JP2008138232A - 高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲットおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池の光吸収層を形成するためのＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜を形成するときに使用する高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲットおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】Ｇａ：３０〜６０質量％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成を有するターゲットであって、このターゲットは、Ｇａ：３０質量％を越えて含有し、残部がＣｕからなる高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末に、純銅粉末またはＧａ：１５質量％以下を含み、残部がＣｕからなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を、Ｇａ：３０〜６０質量％を含有し残部がＣｕからなる成分組成となるように配合し混合して混合粉末を作製し、この混合粉末をホットプレスして得られＧａ：３０〜６０質量％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成を有するホットプレス体の表面を切削して製造する。
【選択図】なし

Description

この発明は、太陽電池の光吸収層を形成するためのＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜を形成するときに使用する高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲットおよびその製造方法に関するものである。

近年、化合物半導体による薄膜太陽電池が実用に供せられるようになり、この化合物半導体による薄膜太陽電池は、ソーダライムガラス基板の上にプラス電極となるＭｏ電極層を形成し、このＭｏ電極層の上にＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜からなる光吸収層が形成され、このＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜からなるこの光吸収層の上にＺｎＳ、ＣｄＳなどからなるバッファ層が形成され、このバッファ層の上にマイナス電極となる透明電極層が形成された基本構造を有している。
前記Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜からなる光吸収層の形成方法として、蒸着法により成膜する方法が知られており、この方法により得られたＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜からなる光吸収層は高いエネルギー変換効率が得られるものの、蒸着法による成膜は速度が遅いためにコストがかかる。そのために、スパッタ法によってＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜からなる光吸収層を形成する方法が提案されている（特許文献１参照）。
このＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜をスパッタ法により成膜する方法として、まず、Ｉｎターゲットを使用してスパッタによりＩｎ膜を成膜し、このＩｎ膜の上にＣｕ−Ｇａ二元系合金ターゲットを使用してスパッタすることによりＣｕ−Ｇａ二元系合金膜を成膜し、得られたＩｎ膜およびＣｕ−Ｇａ二元系合金膜からなる積層膜をＳｅ雰囲気中で熱処理してＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜を形成する方法が提案されている。そして、前記Ｃｕ−Ｇａ二元系合金ターゲットとしてＧａ：１〜４０重量％を含有し、残部がＣｕからなる組成を有するＣｕ−Ｇａ二元系合金ターゲットが知られており（特許文献２参照）、このＣｕ−Ｇａ二元系合金ターゲットは一般に鋳造で作製されている。
特開２００３−２８２９０８号公報 特許第３２４９４０８号明細書

近年、太陽電池の変換効率を高めるために、前記Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜を成膜する際に使用するＣｕ−Ｇａ二元系合金ターゲットは、従来から知られているＧａ：１〜４０質量％を含有するＣｕ−Ｇａ二元系合金ターゲットよりもＧａ含有量の多いＣｕ−Ｇａ二元系合金ターゲットが求められており、Ｇａを６０質量％まで含有する高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金ターゲットが求められている。
しかし、この高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金ターゲットを溶解鋳造して鋳造体を作製し、この鋳造体の表面を切削して製品として出荷しようとすると、この溶解鋳造して作製した高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金ターゲットは、Ｇａの含有量が増すにつれて、硬くかつ脆くなり、Ｇａ：３０質量％以上含む高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金ターゲットは、表面を切削加工して製品に仕上げる時に割れまたは欠損が発生し、不良品が多く発生するので歩留まりが悪くなる。

そこで、本発明者らは、表面仕上げのための切削時に割れまたは欠損が発生して不良品となることのないＧａを３０質量％以上含む高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金ターゲットの製造方法を開発するべく研究を行なった。その結果、
原料粉末として、Ｇａ：１５質量％以下を含み、残部がＣｕからなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末または純銅粉末を用意し、さらにＧａ：３０質量％を越えて含有し、残部がＣｕからなる高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を用意し、これら原料粉末を配合し、混合してＧａ：３０質量％以上を含有し、残部がＣｕからなる成分組成となる混合粉末を作製し、この混合粉末をホットプレスして得られＧａ：３０質量％以上を含有し、残部がＣｕからなる成分組成を有するホットプレス体は、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粒をＧａ：１５質量％以下の低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金からなる粒界相で包囲した組織を有し、かかる組織を有するホットプレス体は表面を切削しても、切削時に割れまたは欠損が生じることはない、という知見を得たのである。

この発明は、かかる知見に基づいてなされたものであって、
（１）Ｇａ：３０〜６０質量％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成、並びにＧａ：３０質量％を越えて含有し、残部がＣｕからなる高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粒をＧａ：１５質量％以下の低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金からなる粒界相で包囲した組織を有する高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲット、
（２）Ｇａ：３０質量％を越えて含有し、残部がＣｕからなる高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末に、純銅粉末またはＧａ：１５質量％以下を含み、残部がＣｕからなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を、Ｇａ：３０〜６０質量％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成となるように配合し混合して混合粉末を作製し、この混合粉末をホットプレスして得られＧａ：３０〜６０質量％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成を有するホットプレス体を表面切削する高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲットの製造方法、に特徴を有するものである。

この発明のＧａ：３０〜６０質量％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成を有する高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲットの製造で使用する高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末は、Ｇａを３０質量％を越えて含有する高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を使用するが、Ｇａを４５〜７５質量％を含有する超高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を使用することが成分調整しやすくなるので一層好ましい。そしてこの高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の粒径は平均粒径が３０〜１２５μｍの範囲内にある粗大粒径の粉末を使用することが好ましい。
さらにこの発明のＧａ：３０〜６０質量％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成を有する高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲットを製造する際に、前記高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末に添加し混合する原料粉末として、純銅粉末またはＧａ：１５質量％以下の低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を使用する。この純銅粉末または低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の粒径は高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末に比べて一層微細な平均粒径：５〜３０μｍの範囲内にあることが好ましい。
前記低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末に含まれるＧａが１５質量％以下含有するのは、Ｇａを１５質量％を越えて含有する低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を使用して作製した高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲットは、切削時に割れまたは欠損が生じるので好ましくないからである。前記高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末に添加し混合する原料粉末は純銅粉末であることが一層好ましい。

この発明によると、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜からなる光吸収層の形成する際に使用する高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲットを歩留まり良く製造することができるので、光吸収層の形成効率を高めることができ、したがって、太陽電池のコスト削減に大いに貢献し得るものである。

実施例
表１に示される成分組成および粒径を有する高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末Ａ〜Ｊを用意し、さらに表２に示される成分組成および粒径を有する純銅粉末または低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末ａ〜ｊを用意した。

表１に示される高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末Ａ〜Ｊに、表２に示される純銅粉末または低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末ａ〜ｊを表３に示される割合で配合し混合して混合粉末を作製し、この混合粉末をＡｒ雰囲気中、圧力：６００ＭＰａ、温度：２００℃、１．５時間保持の条件でホットプレスすることにより表３に示される成分組成を有するＣｕ−Ｇａ二元系合金ホットプレス体を作製した。得られたホットプレス体の組織を電子プローブマイクロアナライザ（ＪＸＡ−８５００Ｆ）（日本電子株式会社製）で観察したところ、いずれも高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粒の周囲を低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粒界相で包囲された２相共存組織を有していた。さらに得られたホットプレス体の表面を切削してターゲットに仕上げることにより、本発明法１〜１２および比較法１を実施した。この本発明法１〜１２および比較法１を実施する際に切削時に割れが発生したか否かを観察し、その結果を表３に示した。

従来例
表３に示される成分組成を有するＣｕ−Ｇａ二元合金溶湯を作製し、得られたＣｕ−Ｇａ二元系合金溶湯を鋳型に鋳造してインゴットを作製し、このインゴットの表面を切削してターゲットに仕上げることにより従来法１を実施した。この従来法１を実施する際に切削時に割れが発生したか否かを観察し、その結果を表３に示した。

表１〜３に示される結果から、従来法１で作製したターゲットは表面切削時に割れが発生したが、本発明法１〜１２で作製したターゲットは表面切削時に割れが発生しないことが分かる。また、Ｇａ含有量が１５質量％を越えて含有する表２の低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末ｊを使用する比較法１で作製したターゲットは表面切削時に割れが発生することが分かる。

Claims (3)

1. Ｇａ：３０〜６０質量％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成、並びにＧａ：３０質量％を越えて含有し、残部がＣｕからなる高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粒をＧａ：１５質量％以下の低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金からなる粒界相で包囲した二相共存組織を有することを特徴とする高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲット。
2. Ｇａ：３０質量％を越えて含有し、残部がＣｕからなる高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末に、純銅粉末またはＧａ：１５質量％以下を含み、残部がＣｕからなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を、Ｇａ：３０〜６０質量％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成となるように配合し混合して混合粉末を作製し、この混合粉末をホットプレスして得られＧａ：３０〜６０質量％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成を有するホットプレス体の表面を切削することを特徴とする高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲットの製造方法。
3. 前記Ｇａ：３０質量％を越えて含有し、残部がＣｕからなる高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末は、Ｇａ：４５〜７５質量％を含有し、残部がＣｕからなる高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末であることを特徴とする請求項２記載の高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲットの製造方法。