JP2012201948A - Cu-Ga ALLOY SPUTTERING TARGET - Google Patents

Cu-Ga ALLOY SPUTTERING TARGET Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a Cu-Ga alloy sputtering target which has high Ga concentration and in which cracks, abnormal discharge, and generation of particles are suppressed.SOLUTION: The Cu-Ga alloy sputtering target has Ga concentration of 30-45 mass%, an average crystal grain size of 20 μm or less, an area ratio of the group comprising a γphase, a γphase, a γphase, and a γ phase of 95 area% or more, porosity of 1% or less, and three-point bending strength of 200 MPa or more.

Description

本発明は、CIGS(Cu−In−Ga−Se四元系合金)太陽電池の光吸収層の形成に使用されるCu−Ga合金スパッタリングターゲットに関するものである。   The present invention relates to a Cu—Ga alloy sputtering target used for forming a light absorption layer of a CIGS (Cu—In—Ga—Se quaternary alloy) solar cell.

近年、クリーンエネルギーの一つとして、太陽光発電が注目されている。主に、結晶系Siの太陽電池が使用されているが、供給面やコストの問題から、変換効率の高いCIGS(Cu−In−Ga−Se四元系合金)系の太陽電池が注目されている。   In recent years, photovoltaic power generation has attracted attention as one of clean energy. Although crystalline Si solar cells are mainly used, CIGS (Cu—In—Ga—Se quaternary alloy) solar cells with high conversion efficiency are attracting attention because of supply and cost problems. Yes.

CIGS太陽電池は、基本構造として、ソーダライムガラス基板の上に形成された裏面電極となるMo電極層と、このMo電極層の上に形成された光吸収層となるCIGS膜(Cu−In−Ga−Se膜、又はCu−In−Ga−S−Se膜)と、光吸収層の上に形成されたZnS、CdSなどからなるバッファ層と、このバッファ層の上に形成された透明電極とを備える。   The CIGS solar cell has, as a basic structure, a Mo electrode layer to be a back electrode formed on a soda lime glass substrate and a CIGS film (Cu-In--) to be a light absorption layer formed on the Mo electrode layer. Ga-Se film or Cu-In-Ga-S-Se film), a buffer layer made of ZnS, CdS, etc. formed on the light absorption layer, and a transparent electrode formed on the buffer layer, Is provided.

Cu−In−Ga−Se四元系合金膜からなるCIGS光吸収層の形成方法としては、蒸着法が知られているが、より広い面積で均一な膜を得るためにスパッタリングにより作製された金属プリカーサ膜をセレン化する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。   As a method for forming a CIGS light absorption layer made of a Cu—In—Ga—Se quaternary alloy film, a vapor deposition method is known, but a metal produced by sputtering to obtain a uniform film with a larger area. A method for selenizing a precursor film has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

スパッタ法は、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットとInターゲットを使用してスパッタすることにより、金属プリカーサ膜を作製し、これをSe又はS雰囲気中で熱処理してCIGS膜を形成する方法である。このスパッタ法により形成されたCIGS膜の品質は、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットの品質に大きく依存するため、高品質なCu−Ga合金スパッタリングターゲットが望まれている。   The sputtering method is a method in which a metal precursor film is produced by sputtering using a Cu—Ga alloy sputtering target and an In target, and this is heat-treated in a Se or S atmosphere to form a CIGS film. Since the quality of the CIGS film formed by this sputtering method largely depends on the quality of the Cu—Ga alloy sputtering target, a high quality Cu—Ga alloy sputtering target is desired.

特許3249408号公報Japanese Patent No. 3249408 特開2000−73163号公報JP 2000-73163 A 特開2008−138232号公報JP 2008-138232 A 特開2005−60745号公報JP 2005-60745 A 特開2010−265544号公報JP 2010-265544 A

ところで、近年、太陽電池メーカーによるCIGS層組成の最適化が進み、Ga濃度30質量%以上の濃度のCu−Ga合金スパッタリングターゲットが求められている。   By the way, in recent years, optimization of CIGS layer composition by a solar cell manufacturer has progressed, and a Cu—Ga alloy sputtering target having a Ga concentration of 30% by mass or more has been demanded.

Cu−Ga合金スパッタリングターゲットの製造方法としては、溶解法(例えば、特許文献2参照。)又は粉末冶金法(例えば、特許文献3乃至特許文献5参照。)による製造方法が知られている。   As a method for producing a Cu—Ga alloy sputtering target, a production method by a melting method (for example, see Patent Document 2) or a powder metallurgy method (for example, see Patent Documents 3 to 5) is known.

特許文献2では、溶解法によりCu−Ga合金スパッタリングターゲットを製造する方法が提案されているが、鋳造したGa濃度30質量%以上の合金は脆く、その後の加工でターゲットが割れてしまうという問題がある。   Patent Document 2 proposes a method for producing a Cu—Ga alloy sputtering target by a melting method, but the cast alloy having a Ga concentration of 30% by mass or more is brittle, and the target is cracked in subsequent processing. is there.

特許文献3では、Ga濃度30質量%以上で割れや欠損のないCu−Ga合金スパッタリングターゲットを粉末焼結法で製造する方法が提案されている。製造されたCu−Ga合金スパッタリングターゲットは、高Ga含有合金粒を低Ga合金からなる粒界相で包囲した二相共存組織を有している。   Patent Document 3 proposes a method of manufacturing a Cu—Ga alloy sputtering target having a Ga concentration of 30% by mass or more and having no cracks or defects by a powder sintering method. The manufactured Cu—Ga alloy sputtering target has a two-phase coexistence structure in which high Ga-containing alloy grains are surrounded by a grain boundary phase made of a low Ga alloy.

しかしながら、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットは、金属相が複雑であると、均一なスパッタ膜を形成することができない。このことについて、特許文献4には、Cu−Ga合金と同様に、複雑な金属相を形成する希土類−遷移金属系の合金スパッタリングターゲットの金属組織(金属相)がスパッタ膜の均一性に影響することが記載されている。Cu−Ga合金スパッタリングターゲットは、大面積で均一な膜を形成できることが求められているため、金属相が複雑でないものが好ましい。   However, the Cu—Ga alloy sputtering target cannot form a uniform sputtered film if the metal phase is complicated. In this regard, in Patent Document 4, the metal structure (metal phase) of a rare earth-transition metal alloy sputtering target that forms a complex metal phase affects the uniformity of the sputtered film, as in the case of Cu-Ga alloys. It is described. Since it is calculated | required that a Cu-Ga alloy sputtering target can form a uniform film with a large area, what a metal phase is not complicated is preferable.

また、金属相を単純にすることができたとしても、Ga濃度が30質量%以上のCu−Ga合金スパッタリングターゲットでは、特許文献5の比較例6に記載されているように、Ga濃度35原子%(37質量%)でCuGa相(γ相)単相のCu−Ga合金スパッタリングターゲットはスパッタリング中に割れてしまうことが示されている。 Even if the metal phase can be simplified, a Cu-Ga alloy sputtering target having a Ga concentration of 30% by mass or more has a Ga concentration of 35 atoms as described in Comparative Example 6 of Patent Document 5. % (37% by mass) of Cu 9 Ga 4 phase (γ phase) single phase Cu—Ga alloy sputtering target has been shown to break during sputtering.

更に、スパッタリング中に異常放電(アーク放電)が発生した場合には、スプラッシュが飛散して金属プリカーサ膜に付着したり、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットから小片が脱落して金属プリカーサ膜に付着して太陽電池特性の低下や歩留まりの低下が生じるという問題が発生する。このため、高品質なCu−Ga合金スパッタリングターゲットには、異常放電や粒子脱落が発生しないことも求められる。   Furthermore, when an abnormal discharge (arc discharge) occurs during sputtering, splash splashes and adheres to the metal precursor film, or small pieces fall off from the Cu—Ga alloy sputtering target and adhere to the metal precursor film. There arises a problem that the solar cell characteristics and the yield are lowered. For this reason, a high-quality Cu—Ga alloy sputtering target is also required not to cause abnormal discharge or particle dropout.

本発明は、前記実情に鑑みて提案されたものであり、高Ga濃度のCu−Ga合金スパッタリングターゲットにおいて、スパッタ膜の均一性に優れ、ターゲット加工中及びスパッタリング中に割れ欠けがなく、スパッタリングにおいて異常放電やパーティクルの発生が抑制されたCu−Ga合金スパッタリングターゲットを提供する。   The present invention has been proposed in view of the above circumstances, and in a Cu-Ga alloy sputtering target having a high Ga concentration, the sputtered film has excellent uniformity, and there is no cracking during target processing and sputtering. Provided is a Cu—Ga alloy sputtering target in which abnormal discharge and generation of particles are suppressed.

上述した目的を達成する本発明に係るCu−Ga合金スパッタリングターゲットは、Ga濃度が30質量%〜45質量%であり、平均結晶粒径が20μm以下、γ相、γ相、γ相及びγ相からなる群の面積割合が95面積%以上、空孔率が1%以下、かつ三点曲げ強度が200MPa以上であることを特徴とする。 The Cu—Ga alloy sputtering target according to the present invention that achieves the above-described object has a Ga concentration of 30 mass% to 45 mass%, an average crystal grain size of 20 μm or less, a γ 1 phase, a γ 2 phase, and a γ 3 phase. And the area ratio of the group consisting of γ phase is 95 area% or more, the porosity is 1% or less, and the three-point bending strength is 200 MPa or more.

本発明では、Gaを30質量%〜45質量%含み、平均結晶粒径、γ相、γ相、γ相及びγ相からなる群の面積割合、空孔率かつ三点曲げ強度が所定の条件を満たすことによって、高Ga濃度であっても、割れ、スパッタリング中の異常放電及び膜にパーティクルが発生することが抑制され、組成が均一なスパッタ膜を形成することができる。 In the present invention, the average crystal grain size, the area ratio of the group consisting of γ 1 phase, γ 2 phase, γ 3 phase and γ phase, porosity, and three-point bending strength are contained, containing Ga of 30 mass% to 45 mass%. By satisfying the predetermined conditions, even if the Ga concentration is high, cracks, abnormal discharge during sputtering, and generation of particles in the film are suppressed, and a sputtered film having a uniform composition can be formed.

Cu−Ga系合金状態図である。It is a Cu-Ga type alloy phase diagram. Cu−Ga合金のγ相のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of (gamma) phase of a Cu-Ga alloy. 実施例1の焼結体の光学顕微鏡写真である。2 is an optical micrograph of a sintered body of Example 1.

以下に、本発明を適用したCu−Ga合金スパッタリングターゲットについて詳細に説明する。なお、本発明は、特に限定がない限り、以下の詳細な説明に限定されるものではない。   Below, the Cu-Ga alloy sputtering target to which this invention is applied is demonstrated in detail. Note that the present invention is not limited to the following detailed description unless otherwise specified.

<Cu−Ga合金スパッタリングターゲット>
先ず、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットについて説明する。なお、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットは、平面研削やボンディング等のターゲット仕上げ工程前のターゲット材の状態も含むものである。Cu−Ga合金スパッタリングターゲットは、後述するようにCu−Ga合金粉末を原料として粉末焼結法により製造することができる。
<Cu-Ga alloy sputtering target>
First, a Cu—Ga alloy sputtering target will be described. In addition, a Cu-Ga alloy sputtering target includes the state of the target material before target finishing processes, such as surface grinding and bonding. The Cu—Ga alloy sputtering target can be produced by a powder sintering method using Cu—Ga alloy powder as a raw material, as will be described later.

このCu−Ga合金スパッタリングターゲットは、Ga濃度が30質量%〜45質量%であり、平均結晶粒径が20μm以下、γ相、γ相、γ相及びγ相からなる群(以下、γ相群ともいう。)の面積割合が95面積%以上、空孔率が1%以下、かつ三点曲げ強度が200MPa以上である。 This Cu—Ga alloy sputtering target has a Ga concentration of 30% by mass to 45% by mass, an average crystal grain size of 20 μm or less, a group consisting of γ 1 phase, γ 2 phase, γ 3 phase and γ phase (hereinafter, is also 95% by area or more, the porosity is 1% or less, and the three-point bending strength is 200 MPa or more.

Ga濃度は、30質量%〜45質量%である。Ga濃度が30質量%以上では、太陽電池用CIGS層組成の最適化がなされるが、45質量%以下であることが好ましい。Ga濃度が45質量%より大きい場合には、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットの金属相にγ相、γ相、γ相及びγ相以外の異なる金属相の面積割合が増加して、スパッタ膜の均一性が不十分となってしまう。したがって、Ga濃度は、30質量%〜45質量%とする。 Ga density | concentration is 30 mass%-45 mass%. When the Ga concentration is 30% by mass or more, the CIGS layer composition for solar cells is optimized, but it is preferably 45% by mass or less. When the Ga concentration is greater than 45% by mass, the area ratio of different metal phases other than the γ 1 phase, γ 2 phase, γ 3 phase and γ phase increases in the metal phase of the Cu—Ga alloy sputtering target, resulting in sputtering. The uniformity of the film will be insufficient. Therefore, the Ga concentration is 30% by mass to 45% by mass.

金属相は、γ相群の面積割合がCu−Ga合金スパッタリングターゲット全体の95面積%以上で、単純な金属相である。ここで、γ相、γ相、γ相及びγ相は、図1に示すCu−Ga系合金状態図に示される。これらの相は、Ga濃度が少しずつ異なるけれども、結晶構造は同一の空間群P43mに分類され、大変よく似ている。このような結晶構造のスパッタリングターゲットからターゲット材料が蒸発・放出されるので、スパッタ膜の組成や膜厚等、膜質の均一性が良好になる。γ相群の面積割合が95面積%より少ない場合には、異なる結晶構造の金属相の面積割合が増加してスパッタ膜の均一性が不十分になってしまう。 The metal phase is a simple metal phase in which the area ratio of the γ phase group is 95 area% or more of the entire Cu—Ga alloy sputtering target. Here, the γ phase, γ 1 phase, γ 2 phase, and γ 3 phase are shown in the Cu—Ga based alloy phase diagram shown in FIG. 1. Although these phases are slightly different in Ga concentration, the crystal structures are classified into the same space group P43m and are very similar. Since the target material is evaporated and released from the sputtering target having such a crystal structure, the uniformity of the film quality such as the composition and the film thickness of the sputtered film is improved. When the area ratio of the γ phase group is less than 95 area%, the area ratio of the metal phase having a different crystal structure increases and the uniformity of the sputtered film becomes insufficient.

Cu−Ga合金の金属相には、γ相、γ相、γ相及びγ相の他に、Cu(α)相、β相、ζ相、θ相等がある。図1のCu−Ga系合金状態図から、各金属相のGa濃度を知ることができる。すなわち、Cu(α)相はGa濃度0〜22.2質量%、β相はGa濃度20.8質量%〜29.4質量%、ζ相はGa濃度22.1質量%〜24.2質量%、γ相は31.5質量%〜36.8質量%、γ相は31.8質量%〜39.6質量%、γ相はGa濃度36.0質量%〜39.9質量%、γ相はGa濃度39.7質量%〜45.0質量%、θ相はGa濃度66.7質量%〜68.7質量%である。どの金属相にも属さないGa濃度のCu−Ga合金は、Ga濃度の異なる複数の金属相の混合状態である。 In addition to the γ 1 phase, γ 2 phase, γ 3 phase, and γ phase, the metal phase of the Cu—Ga alloy includes a Cu (α) phase, a β phase, a ζ phase, a θ phase, and the like. The Ga concentration of each metal phase can be known from the Cu—Ga-based alloy phase diagram of FIG. That is, the Cu (α) phase has a Ga concentration of 0 to 22.2 mass%, the β phase has a Ga concentration of 20.8 mass% to 29.4 mass%, and the ζ phase has a Ga concentration of 22.1 mass% to 24.2 mass%. %, Γ phase is 31.5 mass% to 36.8 mass%, γ 1 phase is 31.8 mass% to 39.6 mass%, and γ 2 phase is Ga concentration 36.0 mass% to 39.9 mass%. The γ 3 phase has a Ga concentration of 39.7% by mass to 45.0% by mass, and the θ phase has a Ga concentration of 66.7% by mass to 68.7% by mass. A Cu-Ga alloy having a Ga concentration that does not belong to any metal phase is a mixed state of a plurality of metal phases having different Ga concentrations.

γ相、γ相、γ相及びγ相のGa濃度は互いに重複しあっているので、Ga濃度だけでそれぞれの金属相を特定することは困難であるが、Ga濃度31.5質量%〜44.9質量%の金属相は、γ相、γ相、γ相及びγ相からなるγ相群だけであって、このGa濃度範囲にその他の金属相はない。このようなCu−Ga合金の特徴から、γ相、γ相、γ相及びγ相とこれらと異なる金属相とは、ターゲット研磨面のEPMA分析(Electron Probe Micro Analyzer)による二次電子像、反射電子像及び定量分析から区別することができる。さらにEPMA分析の画像解析処理を用いて、Ga濃度31.5質量%〜44.9質量%の金属相、すなわちγ相群の面積割合を求めることができる。また、EPMA分析で特定される金属相の色調を知っておけば、毎回EPMA分析を実施しなくても、ターゲット研磨面の光学顕微鏡観察とその画像処理からγ相群の面積割合を求めることができる。 Since the Ga concentrations of the γ phase, γ 1 phase, γ 2 phase and γ 3 phase overlap each other, it is difficult to specify the respective metal phases only by the Ga concentration, but the Ga concentration of 31.5 mass % To 44.9% by mass of the metal phase is only a γ phase group consisting of a γ 1 phase, a γ 2 phase, a γ 3 phase and a γ phase, and there is no other metal phase in this Ga concentration range. Due to the characteristics of such a Cu-Ga alloy, the γ 1 phase, γ 2 phase, γ 3 phase and γ phase and the metal phases different from these are secondary electrons by EPMA analysis (Electron Probe Micro Analyzer) of the target polished surface. A distinction can be made from images, backscattered electron images and quantitative analysis. Furthermore, the area ratio of the metal phase having a Ga concentration of 31.5% by mass to 44.9% by mass, that is, the γ phase group, can be obtained by using image analysis processing of EPMA analysis. Also, if the color tone of the metal phase specified by the EPMA analysis is known, the area ratio of the γ phase group can be obtained from the optical microscope observation of the target polished surface and its image processing without performing the EPMA analysis every time. it can.

金属相の特定は、EPMA分析、光学顕微鏡観察の他にX線回折を併用するとより明確となる。例えば、γ相群の金属相からなるターゲット表面をX線回折分析すると、図2に示した回折パターンが得られる。γ相群以外の金属相が存在している場合は別な回折ピークが混入する。X線回折の2θのどの角度にピークが出現するかは、金属相に依存する。したがって、X線回折ピークの出現パターンによって、ターゲットに含まれる金属相の種類がわかる。ただしγ相、γ相、γ相及びγ相は、それぞれの回折ピークを区別し難いのでγ相群として特定される。X線回折分析だけでは各金属相の面積割合はわからないので、前述のEPMA分析や光学顕微鏡観察から面積割合を算出する。 The metal phase can be identified more clearly by using X-ray diffraction in addition to EPMA analysis and optical microscope observation. For example, when a target surface made of a metal phase of the γ phase group is subjected to X-ray diffraction analysis, the diffraction pattern shown in FIG. When a metal phase other than the γ phase group is present, another diffraction peak is mixed. Which angle of 2θ of X-ray diffraction appears at the angle depends on the metal phase. Therefore, the type of metal phase contained in the target can be determined from the appearance pattern of the X-ray diffraction peak. However, the γ 1 phase, the γ 2 phase, the γ 3 phase, and the γ phase are identified as a γ phase group because it is difficult to distinguish the respective diffraction peaks. Since the area ratio of each metal phase is not known only by X-ray diffraction analysis, the area ratio is calculated from the above-mentioned EPMA analysis and optical microscope observation.

Cu−Ga合金スパッタリングターゲットの断面組織は、平均結晶粒径が20μm以下の粒子により構成されている。平均結晶粒径が20μmより大きい場合には、ターゲットの機械強度が不足してスパッタ中にターゲット小片が脱落したり、スパッタ中の熱変化で割れやすくなってしまう。また、平均結晶粒径が20μmより大きい場合には、スパッタ中にArイオンの衝突を受けてターゲットが削られていく部分、いわゆるエロージョン部分の表面粗さが大きくなり、粗面の先端が高くなって脱落し、これがパーティクルとなってスパッタ膜に付着してしまう。平均結晶粒径の測定は、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットのスパッタされる面に平行な面を研磨し、偏光光学顕微鏡又はSEM(Scanning Electron Microscope)を用いて結晶粒が観察できる金属組織画像を使用する。そして、JIS H 0501「伸銅品結晶粒度試験法」に記載されている切断法に基づいて、金属組織画像の上に描いた線分によって切られる粒子数と、その切断長さから平均結晶粒径を求める。   The cross-sectional structure of the Cu—Ga alloy sputtering target is composed of particles having an average crystal grain size of 20 μm or less. When the average crystal grain size is larger than 20 μm, the mechanical strength of the target is insufficient, and the target small piece falls off during sputtering, or is easily cracked due to a thermal change during sputtering. In addition, when the average crystal grain size is larger than 20 μm, the surface roughness of the portion where the target is scraped by the collision of Ar ions during sputtering, the so-called erosion portion increases, and the tip of the rough surface increases. Fall off and become particles and adhere to the sputtered film. The average crystal grain size is measured by polishing a surface parallel to the surface to be sputtered of the Cu-Ga alloy sputtering target and using a metallographic image in which crystal grains can be observed using a polarizing optical microscope or SEM (Scanning Electron Microscope). To do. Then, based on the cutting method described in JIS H 0501 “Copper Product Grain Size Test Method”, the number of particles cut by the line drawn on the metal structure image, and the average crystal grain from the cut length Find the diameter.

空孔率は、1%以下である。空孔率が1%より大きい場合には、空孔がターゲット割れの起点になって割れやすくなってしまう。また、空孔率が1%より大きい場合には、スパッタリングの際に異常放電(アーク放電)が発生しやすくなってスプラッシュが飛散し、これがスパッタ膜に付着してしまう。空孔は、ターゲット研磨面のSEM、EPMA又は光学顕微鏡で観察することができる。空孔率は、これらを画像解析して求めることができる。   The porosity is 1% or less. When the porosity is larger than 1%, the pores become the starting point of the target crack and are easily broken. Further, when the porosity is larger than 1%, abnormal discharge (arc discharge) is likely to occur during sputtering, and splash is scattered, which adheres to the sputtered film. The holes can be observed with SEM, EPMA or optical microscope on the target polished surface. The porosity can be obtained by image analysis of these.

三点曲げ強度は、200MPa以上である。三点曲げ強度が200MPaより小さい場合には、ターゲット製造の平面研削工程やボンディング工程で割れや欠けが発生してしまう。また、200MPaより小さい場合には、スパッタ中の熱変化で割れたり、エロージョン部分に生じる粗面の先端が脱落してパーティクルが発生しやすくなる。三点曲げ強度は、JIS R1601(ファインセラミックス室温曲げ強さの試験方法)に記載の方法で求める。   The three-point bending strength is 200 MPa or more. When the three-point bending strength is smaller than 200 MPa, cracks and chips are generated in the surface grinding process and the bonding process of target production. On the other hand, when the pressure is less than 200 MPa, particles are likely to be generated by cracking due to thermal changes during sputtering or dropping off the leading end of the rough surface generated in the erosion portion. The three-point bending strength is determined by the method described in JIS R1601 (Fine ceramic room temperature bending strength test method).

以上のような構成からなるCu−Ga合金スパッタリングターゲットは、Gaの濃度が30質量%〜45質量%と高いものであるが、平均結晶粒径が20μm以下、γ相群の面積割合が95面積%以上、空孔率が1%以下、かつ三点曲げ強度が200MPa以上であることによって、割れや欠損がなく、スパッタの際に異常放電やエロージョンが生じず、パーティクルがない均一な膜を形成することができる。   The Cu—Ga alloy sputtering target having the above configuration has a high Ga concentration of 30% to 45% by mass, but the average crystal grain size is 20 μm or less, and the area ratio of the γ phase group is 95 areas. %, Porosity is 1% or less, and the three-point bending strength is 200 MPa or more, so there is no cracks or defects, no abnormal discharge or erosion occurs during sputtering, and a uniform film without particles is formed. can do.

更に、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットのX線回折における半値幅、配向度指数について説明する。ただし、X線回折は、Cu−Kα1とKα2による回折ピークを分離してCu−Kα1線のみによる回折ピークとする。   Furthermore, the half width and orientation degree index in the X-ray diffraction of the Cu—Ga alloy sputtering target will be described. However, in the X-ray diffraction, the diffraction peaks due to Cu-Kα1 and Kα2 are separated into the diffraction peaks due only to the Cu-Kα1 line.

図2に示すX線回折におけるγ相群の(222)面、(321)面、(330)面、(332)面、(422)面、(510)面、(521)面、(600)面の8つの回折ピークから求まる半値幅の平均は0.13deg.以上であることが好ましい。結晶粒が小さくなると半値幅が大きくなる。これは結晶粒の格子面の数が減少する結果、回折ピークからわずかに異なる角度θで散乱されたX線が、別な格子面からのX線によって打ち消され難くなるためである。結晶粒が小さくなると結晶粒界が増加し、金属組織が変形するときに生じる結晶転位が粒界で阻止されることによって強度が増加する。   The (222) plane, (321) plane, (330) plane, (332) plane, (422) plane, (510) plane, (521) plane, (600) of the γ phase group in the X-ray diffraction shown in FIG. The average half width obtained from the eight diffraction peaks of the surface is 0.13 deg. The above is preferable. The width at half maximum increases as the crystal grains become smaller. This is because, as a result of the reduction of the number of lattice planes of crystal grains, X-rays scattered at a slightly different angle θ from the diffraction peak are not easily canceled out by X-rays from another lattice plane. As the crystal grains become smaller, the grain boundaries increase, and the crystal dislocations that occur when the metal structure is deformed are prevented by the grain boundaries, thereby increasing the strength.

X線回折ピークの半値幅の平均が0.13deg.以上では、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットの金属組織を構成する結晶粒サイズが小さくなり、結晶粒界が増加することによって、機械強度が向上する。半値幅の平均が0.13deg.よりも小さい場合には、三点曲げ強度が200MPaよりも小さくなり、スパッタリングターゲットの割れ、欠けが発生してしまう。   The average half width of the X-ray diffraction peak is 0.13 deg. In the above, the crystal grain size constituting the metal structure of the Cu—Ga alloy sputtering target is reduced, and the crystal grain boundary is increased, whereby the mechanical strength is improved. The average half width is 0.13 deg. Is smaller than 200 MPa, the cracking and chipping of the sputtering target will occur.

図2に示すように、γ相群の(222)面、(321)面、(330)面、(332)面、(422)面、(510)面、(521)面、(600)面は、それぞれ2θが36、39、44、49、51、53、58及び64deg.近傍の位置に現れる。半値幅の平均は、各面の半値幅の合計をピーク数で除して算出することができる。   As shown in FIG. 2, the (222) plane, (321) plane, (330) plane, (332) plane, (422) plane, (510) plane, (521) plane, (600) plane of the γ phase group Respectively, 2θ is 36, 39, 44, 49, 51, 53, 58 and 64 deg. Appears in a nearby position. The average of the full width at half maximum can be calculated by dividing the total of the full width at half maximum of each surface by the number of peaks.

また、X線回折におけるγ相群の(222)面、(321)面、(330)面、(332)面、(422)面、(510)面、(521)面、(600)面の配向度指数K(hkl)は、1.5以下が好ましい。配向度指数K(hkl)は、下記の式により求まる。 In addition, the (222) plane, (321) plane, (330) plane, (332) plane, (422) plane, (510) plane, (521) plane, (600) plane of the γ phase group in X-ray diffraction The degree of orientation index K (hkl) is preferably 1.5 or less. The orientation degree index K (hkl) is obtained by the following equation.

(hkl)=(I(hkl)/ΣI(hkl))/(ID(hkl)/ΣID(hkl)
ここで、
(hkl)は測定されたγ相群の(hkl)面の回折ピーク強度であり、
D(hkl)は標準データであるICDDカードデータ中の71−0458に示されているγ相の(hkl)面の回折ピーク強度であり、
ΣI(hkl)、ΣID(hkl)は、
ΣI(hkl)=I(222)+I(321)+I(330)+I(332)
+I(422)+I(510)+I(521)+I(600)
ΣID(hkl)=ID(222)+ID(321)+ID(330)
+ID(332)+ID(422)+ID(510)
+ID(521)+ID(600)
である。
K (hkl) = (I (hkl) / ΣI (hkl) ) / ( ID (hkl) / ΣID (hkl) )
here,
I (hkl) is the diffraction peak intensity of the (hkl) plane of the measured γ phase group,
ID (hkl) is the diffraction peak intensity of the (hkl) plane of the γ phase indicated by 71-0458 in the ICDD card data as standard data,
ΣI (hkl) and ΣID (hkl) are
ΣI (hkl) = I (222) + I (321) + I (330) + I (332)
+ I (422) + I (510) + I (521) + I (600)
ΣI D (hkl) = ID (222) + ID (321) + ID (330)
+ ID (332) + ID (422) + ID (510)
+ ID (521) + ID (600)
It is.

配向度指数は、値が1のときは結晶にまったく配向がないことを表し、値が大きくなると対象とする結晶面に配向が強くなることを表している。結晶の配向が強い場合には、スパッタリングターゲットからの蒸発・放出方向に偏析が生じて基板に有効に届かなくなって成膜速度の低下が生じる。また、結晶の配向が強い場合には、エロージョン形状が変化してターゲット消費量の増加も起こしやすい。Cu−Ga合金スパッタリングターゲットでは、配向度指数K(hkl)が1.5よりも大きいとこのような問題が発生する。 When the value is 1, the orientation degree index indicates that the crystal has no orientation at all. When the value is large, the orientation is strengthened on the target crystal plane. When the crystal orientation is strong, segregation occurs in the direction of evaporation and emission from the sputtering target, and it cannot reach the substrate effectively, resulting in a decrease in film formation rate. In addition, when the crystal orientation is strong, the erosion shape changes and the target consumption is likely to increase. In the Cu—Ga alloy sputtering target, such a problem occurs when the orientation degree index K (hkl) is larger than 1.5.

Cu−Ga合金スパッタリングターゲットの酸素含有量は、0.2質量%以下であることが好ましい。酸素含有量が0.2質量%よりも多い場合には、異常放電(アーク放電)が発生しやすくなってスプラッシュが飛散し、これがスパッタ膜に付着してしまう。   The oxygen content of the Cu—Ga alloy sputtering target is preferably 0.2% by mass or less. If the oxygen content is more than 0.2% by mass, abnormal discharge (arc discharge) is likely to occur and splash splashes, which adhere to the sputtered film.

以上のような構成からなるCu−Ga合金スパッタリングターゲットは、Ga濃度が30質量%〜45質量%と高くても、平均結晶粒径、γ相群の面積割合、空孔率かつ三点曲げ強度が所定の条件を満たしていることによって、単純な合金相であり、ターゲット加工中及びスパッタ中に割れ欠けがなく、スパッタ中に異常放電となったり、膜にパーティクルが発生することを防止できる。   The Cu—Ga alloy sputtering target having the above-described configuration has an average crystal grain size, an area ratio of the γ phase group, a porosity, and a three-point bending strength even when the Ga concentration is as high as 30% to 45% by mass. Satisfying the predetermined condition, it is a simple alloy phase, there is no crack chipping during target processing and sputtering, and abnormal discharge during sputtering or generation of particles in the film can be prevented.

また、このCu−Ga合金スパッタリングターゲットは、例えば異なる5〜10箇所のEPMA分析によるGa濃度分析値を求め、この分析値の最大と最小の差が3.0質量%以下となる。Cu−Ga合金スパッタリングターゲットは、Ga濃度の差が3.0質量%以下と小さく、Ga濃度のばらつきが小さいため、組成が均一な高品質なものである。したがって、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットを用いてスパッタした場合には、Ga濃度分析値の最大と最小の差が3.0質量%以下であるため、Ga濃度のばらつきが小さく、均一な組成のスパッタ膜を形成することができる。   Moreover, this Cu-Ga alloy sputtering target calculates | requires the Ga density | concentration analysis value by EPMA analysis of 5-10 different places, for example, and the maximum and minimum difference of this analysis value will be 3.0 mass% or less. The Cu—Ga alloy sputtering target is a high-quality one having a uniform composition because the difference in Ga concentration is as small as 3.0 mass% or less and the variation in Ga concentration is small. Therefore, when sputtering is performed using a Cu—Ga alloy sputtering target, the difference between the maximum and the minimum of the Ga concentration analysis value is 3.0% by mass or less. A film can be formed.

<Cu−Ga合金スパッタリングターゲットの製造方法>
以上のような構成のCu−Ga合金スパッタリングターゲットは、以下に説明する撹拌工程から焼結工程を有する製造方法により製造することができる。
<Method for producing Cu-Ga alloy sputtering target>
The Cu—Ga alloy sputtering target having the above-described configuration can be manufactured by a manufacturing method having a sintering process from a stirring process described below.

このCu−Ga合金スパッタリングターゲットの製造方法では、Cu粉末を、水素ガスを含む混合ガス雰囲気中で150℃〜300℃の温度で撹拌する撹拌工程と、この撹拌工程を施したCu粉末に、Gaを30質量%〜45質量%の割合で配合した混合粉末を、真空又は不活性雰囲気中で30℃〜300℃の温度で攪拌することにより、直接、Cu−Ga合金粉末を形成する合金粉末作製工程とにより得られたCu−Ga合金粉末を用いる。そして、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットの製造方法は、真空又は不活性ガス雰囲気中で250℃〜836℃の温度で熱処理する熱処理工程を施したCu−Ga合金粉末を、真空又は不活性ガス雰囲気中で250℃〜836℃の温度と、5MPa〜30MPaのプレス圧力とでホットプレス法により焼結する焼結工程によってCu−Ga合金粉末を焼結し、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットを製造する。   In this Cu—Ga alloy sputtering target manufacturing method, Cu powder is stirred at a temperature of 150 ° C. to 300 ° C. in a mixed gas atmosphere containing hydrogen gas, and Cu powder subjected to this stirring process is mixed with Ga powder. Preparation of alloy powder that directly forms Cu-Ga alloy powder by stirring mixed powder containing 30 mass% to 45 mass% in a vacuum or inert atmosphere at a temperature of 30 ° C. to 300 ° C. Cu-Ga alloy powder obtained by the process is used. And the manufacturing method of a Cu-Ga alloy sputtering target WHEREIN: Cu-Ga alloy powder which gave the heat treatment process heat-processed at the temperature of 250 to 836 degreeC in a vacuum or an inert gas atmosphere is in a vacuum or an inert gas atmosphere. The Cu—Ga alloy powder is sintered by a sintering process in which sintering is performed by a hot press method at a temperature of 250 ° C. to 836 ° C. and a press pressure of 5 MPa to 30 MPa to produce a Cu—Ga alloy sputtering target.

Cu−Ga合金スパッタリングターゲットの製造方法では、適切な雰囲気、低い温度による直接の合金粉形成、適切な熱処理及びターゲット焼結によって、少ない酸素含有量、小さな平均結晶粒径、大きなX線回折の半値幅(小さな結晶子)、単純な金属相、均一なターゲット組成、緻密な構造であって、結晶配向がなく、強い曲げ強度を有するCu−Ga合金スパッタリングターゲットを製造することができる。このようなCu−Ga合金スパッタリングターゲットは、スパッタ中に割れることなく、均一で欠陥が極めて少ないスパッタ膜を形成できる。また、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットは、成膜速度が速く、ターゲットの消費も少ないので生産性が高い特徴を有する。   In the method of manufacturing a Cu-Ga alloy sputtering target, a low oxygen content, a small average crystal grain size, and a large X-ray diffraction half are obtained by a suitable atmosphere, direct alloy powder formation at a low temperature, a suitable heat treatment and target sintering. A Cu—Ga alloy sputtering target having a value width (small crystallite), a simple metal phase, a uniform target composition, a dense structure, no crystal orientation, and strong bending strength can be manufactured. Such a Cu—Ga alloy sputtering target can form a sputtered film that is uniform and has very few defects without cracking during sputtering. In addition, the Cu—Ga alloy sputtering target has a high productivity because it has a high deposition rate and consumes less target.

<1.Cu−Ga合金粉末の製造方法>
先ず、Cu−Ga合金粉末の製造方法について説明する。
<1. Method for producing Cu-Ga alloy powder>
First, the manufacturing method of Cu-Ga alloy powder is demonstrated.

(原料)
Cu−Ga合金粉末の原料としては、Cu粉末及びGaを用いる。
(material)
Cu powder and Ga are used as raw materials for the Cu-Ga alloy powder.

Cu粉末は、例えば、電解法又はアトマイズ法により製造される電解Cu粉又はアトマイズCu粉を使用することができる。電解Cu粉は、硫酸銅溶液等の電解液中で電気分解により陰極に海綿状又は樹枝状の形状のCuを析出させて製造される。アトマイズCu粉は、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、遠心アトマイズ法、メルトエクストラクション法等により球状又は不定形の形状のCu粉末が製造される。なお、Cu粉末は、これらの方法以外で製造されたものを使用してもよい。   As the Cu powder, for example, electrolytic Cu powder or atomized Cu powder produced by an electrolytic method or an atomizing method can be used. The electrolytic Cu powder is produced by depositing spongy or dendritic Cu on the cathode by electrolysis in an electrolytic solution such as a copper sulfate solution. As for the atomized Cu powder, spherical or irregular shaped Cu powder is produced by a gas atomization method, a water atomization method, a centrifugal atomization method, a melt extraction method, or the like. In addition, you may use what was manufactured by Cu methods other than these methods.

Cu粉末の純度は、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットから形成されるCIGS光吸収層の特性に影響を与えないように適宜選択される。Cu粉末中の酸素含有量が0.2質量%よりも多い場合には、後述する撹拌工程の処理が長時間になってしまうため、酸素含有量は0.2質量%以下であることが好ましい。また、Cu粉末中のFe、Ni、Crの含有量が3ppmよりも多い場合には、CIGS光吸収層の量子効率が低下してしまうため、Fe、Ni、Crは3ppm以下であることが好ましい。   The purity of the Cu powder is appropriately selected so as not to affect the characteristics of the CIGS light absorption layer formed from the Cu—Ga alloy sputtering target. When the oxygen content in the Cu powder is more than 0.2% by mass, the stirring process described later takes a long time, so the oxygen content is preferably 0.2% by mass or less. . Further, when the content of Fe, Ni, and Cr in the Cu powder is more than 3 ppm, the quantum efficiency of the CIGS light absorption layer is lowered, so that Fe, Ni, and Cr are preferably 3 ppm or less. .

Cu粉末の平均粒径は、5μm〜300μmであることが好ましい。Cu粉末の平均粒径が5μm以上である場合には、Cu粉末の飛散を防止する特別な取り扱いが不要となるとともに、Cu粉末のかさ容量の増加により合金粉末製造装置が大型化し、高額な装置が必要となることを防ぐことができる。また、Cu粉末の平均粒径が300μm以下である場合には、Gaが被覆しなければならないCu粉末の表面積(BET)が不足して、余剰となった未反応の液相のGaが残り易くなるのを防止することができる。これにより、Cu粉末の平均粒径が300μm以下である場合には、未反応の液相のGaの存在によりCu−Ga合金粉末の組成にばらつきが生じることを抑制できる。したがって、Cu粉末の平均粒径を5μm以上300μm以下とすることによって、Cu粉末の飛散防止の措置をとる必要がなく、合金粉末製造装置の大型化を防止でき、また未反応のGaの液相を少なくでき、Cu−Ga合金粉末の組成のばらつきを抑えることができる。   The average particle diameter of the Cu powder is preferably 5 μm to 300 μm. When the average particle size of the Cu powder is 5 μm or more, special handling for preventing the scattering of the Cu powder is not required, and the alloy powder production apparatus is increased in size due to the increase in the bulk capacity of the Cu powder. Can be prevented. In addition, when the average particle size of the Cu powder is 300 μm or less, the surface area (BET) of the Cu powder that must be coated with Ga is insufficient, and surplus unreacted liquid phase Ga tends to remain. Can be prevented. Thereby, when the average particle diameter of Cu powder is 300 micrometers or less, it can suppress that dispersion | variation arises in the composition of Cu-Ga alloy powder by presence of unreacted liquid phase Ga. Therefore, by making the average particle size of Cu powder 5 μm or more and 300 μm or less, it is not necessary to take measures to prevent Cu powder scattering, and it is possible to prevent enlargement of the alloy powder production apparatus, and also the liquid phase of unreacted Ga And the variation in the composition of the Cu—Ga alloy powder can be suppressed.

なお、Cu粉末の平均粒径は、Cu粉末の粒度分布をレーザー回折法で測定し、小径側から存在比率(体積基準)を積算して、その値が全粒径に渡った存在比率の積算値の半分になる粒径(D50)である。比表面積の値(以下BET値)は、BET法により求めることができる。   The average particle size of the Cu powder is obtained by measuring the particle size distribution of the Cu powder by a laser diffraction method, integrating the abundance ratio (volume basis) from the small diameter side, and integrating the abundance ratio over the entire particle diameter. The particle size (D50) is half of the value. The value of the specific surface area (hereinafter referred to as BET value) can be determined by the BET method.

(撹拌工程)
Cu粉末は、表面が酸化すると、Gaとの反応が不十分となる。Cu粉末の表面が酸化してGaとの反応が不十分となった場合には、表面がGaによって合金化していない未反応のCu粉末が存在して、Cu−Ga合金粉末のGa濃度のばらつきが大きくなってしまう。ここで、Cu粉末に防錆剤処理を施した場合には、酸化の進行は抑制されるが、Ga濃度のばらつきは解消されない。Cu粉末とGaとの反応が不十分となる原因は、Cu粉末表面の酸化被膜や防錆剤被膜がGaとの接触を阻害しているからと考えられる。Cu粉末は、Gaと反応させる前に、表面の酸化被膜や防錆剤被膜を取り除くことで表面を活性化させ、反応性を向上させる必要がある。
(Stirring process)
When the surface of the Cu powder is oxidized, the reaction with Ga becomes insufficient. When the surface of the Cu powder is oxidized and the reaction with Ga becomes insufficient, there is an unreacted Cu powder whose surface is not alloyed with Ga, and variation in the Ga concentration of the Cu-Ga alloy powder. Will become bigger. Here, when the Cu powder is subjected to a rust inhibitor treatment, the progress of oxidation is suppressed, but the variation in Ga concentration is not eliminated. The reason why the reaction between the Cu powder and Ga is insufficient is considered to be because the oxide film and the rust preventive film on the surface of the Cu powder inhibit the contact with Ga. Before reacting Cu powder with Ga, it is necessary to activate the surface by removing the oxide film and rust preventive film on the surface to improve the reactivity.

そこで、撹拌工程では、Cu粉末を、水素ガスを含む混合ガス雰囲気中で150℃〜300℃の温度で撹拌する。この撹拌工程では、Cu粉末の表面から酸化被膜や防錆剤を除去する。Cu粉末は、この撹拌工程による処理により、表面の酸化被膜や防錆剤が除去され、Gaとの反応性が向上する。これにより、この撹拌工程を施した場合には、Gaと未反応のCu粉末が減少して、Cu−Ga合金粉末やCu−Ga合金スパッタリングターゲットのGa濃度のばらつきを効果的に抑制することができる。   Therefore, in the stirring step, the Cu powder is stirred at a temperature of 150 ° C. to 300 ° C. in a mixed gas atmosphere containing hydrogen gas. In this stirring step, the oxide film and the rust inhibitor are removed from the surface of the Cu powder. The Cu powder removes the oxide film and rust preventive agent on the surface by the treatment in the stirring step, and the reactivity with Ga is improved. Thereby, when this stirring process is performed, Ga and unreacted Cu powder decrease, and it can suppress effectively the dispersion | variation in Ga density | concentration of Cu-Ga alloy powder or Cu-Ga alloy sputtering target. it can.

撹拌工程は、水素ガスを含む混合ガス雰囲気中で行う。混合ガス中の水素ガス濃度は、0.1%〜5%とすることが好ましい。水素ガス濃度が0.1%よりも低い場合には、酸化被膜や防錆剤がCu粉末の表面に残留して、Gaとの反応性が不十分となり、Ga濃度のばらつきを効果的に改善することができない。水素ガス濃度が5%よりも高い場合には、酸化被膜や防錆剤の除去の効果は十分であるが、高価な水素ガスの使用量が増えてしまう。また、水素ガス濃度が高い場合には、着火・燃焼に対する高い安全性が要求されて設備が高額になってしまう。   The stirring step is performed in a mixed gas atmosphere containing hydrogen gas. The hydrogen gas concentration in the mixed gas is preferably 0.1% to 5%. When the hydrogen gas concentration is lower than 0.1%, an oxide film and a rust preventive agent remain on the surface of the Cu powder, resulting in insufficient reactivity with Ga, effectively improving variation in Ga concentration. Can not do it. When the hydrogen gas concentration is higher than 5%, the effect of removing the oxide film and the rust inhibitor is sufficient, but the amount of expensive hydrogen gas used increases. Moreover, when hydrogen gas concentration is high, the high safety | security with respect to ignition and combustion is requested | required and an installation will become expensive.

混合ガスの残部は、窒素ガス又はアルゴンガスが好ましい。残部を窒素ガス又はアルゴンガスとした場合には、Cu粉末の表面活性化状態を維持できる。撹拌工程の雰囲気は、Cu粉末を撹拌装置に投入した後に混合ガスに置換してもよい。酸素が混入した場合には、酸化被膜や防錆剤除去が効果的に進まないので、ガス置換は圧力が100Pa以下になるまで真空排気した後に、混合ガスを導入することが好ましい。   The balance of the mixed gas is preferably nitrogen gas or argon gas. When the balance is nitrogen gas or argon gas, the surface activation state of the Cu powder can be maintained. The atmosphere of the stirring step may be replaced with a mixed gas after putting Cu powder into the stirring device. When oxygen is mixed, removal of the oxide film and the rust inhibitor does not proceed effectively. Therefore, it is preferable to introduce the mixed gas after evacuating the gas until the pressure becomes 100 Pa or less.

撹拌工程の温度は、150℃〜300℃とする。150℃よりも低い場合には、酸化被膜や防錆剤がCu粉末の表面に残留してGaとの反応性が不十分となり、Ga濃度のばらつきを効果的に改善することができない。300℃よりも高い場合には、酸化被膜や防錆剤の除去の効果は十分であるが、表面が活性したCu粉末が凝集して固化してしまう。したがって、撹拌工程では、温度を150℃〜300℃とすることによって、Cu粉末の表面から酸化被膜や防錆剤を除去でき、Cu粉末のGaに対する反応性が劣らず、Ga濃度のばらつきを抑えることができ、Cu粉末が凝集することも防止できる。   The temperature of the stirring step is 150 ° C to 300 ° C. When the temperature is lower than 150 ° C., the oxide film and the rust preventive agent remain on the surface of the Cu powder, and the reactivity with Ga becomes insufficient, and the variation in Ga concentration cannot be effectively improved. When the temperature is higher than 300 ° C., the effect of removing the oxide film and the rust inhibitor is sufficient, but the Cu powder whose surface is activated is aggregated and solidified. Therefore, in the stirring step, by setting the temperature to 150 ° C. to 300 ° C., the oxide film and the rust preventive agent can be removed from the surface of the Cu powder, the reactivity of the Cu powder to Ga is not inferior, and the variation in Ga concentration is suppressed. It is possible to prevent the Cu powder from aggregating.

温度の保持時間は、10分〜2時間とすることが好ましい。保持時間が10分よりも短い場合には、Cu粉末の表面に酸化被膜や防錆剤が残留してGaとの反応性が不十分となり、Ga濃度のばらつきを効果的に改善することができない。保持時間が2時間よりも長い場合には、Cu粉末とGaとの反応性を十分にでき、組成のばらつきが生じることの抑制効果は維持されるが、高価な水素ガスの使用量が増えてしまう。   The temperature holding time is preferably 10 minutes to 2 hours. When the holding time is shorter than 10 minutes, an oxide film or a rust preventive agent remains on the surface of the Cu powder, the reactivity with Ga becomes insufficient, and variation in Ga concentration cannot be effectively improved. . When the holding time is longer than 2 hours, the reactivity between Cu powder and Ga can be sufficiently achieved, and the effect of suppressing variation in composition is maintained, but the amount of expensive hydrogen gas used increases. End up.

撹拌工程は、Cu粉末を攪拌しながら行う。攪拌しない場合には、Cu粉末と混合ガスとの接触が不十分となり、Cu粉末の表面に酸化被膜や防錆剤が残留してしまうからである。   The stirring step is performed while stirring the Cu powder. This is because, when stirring is not performed, the contact between the Cu powder and the mixed gas becomes insufficient, and the oxide film and the rust preventive agent remain on the surface of the Cu powder.

攪拌装置は、円筒、ダブルコーン、ツインシェル等の回転容器型の攪拌装置や、固定容器内を攪拌羽根や攪拌ブレード等の攪拌子が運動する攪拌装置を使用することができる。   As the stirring device, a rotating container type stirring device such as a cylinder, a double cone, or a twin shell, or a stirring device in which a stirring bar such as a stirring blade or a stirring blade moves in a fixed container can be used.

(合金粉末作製工程)
次に、上述した撹拌工程によって表面が処理されたCu粉末に所定量のGaを加えてCu−Ga合金粉末を作製する合金粉末作製工程を行う。
(Alloy powder production process)
Next, an alloy powder preparation step is performed in which a predetermined amount of Ga is added to the Cu powder whose surface has been treated by the stirring step described above to prepare a Cu-Ga alloy powder.

次に、合金粉末作製工程では、撹拌工程を施したCu粉末に、Gaを30質量%〜45質量%の割合で配合した混合粉末を、真空又は不活性ガス雰囲気中で30℃〜300℃の温度で攪拌することにより、直接、Cu−Ga合金粉末を形成する。従来では、一旦CuとGaを高温にて溶解して合金化し、作製したCu−Ga合金インゴットを粉砕してCu−Ga合金粉末を得ていた。しかしながら、この合金粉末作製工程では、上記の条件の下で、Cu粉末とGaとを混合した混合粉末を30℃〜300℃の温度で撹拌することにより、Cu−Ga合金インゴットを作製して粉砕しなくても、原料の状態から直接Cu−Ga合金粉末を作製することができる。   Next, in the alloy powder production process, mixed powder prepared by mixing Ga at a ratio of 30% by mass to 45% by mass with Cu powder subjected to the agitation process is heated at 30 ° C. to 300 ° C. in a vacuum or an inert gas atmosphere. By stirring at a temperature, Cu—Ga alloy powder is directly formed. Conventionally, Cu and Ga were once melted and alloyed at a high temperature, and the produced Cu—Ga alloy ingot was pulverized to obtain a Cu—Ga alloy powder. However, in this alloy powder production step, a Cu-Ga alloy ingot is produced and pulverized by stirring a mixed powder obtained by mixing Cu powder and Ga at a temperature of 30 ° C to 300 ° C under the above conditions. Even if it does not do, Cu-Ga alloy powder can be directly produced from the state of a raw material.

具体的には、上述した割合で秤量したCu粉末とGa小片を、Gaの融点よりも高くCuの融点よりも低い温度、即ち30℃〜300℃の範囲で温度を制御し、Cu粉末の表面にCu−Ga二元系合金を形成する。   Specifically, the Cu powder and Ga pieces weighed at the above-described ratio are controlled to a temperature higher than the melting point of Ga and lower than the melting point of Cu, that is, in the range of 30 ° C. to 300 ° C. A Cu—Ga binary alloy is formed.

Cu−Ga合金化物は、次のような過程を経て形成されるものと考えられる。融点を超えて液体となったGaは、混合のせん断運動によって小さな液滴になりながらCu粉末間に均一に分散する。分散したGa液滴は、Cu粉末の周囲に付着し、Cu粉末とGa液滴が接触するとCu粉末にGaの拡散が始まり、Ga濃度が高まるとともにCu−Ga金属間化合物を生成しながら合金化反応が進行する。このとき、Cu−Ga合金化物の表面は、Ga濃度の高いCu−Ga金属間化合物層であって、中心部は純Cuとなる。   The Cu-Ga alloy is considered to be formed through the following process. Ga, which has become liquid beyond the melting point, is uniformly dispersed between Cu powders while becoming small droplets by the shearing motion of mixing. The dispersed Ga droplets adhere to the periphery of the Cu powder, and when the Cu powder and Ga droplets come into contact with each other, the diffusion of Ga begins in the Cu powder, increasing the Ga concentration and forming an alloy while forming a Cu-Ga intermetallic compound. The reaction proceeds. At this time, the surface of the Cu—Ga alloyed material is a Cu—Ga intermetallic compound layer having a high Ga concentration, and the central portion is pure Cu.

このCu粉末とGaとの混合は、均一な合金化反応(均質化反応)の進行に有効である。また、混合のせん断運動は、粉同士の固着による塊状物の生成も抑制していると思われる。塊状物が生成された場合には、後のホットプレス等の焼結工程において、焼結体中に空孔が形成されて、密度が不均一になってしまう。   This mixing of Cu powder and Ga is effective for the progress of a uniform alloying reaction (homogenization reaction). Moreover, it is considered that the shearing motion of mixing also suppresses the formation of a lump due to the adhesion between the powders. When a lump is generated, voids are formed in the sintered body in a subsequent sintering process such as hot pressing, and the density becomes non-uniform.

Gaは、Cu粉末と同様に、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットから形成されるCIGS光吸収層の特性に影響を与えないように適宜選択される。Gaの純度は、Cu粉末と同様に、Fe、Ni、Crが3ppmよりも多いとCIGS光吸収層の量子効率が低下してしまうので、Fe、Ni、Crは3ppm以下であることが好ましい。Ga中の酸素含有量は、0.2質量%以下であることが好ましい。Ga中の酸素含有量が0.2質量%よりも多い場合には、スパッタリング中に異常放電が発生しやすくなる。   Similarly to Cu powder, Ga is appropriately selected so as not to affect the characteristics of the CIGS light absorption layer formed from the Cu—Ga alloy sputtering target. As with the Cu powder, the purity of Ga is preferably 3 ppm or less because the quantum efficiency of the CIGS light-absorbing layer is lowered when Fe, Ni, and Cr are more than 3 ppm. The oxygen content in Ga is preferably 0.2% by mass or less. When the oxygen content in Ga is more than 0.2% by mass, abnormal discharge is likely to occur during sputtering.

Gaは、融点が低い金属(融点:29.78℃)である。Cu粉末に投入するGaは、融解した液体Gaである場合、直ちに攪拌を開始できるので好ましい。Gaの形状には、制限はないが、小片であると秤量が容易である。小片は、Gaを室温近傍で溶解して鋳造し、鋳造物を砕いて得ることができる。   Ga is a metal having a low melting point (melting point: 29.78 ° C.). Ga to be added to the Cu powder is preferably melted liquid Ga because stirring can be started immediately. Although there is no restriction | limiting in the shape of Ga, when it is a small piece, weighing is easy. The small piece can be obtained by melting and casting Ga in the vicinity of room temperature and crushing the casting.

Cu粉末とGaは、質量比で70:30〜55:45の割合で配合する。合金粉末作製工程では、Gaが30質量%以上であることにより、Cu粉末の表面にGaを短時間で均一に被覆することができ、Gaが45質量%以下であることにより、短時間で被覆したGaを合金化することができる。この合金粉末作製工程で形成されるCu−Ga合金粉末は、Cu粉末の表面にCu−Ga合金層が存在する。   Cu powder and Ga are blended in a mass ratio of 70:30 to 55:45. In the alloy powder preparation process, Ga can be uniformly coated on the surface of the Cu powder in a short time because Ga is 30% by mass or more, and it can be coated in a short time because Ga is 45% by mass or less. Ga can be alloyed. The Cu—Ga alloy powder formed in this alloy powder production step has a Cu—Ga alloy layer on the surface of the Cu powder.

合金粉末作製工程は、真空又は不活性ガス雰囲気中で行う。合金粉末作製工程では、真空又は不活性ガス雰囲気中で合金化することによって、Cu−Ga合金粉末に酸素が含まれることを抑制できる。   The alloy powder preparation step is performed in a vacuum or an inert gas atmosphere. In the alloy powder production step, it is possible to suppress the inclusion of oxygen in the Cu—Ga alloy powder by alloying in a vacuum or an inert gas atmosphere.

真空又は不活性ガス雰囲気中の酸素分圧は、20Pa以下であることが好ましい。20Paより高い場合には、形成したCu−Ga合金粉末の酸素含有量が増加し、作製したスパッタリングターゲットの酸素含有量も増加して、大きな投入電力でスパッタすると異常放電を発生してしまう。不活性ガス雰囲気は、窒素ガス又はアルゴンガスが好ましい。   The oxygen partial pressure in a vacuum or an inert gas atmosphere is preferably 20 Pa or less. When it is higher than 20 Pa, the oxygen content of the formed Cu—Ga alloy powder increases, the oxygen content of the produced sputtering target also increases, and abnormal sputtering occurs when sputtered with a large input power. The inert gas atmosphere is preferably nitrogen gas or argon gas.

合金化する際の温度は、30℃〜300℃である。30℃よりも低い場合には、Cu粉末とGaの反応性が不十分となり、未反応のCu粉末が残り、Cu−Ga合金粉末のGa濃度がばらついてしまう。300℃よりも高い場合には、Cu粉末の表面が合金化するが、温度が高くなるとCu−Ga合金粉末同士が凝集しはじめてしまう。この凝集は、攪拌によるせん断運動で解くことができるため、300℃より高温でCu−Ga合金粉末を形成することはできるが、攪拌装置の熱劣化が激しく、装置部品の交換の頻度を高めるためコスト高になってしまう。したがって、温度は、30℃〜300℃とすることによって、凝集することなく、Cu粉末とGaとを十分に反応させることができる。   The temperature at the time of alloying is 30 ° C to 300 ° C. When the temperature is lower than 30 ° C., the reactivity between the Cu powder and Ga becomes insufficient, unreacted Cu powder remains, and the Ga concentration of the Cu—Ga alloy powder varies. When the temperature is higher than 300 ° C., the surface of the Cu powder is alloyed, but when the temperature is increased, the Cu—Ga alloy powder begins to aggregate. Since this agglomeration can be solved by a shearing motion by stirring, a Cu-Ga alloy powder can be formed at a temperature higher than 300 ° C., but the thermal deterioration of the stirring device is severe and the frequency of replacement of device parts is increased. It becomes expensive. Therefore, by setting the temperature to 30 ° C. to 300 ° C., Cu powder and Ga can be sufficiently reacted without aggregation.

温度の保持時間は、30分〜4時間が好ましい。保持時間が30分よりも短い場合には、Cu粉末とGaの反応性が不十分となり、未反応のCu粉末が残り、Cu−Ga合金粉末のGa濃度がばらついてしまう。保持時間が4時間より長い場合には、真空又は不活性ガス雰囲気であってもCu−Ga合金粉末の酸素含有量が増加してしまう。したがって、温度の保持時間は、30分〜4時間とすることによって、Cu粉末とGaとを十分に反応させ、Cu−Ga合金粉末の酸素含有量の増加を抑制できる。   The temperature holding time is preferably 30 minutes to 4 hours. When the holding time is shorter than 30 minutes, the reactivity between the Cu powder and Ga becomes insufficient, unreacted Cu powder remains, and the Ga concentration of the Cu—Ga alloy powder varies. When the holding time is longer than 4 hours, the oxygen content of the Cu—Ga alloy powder increases even in a vacuum or an inert gas atmosphere. Therefore, by setting the temperature holding time to 30 minutes to 4 hours, the Cu powder and Ga can be sufficiently reacted to suppress an increase in the oxygen content of the Cu-Ga alloy powder.

攪拌は、Cu粉末とGaとの接触頻度を上げて反応を進める効果と同時に、凝集を抑制して直接にCu−Ga合金粉末を形成することに有効である。   The agitation is effective for directly forming the Cu—Ga alloy powder while suppressing aggregation and increasing the contact frequency between the Cu powder and Ga.

攪拌装置は、撹拌工程と同様の円筒、ダブルコーン、ツインシェル等の回転容器型の攪拌装置や、固定容器内を攪拌羽根や攪拌ブレード等の攪拌子が運動する攪拌装置を使用することができる。上述した撹拌工程を施したCu粉末は、大気に触れると直ちに表面が酸化してGaとの反応性が低下してしまう。このため、合金粉末作製工程は、撹拌工程を行う同一の攪拌装置内で撹拌工程に続けて合金化を行うことによって、大気と遮断したままで行うことができるので好ましい。   As the stirring device, a rotating vessel type stirring device such as a cylinder, a double cone, or a twin shell similar to the stirring step, or a stirring device in which a stirring bar such as a stirring blade or a stirring blade moves in a fixed vessel can be used. . When the Cu powder subjected to the stirring step described above is exposed to the air, the surface is immediately oxidized and the reactivity with Ga is lowered. For this reason, the alloy powder production process is preferable because it can be performed while being isolated from the atmosphere by performing alloying after the stirring process in the same stirring apparatus that performs the stirring process.

撹拌工程及び合金粉末作製工程に使用する攪拌装置の容器及び攪拌子の材質は、耐熱性、耐磨耗性、Fe、Ni、Cr等の金属不純物の混入抑制等の観点から、窒化チタン(TiN)、窒化クロム(CrN)、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)(Diamond like Carbon)をコーティングしたステンレス材が好ましい。   The material of the stirrer vessel and stirrer used in the stirring step and the alloy powder preparation step is titanium nitride (TiN) from the viewpoint of heat resistance, wear resistance, suppression of metal impurities such as Fe, Ni, Cr, etc. ), Chromium nitride (CrN), and diamond-like carbon (DLC) (Diamond like Carbon) coated stainless steel material is preferable.

以上のように、Cu−Ga合金粉末の製造方法では、Cu粉末に対して撹拌工程を施すことによって、Cu粉末の表面のGaとの反応性が高くなり、Cu粉末の表面にGa濃度が高く均一なCu−Ga金属間化合物層を形成することができる。得られたCu−Ga合金粉末は、Cu−Ga金属間化合物層におけるGaの濃度のばらつきが抑えられ、ばらつきは3.0質量%以内となる。   As mentioned above, in the manufacturing method of Cu-Ga alloy powder, by performing stirring process with respect to Cu powder, the reactivity with Ga of the surface of Cu powder becomes high, and Ga density | concentration is high on the surface of Cu powder. A uniform Cu—Ga intermetallic compound layer can be formed. In the obtained Cu—Ga alloy powder, variation in Ga concentration in the Cu—Ga intermetallic compound layer is suppressed, and variation is within 3.0 mass%.

<2.Cu−Ga合金スパッタリングターゲットの製造方法>
次に、上述した撹拌工程及び合金粉末作製工程により得られたCu−Ga合金粉末を用いてCu−Ga合金スパッタリングターゲットを製造する製造方法について説明する。
<2. Manufacturing method of Cu-Ga alloy sputtering target>
Next, the manufacturing method which manufactures a Cu-Ga alloy sputtering target using the Cu-Ga alloy powder obtained by the stirring process and alloy powder preparation process mentioned above is demonstrated.

(熱処理工程)
熱処理工程は、上述した合金粉末作製工程により得られたCu−Ga合金粉末を、真空又は不活性ガス雰囲気中で250℃〜836℃の温度で熱処理する。
(Heat treatment process)
In the heat treatment step, the Cu—Ga alloy powder obtained by the above-described alloy powder production step is heat-treated at a temperature of 250 ° C. to 836 ° C. in a vacuum or an inert gas atmosphere.

このことについて図1に示すCu−Ga系合金の状態図を用いて説明する。状態図において、液相線で示す温度以上の領域は液相のみが存在する液相領域であり、固相線で示す温度以下の領域は固相のみが存在する固相領域であり、これらの線の間の温度領域は液相と固相の共存領域である。   This will be described with reference to the phase diagram of the Cu—Ga alloy shown in FIG. In the phase diagram, the region above the temperature indicated by the liquidus is the liquid phase region where only the liquid phase exists, and the region below the temperature indicated by the solidus is the solid phase region where only the solid phase exists. The temperature region between the lines is the coexistence region of the liquid phase and the solid phase.

粉末表面にGaが多く存在する熱処理前のCu−Ga合金粉末は、固相領域に位置している。このCu−Ga合金粉末に熱処理を施した際には、粉末自体が固相領域に位置した状態で合金化が完了する場合と、一時的に液相と固相の共存領域に位置するも最終的に固相領域に位置して合金化が完了する場合があるものと考えられる。   The Cu—Ga alloy powder before heat treatment in which a large amount of Ga is present on the powder surface is located in the solid phase region. When this Cu-Ga alloy powder is heat-treated, the alloying is completed with the powder itself positioned in the solid phase region, and the final is temporarily positioned in the coexistence region of the liquid phase and the solid phase. In particular, it is considered that the alloying may be completed in the solid phase region.

即ち、前者の場合は、粉末表面に多く存在するGaが粉末内部に拡散してCuとの合金化が進行するものと考えられる。   That is, in the former case, it is considered that Ga, which is present in a large amount on the powder surface, diffuses into the powder and alloying with Cu proceeds.

後者の場合は、Gaの粉末内部への拡散が遅く、粉末の表面部分が液相となり、液相と固相の共存領域に位置するものと考えられる。このときに出現した液相は周囲のCu−Ga合金粉末と接触を繰り返すことで合金化が進行し、最終的には固相領域に位置するものと考えられる。従って、後者の場合にホットプレス装置で加圧していると、発生した液相が流動してプレス型の隙間から押し出されてしまうこととなる。   In the latter case, diffusion of Ga into the powder is slow, and the surface portion of the powder becomes a liquid phase, which is considered to be located in the coexistence region of the liquid phase and the solid phase. It is considered that the liquid phase that appears at this time is alloyed by repeating contact with the surrounding Cu—Ga alloy powder and is finally located in the solid phase region. Therefore, in the latter case, when the pressure is applied by the hot press apparatus, the generated liquid phase flows and is pushed out from the gap of the press die.

そこで、熱処理工程では、ホットプレスによる焼結を行う前に、Cu−Ga合金粉末を熱処理する。Cu−Ga合金粉末は、この熱処理により、Cu粒子表面に存在する低融点のCu−Ga合金層が熔け始めると同時に、Cu粒子表面のCu−Ga合金層中のGaと粒子内部のCuとが相互拡散して、Cu粒子の表面のGa濃度が低下し、液相の出現温度を高くすることができる。これにより、後に行う焼結工程では、ホットプレスによる焼結中にGaの液相が発生することなく焼結が進行してスパッタリングターゲットを作製することができる。   Therefore, in the heat treatment step, the Cu—Ga alloy powder is heat treated before sintering by hot pressing. With this heat treatment, the Cu-Ga alloy powder starts melting of the low melting point Cu-Ga alloy layer existing on the Cu particle surface, and at the same time, Ga in the Cu-Ga alloy layer on the Cu particle surface and Cu inside the particle are mixed. By interdiffusion, the Ga concentration on the surface of Cu particles can be lowered, and the appearance temperature of the liquid phase can be increased. Thereby, in the sintering process performed later, sintering progresses without producing a Ga liquid phase during sintering by hot pressing, and a sputtering target can be produced.

熱処理の温度は、250℃〜836℃である。250℃よりも低い場合には、Cu粒子表面の合金層中のGaと粒子内部のCuとの相互拡散が十分に進まず高Ga濃度の合金層が残存して、ホットプレスによる焼結中にGa液相が出現してCu−Ga合金粉末の漏れが発生してしまう。836℃よりも高い場合には、多量の液相が発生してCu−Ga合金粉末と分離してしまう。   The temperature of heat processing is 250 to 836 degreeC. When the temperature is lower than 250 ° C., interdiffusion between Ga in the alloy layer on the Cu particle surface and Cu inside the particle does not proceed sufficiently, and a high Ga concentration alloy layer remains, and during sintering by hot pressing. The Ga liquid phase appears and the Cu—Ga alloy powder leaks. When the temperature is higher than 836 ° C., a large amount of liquid phase is generated and separated from the Cu—Ga alloy powder.

熱処理の温度は、合金粉末作製工程におけるGaの配合割合によって調整することが好ましい。熱処理中に少量の液相が発生して凝集体が形成された場合には、その凝集は弱いので後の焼結工程の焼結に影響はないが、高い温度で熱処理を行って多量の液相が出現した場合には、液相が集まってCu−Ga合金粉末と分離してしまい組成のばらつきが大きくなってしまう。このような液相の分離は、合金粉末作製工程におけるGaの配合割合に応じて熱処理温度を制御することにより効果的に抑制することができる。   It is preferable to adjust the temperature of heat processing with the mixing | blending ratio of Ga in an alloy powder preparation process. When a small amount of liquid phase is generated during the heat treatment and aggregates are formed, the aggregation is weak and does not affect the sintering in the subsequent sintering process. When a phase appears, the liquid phase collects and separates from the Cu—Ga alloy powder, resulting in a large variation in composition. Such separation of the liquid phase can be effectively suppressed by controlling the heat treatment temperature in accordance with the Ga mixing ratio in the alloy powder production process.

具体的に、合金粉末作製工程におけるGaの配合割合をX質量%とし、熱処理温度について説明する。Gaの配合割合(X質量%)と熱処理温度(T℃)との関係は図1に示す状態図で表される。状態図の固相線を越えた温度では、液相が出現する。したがって、熱処理の温度は、250℃以上、固相線以下の温度とすることが好ましい。熱処理工程において、熱処理温度を250℃以上、固相線以下の温度とすることによって、液相が発生することなく、Cu粒子表面の合金層中のGaと粒子内部のCuとを相互拡散させることができる。   Specifically, the mixing ratio of Ga in the alloy powder production process is X mass%, and the heat treatment temperature will be described. The relationship between the compounding ratio of Ga (X mass%) and the heat treatment temperature (T ° C.) is represented by the state diagram shown in FIG. A liquid phase appears at a temperature exceeding the solidus of the phase diagram. Therefore, the temperature of the heat treatment is preferably 250 ° C. or more and not more than the solidus. In the heat treatment step, by setting the heat treatment temperature to 250 ° C. or higher and below the solidus line, mutual diffusion of Ga in the alloy layer on the surface of the Cu particles and Cu inside the particles is achieved without generating a liquid phase. Can do.

固相線をGaの配合割合(X)と熱処理温度(T)とからなる近似式で表すと次のようになる。Xが25.0質量%〜29.34質量%の範囲では、T=−0.102・X−4.16・X+1045.4となる。Xが29.34質量%〜31.5質量%の範囲では、T=836となる。Xが31.5質量%〜39.0質量%の範囲では、T=−4.8169・X+292.85・X−3609.4となる。Xが39.0質量%〜45質量%の範囲では、T=−3.6111・X+264.17・X−4325となる。 The solid line can be expressed as an approximate expression consisting of the Ga mixing ratio (X) and the heat treatment temperature (T) as follows. When X is in the range of 25.0% by mass to 29.34% by mass, T = −0.102 · X 2 −4.16 · X + 1045.4. When X is in the range of 29.34% by mass to 31.5% by mass, T = 836. When X is in the range of 31.5% by mass to 39.0% by mass, T = −4.8169 · X 2 + 292.85 · X−3609.4. When X is in the range of 39.0% to 45% by mass, T = −3.6111 · X 2 + 264.17 · X− 4325.

上記の近似式で計算される温度等から熱処理温度を例示すると以下のようになる。   An example of the heat treatment temperature from the temperature calculated by the above approximate expression is as follows.

合金粉末作製工程におけるGaの配合割合が35質量%である場合、熱処理工程の熱処理温度は、250℃〜740℃となる。合金粉末作製工程におけるGaの配合割合が40質量%の場合は、熱処理工程の熱処理温度は、250℃〜464℃となる。   When the compounding ratio of Ga in the alloy powder production process is 35% by mass, the heat treatment temperature in the heat treatment process is 250 ° C. to 740 ° C. When the compounding ratio of Ga in the alloy powder production process is 40% by mass, the heat treatment temperature in the heat treatment process is 250 ° C. to 464 ° C.

なお、合金粉末作製工程におけるGaの配合割合が30質量%である場合、熱処理工程の熱処理温度は、図1に示す状態図から250℃〜836℃となる。合金粉末作製工程におけるGaの配合割合が45質量%の場合、熱処理工程の熱処理温度は、図1に示す状態図から250℃〜254℃となる。   In addition, when the mixture ratio of Ga in an alloy powder preparation process is 30 mass%, the heat processing temperature of a heat processing process will be 250 to 836 degreeC from the state diagram shown in FIG. When the compounding ratio of Ga in the alloy powder production process is 45% by mass, the heat treatment temperature in the heat treatment process is 250 ° C. to 254 ° C. from the state diagram shown in FIG.

熱処理温度の保持時間は、30分〜4時間とすることが好ましい。保持時間が30分よりも短い場合には、CuとGaの相互拡散が不十分となり、次の焼結工程のホットプレスで液相が出現しプレス型からCu−Ga合金粉末が押し出されてしまう。保持時間が4時間よりも長い場合には、酸素分圧20Pa以下の真空又は不活性ガス雰囲気中であっても、Cu−Ga合金粉末の酸素含有量が増加し、作製したスパッタリングターゲットの酸素含有量も増加して、大きな投入電力でスパッタすると異常放電が発生してしまう。   The holding time of the heat treatment temperature is preferably 30 minutes to 4 hours. When the holding time is shorter than 30 minutes, interdiffusion between Cu and Ga becomes insufficient, and a liquid phase appears in a hot press in the next sintering step, and Cu—Ga alloy powder is pushed out from the press die. . If the holding time is longer than 4 hours, the oxygen content of the Cu-Ga alloy powder increases even in a vacuum or inert gas atmosphere with an oxygen partial pressure of 20 Pa or less, and the oxygen content of the produced sputtering target When the amount is increased and sputtering is performed with a large input power, abnormal discharge occurs.

熱処理は、真空又は不活性ガス雰囲気中で行う。真空又は不活性雰囲気中の酸素分圧は、20Pa以下であることが好ましい。20Paより高い場合では、熱処理したCu−Ga合金粉末の酸素含有量が増加し、作製したスパッタリングターゲットの酸素含有量も増加して、大きな投入電力でスパッタすると異常放電が発生してしまう。不活性雰囲気は、窒素ガス又はアルゴンガスとすることが好ましい。   The heat treatment is performed in a vacuum or an inert gas atmosphere. The oxygen partial pressure in a vacuum or inert atmosphere is preferably 20 Pa or less. When the pressure is higher than 20 Pa, the oxygen content of the heat-treated Cu—Ga alloy powder increases, the oxygen content of the produced sputtering target also increases, and abnormal sputtering occurs when sputtering is performed with a large input power. The inert atmosphere is preferably nitrogen gas or argon gas.

この熱処理工程は、後述する焼結工程と同一のホットプレス装置内で行うことが好ましい。焼結工程と同一のホットプレス装置内で熱処理を行った場合には、熱処理装置を別に設ける必要がなく、熱処理後の冷却時間やCu−Ga合金粉末の取り出し工程も不要にできる。これにより、熱処理工程と焼結工程を同一のホットプレス装置で行った場合には、別の熱処理装置を用いて熱処理を行った場合に比べて、冷却時間が不要であるため、スパッタリングターゲットの作製時間を短縮でき、Cu−Ga合金粉末を取り出す必要がないため、収率が低くなることを防止できる。   This heat treatment step is preferably performed in the same hot press apparatus as the sintering step described later. When heat treatment is performed in the same hot press apparatus as the sintering process, it is not necessary to provide a separate heat treatment apparatus, and the cooling time after the heat treatment and the step of taking out the Cu—Ga alloy powder can be eliminated. As a result, when the heat treatment step and the sintering step are performed with the same hot press apparatus, the cooling time is not required as compared with the case where the heat treatment is performed with another heat treatment apparatus. Since the time can be shortened and there is no need to take out the Cu—Ga alloy powder, it is possible to prevent the yield from being lowered.

熱処理工程を焼結工程と同一のホットプレス装置内で行う際には、プレス圧力はCu−Ga合金粉末に対して無負荷とするか、又は0.1MPa以下の圧力とすることが好ましい。0.1MPa以下の圧力というのは、ホットプレス装置の上パンチの自重による圧力に相当し、無負荷又は0.1MPa以下の圧力というのは実質的にCu−Ga合金粉末に圧力がかかっていない状態である。このような状態にすることで、液相が出現したとしても、Cu−Ga合金粉末がホットプレス装置のプレス型から漏れ出ることを防止できる。   When the heat treatment step is performed in the same hot press apparatus as the sintering step, it is preferable that the press pressure is no load on the Cu—Ga alloy powder or a pressure of 0.1 MPa or less. The pressure of 0.1 MPa or less corresponds to the pressure due to the weight of the upper punch of the hot press apparatus, and the pressure of no load or 0.1 MPa or less substantially does not apply pressure to the Cu-Ga alloy powder. State. By setting it as such a state, even if a liquid phase appears, it can prevent that Cu-Ga alloy powder leaks out from the press die of a hot press apparatus.

(焼結工程)
次に、前記熱処理工程で熱処理したCu−Ga合金粉末を、真空又は不活性ガス雰囲気中で250℃〜836℃の温度と、5MPa〜30MPaのプレス圧力とでホットプレス法により焼結する。
(Sintering process)
Next, the Cu—Ga alloy powder heat-treated in the heat treatment step is sintered by a hot press method at a temperature of 250 ° C. to 836 ° C. and a press pressure of 5 MPa to 30 MPa in a vacuum or an inert gas atmosphere.

ホットプレスの雰囲気は、真空又は不活性ガス雰囲気中とすることで、焼結体の酸素含有量の増加を抑制できる。真空又は不活性ガス雰囲気中の酸素分圧は、20Pa以下が好ましい。20Paより大きい場合では、形成したCu−Ga合金焼結体の酸素含有量が増加し、作製したスパッタリングターゲットの酸素含有量も増加して、大きな投入電力でスパッタすると異常放電が発生してしまう。不活性ガス雰囲気は、窒素ガス又はアルゴンガスが好ましい。   By setting the atmosphere of hot pressing in a vacuum or an inert gas atmosphere, an increase in the oxygen content of the sintered body can be suppressed. The oxygen partial pressure in a vacuum or an inert gas atmosphere is preferably 20 Pa or less. When the pressure is higher than 20 Pa, the oxygen content of the formed Cu—Ga alloy sintered body increases, the oxygen content of the produced sputtering target also increases, and abnormal sputtering occurs when sputtering is performed with a large input power. The inert gas atmosphere is preferably nitrogen gas or argon gas.

ホットプレスの温度は、250℃〜836℃とする。温度が250℃よりも低い場合には、Cu−Ga合金粉末の焼結が不十分で、空孔の多い焼結体となってしまう。空孔の多い焼結体をスパッタリングターゲットにしてスパッタした場合には、異常放電やスプラッシュが発生してしまう。温度が830℃よりも高い場合には、液相が出現し、焼結体を作製することができなくなってしまう。したがって、ホットプレスの温度は、250℃〜836℃とすることによって、液漏れが生じず、空孔の少ない焼結体を作製することができる。   The temperature of the hot press is 250 ° C to 836 ° C. When the temperature is lower than 250 ° C., the Cu—Ga alloy powder is not sufficiently sintered, resulting in a sintered body with many voids. When sputtering is performed using a sintered body having a large number of pores as a sputtering target, abnormal discharge or splash occurs. When temperature is higher than 830 degreeC, a liquid phase will appear and it will become impossible to produce a sintered compact. Therefore, by setting the temperature of the hot press to 250 ° C. to 836 ° C., liquid leakage does not occur and a sintered body with few voids can be produced.

ホットプレスのプレス圧力は、5MPa〜30MPaとする。プレス圧力が5MPaよりも低い場合には、Cu−Ga合金粉末の焼結が不十分で空孔の多い焼結体となってしまう。プレス圧力を高くした場合には、焼結体は空孔が減少して密度が上昇するが、30MPaより高くしても密度はほとんど上昇しなくなってしまう。30MPaよりも高いプレス圧力でプレスしようとした場合には、プレス型を特別な材質に変更したり、大きな電力が必要になってくるので、プレス圧力は30MPa以下で十分である。   The press pressure of the hot press is 5 MPa to 30 MPa. When the pressing pressure is lower than 5 MPa, the sintering of the Cu—Ga alloy powder is insufficient and a sintered body with many voids is obtained. When the pressing pressure is increased, the sintered body is increased in density by decreasing the number of pores, but the density hardly increases even if the pressure is higher than 30 MPa. When trying to press at a press pressure higher than 30 MPa, the press die needs to be changed to a special material or large electric power is required.

焼結工程では、熱処理工程で用いたホットプレス装置からCu−Ga合金粉末を取り出さず、熱処理工程に引き続いて同一のホットプレス装置で加圧焼結を行い、ホットプレスの温度を熱処理工程の熱処理温度と同じにすることが好ましい。同一のホットプレス装置で熱処理及び焼結を行うようにした場合には、熱処理工程のための熱処理装置を別に用意する必要がなく、熱処理後の冷却時間が不要である。焼結工程では、ホットプレス温度を熱処理と同じ温度にすることで、熱処理に引き続いてプレス圧力を掛けるので容易に焼結を行うことができる。また、焼結工程では、同一のホットプレス装置内で熱処理も焼結も行うことによって、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットの組成が変化したり、収率が低くなることを防止できる。   In the sintering process, the Cu-Ga alloy powder is not taken out from the hot press apparatus used in the heat treatment process, and pressure sintering is performed in the same hot press apparatus following the heat treatment process, and the temperature of the hot press is set as the heat treatment in the heat treatment process. The temperature is preferably the same. When heat treatment and sintering are performed with the same hot press apparatus, it is not necessary to prepare a separate heat treatment apparatus for the heat treatment step, and cooling time after the heat treatment is unnecessary. In the sintering step, by setting the hot press temperature to the same temperature as the heat treatment, a press pressure is applied subsequent to the heat treatment, so that the sintering can be easily performed. In the sintering process, the heat treatment and the sintering are performed in the same hot press apparatus, whereby the composition of the Cu—Ga alloy sputtering target can be prevented from changing and the yield can be prevented from being lowered.

(仕上げ工程)
仕上げ工程は、焼結工程によって得られたCu−Ga合金の焼結体の表面を研削により平面に仕上げ、Cu製のバッキングプレートにボンディングすることにより、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットを得る。
(Finishing process)
In the finishing step, the surface of the sintered body of the Cu—Ga alloy obtained in the sintering step is finished to a flat surface by grinding and bonded to a Cu backing plate to obtain a Cu—Ga alloy sputtering target.

以上のようなCu−Ga合金スパッタリングターゲットの製造方法では、Ga濃度が30質量%〜45質量%と高く、平均結晶粒径が20μm以下、γ相群の面積割合が95面積%以上、空孔率が1%以下、かつ三点曲げ強度が200MPa以上であるCu−Ga合金スパッタリングターゲットを製造中に割れ欠けがなく製造でき、得られたCu−Ga合金スパッタリングターゲットはスパッタリング中に割れたり、欠けたりせず、異常放電やパーティクルの発生も防止できている。   In the manufacturing method of the Cu—Ga alloy sputtering target as described above, the Ga concentration is as high as 30 mass% to 45 mass%, the average crystal grain size is 20 μm or less, the area ratio of the γ phase group is 95 area% or more, A Cu—Ga alloy sputtering target having a rate of 1% or less and a three-point bending strength of 200 MPa or more can be produced without cracks during production, and the obtained Cu—Ga alloy sputtering target is cracked or chipped during sputtering. In addition, abnormal discharge and generation of particles can be prevented.

また、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットの製造方法では、スパッタリングターゲットの原料となるCu−Ga合金粉末を作製する際に、Cu粉末を、水素ガスを含む混合ガス雰囲気中において150℃〜300℃の温度で撹拌することによって、Cu粉末の表面のGaとの反応性が高まり、Cu粉末とGaとの反応が十分に行われるようになる。これにより、得られたCu−Ga合金粉末は、Cu粉末の表面に、Ga濃度が高くGa濃度のばらつきが3.0質量%以内に抑制された均一なCu−Ga金属間化合物層が形成される。   Moreover, in the manufacturing method of a Cu-Ga alloy sputtering target, when producing Cu-Ga alloy powder used as the raw material of a sputtering target, Cu powder is temperature of 150 to 300 degreeC in the mixed gas atmosphere containing hydrogen gas. , The reactivity of the surface of the Cu powder with Ga increases, and the reaction between the Cu powder and Ga is sufficiently performed. As a result, the obtained Cu—Ga alloy powder has a uniform Cu—Ga intermetallic compound layer in which the Ga concentration is high and the variation in Ga concentration is suppressed within 3.0 mass% on the surface of the Cu powder. The

Cu−Ga合金スパッタリングターゲットの製造方法では、このGa濃度のばらつきが抑制されたCu−Ga合金粉末を真空又は不活性ガス雰囲気中で250℃〜836℃の温度で熱処理することによって、Cu粒子表面のCu−Ga金属間化合物層中のGaと粒子内部のCuとが相互拡散して、Cu粒子の表面のGa濃度が低下し、焼結中にGaの液相が発生することを抑制できる。   In the method for producing a Cu—Ga alloy sputtering target, the Cu particle surface is obtained by heat-treating the Cu—Ga alloy powder in which the variation in Ga concentration is suppressed at a temperature of 250 ° C. to 836 ° C. in a vacuum or an inert gas atmosphere. It can be suppressed that Ga in the Cu-Ga intermetallic compound layer and Cu inside the particles are interdiffused to lower the Ga concentration on the surface of the Cu particles and to generate a Ga liquid phase during sintering.

このようにCu−Ga合金スパッタリングターゲットの製造方法では、Ga濃度のばらつきが抑制されたCu−Ga合金粉末を原料に用い、このCu−Ga合金粉末に対して焼結前に熱処理を行うことによって、焼結工程においてホットプレスによる焼結中にGaの液相が発生することなく焼結が進行し、Ga濃度のばらつきが抑制されたスパッタリングターゲットを作製することができる。このCu−Ga合金スパッタリングターゲットの製造方法により得られたCu−Ga合金スパッタリングターゲットは、Gaの濃度のばらつきが3.0質量%以内の組成が均一な高品質のものとなる。   Thus, in the manufacturing method of a Cu-Ga alloy sputtering target, by using the Cu-Ga alloy powder in which the variation in Ga concentration is suppressed as a raw material, the Cu-Ga alloy powder is subjected to heat treatment before sintering. In the sintering step, sintering proceeds without causing a Ga liquid phase during sintering by hot pressing, and a sputtering target in which variation in Ga concentration is suppressed can be manufactured. The Cu—Ga alloy sputtering target obtained by this method for producing a Cu—Ga alloy sputtering target is of a high quality having a uniform composition with a variation in Ga concentration within 3.0 mass%.

以下、本発明を適用した具体的な実施例について説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。   Specific examples to which the present invention is applied will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

<実施例1>
[撹拌工程]
先ず、第1の工程として撹拌工程では、防錆剤処理された電解Cu粉末(平均粒径100μm、BET0.088m/g、Fe、Cr、Niそれぞれ1ppm未満、酸素:0.16質量%、炭素0.011質量%)650gを、TiNコーティング容器及び攪拌子を備えた二軸遊星型5L混合撹拌装置(小平製作所製5XDmv−rr型)に投入した。容器内を真空度100Pa以下(酸素分圧20Pa以下)まで真空排気した後に、水素と窒素の混合ガス(水素ガス濃度1%)で置換し、攪拌しながら250℃、30分間保持した後、150℃まで冷却した。
<Example 1>
[Stirring process]
First, in the stirring step as the first step, electrolytic Cu powder (average particle size 100 μm, BET 0.088 m 2 / g, Fe, Cr, Ni each less than 1 ppm, oxygen: 0.16% by mass, 650 g of carbon (0.011% by mass) was charged into a biaxial planetary type 5 L mixing and stirring device (5XDmv-rr type manufactured by Kodaira Seisakusho) equipped with a TiN coating container and a stirring bar. The inside of the container was evacuated to a vacuum of 100 Pa or less (oxygen partial pressure of 20 Pa or less), and then replaced with a mixed gas of hydrogen and nitrogen (hydrogen gas concentration 1%). Cooled to ° C.

[合金粉末作製工程]
次に、第2の工程として合金作製工程では、容器内を真空度50Pa以下(酸素分圧10Pa以下)まで真空排気した後、Arガスに置換した。Ga(Fe、Cr、Niそれぞれ1ppm未満、酸素0.01質量%未満、炭素0.001質量%未満)を50℃に加温した液体Gaを、Cu粉末の入っている容器内に350g(Ga配合割合35質量%)投入した。攪拌しながら150℃、1時間保持した。室温まで冷却して取り出したCu−Ga合金粉末を顕微鏡観察したところ、Cu粉末表面は合金化して灰白色になっており、Cu−Ga合金で被覆されていない未反応のCu粉末は認められなかった。合金粉末1gのサンプルを3点採取してICP分析(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)によりGa濃度を調べたところ、最小34.4質量%、最大35.8質量%であって、最大と最小の差は1.4質量%と小さかった。
[Alloy powder production process]
Next, in the alloy production process as a second process, the inside of the container was evacuated to a vacuum degree of 50 Pa or less (oxygen partial pressure of 10 Pa or less) and then replaced with Ar gas. Liquid Ga in which Ga (Fe, Cr, Ni each less than 1 ppm, oxygen less than 0.01% by mass, carbon less than 0.001% by mass) was heated to 50 ° C. was put in a container containing Cu powder in an amount of 350 g (Ga (Mixing ratio 35% by mass). It was kept at 150 ° C. for 1 hour with stirring. When the Cu—Ga alloy powder taken out after cooling to room temperature was observed with a microscope, the surface of the Cu powder was alloyed to become grayish white, and no unreacted Cu powder not covered with the Cu—Ga alloy was observed. . Three samples of 1 g of alloy powder were collected and the Ga concentration was examined by ICP analysis (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry). The minimum was 34.4% and the maximum was 35.8% by mass. Was as small as 1.4% by mass.

[熱処理工程]
次に、第3工程として熱処理工程では、Cu−Ga合金粉末100gをホットプレス用の内径50mm黒鉛型にセットし、ホットプレス装置(大亜真空株式会社製)に取り付けた。装置内を50Pa以下(酸素分圧10Pa以下)まで真空排気しながら、プレス圧力は無負荷の状態で加熱し、温度750℃、1時間保持の条件で熱処理した。
[Heat treatment process]
Next, in the heat treatment step as the third step, 100 g of Cu—Ga alloy powder was set in a graphite mold having an inner diameter of 50 mm for hot pressing, and attached to a hot pressing apparatus (manufactured by Daia Vacuum Co., Ltd.). While the inside of the apparatus was evacuated to 50 Pa or less (oxygen partial pressure of 10 Pa or less), the press pressure was heated in an unloaded state, and heat treatment was performed at a temperature of 750 ° C. for 1 hour.

[焼結工程]
引き続いて第4工程として焼結工程では、温度750℃のままプレス圧力30MPaを加圧し1時間保持の条件でホットプレスを実施し、直径50mm、厚み6mmの焼結体(ターゲット材)を取り出した。実施例1では、焼結体を製造するにあたって、割れは発生しなかった。
[Sintering process]
Subsequently, in the sintering step as the fourth step, a press pressure of 30 MPa was applied while maintaining the temperature at 750 ° C., and hot pressing was performed for 1 hour, and a sintered body (target material) having a diameter of 50 mm and a thickness of 6 mm was taken out. . In Example 1, cracks did not occur when the sintered body was manufactured.

[評価]
同様の方法で焼結体を複数作製し、これらの焼結体を光学顕微鏡観察、EPMA分析、X線回折測定、三点曲げ強度測定、酸素含有量分析及びスパッタ成膜に使用した。
[Evaluation]
A plurality of sintered bodies were produced by the same method, and these sintered bodies were used for optical microscope observation, EPMA analysis, X-ray diffraction measurement, three-point bending strength measurement, oxygen content analysis, and sputter film formation.

(半値幅)
焼結体のスパッタ面に相当する直径(φ)50mmの面を、X線回折装置(スペクリスト社製、X‘PertPRO/MPD)を用いて測定した。その結果、2θが36、39、44、49、51、53、58及び64deg.近傍の位置に回折ピークがあり、それぞれγ相群の(222)面、(321)面、(330)面、(332)面、(422)面、(510)面、(521)面、(600)面と特定された。γ相群の8つの面の回折ピークの半値幅は、表1に示すようになった。これら8つの面の回折ピークの半値幅の平均は0.26deg.と大きかった。ここで、半値幅は、Cu−Kα1とKα2のピーク分離を行ってCu−Kα1線のみによる回折ピークを抽出して求めた。
(Half width)
A surface having a diameter (φ) of 50 mm corresponding to the sputtered surface of the sintered body was measured using an X-ray diffractometer (Specter Corp., X′PertPRO / MPD). As a result, 2θ is 36, 39, 44, 49, 51, 53, 58 and 64 deg. There are diffraction peaks at nearby positions, and the (222) plane, (321) plane, (330) plane, (332) plane, (422) plane, (510) plane, (521) plane, ( 600) plane. The half-value widths of the diffraction peaks on the eight faces of the γ phase group are as shown in Table 1. The average half-width of the diffraction peaks of these eight surfaces is 0.26 deg. It was big. Here, the half width was obtained by performing peak separation of Cu-Kα1 and Kα2 and extracting a diffraction peak only from the Cu-Kα1 line.

(配向度指数)
X線回折におけるγ相群の(222)面、(321)面、(330)面、(332)面、(422)面、(510)面、(521)面、(600)面の配向度指数は、表2に示すようになった。すべての面において、配向度指数が1.5以下であり、1に近いものとなったので結晶の配向性は少ないとわかった。また、γ相群と異なる金属相の回折ピークは認められなかった。
(Orientation index)
Orientation degree of (222) plane, (321) plane, (330) plane, (332) plane, (422) plane, (510) plane, (521) plane, (600) plane of γ phase group in X-ray diffraction The indices are as shown in Table 2. In all the planes, the orientation degree index was 1.5 or less, which was close to 1, so it was found that the crystal orientation was small. Further, a diffraction peak of a metal phase different from the γ phase group was not observed.

(空孔率)
焼結体のスパッタ面に相当する直径(φ)50mmの面を研磨した。この研磨面を光学顕微鏡観察したところ、図3に示すように、色調が一様であり、単純なひとつの金属相からなることがわかる。また空孔がほとんどなく緻密であることがわかる。空孔率は、研磨面を200倍で撮影した異なる5つ視野の画像から画像解析ソフトImageJを用いて空孔部分を抽出して面積割合を求めた。その結果、空孔率は0.007%と極めて少なかった。
(Porosity)
A surface having a diameter (φ) of 50 mm corresponding to the sputter surface of the sintered body was polished. When the polished surface is observed with an optical microscope, it can be seen that the color tone is uniform and is composed of a simple metal phase as shown in FIG. Moreover, it turns out that there is almost no void | hole and it is dense. As for the porosity, the area ratio was obtained by extracting the void portion from the images of five different fields of view obtained by photographing the polished surface at 200 times using image analysis software ImageJ. As a result, the porosity was as extremely low as 0.007%.

(平均結晶粒径)
結晶粒が観察できるよう偏光観察に切り替えたところ、小さな結晶粒組織であった。200倍で撮影した異なる5つ視野の偏光顕微鏡画像に、線分を引き、線分を横切る結晶粒の数を求め、線分長さをこの粒子数で除して平均結晶粒径を求めた。その結果、平均結晶粒径は13μmであった。
(Average crystal grain size)
When switched to polarization observation so that crystal grains could be observed, a small grain structure was obtained. A line segment was drawn on a polarization microscope image of five different fields taken at 200 times, the number of crystal grains crossing the line segment was determined, and the average crystal grain size was determined by dividing the line segment length by this number of particles. . As a result, the average crystal grain size was 13 μm.

(面積割合)
EPMA分析装置(日本電子(株)社製JXA−8100)により二次電子像、反射電子像および定量分析から、この焼結体のスパッタ面に相当する研磨面のγ相群を特定し、画像から面積割合を求めた。面積割合は、99.9面積%であり、単純な金属相から構成されているとわかった。
(Area ratio)
From the secondary electron image, backscattered electron image, and quantitative analysis using an EPMA analyzer (JXA-8100 manufactured by JEOL Ltd.), the γ phase group of the polished surface corresponding to the sputtered surface of this sintered body is identified, and the image From this, the area ratio was determined. The area ratio was 99.9 area%, which was found to be composed of a simple metal phase.

(スパッタリングターゲットの均一性)
EPMA分析によりスパッタ面に相当する研磨面の異なる6箇所のGa濃度を分析した。この結果、最小34.5質量%、最大35.4質量%であって最大と最小の差0.9質量%と小さく、組成が均一なターゲットであった。
(Uniformity of sputtering target)
EPMA analysis was performed to analyze the Ga concentration at six locations on the polished surface corresponding to the sputtering surface. As a result, the minimum was 34.5% by mass, the maximum was 35.4% by mass, the difference between the maximum and minimum was 0.9% by mass, and the target was uniform in composition.

(酸素含有量)
焼結体の酸素含有量を不活性ガス融解−赤外線吸収法により分析した結果、酸素含有量は0.04質量%と少なかった。
(Oxygen content)
As a result of analyzing the oxygen content of the sintered body by an inert gas melting-infrared absorption method, the oxygen content was as small as 0.04% by mass.

(三点曲げ強度)
焼結体から30mm×4mm×3mmの試験片を5個切り出し、JIS R1601(ファインセラミックス室温曲げ強さの試験方法)に記載の方法に則って三点曲げ試験を行い、5試料の三点曲げ強度の平均値を算出したところ、271MPaであった。
(3-point bending strength)
Five test pieces of 30 mm x 4 mm x 3 mm are cut out from the sintered body, and a three-point bending test is performed in accordance with the method described in JIS R1601 (Test method for fine ceramic room temperature bending strength). It was 271 Mpa when the average value of intensity | strength was computed.

以上の結果を表3、表4に示す。   The above results are shown in Tables 3 and 4.

[スパッタ膜の作製]
次に、焼結体を平面研削してCu製バッキングプレートに接合してCu−Ga合金スパッタリングターゲットを作製した。これをスパッタ装置(アルバック製SH450)に取り付け、1.0×10−4Pa以下まで真空排気した後、Arガス(純度:99.99%)を導入して、Arガス圧0.5Pa、DC100Wの条件でスパッタし、スパッタ膜を成膜した。マイクロアークモニター(ランドマークテクノロジー社製)を用いて1分間平均の異常放電を計数した結果、平均値は0回/分であり、異常放電のない良好なターゲットであるとわかった。また、スパッタ中にCu−Ga合金スパッタリングターゲットが割れることはなかった。
[Preparation of sputtered film]
Next, the sintered body was ground and joined to a Cu backing plate to prepare a Cu—Ga alloy sputtering target. This was attached to a sputtering device (SH450 manufactured by ULVAC), evacuated to 1.0 × 10 −4 Pa or less, Ar gas (purity: 99.99%) was introduced, Ar gas pressure 0.5 Pa, DC 100 W Sputtering was performed under the following conditions to form a sputtered film. As a result of counting the average abnormal discharge for 1 minute using a micro arc monitor (manufactured by Landmark Technology Co., Ltd.), the average value was 0 times / minute, and it was found to be a good target without abnormal discharge. Further, the Cu—Ga alloy sputtering target was not cracked during sputtering.

(パーティクル)
このCu−Ga合金スパッタリングターゲットを用いて、直径3インチのSiウエハー基板に成膜したスパッタ膜を光学顕微鏡観察して、スプラッシュやパーティクルが付着した膜欠陥の数を求めた結果、0.0個/cmであり、膜欠陥がなかった。
(particle)
Using this Cu-Ga alloy sputtering target, the sputtered film formed on the Si wafer substrate having a diameter of 3 inches was observed with an optical microscope, and the number of film defects to which splash or particles adhered was obtained. / Cm 2 and there was no film defect.

(成膜速度)
ソーダライムガラス基板に成膜したスパッタ膜の膜厚と成膜時間から求めた成膜速度は10.2nm/minであった。
(Deposition rate)
The deposition rate obtained from the thickness of the sputtered film deposited on the soda lime glass substrate and the deposition time was 10.2 nm / min.

(膜の均一性)
スパッタ膜の組成について、スパッタ面に相当する研磨面の異なる5箇所のEPMA分析をした結果、最小34.7質量%、最大35.2質量%であって、最大と最小の差は0.5質量%と極めて小さく均一な膜とわかった。
(Membrane uniformity)
The composition of the sputtered film was subjected to EPMA analysis at five locations on the polished surface corresponding to the sputtered surface. As a result, the minimum was 34.7% by mass and the maximum was 35.2% by mass. It was found to be an extremely small and uniform film of mass%.

(成膜時間・消費率)
スパッタ積算時間10時間の時点でオプティカルプロファイラー(Zygo社製NewView6200)を用いてターゲットのエロージョン最深部の表面粗さを測定した結果、平均粗さRaは0.89μmであった。スパッタ積算時間10時間までにターゲットが減少した重量とスパッタ前のターゲット重量の比から求めたターゲット消費率は17%であった。
(Deposition time and consumption rate)
As a result of measuring the surface roughness of the erosion deepest part of the target using an optical profiler (NewView 6200 manufactured by Zygo) at the time when the sputter integration time was 10 hours, the average roughness Ra was 0.89 μm. The target consumption rate determined from the ratio of the weight of the target decreased by the sputtering integrated time of 10 hours and the target weight before sputtering was 17%.

以上の結果を表4、表5、表6に示す。   The above results are shown in Table 4, Table 5, and Table 6.

<実施例2>
実施例2では、電解Cu粉700g、Ga300g、第3工程の熱処理工程及び第4工程の焼結工程を830℃、とした以外は実施例1と同様にしてCu−Ga合金焼結体を作製した。作製したCu−Ga合金焼結体をX線回折分析したところ、γ相群の回折ピークの他に、β相と思われる別な金属相の小さな回折ピークも混入していた。γ相群の半値幅は、表1に示すようになり、配向度指数は表2に示すようになった。また、Cu−Ga合金焼結体について、実施例1と同様に光学顕微鏡観察、EPMA分析、X線回折測定、三点曲げ強度測定、酸素含有量分析を行った結果を表3、表4に示す。
<Example 2>
In Example 2, a Cu—Ga alloy sintered body was produced in the same manner as in Example 1 except that 700 g of electrolytic Cu powder, 300 g of Ga, the heat treatment step in the third step, and the sintering step in the fourth step were set to 830 ° C. did. When the produced Cu—Ga alloy sintered body was subjected to X-ray diffraction analysis, in addition to the diffraction peak of the γ phase group, a small diffraction peak of another metal phase considered to be a β phase was also mixed. The half width of the γ phase group is as shown in Table 1, and the orientation index is as shown in Table 2. Moreover, about the Cu-Ga alloy sintered compact, the result of having performed optical microscope observation, EPMA analysis, X-ray diffraction measurement, three-point bending strength measurement, and oxygen content analysis similarly to Example 1 is shown in Table 3, Table 4. Show.

次に、実施例1と同様にCu−Ga合金焼結体を用いてCu−Ga合金スパッタリングターゲットを作製してスパッタした結果を表4、表5、表6に示す。   Next, the results of producing and sputtering a Cu—Ga alloy sputtering target using a Cu—Ga alloy sintered body in the same manner as in Example 1 are shown in Table 4, Table 5, and Table 6.

<実施例3>
実施例3では、電解Cu粉600g、Ga400g、第3工程の熱処理工程及び第4工程の焼結工程を400℃、とした以外は実施例1と同様にしてCu−Ga合金焼結体を作製した。Cu−Ga合金焼結体について、実施例1と同様に光学顕微鏡観察、EPMA分析、X線回折測定、三点曲げ強度測定、酸素含有量分析を行った結果を表3、表4に示す。次に実施例1と同様にCu−Ga合金焼結体を用いてCu−Ga合金スパッタリングターゲットを作製してスパッタした結果を表4、表5、表6に示す。
<Example 3>
In Example 3, a Cu—Ga alloy sintered body was produced in the same manner as in Example 1 except that 600 g of electrolytic Cu powder, 400 g of Ga, the heat treatment step in the third step, and the sintering step in the fourth step were set to 400 ° C. did. Tables 3 and 4 show the results of performing optical microscope observation, EPMA analysis, X-ray diffraction measurement, three-point bending strength measurement, and oxygen content analysis on the Cu—Ga alloy sintered body in the same manner as in Example 1. Next, Table 4, Table 5, and Table 6 show the results of producing and sputtering a Cu—Ga alloy sputtering target using a Cu—Ga alloy sintered body in the same manner as in Example 1.

<参考例1>
参考例1では、電気銅650g、Ga片350gを黒鉛るつぼに入れ、真空溶解炉(大亜真空製)にセットした。炉内を9.0×10−3Pa以下まで真空に引いた後に、27kPaとなるようにArガスを導入した。この状態で高周波電源を用いて黒鉛るつぼを加熱し、電気銅及びGaを溶解して、黒鉛鋳型に注いで鋳造した。この鋳造塊をArガス雰囲気中、ジョークラッシャーで粉砕してCu−Ga合金粉末を作製した。
<Reference Example 1>
In Reference Example 1, 650 g of electrolytic copper and 350 g of Ga pieces were placed in a graphite crucible and set in a vacuum melting furnace (manufactured by Daia Vacuum). After the inside of the furnace was evacuated to 9.0 × 10 −3 Pa or less, Ar gas was introduced so as to be 27 kPa. In this state, the graphite crucible was heated using a high-frequency power source, electrolytic copper and Ga were dissolved, and poured into a graphite mold for casting. The cast ingot was pulverized with a jaw crusher in an Ar gas atmosphere to prepare a Cu—Ga alloy powder.

次に、Cu−Ga合金粉末100gをホットプレス用の内径50mm黒鉛型にセットし、ホットプレス装置(大亜真空株式会社製)に取り付けた。装置内を50Pa以下(酸素分圧10Pa以下)まで真空排気しながら、プレス圧力30MPa、温度750℃、1時間保持の条件でホットプレスして、直径50mm、厚み6mmの焼結体(ターゲット材)を取り出した。   Next, 100 g of Cu—Ga alloy powder was set in a graphite mold with an inner diameter of 50 mm for hot pressing, and attached to a hot pressing apparatus (manufactured by Daia Vacuum Co., Ltd.). While the inside of the apparatus is evacuated to 50 Pa or less (oxygen partial pressure of 10 Pa or less), it is hot-pressed under the conditions of a press pressure of 30 MPa, a temperature of 750 ° C., and an hour holding, and a sintered body (target material) having a diameter of 50 mm and a thickness of 6 mm Was taken out.

作製したCu−Ga合金焼結体の半値幅は、表1に示すようになり、配向度指数は表2に示すようになった。   The half width of the produced Cu—Ga alloy sintered body is as shown in Table 1, and the orientation degree index is as shown in Table 2.

焼結体を実施例1と同様に光学顕微鏡観察、EPMA分析、X線回折測定、三点曲げ強度測定、酸素含有量分析を行った結果を表3、表4に示す。実施例1と同様にスパッタリングターゲットを作製してスパッタした結果を表4、表5、表6に示す。   Tables 3 and 4 show the results of performing optical microscope observation, EPMA analysis, X-ray diffraction measurement, three-point bending strength measurement, and oxygen content analysis on the sintered body in the same manner as in Example 1. Tables 4, 5, and 6 show the results of sputtering and producing a sputtering target in the same manner as in Example 1.

<参考例2>
比較例2では、電気銅570g、Ga片430g、ホットプレス温度250℃とした以外は参考例1と同様にして焼結体及びスパッタリングターゲットを作製した。
<Reference Example 2>
In Comparative Example 2, a sintered body and a sputtering target were produced in the same manner as in Reference Example 1 except that 570 g of electrolytic copper, 430 g of Ga pieces, and a hot press temperature of 250 ° C. were used.

焼結体を実施例1と同様に光学顕微鏡観察、EPMA分析、X線回折測定、三点曲げ強度測定、酸素含有量分析を行った結果を表3、表4に示す。実施例1と同様にスパッタリングターゲットを作製してスパッタした結果を表4、表5、表6に示す。   Tables 3 and 4 show the results of performing optical microscope observation, EPMA analysis, X-ray diffraction measurement, three-point bending strength measurement, and oxygen content analysis on the sintered body in the same manner as in Example 1. Tables 4, 5, and 6 show the results of sputtering and producing a sputtering target in the same manner as in Example 1.

Figure 2012201948
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Figure 2012201948

以上、表3に示す結果から、実施例1〜3のスパッタリングターゲットは、空孔率が1%以下、平均結晶粒径が20μ以下、γ相群の面積割合が95.0面積%以上であることから緻密であり、微細な平均結晶粒径と単純な金属相を有し、三点曲げ強度が200MPa以上と強いことがわかる。   As described above, from the results shown in Table 3, the sputtering targets of Examples 1 to 3 have a porosity of 1% or less, an average crystal grain size of 20 μm or less, and an area ratio of the γ phase group of 95.0 area% or more. This indicates that it is dense, has a fine average crystal grain size and a simple metal phase, and has a strong three-point bending strength of 200 MPa or more.

また、表1、2から、実施例1〜3のスパッタリングターゲットは、半値幅の平均が0.13deg.以上と幅広いX線回折による半値幅を持ち、配向度指数が1.5以下であり、結晶配向がほとんどないことがわかる。表4から、酸素含有量が0.2%以下と少なく、またGa濃度の差が3.0質量%以下と小さいことからスパッタリングターゲット内の組成が均一であることがわかる。表4、表5から、実施例1〜3のスパッタリングターゲットを用いてスパッタすれば、スパッタリングターゲットが割れることなく、均一なスパッタ膜を形成できるとわかる。また、表5から、実施例1〜3のスパッタリングターゲットは、空孔率が1%以下であることから異常放電が発生せず、また平均結晶粒径が20μm以下であり、三点曲げ強度が200MPa以上であることから、エロージョン粗さが小さく平滑となり、膜欠陥の少ないスパッタ膜を形成できることがわかる。更に、表6から、実施例1〜3のスパッタリングターゲットは、γ相群の8面の配向度指数が1.5以下であることから、成膜速度が速く、ターゲットの消費も少なく、生産性が高いことがわかる。   From Tables 1 and 2, the sputtering targets of Examples 1 to 3 have an average half width of 0.13 deg. As described above, it has a full width at half maximum by X-ray diffraction, an orientation degree index of 1.5 or less, and it can be seen that there is almost no crystal orientation. Table 4 shows that the composition of the sputtering target is uniform because the oxygen content is as low as 0.2% or less and the difference in Ga concentration is as small as 3.0% by mass or less. From Tables 4 and 5, it can be seen that if sputtering is performed using the sputtering targets of Examples 1 to 3, a uniform sputtered film can be formed without cracking the sputtering target. Also, from Table 5, the sputtering targets of Examples 1 to 3 do not generate abnormal discharge because the porosity is 1% or less, the average crystal grain size is 20 μm or less, and the three-point bending strength is Since it is 200 MPa or more, it turns out that erosion roughness becomes small and smooth, and a sputtered film with few film defects can be formed. Further, from Table 6, since the sputtering targets of Examples 1 to 3 have an orientation degree index of 8 faces of the γ phase group of 1.5 or less, the film formation speed is high, the target consumption is small, and the productivity is high. Is high.

一方、参考例1では、平均結晶粒径が20μmよりも大きく、三点曲げ強度が200MPaよりも小さいことから、スパッタの際に割れが発生し、エロージョン粗さが大きくスパッタリングターゲットの表面が平滑ではなく、膜にパーティクルが発生した。   On the other hand, in Reference Example 1, since the average crystal grain size is larger than 20 μm and the three-point bending strength is smaller than 200 MPa, cracks occur during sputtering, the erosion roughness is large, and the surface of the sputtering target is not smooth. There was no particle on the film.

参考例2では、平均結晶粒径が20μmよりも大きく、三点曲げ強度が200MPaよりも小さいことから、スパッタの際に割れが発生した。また、参考例2では、γ相群の面積割合が95面積%よりも少ないことから、膜の均一性が得られなかった。更に、参考例2では、空孔率が1%よりも大きいため、割れが発生し、異常放電も発生した。   In Reference Example 2, since the average crystal grain size was larger than 20 μm and the three-point bending strength was smaller than 200 MPa, cracks occurred during sputtering. Further, in Reference Example 2, since the area ratio of the γ phase group was less than 95 area%, film uniformity could not be obtained. Furthermore, in Reference Example 2, since the porosity was larger than 1%, cracks occurred and abnormal discharge also occurred.

上述した実施例及びに参考例から、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットの空孔率を1%以下、平均結晶粒径が20μ以下、γ相群の面積割合が95面積%以上、空孔率が1%以下、かつ三点曲げ強度が200MPa以上であることによって、Ga濃度が30質量%〜45質量%と高くても、割れ、スパッタリング中の異常放電が発生せず、また膜にパーティクルが発生せず、組成が均一なスパッタ膜を形成することができる。   From the examples and reference examples described above, the porosity of the Cu—Ga alloy sputtering target is 1% or less, the average crystal grain size is 20 μm or less, the area ratio of the γ phase group is 95% by area or more, and the porosity is 1 % And a three-point bending strength of 200 MPa or more, even if the Ga concentration is as high as 30% to 45% by mass, no abnormal discharge during cracking or sputtering occurs, and no particles are generated in the film. Therefore, a sputtered film having a uniform composition can be formed.

Claims (4)

Ga濃度が30質量%〜45質量%のCu−Ga合金スパッタリングターゲットであって、
平均結晶粒径が20μm以下、γ相、γ相、γ相及びγ相からなる群の面積割合が95面積%以上、空孔率が1%以下、かつ三点曲げ強度が200MPa以上であることを特徴とするCu−Ga合金スパッタリングターゲット。
A Cu-Ga alloy sputtering target having a Ga concentration of 30 mass% to 45 mass%,
The average crystal grain size is 20 μm or less, the area ratio of the group consisting of γ 1 phase, γ 2 phase, γ 3 phase and γ phase is 95 area% or more, the porosity is 1% or less, and the three-point bending strength is 200 MPa or more. Cu-Ga alloy sputtering target characterized by the above-mentioned.
X線回折におけるγ相、γ相、γ相及びγ相からなる群の(222)面、(321)面、(330)面、(332)面、(422)面、(510)面、(521)面、(600)面の下記式から求まる配向度指数K(hkl)が1.5以下であることを特徴とする請求項1記載のCu−Ga合金スパッタリングターゲット。
(hkl)=(I(hkl)/ΣI(hkl))/(ID(hkl)/ΣID(hkl)
ただし、式中の
(hkl)は測定された前記群の(hkl)面の回折ピーク強度であり、
D(hkl)は標準データであるICDDカードデータ中の71−0458に示されているγ相の(hkl)面の回折ピーク強度であり、
ΣI(hkl)、ΣID(hkl)は、
ΣI(hkl)=I(222)+I(321)+I(330)+I(332)
+I(422)+I(510)+I(521)+I(600)
ΣID(hkl)=ID(222)+ID(321)+ID(330)
+ID(332)+ID(422)+ID(510)
+ID(521)+ID(600)
である。
(222) plane, (321) plane, (330) plane, (332) plane, (422) plane, (510) of the group consisting of γ 1 phase, γ 2 phase, γ 3 phase and γ phase in X-ray diffraction The Cu-Ga alloy sputtering target according to claim 1, wherein an orientation degree index K (hkl) obtained from the following formulas of the plane, the (521) plane, and the (600) plane is 1.5 or less.
K (hkl) = (I (hkl) / ΣI (hkl) ) / ( ID (hkl) / ΣID (hkl) )
Where I (hkl) is the measured diffraction peak intensity of the (hkl) plane of the group,
ID (hkl) is the diffraction peak intensity of the (hkl) plane of the γ phase indicated by 71-0458 in the ICDD card data as standard data,
ΣI (hkl) and ΣID (hkl) are
ΣI (hkl) = I (222) + I (321) + I (330) + I (332)
+ I (422) + I (510) + I (521) + I (600)
ΣI D (hkl) = ID (222) + ID (321) + ID (330)
+ ID (332) + ID (422) + ID (510)
+ ID (521) + ID (600)
It is.
酸素含有量が0.2質量%以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のCu−Ga合金スパッタリングターゲット。   The Cu-Ga alloy sputtering target according to claim 1 or 2, wherein the oxygen content is 0.2 mass% or less. Ga濃度のばらつきが3.0質量%以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載のCu−Ga合金スパッタリングターゲット。   The Cu-Ga alloy sputtering target according to any one of claims 1 to 3, wherein variation in Ga concentration is 3.0 mass% or less.
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