Ga合金粉末。分级后的Cu-Ga合金粉末的平均粒径为72μm,振实密度为5.2g/cm3。
接着,成型工序中,与实施例1同样地得到Cu-Ga合金成型体。
接着,HIP工序中,使用厚度3.2mm的钢板,与实施例1同样地制作包套。
接着,在包套的中筒与外框之间填充Cu-Ga合金成型体,进而边轻敲Cu-Ga合金粉末边追加,结果填充密度相对于Cu-Ga合金的比重8.4g/cm3为68.6%。之后,边加热边自脱气管进行脱气,将上盖压接、焊接,从而将包套密封。
接着,对包套进行HIP处理。在温度600℃、压力90MPa下进行处理时间3小时的处理,从而得到Cu-Ga合金烧结体。
此处,为了确认由HIP处理导致的裂纹和破裂有无发生,进行了辐射线透射检查,但未见裂纹和破裂。
接着,自Cu-Ga合金烧结体与实施例1同样地去除包套后,进行加工,精加工为任意尺寸。之后,为了确认对于表面的裂纹,进行了渗透探伤检查,但未见破裂。
接着,为了确认所得圆筒形Cu-Ga合金烧结体的密度和密度的波动,在与实施例1同样的部位进行取样,将各样品加工成10mm见方,分别用阿基米德法进行密度测定,结果相对于真密度8.4g/m3相对密度的平均值为99.6%。另外,相对密度的波动为0.2%。进而对各部位的Ga浓度进行分析,结果Ga浓度的平均值为35.0质量%,Ga浓度的波动为0.1质量%。
(比较例1)
比较例1中,粉末制造工序中,以作为起始原料的Ga为42质量%、余量为Cu的方式配混并熔化·铸造,从而得到Cu-Ga合金铸锭。之后,将铸锭用盘磨机粉碎并分级,从而得到Cu-Ga合金粉末。分级后的Cu-Ga合金粉末的平均粒径为69μm,振实密度为5.3g/cm3。
接着,成型工序中,与实施例1同样地得到Cu-Ga合金成型体。
接着,HIP工序中,使用厚度3.2mm的钢板,与实施例1同样地制作包套。
接着,在包套的中筒与外框之间填充Cu-Ga合金成型体,进而边轻敲Cu-Ga合金粉末边追加,结果填充密度相对于Cu-Ga合金的比重8.4g/cm3为69.8%。之后,边加热边自脱气管进行脱气,将上盖压接、焊接,从而将包套密封。
接着,对包套进行HIP处理。在温度400℃、压力80MPa下进行处理时间3小时的处理,从而得到Cu-Ga合金烧结体。
此处,为了确认由HIP处理导致的裂纹和破裂有无发生,进行了辐射线透射检查,结果检测到裂纹。
接着,将附着于Cu-Ga合金的烧结体的包套用车床加工去除后,用圆筒研削盘进行加工,但裂纹发展,产生破裂,因此中止。
(比较例2)
比较例2中,粉末制造工序中,以作为起始原料的Ga为25质量%、余量为Cu的方式配混并熔化·铸造,从而得到Cu-Ga合金铸锭。之后,将铸锭用盘磨机粉碎并分级,从而得到Cu-Ga合金粉末。分级后的Cu-Ga合金粉末的平均粒径为90μm,振实密度为5.0g/cm3。
接着,HIP工序中,使用厚度3.2mm的钢板,与实施例1同样地制作包套。
接着,在包套的中筒与外框之间边轻敲Cu-Ga合金粉末边填充,结果填充密度相对于Cu-Ga合金的比重8.6g/cm3为58.1%。之后,边加热边自脱气管进行脱气,将上盖压接、焊接,从而将包套密封。
接着,对包套进行HIP处理。在温度650℃、压力100MPa下进行处理时间3小时的处理,从而得到Cu-Ga合金烧结体。
此处,为了确认由HIP处理导致的裂纹和破裂有无发生,进行了辐射线透射检查,结果检测到微细的裂纹。
接着,将附着于Cu-Ga合金的烧结体的包套用车床加工去除后,用车床进行加工,但一部分中裂纹发展,产生破损。另外,为了确认对于表面的裂纹,进行了渗透探伤检查,结果在多处检测到裂纹。
对于所得Cu-Ga合金的烧结体也提取正常部,为了确认密度和密度的波动,在与实施例1同样的部位进行取样,将各样品加工成10mm见方,分别用阿基米德法进行密度测定,结果相对于真密度8.6g/m3相对密度的平均值为96.2%。另外,相对密度的波动为1.2%。进而对各部位的Ga浓度进行分析,结果Ga浓度的平均值为25.2质量%,Ga浓度的波动为0.1质量%。
(比较例3)
比较例3中,粉末制造工序中,以作为起始原料的Ga为25质量%、余量为Cu的方式配混并熔化·铸造,从而得到Cu-Ga合金铸锭。之后,将铸锭用盘磨机粉碎并分级,从而得到Cu-Ga合金粉末。分级后的Cu-Ga合金粉末的平均粒径为90μm,振实密度为5.0g/cm3。
接着,成型工序中,与实施例1同样地得到Cu-Ga合金成型体。
接着,HIP工序中,使用厚度3.8mm的钢板,与实施例1同样地制作包套。
接着,在包套的中筒与外框之间填充Cu-Ga合金成型体,进而边轻敲Cu-Ga合金粉末边追加,结果填充密度相对于Cu-Ga合金的比重8.6g/cm3为65.2%。之后,边加热边自脱气管进行脱气,将上盖压接、焊接,从而将包套密封。
接着,对包套进行HIP处理。在温度650℃、压力100MPa下进行处理时间3小时的处理,从而得到Cu-Ga合金烧结体。
此处,为了确认由HIP处理导致的裂纹和破裂有无发生,进行了辐射线透射检查,结果检测到裂纹。
接着,将附着于Cu-Ga合金的烧结体的包套用车床加工去除后,用车床进行加工,但裂纹发展,产生破裂,因此中止。
(比较例4)
比较例4中,粉末制造工序中,以作为起始原料的Ga为25质量%、余量为Cu的方式配混并熔化·铸造,从而得到Cu-Ga合金铸锭。之后,将铸锭用盘磨机粉碎并分级,从而得到Cu-Ga合金粉末。分级后的Cu-Ga合金粉末的平均粒径为90μm,振实密度为5.0g/cm3。
接着,成型工序中,与实施例1同样地得到Cu-Ga合金成型体。
接着,HIP工序中,使用厚度0.5mm的钢板,制作包套。
接着,在包套的中筒与外框之间填充Cu-Ga合金成型体,进而边轻敲Cu-Ga合金粉末边追加,结果填充密度相对于Cu-Ga合金的比重8.6g/cm3为65.2%。之后,边加热边自脱气管进行脱气,将上盖压接、焊接,从而将包套密封。
接着,对包套进行HIP处理。在温度650℃、压力100MPa下进行处理时间3小时的处理,但确认HIP后的外观时,在焊接部可见破裂。
因此,不进行辐射线透射检查,将附着于Cu-Ga合金的烧结体的包套用车床加工去除后,用圆筒研削盘进行加工,精加工为任意尺寸。之后,为了确认对于表面的裂纹,进行了渗透探伤检查,结果在多处检测到裂纹。
对于所得Cu-Ga合金的烧结体也提取正常部,为了确认相对密度和相对密度的波动,在与实施例1同样的部位进行取样,将各样品加工成10mm见方,分别用阿基米德法进行密度测定,结果相对于真密度8.6g/m3相对密度的平均值为83.1%。另外,相对密度的波动为6.1%。进而对各部位的Ga浓度进行分析,结果Ga浓度的平均值为25.0质量%,Ga浓度的波动为0.2质量%。
(现有例1)
现有例1中,利用熔化·铸造法制作圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材。
现有例1中,为了制作圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材,以作为起始原料的Ga为25质量%、余量为Cu的方式配混并熔化,铸造成圆型的铸模,从而得到圆柱状的Cu-Ga合金铸锭。接着,对内表面和外表面进行车床加工,精加工成任意尺寸。之后,为了确认对于表面的裂纹,进行了渗透探伤检查,但未见破裂。
接着,为了确认所得圆筒形Cu-Ga合金烧结体的相对密度和相对密度的波动,在与实施例1同样的部位进行取样,将各样品加工成10mm见方,分别用阿基米德法进行密度测定,结果相对于真密度8.6g/m3相对密度的平均值为100%。另外,相对密度的波动为0.1%。进而对各部位的Ga浓度进行分析,结果Ga浓度的平均值为25.4质量%,Ga浓度的波动为1.9质量%。
对于以上的实施例、比较例和现有例的成分组成、包套厚度、填充密度等,归纳于表1,对于相对密度和Ga浓度,归纳于表2。
[表1]
[表2]
根据表1和表2所示的结果,使用热等静压法、包套的厚度为1.0mm以上且小于3.5mm、Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体的填充密度为60%以上、Ga浓度为20~40%的实施例1~5中,可以得到在制造过程中不产生裂纹、破裂、没有相对密度的波动、高密度、也没有Ga浓度的波动的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材。
另外,间隙为1.0mm以下的实施例1~3、5中,与间隙大于1.0mm的实施例4相比,Cu-Ga合金烧结体的密度变高。
另一方面,不满足包套的厚度1.0mm以上且小于3.5mm、Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体的填充密度为60%以上、Ga浓度20~40%的比较例1~4中,产生裂纹、破裂,或者相对密度的波动变大。
另外,使用熔化·铸造法的现有例中,产生破裂,但Ga浓度的波动变大,无法得到实施例那样的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材。
附图标记说明
1包套、2外框、3中筒、4下盖、5上盖、6脱气管。
Claims (2)
1.一种圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的制造方法,其为使用热等静压法,制造Ga的量以重量比计为20~40质量%、余量包含Cu和不可避免的杂质的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的方法,其特征在于,
在厚度为1.0mm以上且小于3.5mm的圆筒形的包套中以填充密度为60%以上的方式填充Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体,在温度650℃和压力50MPa~200MPa下进行热等静压,从而得到Cu-Ga合金烧结体。
2.根据权利要求1所述的圆筒形Cu-Ga合金溅射靶材的制造方法,其特征在于,以所述包套与所述填充了的Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体之间为1.0mm以下的方式将Cu-Ga合金粉末或Cu-Ga合金成型体填充至所述包套。
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