JP5153911B2 - スパッタリングターゲット及びその製造方法 - Google Patents
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Description
すなわち、高密度で高Ga含有量のCuGaターゲットは、非常に硬くかつ延性が乏しいため、切削での表面加工が困難であり、研削加工を使用せざるを得ないという不都合があった。このため、ターゲットの加工速度が遅く、かつ複雑形状の加工が非常に困難であった。また、CuGaにNaをドープしたターゲットにおいても、上記同様な課題がある。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第1の発明のスパッタリングターゲットは、Ga:20〜40at%、Sb:0.1〜3at%、残部がCu及び不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする。
この第1の発明では、Sb:0.1〜3at%を含有しているので、高い密度であっても高い被切削性を有することができる。
すなわち、第2の発明では、Cu−Ga合金を主とする合金相の結晶粒中またはその粒界(以下、粒界等と略記する場合がある)に、Sb単体またはSbとCuとを含む化合物を含む組織を有するので、粒界等にあるSb単体またはSbとCuとを含む化合物によって快削性を発揮することができ、被切削性を向上させることができる。
本発明者らは、Sbを添加した場合、スパッタリングターゲット素地中のGa単体の存在は、スパッタリングターゲットの被切削性に影響を与えることを発見した。すなわち、Gaが単体でスパッタリングターゲットに含まれると、Sbを含有したCu−Gaスパッタリングターゲットは焼結後の機械加工の際に、チッピングや欠け等が発生しやすくなることが判った。
これを解決すべく、本発明のスパッタリングターゲットでは、スパッタリングターゲット素地中のGaがCu−Ga二元合金の形態で含有されていることを特徴とする。すなわち、GaをCu−Gaの固溶体又は金属間化合物とすることにより、焼結後、切削加工中において、チッピング、欠けを生ずることなく、スパッタに適した加工表面を実現することができる。
また、スパッタリングターゲット中のGaは、CuGa合金および部分的にGaSb合金として含まれる。
すなわち、第4の発明は、さらに、Naが、NaF化合物、Na2S化合物またはNa2Se化合物の状態で、スパッタリングターゲット中の全金属元素に対し、0.05〜2at%含有しているので、発電効率の向上に有効なNaを含有したCu−Ga膜を成膜することができる。なお、このNaを含有したCu−Ga膜におけるF(フッ素)、硫黄(S)は、太陽電池の光吸収層の特性に特に影響を及ぼさない。
ここで、Naの含有量を上記範囲に設定した理由は、Na添加量が2at%を超えると、下地となるMo電極への密着力が低下し、その後のセレン化プロセス中に膜剥がれが発生するためである。一方、Na添加量が0.05at%より少ないと、発電効率の向上効果が得られないためである。なお、Naの好ましい量は、0.1at%〜0.5at%である。
すなわち、第5の発明では、原料粉末として、GaをCuGa合金またはGaSb合金として含有するので、金属Gaのみで原料粉末に添加する場合よりも、焼結体組織中のGaを確実に合金化することができ、Cu,Ga,Sbからなる焼結体の切削加工性を向上することができる。
すなわち、第6の発明では、原料粉末中で、GaをCuGa合金またはGaSb合金として含有するので、金属Gaのみで原料粉末に添加する場合よりも、焼結体組織中のGaを確実に合金化することができ、Cu,Ga,Sbからなる焼結体の切削加工性を向上することができる。
すなわち、本発明に係るスパッタリングターゲット及びその製造方法によれば、Sb:0.1〜3at%を含有するので、高い密度であっても高い被削性を有することができる。したがって、本発明のスパッタリングターゲットでは、切削での表面加工が容易であり、スパッタリングターゲットの加工速度が早く、かつ複雑形状の加工も容易となる。また、本発明のスパッタリングターゲットを用いることで、スパッタ法によりSb含有Cu−Ga膜を形成することができる。
また、本実施形態のスパッタリングターゲットは、Cu−Ga合金を主とする合金相の結晶粒内または粒界に、Sb単体またはSbとCuとを含む化合物を含む組織を有している。さらにこのSb単体またはSbとCuとを含む化合物が、例えば200μm×150μmの範囲において粒径(内接円相当径)0.5μm以上の当該相が3個以上存在することが好ましい。なお、Cu−Ga合金を主とする合金相の結晶粒内または粒界に介在したSb単体またはSbとCuとを含む化合物およびその粒径は、例えば電子線マイクロアナライザ(EPMA)によるCu、Ga、Sb元素マッピング像により測定できる。
すなわち、スパッタリングターゲット素地中に、Ga単体の存在がなくなることで、スパッタリングターゲットの切削性が向上する。Ga単体の有無の判定及びCuGa合金の有無は、例えばスパッタリングターゲットのX線回折(XRD)測定にて判定できる。すなわち、これらのスパッタリングターゲットの表面を研磨後(Ra:5μm以下)、XRD測定を行い、Ga単体に属するθ=15.24°(方位111)付近、22.77°(113)付近、23.27°(202)付近のピークにより、Ga単体の存在を判定できる。CuGa合金の有無は、同様な方法にてXRD測定を行い、標準回折曲線のカードにて判定できる。スパッタリングターゲット素地中のGa合金の形成方法としては、スパッタリングターゲットの原料とするGaを原料粉末中にCuGaの合金または金属間化合物、GaSbの合金または金属間化合物として添加する方法、または原料となるCu、Ga、Sbを一緒に溶解し合金にする方法等がある。
上記各金属元素の組成評価は、スパッタリングターゲットを粉砕し、ICP法(高周波誘導結合プラズマ法)を用いて含有量を定量分析する。
また、上記HIP法を用いての焼結は、HIP温度(HIP時の保持温度)が400℃〜620℃の範囲内で行われることが好ましい。HIP温度を上記範囲に設定した理由は、400℃未満であると、焼結体の密度が低く、切削加工時にチッピングが発生しやすく、620℃を超えると、HIP中にSbが溶け出し、焼結体中の組成ずれの原因となるためである。
原料粉末を加圧成形後、成形体を真空、不活性雰囲気または還元性雰囲気にて焼結する方法を用いる焼結は、焼結温度(焼結時の保持温度)が550℃〜650℃の範囲内で行われることが好ましい。なお、焼結温度を上記範囲に設定した理由は、550℃未満であると、焼結体の密度が低く、切削加工時にチッピングが発生しやすく、650℃を超えると、焼結中にSbが溶け出し、焼結体中の組成ずれの原因となるためである。金属Sbの融点は630℃付近にあるが、本出願の発明者の研究成果によると、本発明のSb添加量では、上記方法を用いて焼成する場合、焼成温度650℃以下ではSbの溶出が発生しない。
(a)アトマイズ装置により、所定量のCuGaSb全量をCuGaSbアトマイズ粉として製造し、原料粉末とする。なお、Naを添加する場合、所定量のNaF、Na2SまたはNa2Seの粉末を上記原料粉末に混合する。
(b)アトマイズ装置により、所定量のCuGa全量をCuGaアトマイズ粉として製造し、さらに、Sb粉末をこのCuGaアトマイズ粉と混合し、所定組成の原料粉末を作る。なお、Naを添加する場合、所定量のNaF、Na2SまたはNa2Seの粉末を上記原料粉末に混合する。
(c)アトマイズ装置により、CuGaSbアトマイズ粉を作製し、さらにCuGa粉,Cu粉またはSb粉をこのCuGaSbアトマイズ粉に添加し、所定組成の混合粉末を作る。なお、Naを添加する場合、所定量のNaF、Na2SまたはNa2Seの粉末を上記原料粉末に混合する。
(d)所定量のCuGaSb全量を溶解し、鋳造したインゴットを粉砕し、その粉末を原料粉末として用いる。なお、Naを添加する場合、所定量のNaF、Na2SまたはNa2Seの粉末を上記原料粉末に混合する。
なお、加工済みのスパッタリングターゲットの酸化、吸湿を防止するため、スパッタリングターゲット全体を真空パックまたは不活性ガス置換したパックにて保管することが好ましい。
ターゲット素地中のGaはCu−Ga二元合金の形態で含有される。即ち、GaをCu−Gaの固溶体又は金属間化合物とすることにより、焼結後、切削加工中において、チッピング、欠けを生ずることなく、スパッタに適した加工表面を実現することができる。また、スパッタリングターゲット中のGaは、CuGa合金および部分的にGaSb合金として含まれる。
また、本実施形態のスパッタリングターゲットの製造方法では、原料粉末として、粉末中に含まれるGaはCuGa合金またはGaSb合金状態であるので、Ga単相を原料粉末に添加する場合よりもスパッタリングターゲットの切削加工性が向上される。
まず、実施例1から6の原料粉末としては、表1の組成になるように、Cu,Sb,Ga金属の全量をアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことでCuGaSbアトマイズ粉末を作製した。
実施例7の原料粉末としては、表1の組成になるように、Sb,Gaの全量およびCuの半量をアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことでCuGaSbアトマイズ粉末を作製した。次に、得られたCuGaSbアトマイズ粉に、平均粒径2μm以下のCu粉末を投入し、乾式ボールミル(直径:5mmのZrO2ボール、ボール対金属粉重量比=3:1)にて4時間混合して、所定の組成になるCu,Ga,Sb混合粉を作製した。なお、実施例・比較例でも乾式ボールミルはすべて同様の条件を用いている。
実施例9の原料粉末としては、まずCu57Ga40 Sb3(at%)になるように、Cu,Ga,Sbをアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことでCu57Ga40 Sb3(at%)のアトマイズ粉末を作製した。次に、Cu67Ga30 Sb3 (at%)になるように、Cu,Ga,Sbをアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことでCu67Ga30 Sb3 (at%)のアトマイズ粉末を作製した。さらに、表1の組成になるように、得られた2組成のCuGaSbアトマイズ粉を乾式ボールミルにて4時間混合して、表1の所定の組成となるCu,Ga,Sb混合粉を作製した。
実施例13の原料粉末としては、Cu68.5Ga30Sb0.5Na0.5F0.5(at%)となるように、Cu,Ga金属の全量をアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことでCuGaアトマイズ粉末を作製し、次に、得られたCuGaアトマイズ粉に、平均粒径2μm以下に粉砕したSb粉末、および平均粒径1μm以下のNaF粉末を投入し、乾式ボールミルにて8時間混合して表1の混合粉末を作製した。
実施例15の原料粉末としては、Cu63。5Ga35Sb0.5Na0.5F0.5(at%)となるようにCu,Ga,Sb金属の全量をアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことでCuGaSbアトマイズ粉末を作製し、次に、得られたCuGaSbアトマイズ粉に、平均粒径1μm以下のNaF粉末を投入し、乾式ボールミルにて8時間混合して表1の混合粉末を作製した。
実施例17の原料粉末としては、Cu63.75Ga35Sb0.5Na0.5S0.25(at%)となるようにCu,Ga,Sb金属の全量をアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことでCuGaSbアトマイズ粉末を作製し、次に、得られたCuGaSbアトマイズ粉に、平均粒径1μm以下のNa2S粉末を投入し、乾式ボールミルにて4時間混合して表1の混合粉末を作製した。
実施例18の原料粉末としては、Cu63.75Ga35Sb0.5Na0.5Se0.25(at%)となるようにCu,Ga,Sb金属の全量をアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことでCuGaSbアトマイズ粉末を作製し、次に、得られたCuGaSbアトマイズ粉に、平均粒径1μm以下のNa2Se粉末を投入し、乾式ボールミルにて4時間混合して表1の混合粉末を作製した。
本発明の比較例1の原料粉末としては、Cu75Ga25(at%)となるようにCu,Ga金属の全量をアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことで表2のCuGaアトマイズ粉末を作製した。
本発明の比較例2の原料粉末としては、まずCu55Ga45(at%)になるように、Cu,Ga金属をアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことでCu55Ga45(at%)アトマイズ粉末を作製した。次に、同様な方法にてCu85Ga15(at%)アトマイズ粉末を作製した。さらに、上記Cu55Ga45(at%)アトマイズ粉とCu85Ga15(at%)アトマイズ粉の混合粉がCu75Ga25(at%)になるように秤量し、二種類のアトマイズ粉を乾式ボールミルにて4時間混合して表2の混合粉末を作製した。
比較例4は、表2のCu75Ga25(at%)になるようにCu,Ga金属の全量を真空溶解装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、黒鉛製鋳型に出湯し、インゴットを作製した。得られたインゴットをさらに窒素中で800℃まで加熱、1時間保持後に、圧下率5%/パス、合計4パスの圧延を行った。
比較例5の原料粉末としては、Cu69.98Ga30Sb0.02(at%)となるようにCu,Sb,Ga金属の全量をアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことで表2のCuGaSbアトマイズ粉末を作製した。
比較例7は、表2のCu69.98Ga30Sb0.02(at%)となるようにCu,Ga、Sb金属の全量を真空溶解装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、黒鉛製鋳型に出湯し、インゴットを作製した。得られたインゴットをさらに窒素中で600℃まで加熱、1時間保持後に、圧下率5%/パス、合計4パスの圧延を行った。
比較例8の原料粉末としては、Cu60Ga35Sb5(at%)となるようにCu,Sb,Ga金属の全量をアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことで表2のCuGaSbアトマイズ粉末を作製した。
比較例10の原料粉末としては、Cu61.5Ga35Sb3.5(at%)となるように、まずCu,Sb金属の全量をアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことでCuSbアトマイズ粉末を作製し、同時に、20℃以下の低温にて、Gaインゴットを粉砕し、目開き0.5mmの篩で振り分けて、0.5mm以下のGa粉末を作製した。次に、得られたCuSbアトマイズ粉に、前記Ga粉末を投入し、乾式ボールミルにて15℃以下の温度で1時間混合して、表2の混合粉末を作製した。
比較例12の原料粉末としては、Cu63。5Ga35Na1.0S0.5(at%)になるようにCu,Ga金属の全量をアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことでCuGaアトマイズ粉末を作製した。次に、得られたCuGaアトマイズ粉に、平均粒径1μm以下のNa2S粉末を投入し、乾式ボールミルにて4時間混合して表2の混合粉末を作製した。
比較例13の原料粉末としては、Cu63。5Ga35Na1.0Se0.5(at%)になるようにCu,Ga金属の全量をアトマイズ装置に装入し、1150℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認して、アトマイズを行うことでCuGaアトマイズ粉末を作製した。次に、得られたCuGaアトマイズ粉に、平均粒径1μm以下のNa2Se粉末を投入し、乾式ボールミルにて4時間混合して表2の混合粉末を作製した。
このように作製した実施例および比較例の原料粉末を用いて、表3および表4に示す真空ホットプレス法、HIP法または加圧成形後の雰囲気焼結法(焼結時の雰囲気は2気圧の20%水素と80%窒素の混合ガスを使用)、または鋳造法などの方法にて、直径200mm厚み6mmのスパッタリングターゲットを作製した。得られたターゲットの寸法密度を算出し、理論密度比として計算した結果を表3と表4に記載した。
さらに、ターゲットの組織観察およびX線回折測定を行い、また、ICP法(高周波誘導結合プラズマ法)によるターゲット中の金属成分であるGa、Sb、Naの定量分析を行った。また、ターゲットの加工性および切削効果の評価として加工後チッピングの有無および面粗さ(Ra:算術平均粗さ,Rz:十点平均粗さ)をそれぞれ測定して評価した。その結果を表5および表6に示す。
スパッタリングターゲットの組織観察は、焼結したスパッタリングターゲットの破片を樹脂で埋め、平坦な面になるように湿式研磨後、EPMA(電子線マイクロアナライザ:JEOL製 JXA−8500F)にてCu,Ga,Sbの各元素の面分布(MAPPING)測定にて行った。観察条件は、加速電圧15kV、照射電流50nA、スキャンタイプ:片方向、ピクセル(X,Y)240,180、スポットサイズ(X,Y)0.2μm,0.2μm、測定時間10mSとした。また、観察倍率を2000倍とし、200×150μmの範囲を数回に分けて元素分布(マッピング)を測定した。得られたマッピングイメージより、Sb単体およびSbとCuとを含む化合物の少なくとも一方が存在する組織(以下介在Sb相という)が、Cu−Ga合金を主とする合金相の結晶粒内または粒界での存在の有無を確認した。さらに、Sbの組成分布図中、介在Sb相が内接円相当径0.5μm以上の箇所の数を計測した。以上の結果を表5、表6に記載した。
なお、本発明の実施例は、いずれもターゲットは95%以上の高密度が得られている。
Claims (6)
- Ga:20〜40at%、Sb:0.1〜3at%、残部がCu及び不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とするスパッタリングターゲット。
- 請求項1に記載のスパッタリングターゲットにおいて、
Cu−Ga合金を主とする合金相の結晶粒内または粒界に、Sb単体またはSbとCuとを含む化合物の少なくとも一方を含む組織を有することを特徴とするスパッタリングターゲット。 - 請求項1又は2に記載のスパッタリングターゲットにおいて、
スパッタリングターゲット素地中のGaがCu−Ga二元合金の形態で含有されていることを特徴とするスパッタリングターゲット。 - Ga:20〜40at%、Sb:0.1〜3at%、Na化合物、残部がCu及び不可避不純物からなる成分組成を有し、
前記Na化合物が、NaF化合物、Na 2 S化合物またはNa 2 Se化合物であり、全金属元素に対し、Naが0.05〜2at%含有されていることを特徴とするスパッタリングターゲット。 - 請求項1から4のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲットを作製する方法であって、
少なくともCu,GaおよびSbの各元素を単体またはこれらのうち2種以上の元素を含む合金として粉末とした原料粉末を作製する工程と、
前記原料粉末を真空、不活性雰囲気、または還元性雰囲気で熱間加工する工程を含み、
前記原料粉末に含まれるGaがCuGa合金またはGaSb合金として含有されていることを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。 - 請求項4に記載のスパッタリングターゲットを作製する方法であって、
少なくともCu,GaおよびSbの各元素を単体またはこれらのうち2種以上の元素を含む合金として金属粉末とし、前記金属粉末にNaF粉末、Na2S粉末またはNa2Se粉末を混合して原料粉末を作製する工程と、
前記原料粉末を真空、不活性雰囲気、または還元性雰囲気で熱間加工する工程を含み、
前記原料粉末に含まれるGaがCuGa合金またはGaSb合金として含有されていることを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。
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