JP6176535B2 - 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
本発明は、主成分としてＣｕ、Ｇａを含有する化合物膜を形成するときに使用するスパッタリングターゲット及びその製造方法に関するものである。
従来、Ｃｕ−Ｇａ合金スパッタリングターゲットは、いわゆる、セレン（Ｓｅ）化法により、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜（ＣＩＧＳ膜）を光吸収層に用いた太陽電池を製造するために、必須な材料である。なお、セレン化法とは、例えば、Ｃｕ−Ｇａ合金膜を約５００ｎｍの厚さにスパッタリングし、その膜上に、Ｉｎ膜を約５００ｎｍの厚さにスパッタリングして積層し、これらの膜を、５００℃のＨ２Ｓｅガス雰囲気中で加熱して、ＳｅをＣｕ−Ｇａ合金膜とＩｎ膜とに拡散させ、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系の化合物膜を形成する方法である（例えば、特許文献１、２を参照）。
一方、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜からなる光吸収層の発電効率を向上させるため、この光吸収層中に、ナトリウム（Ｎａ）を添加することが提案されている（例えば、特許文献２、非特許文献１を参照）。ここには、プリカーサー膜（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜）中のＮａ含有量を０．１％程度とすることが一般的であると示している。
A.Romeo, 「Development of Thin-film Cu(In,Ga)Se2 and CdTe Solar Cells」, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2004; 12:93-111 (DOI: 10.1002/pip.527)
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
即ち、高密度で高Ｇａ含有量のＣｕ−Ｇａ合金材料は、非常に硬く、かつ、延性が乏しいため、Ｃｕ−Ｇａ合金材料からスパッタリングターゲットを製造するとき、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、スパッタリングターゲット製造における加工速度が遅く、かつ、複雑形状の加工が非常に困難であった。また、Ｃｕ−Ｇａ合金材料にＮａを添加した場合においても、同様な課題があった。
即ち、高密度で高Ｇａ含有量のＣｕ−Ｇａ合金材料は、非常に硬く、かつ、延性が乏しいため、Ｃｕ−Ｇａ合金材料からスパッタリングターゲットを製造するとき、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、スパッタリングターゲット製造における加工速度が遅く、かつ、複雑形状の加工が非常に困難であった。また、Ｃｕ−Ｇａ合金材料にＮａを添加した場合においても、同様な課題があった。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、機械加工性に優れ、主成分としてＣｕ、Ｇａを含有する化合物膜の成膜が可能なスパッタリングターゲット及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、主成分としてＣｕ、Ｇａを含有する化合物膜形成用のスパッタリングターゲットを製造するべく研究を行った。その結果、Ｃｕ−Ｇａ合金に、Ａｌ、Ｚｎ及びＳｎから選ばれた１種以上の金属元素を少量添加すれば、Ｃｕ−Ｇａ合金材料の機械加工性を改善可能であることを突き止めた。
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。
（１）本発明のスパッタリングターゲットは、スパッタリングターゲット中の全金属元素に対し、Ｇａ：１５．０〜５０．０原子％、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素の合計：０．１〜１０．０原子％を含有し、さらに、Ｓｂ又はＢｉ：０．０１〜１０．０原子％を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
（２）前記（１）のスパッタリングターゲットでは、理論密度比が９５％以上、酸素含有量が８００重量ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
（３）前記（１）又は（２）のスパッタリングターゲットでは、抗折強度が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
（４）前記（１）乃至（３）のいずれかのスパッタリングターゲットでは、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素を含有する金属相の平均粒径が、５００μｍ以下であることを特徴とする。
（５）前記（１）乃至（４）のいずれかのスパッタリングターゲットでは、さらに、スパッタリングターゲット中の全金属元素に対し、Ｌｉ、Ｋ及びＮａから選ばれた１種以上の元素の合計：０．０１〜１０．０原子％を含有することを特徴とする。
（６）本発明のスパッタリングターゲットの製造方法は、前記（１）乃至（４）のいずれかのスパッタリングターゲットを製造する方法であって、Ｃｕと、Ｇａと、Ａｌ、Ｚｎ及びＳｎから選ばれた１種以上の金属元素と、さらに、Ｓｂ又はＢｉの金属元素とを１０５０℃以上において溶解、鋳造し、鋳塊を作製する工程を含むことを特徴とする。
（７）本発明のスパッタリングターゲットの製造方法は、前記（１）乃至（４）のいずれかのスパッタリングターゲットを製造する方法であって、Ｃｕと、Ｇａと、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素と、さらに、Ｓｂ又はＢｉの金属元素とが、単体又はこれらのうち２種以上の元素を含む合金の粉末として含有する原料粉末を作製する工程と、前記原料粉末を真空、不活性雰囲気又は還元性雰囲気で焼結する工程と、を含むことを特徴とする。
（８）前記（５）のスパッタリングターゲットを製造する方法であって、Ｃｕと、Ｇａと、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素と、さらに、Ｓｂ又はＢｉの金属元素とが、単体又はこれらのうち２種以上の元素を含む合金として含有する金属粉末と、ＮａＦ粉末、Ｎａ２Ｓ粉末又はＮａ２Ｓｅ粉末と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、不活性雰囲気又は還元性雰囲気で焼結する工程と、を含む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。
（９）前記（７）又は（８）のスパッタリングターゲットの製造方法では、前記原料粉末の平均粒径が、１μｍ以上、５００μｍ以下であることを特徴とする。
（１）本発明のスパッタリングターゲットは、スパッタリングターゲット中の全金属元素に対し、Ｇａ：１５．０〜５０．０原子％、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素の合計：０．１〜１０．０原子％を含有し、さらに、Ｓｂ又はＢｉ：０．０１〜１０．０原子％を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
（２）前記（１）のスパッタリングターゲットでは、理論密度比が９５％以上、酸素含有量が８００重量ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
（３）前記（１）又は（２）のスパッタリングターゲットでは、抗折強度が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
（４）前記（１）乃至（３）のいずれかのスパッタリングターゲットでは、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素を含有する金属相の平均粒径が、５００μｍ以下であることを特徴とする。
（５）前記（１）乃至（４）のいずれかのスパッタリングターゲットでは、さらに、スパッタリングターゲット中の全金属元素に対し、Ｌｉ、Ｋ及びＮａから選ばれた１種以上の元素の合計：０．０１〜１０．０原子％を含有することを特徴とする。
（６）本発明のスパッタリングターゲットの製造方法は、前記（１）乃至（４）のいずれかのスパッタリングターゲットを製造する方法であって、Ｃｕと、Ｇａと、Ａｌ、Ｚｎ及びＳｎから選ばれた１種以上の金属元素と、さらに、Ｓｂ又はＢｉの金属元素とを１０５０℃以上において溶解、鋳造し、鋳塊を作製する工程を含むことを特徴とする。
（７）本発明のスパッタリングターゲットの製造方法は、前記（１）乃至（４）のいずれかのスパッタリングターゲットを製造する方法であって、Ｃｕと、Ｇａと、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素と、さらに、Ｓｂ又はＢｉの金属元素とが、単体又はこれらのうち２種以上の元素を含む合金の粉末として含有する原料粉末を作製する工程と、前記原料粉末を真空、不活性雰囲気又は還元性雰囲気で焼結する工程と、を含むことを特徴とする。
（８）前記（５）のスパッタリングターゲットを製造する方法であって、Ｃｕと、Ｇａと、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素と、さらに、Ｓｂ又はＢｉの金属元素とが、単体又はこれらのうち２種以上の元素を含む合金として含有する金属粉末と、ＮａＦ粉末、Ｎａ２Ｓ粉末又はＮａ２Ｓｅ粉末と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、不活性雰囲気又は還元性雰囲気で焼結する工程と、を含む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。
（９）前記（７）又は（８）のスパッタリングターゲットの製造方法では、前記原料粉末の平均粒径が、１μｍ以上、５００μｍ以下であることを特徴とする。
以上の様に、本発明のスパッタリングターゲットは、ターゲット素材中の全金属元素に対し、Ｇａ：１５〜５０原子％（ａｔ％）、且つ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素の合計：０．１〜１０原子％を含有し、さらに、Ｓｂ又はＢｉ：０．０１〜１０．０原子％を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる成分組成を有している。このスパッタリングターゲットでは、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素の合計：０．１〜１０原子％を含有しているので、高い被切削性を有することができる。
なお、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素（以下、Ａｌ等添加元素という。）の添加量を、０．１〜１０原子％の範囲内に設定した理由は、０．１原子％未満であると、機械加工性の向上効果が得られず、１０原子％を超えると、スパッタリングターゲット自体が脆化し、切削加工時に割れや欠けが生じやすくなるためである。Ａｌ等添加元素の添加は、各元素をそれぞれ単独、即ち、１種のみを添加しても良く、また、これらの添加元素のうちの２種以上、複数種類の添加元素を同時に添加する場合も、それらの合計添加量が０．１〜１０原子％の範囲内であれば、母体であるＣｕ−Ｇａ合金からなるスパッタリングターゲットが、高い被切削性を有することができる。
なお、Ｇａの含有量を１５〜５０原子％の範囲と規定した理由は、前記特許文献２に記載されているように、この範囲のＧａ含有量が、変換効率の高いＣＩＧＳ光吸収層を形成するために、一般的なＧａ添加量だからである。また、この明細書において、金属元素とは、非金属元素を除く元素と定義される。ここで非金属元素とは、Ｈ、Ｈｅ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｎｅ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｒ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｋｒ、Ｉ、Ｘｅ、Ａｔ、Ｒｎである。
なお、Ｇａの含有量を１５〜５０原子％の範囲と規定した理由は、前記特許文献２に記載されているように、この範囲のＧａ含有量が、変換効率の高いＣＩＧＳ光吸収層を形成するために、一般的なＧａ添加量だからである。また、この明細書において、金属元素とは、非金属元素を除く元素と定義される。ここで非金属元素とは、Ｈ、Ｈｅ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｎｅ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｒ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｋｒ、Ｉ、Ｘｅ、Ａｔ、Ｒｎである。
さらに、本発明に係るスパッタリングターゲットにおいて、理論密度比が９５％以上、酸素含有量が８００重量ｐｐｍ以下とした。
即ち、このスパッタリングターゲットでは、Ｃｕ−Ｇａ合金に、Ａｌ等添加元素が添加されるが、Ａｌなどの添加元素は、ＣｕやＧａに比べ、格段に酸化されやすく、ターゲット素材中の酸素含有量が、８００重量ｐｐｍを超える場合、Ａｌの酸化物、Ｚｎの酸化物、Ｓｎの酸化物、Ｍｇの酸化物などの介在物が多く形成される。これらの酸化物よる介在物は、ターゲット素地のＣｕ−Ｇａ合金粒子間の結合を弱くし、ターゲット素材の機械加工時における高速切削の際に、その切削表面に欠陥を形成し、切削面の平坦性や欠陥の発生率増加を引き起こすこととなる。
即ち、このスパッタリングターゲットでは、Ｃｕ−Ｇａ合金に、Ａｌ等添加元素が添加されるが、Ａｌなどの添加元素は、ＣｕやＧａに比べ、格段に酸化されやすく、ターゲット素材中の酸素含有量が、８００重量ｐｐｍを超える場合、Ａｌの酸化物、Ｚｎの酸化物、Ｓｎの酸化物、Ｍｇの酸化物などの介在物が多く形成される。これらの酸化物よる介在物は、ターゲット素地のＣｕ−Ｇａ合金粒子間の結合を弱くし、ターゲット素材の機械加工時における高速切削の際に、その切削表面に欠陥を形成し、切削面の平坦性や欠陥の発生率増加を引き起こすこととなる。
本発明のもう一つの特徴は、ターゲット密度が理論密度比９５％以上であることである。ここでの理論密度とは、同組成を有するＡｌ等添加元素含有のＣｕ−Ｇａ合金を真空溶解炉で１１００℃以上にて溶解後、カーボン鋳型に鋳造し、冷却速度５０℃/ｍｉｎ以下の徐冷で作成したインゴットのポアなどがない健全部分の密度を指す。ターゲット素材が溶解鋳造法で作成される場合、鋳造方法や鋳造プロセスの選択によって鋳塊の密度が低下することがあり、また、ターゲット素材が焼結法で作成される場合は、焼結条件などで、得られたターゲット素材の理論密度比が９５％以下になることがある。本発明の目的である機械加工性に優れ、主成分として、Ｃｕ、Ｇａを含有する化合物膜を成膜可能なスパッタリングターゲット及びその製造方法を提供するために、Ａｌ等添加元素を添加した本発明のターゲット素材について、ターゲット素材の理論密度比を９５％以上にすることで、切削時にターゲット素材の低密度部分による欠陥を最低限に減少し、より優れた切削性を実現できる。さらに、ターゲット素材の理論密度比を９５％以上にすることで、ターゲット素材中の外気と貫通する穴が激減するため、ターゲット素材に含まれる従来のＣｕやＧａより酸化されやすいＡｌ等添加元素の酸素との接触機会を減らし、これらの元素による酸化物介在物を大幅に減らすことができる。この酸化物介在物を低減することで、ターゲット素材が高速切削される際に、その切削表面における欠陥形成を防止し、切削面の平坦性が改善される。
また、本発明に係るスパッタリングターゲットにおいて、さらに、スパッタリングターゲットの抗折強度が２００ＭＰａ以上であるとしている。
本発明者らは、Ａｌ等添加元素を添加したＣｕ及びＧａからなるスパッタリングターゲットにおいて、その抗折強度が、２００ＭＰａ以上であると、スパッタリングターゲットの被切削性が改善されるという知見が得られた。即ち、抗折強度が、２００ＭＰａ以上である本発明のスパッタリングターゲットであれば、ターゲット素材の機械加工の際に、より平坦度の高いターゲット表面が得られやすくなる。
本発明者らは、Ａｌ等添加元素を添加したＣｕ及びＧａからなるスパッタリングターゲットにおいて、その抗折強度が、２００ＭＰａ以上であると、スパッタリングターゲットの被切削性が改善されるという知見が得られた。即ち、抗折強度が、２００ＭＰａ以上である本発明のスパッタリングターゲットであれば、ターゲット素材の機械加工の際に、より平坦度の高いターゲット表面が得られやすくなる。
また、本発明に係る上記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中のＡｌ等添加元素を含有する金属相（以下、Ａｌ等含有相という）の平均粒径が５００μｍ以下であることとした。
Ａｌ等含有相は、Ｃｕ及びＧａからなる金属相に比べて柔らかく、低融点である。このようなＡｌ等含有相を、比較的小さいサイズでターゲット中に分布させることにより、切削中に、切削ツールとターゲット素材表面とを有効に潤滑させる効果を実現できる。なお、Ａｌ等含有相の平均粒径が５００μｍを超えると、同等量のＡｌ等添加元素を含有し同等酸素含有量を有する平均粒径が５００μｍ以下のターゲット素材に比べ、ターゲット素材の組織中における比較的高融点、高硬度のＣｕ及びＧａからなる金属相と、低融点、低硬度のＡｌ等含有相との切削性の違いが切削中に大きく現れ、ターゲットの表面粗さを増加させてしまう不都合がある。なお、上記したＡｌ等含有相の平均粒径は、Ａｌ等含有相粒子の投影面積円相当径の平均と定義される。
Ａｌ等含有相は、Ｃｕ及びＧａからなる金属相に比べて柔らかく、低融点である。このようなＡｌ等含有相を、比較的小さいサイズでターゲット中に分布させることにより、切削中に、切削ツールとターゲット素材表面とを有効に潤滑させる効果を実現できる。なお、Ａｌ等含有相の平均粒径が５００μｍを超えると、同等量のＡｌ等添加元素を含有し同等酸素含有量を有する平均粒径が５００μｍ以下のターゲット素材に比べ、ターゲット素材の組織中における比較的高融点、高硬度のＣｕ及びＧａからなる金属相と、低融点、低硬度のＡｌ等含有相との切削性の違いが切削中に大きく現れ、ターゲットの表面粗さを増加させてしまう不都合がある。なお、上記したＡｌ等含有相の平均粒径は、Ａｌ等含有相粒子の投影面積円相当径の平均と定義される。
本発明に係る上記スパッタリングターゲットにおいて、さらに、スパッタリングターゲット中の全金属元素に対し、Ｌｉ、Ｋ及びＮａから選ばれた１種以上の元素の合計：０．０１〜１０．０原子％を含有することとした。
即ち、Ｌｉ、Ｋ及びＮａの添加によれば、太陽電池の発電効率を向上することができる。これら添加元素の含有量が０．０１原子％未満であると、添加による効果が得られず、１０．０原子％を超えると、高温セレン化プロセスでＣｕＧａ膜の剥がれる現象が多発するため好ましくない。
即ち、Ｌｉ、Ｋ及びＮａの添加によれば、太陽電池の発電効率を向上することができる。これら添加元素の含有量が０．０１原子％未満であると、添加による効果が得られず、１０．０原子％を超えると、高温セレン化プロセスでＣｕＧａ膜の剥がれる現象が多発するため好ましくない。
本発明に係る上記スパッタリングターゲットにＮａを添加する場合、ＮａＦ、Ｎａ２Ｓ、Ｎａ２Ｓｅ、Ｎａ２ＳｅＯ３又はＮａ２ＳｅＯ４とすると、ターゲット中のＮａの分布が均一になりやすく、かつ発電効率の向上に有効なＮａを含有したＣｕ−Ｇａ合金膜を成膜することができる。なお、このＮａを含有したＣｕ−Ｇａ合金膜におけるフッ素（Ｆ）、硫黄（Ｓ）の存在は、太陽電池の光吸収層の特性に特に影響を及ぼす程のものではない。一方、ターゲット中の酸素含有量を低減させるため、ＮａＦ、Ｎａ２Ｓ、Ｎａ２Ｓｅでの添加が、Ｎａ２ＳｅＯ３、Ｎａ２ＳｅＯ４での添加より好ましい。同様に、Ｌｉ、Ｋを添加する場合、フッ化カリウム（ＫＦ）、硫化カリウム（Ｋ２Ｓ）、セレン化カリウム（Ｋ２Ｓｅ）、窒化カリウム（Ｋ３Ｎ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、セレン酸カリウム、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）、セレン化リチウム（Ｌｉ２Ｓｅ）、窒化リチウム（Ｌｉ３Ｎ）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、セレン酸リチウムなどの化合物として添加することが好ましい。
さらに、本発明に係る上記スパッタリングターゲットにおいて、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）の添加により、ターゲットの切削加工性を向上することもできる。これら添加元素の含有量は０．０１〜１０．０原子％が好ましい。
さらに、本発明に係る上記スパッタリングターゲットにおいて、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）の添加により、ターゲットの切削加工性を向上することもできる。これら添加元素の含有量は０．０１〜１０．０原子％が好ましい。
また、本発明に係るスパッタリングターゲットの製造方法においては、Ｃｕと、Ｇａと、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素と、さらに、Ｓｂ又はＢｉの金属元素とを１０５０℃以上において溶解、鋳造し、鋳塊を作製する工程を含むこととした。
即ち、このスパッタリングターゲットの製造方法では、原料を１０５０℃以上で溶解することで、鋳塊組織中のＡｌ等添加元素を、確実に、かつ、均一に分散させることができる。また、鋳造により作成することで、スパッタリングターゲットの酸素含有量を低減することができる。
即ち、このスパッタリングターゲットの製造方法では、原料を１０５０℃以上で溶解することで、鋳塊組織中のＡｌ等添加元素を、確実に、かつ、均一に分散させることができる。また、鋳造により作成することで、スパッタリングターゲットの酸素含有量を低減することができる。
本発明に係るスパッタリングターゲットの製造方法においては、Ｃｕと、Ｇａと、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素と、さらに、Ｓｂ又はＢｉの金属元素とが、単体又はこれらのうち２種以上の元素を含む合金の粉末として含有する原料粉末を作製する工程と、前記原料粉末を真空、不活性雰囲気又は還元性雰囲気で焼結する工程と、を含むこととした。
また、本発明に係るスパッタリングターゲットの製造方法においては、Ｃｕと、Ｇａと、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素と、さらに、Ｓｂ又はＢｉの金属元素とが、単体又はこれらのうち２種以上の元素を含む合金として含有する金属粉末と、所定量のＮａＦ、ＫＦ、ＬｉＦ、Ｎａ２Ｓ、Ｋ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ、Ｎａ２Ｓｅ、Ｋ２Ｓｅ、Ｌｉ２Ｓｅ等のＮａ、Ｋ又はＬｉ化合物粉末と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、不活性雰囲気又は還元性雰囲気で焼結する工程と、を含むこととした。
さらに、本発明に係るスパッタリングターゲットの製造方法においては、前記原料粉末の平均粒径が、１μｍ以上、５００μｍ以下であることとした。
即ち、これらのスパッタリングターゲットの製造方法では、原料粉末の平均粒径を１〜５００μｍにすることで、得られたターゲット素材中のＡｌ等添加元素による含有相のサイズを確実に５００μｍ以下に制限することができ、ターゲット素材の切削加工性をより向上させることができる。さらに、原料粉末の平均粒径を１μｍ以上に設定することにより、原料粉末の過剰な微小化によるターゲット素材中の酸素含有量の上昇を防ぐことができ、ターゲット中の酸素含有量を８００重量ｐｐｍ以下に容易に制御できる。
即ち、これらのスパッタリングターゲットの製造方法では、原料粉末の平均粒径を１〜５００μｍにすることで、得られたターゲット素材中のＡｌ等添加元素による含有相のサイズを確実に５００μｍ以下に制限することができ、ターゲット素材の切削加工性をより向上させることができる。さらに、原料粉末の平均粒径を１μｍ以上に設定することにより、原料粉末の過剰な微小化によるターゲット素材中の酸素含有量の上昇を防ぐことができ、ターゲット中の酸素含有量を８００重量ｐｐｍ以下に容易に制御できる。
本発明によれば、以下の効果を奏する。
即ち、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、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素の合計：０．１〜１０原子％を含有するので、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、機械加工における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。
即ち、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、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素の合計：０．１〜１０原子％を含有するので、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、機械加工における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。
以下、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の実施形態について説明する。
本実施形態のスパッタリングターゲットは、スパッタリングターゲット中の全金属元素に対し、Ｇａ：１５〜５０原子％を含有し、さらに、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素（Ａｌ等添加元素）を合計：０．１〜１０原子％を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる成分組成を有している。
また、本実施形態のスパッタリングターゲットは、理論密度比が９５％以上、酸素含有量が８００重量ｐｐｍ以下である。さらに、その抗折強度が２００ＭＰａ以上である。
また、本実施形態のスパッタリングターゲットは、理論密度比が９５％以上、酸素含有量が８００重量ｐｐｍ以下である。さらに、その抗折強度が２００ＭＰａ以上である。
また、スパッタリングターゲット中における、Ａｌ等添加元素を含有する金属相（Ａｌ等含有相）の平均粒径が５００μｍ以下であることが好ましい。このＡｌ等含有相には、Ａｌ等添加元素からなる単体、合金又は金属間化合物からなる金属相、及び、これらの元素とＣｕ、Ｇａ間との合金、金属間化合物からなる金属相が含まれる。
溶解鋳造法によるＣｕ−Ｇａターゲット素材における金属相の粒径は、一般的に数ｍｍから１０数ｍｍまでとなっている。また、粉末焼結法においても、使用する原料粒子の製造方法やサイズ、焼結条件によって、数百μｍから数千μｍになることが一般的である。このような金属組織に、Ａｌ等含有相を含有させることで、例えば、Ａｌ等含有相の粒子径が従来の溶解鋳造法や焼結法と同レベルであっても、切削性の改善が認められるが、本発明の研究によれば、ターゲット素材の組織中のＡｌ等含有相の平均粒径を、５００μｍ以下とすることにより、切削加工によるターゲット素材の表面へのダメージがより少なく、より平坦な加工面が得られる。平均粒径５００μｍ以下のＡｌ等含有相を有する金属組織となる鋳造ターゲット素材を得るには、急冷鋳造や鋳造後の熱間圧延などのプロセスにより実現できる。粉末焼結法においては、使用する原料中の原料粉末平均粒径を５００μｍ以下に制限すること、焼結温度等の最適化することにより実現できる。
また、Ａｌ等含有相は、例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲において、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）によるＣｕ、Ｇａ、Ａｌ等添加元素に係る元素マッピング像（図３）により観察でき、その粒径（投影面積円相当径）を測定できる。
さらに、本実施形態のスパッタリングターゲットにおいて、そのターゲット中のＧａは金属間化合物の形態、例えば、Ｃｕ−Ｇａ金属間化合物の形態で含有されていることが好ましい。Ｇａの単体がそのターゲット中に存在すると、そのターゲットの抗折強度が２００ＭＰａ以下に低下し、加工中の加工熱によって、Ｇａが液相として析出し、加工欠陥が発生しやすい。即ち、スパッタリングターゲット中に、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より向上する。Ｇａ単体の有無の判定及びＣｕ−Ｇａ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（図４）。
即ち、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。Ｃｕ−Ｇａ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。
なお、本実施形態のスパッタリングターゲットに、Ｎａを、ＮａＦ化合物、Ｎａ２Ｓ化合物又はＮａ２Ｓｅ化合物として含有させても構わない。
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。
なお、本実施形態のスパッタリングターゲットに、Ｎａを、ＮａＦ化合物、Ｎａ２Ｓ化合物又はＮａ２Ｓｅ化合物として含有させても構わない。
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、本実施形態のスパッタリングターゲットは、太陽電池の変換効率の向上や、ターゲット素材の切削加工性の向上に有効なＬｉ、Ｋ及びＮａ及びその化合物を含有されても構わない。尚、Ｌｉ、Ｋ及びＮａの含有量は、合計で０．０１〜１０原子％の範囲が好ましい。さらに、Ｓｂ、Ｂｉにも同様な効果が認められ、その含有量は合計で０．０１〜１０原子％の範囲が好ましい。
上記本実施形態のスパッタリングターゲットを作製するのに、溶解鋳造法と粉末法を採用できる。粉末法は、粉末原料を必要に応じて成形し焼成する方法、又は、成形しないで焼成する方法（以下、粉末焼結法という）、及び、粉末原料を半溶融状態で基材に高速噴射し、得られた成形体をそのままターゲット素材として使用する方法と、得られた成形体をさらに焼結してターゲット素材にする方法とがある。
溶解鋳造法では、少なくともＣｕ、Ｇａ及びＡｌ等添加元素群の各元素を単体又はこれらのうち２種以上の元素を含む合金を１０５０℃以上に溶解し、酸素含有量が８００重量ｐｐｍ以下の鋳塊を作製する工程と、得られた鋳塊の結晶組織の最適化のために、必要に応じて急冷鋳造や圧延工程を採用し、スパッタリングターゲットを作製する。
溶解鋳造法では、少なくともＣｕ、Ｇａ及びＡｌ等添加元素群の各元素を単体又はこれらのうち２種以上の元素を含む合金を１０５０℃以上に溶解し、酸素含有量が８００重量ｐｐｍ以下の鋳塊を作製する工程と、得られた鋳塊の結晶組織の最適化のために、必要に応じて急冷鋳造や圧延工程を採用し、スパッタリングターゲットを作製する。
なお、Ｇａを１５原子％以上含有し、Ａｌ等添加元素を０．１原子％以上含有したＣｕ−Ｇａ系合金の融点は、１０００℃以下であるが、溶解温度を１０５０℃以上に設定する理由としては、溶解温度を１０５０℃未満にすると、Ｃｕ、Ｇａ、Ａｌ等添加元素の溶湯の粘度が高く、溶解した各元素の均一な混合が非常に困難になるためである。即ち、得られたインゴット中のＡｌ等含有相の微細化が困難になり、ターゲット素材の加工中に、割れ、欠けの発生率が高くなるため、溶解温度を１０５０℃以上に設定している。
さらに、ターゲット素材中の酸素含有量が８００重量ｐｐｍを超えると、Ａｌ等添加元素の導入によって酸化物介在物が容易に生成され、これらの酸化物介在物がＣｕ−Ｇａ合金粒子間の結合を弱くし、ターゲット素材が高速切削される際に、切削表面の欠陥発生率が増加する。
溶解鋳造法によって作成されたターゲット素材中の酸素濃度を８００重量ｐｐｍ以下にするための方法は、特に、制限されない。例えば、真空溶解炉での溶解鋳造方法や、酸素が含まない雰囲気での溶解鋳造方法、大気中で脱酸効果のある黒鉛坩堝、黒鉛鋳型での溶解鋳造方法、大気中で溶湯表面をカーボン粒子等脱酸材料で覆う溶解鋳造方法、又は、アルカリ金属、例えば、リチウム金属、ナトリウム金属、カリウム金属を溶湯中に投入し脱酸する方法等が使用される。
溶解鋳造法によって作成されたターゲット素材中の酸素濃度を８００重量ｐｐｍ以下にするための方法は、特に、制限されない。例えば、真空溶解炉での溶解鋳造方法や、酸素が含まない雰囲気での溶解鋳造方法、大気中で脱酸効果のある黒鉛坩堝、黒鉛鋳型での溶解鋳造方法、大気中で溶湯表面をカーボン粒子等脱酸材料で覆う溶解鋳造方法、又は、アルカリ金属、例えば、リチウム金属、ナトリウム金属、カリウム金属を溶湯中に投入し脱酸する方法等が使用される。
粉末焼結法では、少なくともＣｕ、Ｇａ及びＡｌ等添加元素の各元素を単体又は２種以上の元素を含む合金の粉末とした原料粉末を作製する工程と、原料粉末を真空、不活性ガス雰囲気又は還元性雰囲気中でホットプレス（ＨＰ）又は熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）により焼結する工程とが含まれている。また、別の焼結工程として、作製した原料粉末を加圧成形後、真空又は気圧０．０１〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２の不活性ガス雰囲気又は還元性雰囲気中にて非加圧状態で焼結する工程を採用しても構わない。なお、上記原料粉末の平均粒子径が１〜５００μｍであることが好ましい。
なお、上記ＨＰ法やＨＩＰ法を用いた焼結では、ＨＰ温度（ＨＰの保持温度）及びＨＩＰ温度（ＨＩＰの保持温度）は、１５０℃〜９００℃の範囲内で行われることが好ましい。上記温度範囲に設定した理由は、１５０℃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、９００℃を超えると、ホットプレス中にＡｌ等添加元素含有Ｃｕ−Ｇａ合金相の平均粒径が増大し、加工欠陥の原因になるためである。
原料粉末を加圧成形後、成形体を真空、不活性雰囲気又は還元性雰囲気にて焼結する方法を用いる焼結においては、焼結温度（焼結時の保持温度）は、１５０℃〜９５０℃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、１５０℃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、９５０℃を超えると、Ａｌ等添加元素を含有するＣｕ−Ｇａ合金相の平均粒径が増大し、加工欠陥の原因になるためである
この焼結を行うための原料粉末の製造は、例えば、以下の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの方法で行う。
（ａ）所定量のＣｕ、Ｇａ及びＡｌ等添加元素全量を溶解し、Ｃｕ、Ｇａ、Ａｌ等添加元素からなる鋳塊を粉砕し、原料粉末とする。この溶解鋳造は、真空中、不活性ガス中又は大気中にて行われる。或いは、所定量のＣｕ、Ｇａ及びＡｌ等添加元素全量をアトマイズ粉として製造し、原料粉末とする。なお、Ｎａや、Ｋ、Ｌｉを添加する場合、鋳造中に金属Ｎａ、Ｋ、Ｌｉを添加するか、所定量のＮａＦ、ＫＦ、ＬｉＦ、Ｎａ２Ｓ、Ｋ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ、Ｎａ２Ｓｅ、Ｋ２Ｓｅ、Ｌｉ２Ｓｅ等のＮａ、Ｋ又はＬｉ化合物粉末を上記原料粉末に混合する。
（ｂ）所定量のＣｕ、Ｇａ全量からなるＣｕＧａ鋳塊を粉砕し、Ｃｕ−Ｇａ原料粉末とする。或いは、所定量のＣｕ−Ｇａ合金をアトマイズ粉として製造する。さらに、Ａｌ等添加元素の粉末をこのＣｕ−Ｇａ原料粉末と混合し、所定組成の原料粉末を作成する。なお、Ｎａや、Ｋ、Ｌｉを添加する場合、鋳造中に金属Ｎａ、Ｋ、Ｌｉを添加するか、所定量のＮａＦ、ＫＦ、ＬｉＦ、Ｎａ２Ｓ、Ｋ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ、Ｎａ２Ｓｅ、Ｋ２Ｓｅ、Ｌｉ２Ｓｅ等のＮａ、Ｋ又はＬｉ化合物粉末を上記原料粉末に混合する。上記Ａｌ等添加元素の粉末には、Ａｌ等添加元素から選ばれた単体からなる粉末、又は、２種以上の元素からなる合金粉末を含む。
（ｃ）所定量のＣｕ、Ｇａ及びＡｌ等添加元素全量の一部を溶解し、Ｃｕ、Ｇａ及びＡｌ等添加元素からなる鋳塊を粉砕し、添加元素含むＣｕ−Ｇａ合金の原料粉末を作成する。或いは、所定量のＣｕ、Ｇａ及びＡｌ等添加元素全量の一部をアトマイズ粉として、添加元素含むＣｕ−Ｇａ合金の原料粉末を作成する。さらに、Ｃｕ−Ｇａ合金粉、Ｃｕ粉又はＡｌ等添加元素とＣｕ又はＧａとの合金からなる粉末を、上記した添加元素含むＣｕ−Ｇａ合金の原料粉末に添加し、所定組成の混合粉末を作成する。なお、Ｎａや、Ｋ、Ｌｉを添加する場合、鋳造中に金属Ｎａ、Ｋ、Ｌｉを添加するか、所定量のＮａＦ、ＫＦ、ＬｉＦ、Ｎａ２Ｓ、Ｋ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ、Ｎａ２Ｓｅ、Ｋ２Ｓｅ、Ｌｉ２Ｓｅ等のＮａ、Ｋ又はＬｉ化合物粉末を上記原料粉末に混合する。
（ａ）所定量のＣｕ、Ｇａ及びＡｌ等添加元素全量を溶解し、Ｃｕ、Ｇａ、Ａｌ等添加元素からなる鋳塊を粉砕し、原料粉末とする。この溶解鋳造は、真空中、不活性ガス中又は大気中にて行われる。或いは、所定量のＣｕ、Ｇａ及びＡｌ等添加元素全量をアトマイズ粉として製造し、原料粉末とする。なお、Ｎａや、Ｋ、Ｌｉを添加する場合、鋳造中に金属Ｎａ、Ｋ、Ｌｉを添加するか、所定量のＮａＦ、ＫＦ、ＬｉＦ、Ｎａ２Ｓ、Ｋ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ、Ｎａ２Ｓｅ、Ｋ２Ｓｅ、Ｌｉ２Ｓｅ等のＮａ、Ｋ又はＬｉ化合物粉末を上記原料粉末に混合する。
（ｂ）所定量のＣｕ、Ｇａ全量からなるＣｕＧａ鋳塊を粉砕し、Ｃｕ−Ｇａ原料粉末とする。或いは、所定量のＣｕ−Ｇａ合金をアトマイズ粉として製造する。さらに、Ａｌ等添加元素の粉末をこのＣｕ−Ｇａ原料粉末と混合し、所定組成の原料粉末を作成する。なお、Ｎａや、Ｋ、Ｌｉを添加する場合、鋳造中に金属Ｎａ、Ｋ、Ｌｉを添加するか、所定量のＮａＦ、ＫＦ、ＬｉＦ、Ｎａ２Ｓ、Ｋ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ、Ｎａ２Ｓｅ、Ｋ２Ｓｅ、Ｌｉ２Ｓｅ等のＮａ、Ｋ又はＬｉ化合物粉末を上記原料粉末に混合する。上記Ａｌ等添加元素の粉末には、Ａｌ等添加元素から選ばれた単体からなる粉末、又は、２種以上の元素からなる合金粉末を含む。
（ｃ）所定量のＣｕ、Ｇａ及びＡｌ等添加元素全量の一部を溶解し、Ｃｕ、Ｇａ及びＡｌ等添加元素からなる鋳塊を粉砕し、添加元素含むＣｕ−Ｇａ合金の原料粉末を作成する。或いは、所定量のＣｕ、Ｇａ及びＡｌ等添加元素全量の一部をアトマイズ粉として、添加元素含むＣｕ−Ｇａ合金の原料粉末を作成する。さらに、Ｃｕ−Ｇａ合金粉、Ｃｕ粉又はＡｌ等添加元素とＣｕ又はＧａとの合金からなる粉末を、上記した添加元素含むＣｕ−Ｇａ合金の原料粉末に添加し、所定組成の混合粉末を作成する。なお、Ｎａや、Ｋ、Ｌｉを添加する場合、鋳造中に金属Ｎａ、Ｋ、Ｌｉを添加するか、所定量のＮａＦ、ＫＦ、ＬｉＦ、Ｎａ２Ｓ、Ｋ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ、Ｎａ２Ｓｅ、Ｋ２Ｓｅ、Ｌｉ２Ｓｅ等のＮａ、Ｋ又はＬｉ化合物粉末を上記原料粉末に混合する。
次に、上記（ａ）〜（ｃ）のいずれかの方法で作製した原料粉末を、ＨＰ（ホットプレス）やＨＩＰ（熱間静水圧プレス）、又は原料粉末を加圧成形後、成形体を焼結する等の方法で焼結する。なお、これらの焼結の際は、Ｃｕ−Ｇａ合金又はＣｕの酸化防止のため、真空、不活性ガス雰囲気又は還元性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。ＨＰやＨＩＰの圧力がスパッタリングターゲット焼結体の密度に大きな影響を及ぼすので、ＨＰにおける好ましい圧力は１００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ２とする。ＨＩＰ時の好ましい圧力は５００〜１５００ｋｇｆ／ｃｍ２とする。また、加圧は、焼結昇温開始前から行われてもよいし、或いは、一定な温度に到達してから行われてもよい。
次に、上記溶解鋳造法又は焼結法で得られたＡｌ等添加元素含有のＣｕ−Ｇａターゲット素材（又は、Ａｌ等添加元素及びＮａ、Ｌｉ、Ｋ含有のＣｕ−Ｇａターゲット素材）は、機械加工性に優れているので、切削工法を用いて、このターゲット素材を所定形状に加工して、スパッタリングターゲットを作製することができる。そして、この製作されたスパッタリングターゲットは、Ｉｎを用いて、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるバッキングプレートにボンディングされ、スパッタリングに供される。
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又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。
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又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。
この作製した本実施形態のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリングは、直流（ＤＣ）マグネトロンスパッタ法にて、Ａｒガス中で行われる。このときの直流スパッタリングでは、パルス電圧を付加するパルス重畳電源を用いてもよいし、パルスなしのＤＣ電源でもよい。
この本実施形態のスパッタリングターゲットでは、Ａｌ等添加元素の合計：０．１〜１０原子％を含有しているので、高い密度比であっても、高い切削性を有する。特に、スパッタリングターゲットの理論密度比を９５％以上にし、同時に、酸素含有量が８００重量ｐｐｍ以下に調整することで、Ａｌ等添加元素の酸化物介在物を低減することができるため、より切削性を向上させることができる。
また、スパッタリングターゲットの抗折強度が２００ＭＰａ以上にすることで、切削加工中において、チッピング、欠けを生ずることなく、スパッタリングに適した加工表面を実現することができる。スパッタリングターゲットの抗折強度が２００ＭＰａ以上にするために、溶解鋳造法を用いて製造する場合には、鋳造欠陥の低減、金属組織の微細化、焼結法を用いて製造する場合には、焼結温度等の焼結条件による焼結欠陥の低減、焼結密度の適正化、焼結組織の微細化が有効な実現方法である。また、溶解鋳造法、焼結法に問わず、Ａｌ等単体としての抗折強度の低い添加元素のターゲット中での合金化や均一化を図ることでも、抗折強度２００ＭＰａ以上を実現することができる。
さらに、スパッタリングターゲット中のＡｌ等添加元素含有相の平均粒径が５００μｍ以下であることが、スパッタリングターゲットの被切削性に影響を与え、機械加工の際に、チッピングや欠け等の発生がより低減される。
また、Ｌｉ、ＫやＮａが、ＬｉＦ化合物、ＫＦ化合物、ＮａＦ化合物、Ｌｉ２Ｓ化合物、Ｋ２Ｓ化合物、Ｎａ２Ｓ化合物又はＬｉ２Ｓｅ、Ｋ２Ｓｅ、Ｎａ２Ｓｅ、Ｌｉ２ＳｅＯ３、Ｋ２ＳｅＯ３、Ｎａ２ＳｅＯ３、Ｌｉ２ＳｅＯ４，Ｋ２ＳｅＯ４、Ｎａ２ＳｅＯ４等化合物として含有されるスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法によると、発電効率の向上に有効なＮａ、Ｌｉ、Ｋを含有したＣｕ−Ｇａ膜を成膜することができる。なお、このＬｉ、ＫやＮａを含有したＣｕ−Ｇａ膜におけるフッ素（Ｆ）、硫黄（Ｓ）は、太陽電池の光吸収層の特性に特に影響を及ぼす程の濃度とはならない。
次に、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を、上記実施形態に基づき実際に作製した実施例により、評価した結果について、下記の表１乃至表６を参照しながら説明する。
〔原料粉末又は鋳塊の作製〕
表１には、本実施形態による実施例１〜３０における原料粉末の成分組成（ａｔ％）が示され、表２には、これらの実施例と比較するために、比較例１〜２０における原料粉末の成分組成（ａｔ％）が示されている。
先ず、実施例２、３、５〜８、１０、１２、１３、１９〜２６、２９、３０、比較例１〜６、１０、１２、１４〜１８の原料粉末としては、表１又は表２の組成になるように、Ｃｕ、Ｇａ及び各指定金属元素をアトマイズ装置に装入し、１０５０〜１１５０℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認した後、アトマイズを行い、得られた粉末を、目の開き２５０μｍの篩を通して、アトマイズ粉末を作製した。
表１には、本実施形態による実施例１〜３０における原料粉末の成分組成（ａｔ％）が示され、表２には、これらの実施例と比較するために、比較例１〜２０における原料粉末の成分組成（ａｔ％）が示されている。
先ず、実施例２、３、５〜８、１０、１２、１３、１９〜２６、２９、３０、比較例１〜６、１０、１２、１４〜１８の原料粉末としては、表１又は表２の組成になるように、Ｃｕ、Ｇａ及び各指定金属元素をアトマイズ装置に装入し、１０５０〜１１５０℃に昇温し、金属が全部溶湯になっていることを確認した後、アトマイズを行い、得られた粉末を、目の開き２５０μｍの篩を通して、アトマイズ粉末を作製した。
さらに、実施例１０は、上記得られたアトマイズ粉末をＡｒ雰囲気で乾式ボールミルを施し、平均粒径を０．９μｍにした。実施例１９は、Ｃｕ−５０ａｔ％Ｇａ合金及びとＡｌ−Ｚｎ合金をそれぞれアトマイズし、さらにアトマイズ粉に平均粒径２μｍ純度９９．９９％の純Ｃｕ粉末（以下、同様）及び平均粒径３μｍ純度９９％のＮａＦ粉末（以下、同様）を添加し、表１の組成の原料粉末を乾式ボールミルにて混合した。
実施例５は、Ｃｕ−５０ａｔ％Ｇａインゴットによるアトマイズ粉末と実施例１９に用いた同様な純Ｃｕ粉末と、平均粒径３μｍ純度９９．９９％の純Ｚｎ粉末（以下、同様）とを乾式ボールミルして原料粉末を混合した。
実施例１２は、Ｃｕ−Ｇａアトマイズ粉末と添加元素Ａｌ、Ｂｉそれぞれの粉末と混合して原料粉末を作成した。用いた純Ａｌ粉の平均粒径は１２５μｍ、純Ｂｉ粉末は、平均粒径３０８μｍ、純度９９．９％である。
実施例２０は、Ｃｕ、Ｇａ、Ｓｎをアトマイズし、さらにＮａＦ粉末をボールミルにより加え、原料粉末を用意した。
実施例２１はＣｕ−Ｇａアトマイズ粉末に純Ｚｎ粉末、ＮａＦ粉末に加え、乾式ボールミルにて混合し原料粉末を調整した。
実施例２２は、Ｃｕ−Ｇａアトマイズ粉末と、純度９９．９９％平均粒径２３４μｍのＡｌ−Ｓｎ粉末、ＮａＦ粉末と乾式混合し、表1の原料粉末を作成した。
実施例２４は、Ｃｕ−Ｇａアトマイズ粉末と、純度９９．９９％平均粒径１５８μｍのＡｌ−Ｚｎ粉末と、純度９９．９９％平均粒径２６０μｍのＳｂ粉末と、純度９９％平均粒径９μｍのＮａ２Ｓ粉末（以下、同様）とを混合して、原料粉末とした。
実施例２６は、Ｃｕ−Ｇａアトマイズ粉末と、純Ａｌ粉末、純Ｚｎ粉末、平均粒径２μｍ純度９９．９％の純Ｓｎ粉末（以下、同様）、平均粒径１０μｍ純度９８％のＮａ２Ｓｅ粉末とをロッキングミキサーを用いて混合し原料粉末とした。
実施例２９はＣｕ−Ｇａアトマイズ粉末に純Ｚｎ粉末、ＫＦ粉末に加え、乾式ボールミルにて混合し原料粉末を調整した。
実施例３０はＣｕ−Ｇａアトマイズ粉末に純Ｚｎ粉末、純Ｍｇ粉末、ＮａＦ粉末に加え、乾式ボールミルにて混合し原料粉末を調整した。
比較例５は、Ｃｕ−Ｇａアトマイズ粉末とＳｎ粉とを、Ｖ型混合機を用いて均一に混合し、原料粉末とした。
比較例１６は、Ｃｕ、Ｇａ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｓｂ各元素をアトマイズし、得られたアトマイズ粉末をＮａ２Ｓ粉末とボールミルにて混合した。
比較例１８は、Ｃｕ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｂｉによるアトマイズ粉末とＮａ２Ｓｅ粉末を混合し原料粉末を用意した。
実施例５は、Ｃｕ−５０ａｔ％Ｇａインゴットによるアトマイズ粉末と実施例１９に用いた同様な純Ｃｕ粉末と、平均粒径３μｍ純度９９．９９％の純Ｚｎ粉末（以下、同様）とを乾式ボールミルして原料粉末を混合した。
実施例１２は、Ｃｕ−Ｇａアトマイズ粉末と添加元素Ａｌ、Ｂｉそれぞれの粉末と混合して原料粉末を作成した。用いた純Ａｌ粉の平均粒径は１２５μｍ、純Ｂｉ粉末は、平均粒径３０８μｍ、純度９９．９％である。
実施例２０は、Ｃｕ、Ｇａ、Ｓｎをアトマイズし、さらにＮａＦ粉末をボールミルにより加え、原料粉末を用意した。
実施例２１はＣｕ−Ｇａアトマイズ粉末に純Ｚｎ粉末、ＮａＦ粉末に加え、乾式ボールミルにて混合し原料粉末を調整した。
実施例２２は、Ｃｕ−Ｇａアトマイズ粉末と、純度９９．９９％平均粒径２３４μｍのＡｌ−Ｓｎ粉末、ＮａＦ粉末と乾式混合し、表1の原料粉末を作成した。
実施例２４は、Ｃｕ−Ｇａアトマイズ粉末と、純度９９．９９％平均粒径１５８μｍのＡｌ−Ｚｎ粉末と、純度９９．９９％平均粒径２６０μｍのＳｂ粉末と、純度９９％平均粒径９μｍのＮａ２Ｓ粉末（以下、同様）とを混合して、原料粉末とした。
実施例２６は、Ｃｕ−Ｇａアトマイズ粉末と、純Ａｌ粉末、純Ｚｎ粉末、平均粒径２μｍ純度９９．９％の純Ｓｎ粉末（以下、同様）、平均粒径１０μｍ純度９８％のＮａ２Ｓｅ粉末とをロッキングミキサーを用いて混合し原料粉末とした。
実施例２９はＣｕ−Ｇａアトマイズ粉末に純Ｚｎ粉末、ＫＦ粉末に加え、乾式ボールミルにて混合し原料粉末を調整した。
実施例３０はＣｕ−Ｇａアトマイズ粉末に純Ｚｎ粉末、純Ｍｇ粉末、ＮａＦ粉末に加え、乾式ボールミルにて混合し原料粉末を調整した。
比較例５は、Ｃｕ−Ｇａアトマイズ粉末とＳｎ粉とを、Ｖ型混合機を用いて均一に混合し、原料粉末とした。
比較例１６は、Ｃｕ、Ｇａ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｓｂ各元素をアトマイズし、得られたアトマイズ粉末をＮａ２Ｓ粉末とボールミルにて混合した。
比較例１８は、Ｃｕ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｂｉによるアトマイズ粉末とＮａ２Ｓｅ粉末を混合し原料粉末を用意した。
また、実施例１、９、２７、２８、比較例７〜９、１１、１９、２０では、表1又は表２の組成になるように、各添加元素を真空溶解炉に装入し、指定された溶解温度に到達して、金属が全部溶解したことを確認してから、１０分間保持したのち、鋳造を行った。なお、溶解、鋳造は、真空中で行ってもよいが、不活性雰囲気中で行ってもよい。不活性雰囲気で行う場合は、雰囲気気圧が大気圧より低いことが好ましい。
実施例１、２７、２８の鋳造は小さい金属鋳造組織を得るため、水冷された鋳型を用いた。実施例９及び比較例７〜９、１１、１９、２０では、水冷鋳型を採用せず、黒鉛製鋳型に鋳造後、真空溶解炉中で放置し自然冷却を行った。実施例４、１１では、上記同様、真空鋳造を行ったが、得られた鋳塊をさらに不活性雰囲気で乾式粉砕し、粉末焼結の原料とされた。
実施例１１、１４、１５〜１８、比較例１３では、大気鋳造を行った。大気鋳造は、表１に示した組成全量を大気炉に仕込み、指定された溶解鋳造温度に達し、さらに１０分間保持したのち、黒鉛鋳型に鋳込み、自然冷却した。実施例１１、１４では、得られたインゴットを乾式粉砕し、粉末焼結の原料とした。
実施例１、２７、２８の鋳造は小さい金属鋳造組織を得るため、水冷された鋳型を用いた。実施例９及び比較例７〜９、１１、１９、２０では、水冷鋳型を採用せず、黒鉛製鋳型に鋳造後、真空溶解炉中で放置し自然冷却を行った。実施例４、１１では、上記同様、真空鋳造を行ったが、得られた鋳塊をさらに不活性雰囲気で乾式粉砕し、粉末焼結の原料とされた。
実施例１１、１４、１５〜１８、比較例１３では、大気鋳造を行った。大気鋳造は、表１に示した組成全量を大気炉に仕込み、指定された溶解鋳造温度に達し、さらに１０分間保持したのち、黒鉛鋳型に鋳込み、自然冷却した。実施例１１、１４では、得られたインゴットを乾式粉砕し、粉末焼結の原料とした。
〔スパッタリングターゲットの作製、評価〕
上記の実施例１、９、１５〜１８、２７、２８、比較例７〜９、１１、１３、１９、２０では、鋳造された鋳造塊に熱間圧延を施した。圧延温度は、８００℃であり、圧延後に、７５０℃で１時間の焼きなましを行った。実施例１、１５〜１８、２７、２８の圧下率は、５０％であり、実施例９での圧下率は、１０％であった。
上記の実施例７、１３、比較例２では、原料粉末を金属金型に充填し、１０００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で成形した後、０．３〜１．２大気圧の純水素雰囲気で焼成を行った。
上記の実施例１、９、１５〜１８、２７、２８、比較例７〜９、１１、１３、１９、２０では、鋳造された鋳造塊に熱間圧延を施した。圧延温度は、８００℃であり、圧延後に、７５０℃で１時間の焼きなましを行った。実施例１、１５〜１８、２７、２８の圧下率は、５０％であり、実施例９での圧下率は、１０％であった。
上記の実施例７、１３、比較例２では、原料粉末を金属金型に充填し、１０００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で成形した後、０．３〜１．２大気圧の純水素雰囲気で焼成を行った。
また、上記の実施例２〜８、１０〜１４、１９〜２６、２９、３０、比較例１、３〜６、１０、１２、１４〜１８では、加圧焼成法（ＨＰ、ＨＩＰ）を用いてターゲット素材が作成された。ここでは、原料粉末を黒鉛型に充填し、表３又は表４に指定された圧力と温度で行った。さらに、比較例６及び１７では、鉄製型に原料粉末を充填し、焼結を行った。ホットプレスにおける昇温と、冷却速度とは、ともに、１〜１２℃／ｍｉｎである、
以上の方法で得られた素材を、直径８０ｍｍ、厚さ６ｍｍのスパッタリングターゲットに作製した。得られたスパッタリング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が、表３及び表４に示されている。
なお、理論密度の計算は、スパッタリングターゲット中のＣｕ、Ｇａ、Ａｌ等添加元素、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｌｉ等の金属相を溶解し、徐冷で得られた無欠陥の鋳塊密度を該当組成の理論密度とし、これとスパッタリングターゲットの密度の比（ターゲット密度／理論密度×１００％）を理論密度比とする。なお、ＮａＦ、Ｎａ２Ｓ又はＮａ２Ｓｅを添加した場合、これらの化合物相の添加量を用いて、その体積割合を計算する。焼結体中の金属相の理論密度とＮａ化合物の理論密度とを計算し、ターゲット寸法密度との比で理論密度比を計算した。
スパッタリングターゲットの加工性及び切削効果の評価として、加工中の割れ発生の有無、欠け（加工による２ｍｍ以上の目視欠陥）の発生の有無、チッピング（加工による２ｍｍ以下の目視欠陥）の有無及び面粗さ（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。その結果が、表５及び表６に示されている。
スパッタリングターゲット中の各金属元素の含有量は、そのターゲットより採取した分析用ブロックをＩＣＰ法にて分析した。酸素含有量は、同分析用ブロックを用いて、二酸化炭素吸収法により分析した。
スパッタリングターゲットの抗折強度は、ターゲット素材をＪＩＳ Ｒ１６０１規格に基づいて三点曲げ強度を測定した。
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）にて各元素の面分布（マッピング）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）０．１μｍ、０．１μｍ、測定時間１０ｍｓとした。また、観察倍率を１００倍とし、１０×５ｍｍ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画像より、Ａｌ等添加元素単体及びその金属間化合物の少なくとも一方が存在する組織の平均粒径を確認した。以上の結果が、表５及び表６に示されている。
スパッタリングターゲットの抗折強度は、ターゲット素材をＪＩＳ Ｒ１６０１規格に基づいて三点曲げ強度を測定した。
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）にて各元素の面分布（マッピング）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）０．１μｍ、０．１μｍ、測定時間１０ｍｓとした。また、観察倍率を１００倍とし、１０×５ｍｍ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画像より、Ａｌ等添加元素単体及びその金属間化合物の少なくとも一方が存在する組織の平均粒径を確認した。以上の結果が、表５及び表６に示されている。
また、加工性及び切削効果の評価方法は、先ず、森精機製作所製の旋盤：ＭＳ８５０Ｇを用いて、実施例又は比較例のターゲット素材を乾式加工した。サイズは、直径：８０ｍｍ、厚さ：６ｍｍとした。また、加工時の回転速度は、１４０ｒｐｍであり、切削工具の切り込み量は、０．３ｍｍ、送り速度は、０．０９７ｍｍ／ｒｅｖとした。使用した加工用バイド（三菱マテリアル製）は形状型番：ＳＴＦＥＲ１６１６Ｈ１６、インサート形状型番：ＴＥＧＸ１６０３０２Ｌ、材種はＨＴｉ１０とした。そして、各素材の表面から１．０ｍｍ厚みを切削した後の焼結体表面を評価した。即ち、この加工された焼結体の中心部より２０ｍｍ離れた箇所で、表面粗さ測定と表面の加工欠け、チッピング有無の確認とを行った。なお、表面粗さの測定装置は、ミツトヨ製ｓｕｒｆｔｅｓｔ ＳＶ−３０００を使用し、評価長さは、４ｍｍとした。また、チッピング有無の判定は、低倍率光学顕微鏡にて２２ｃｍ２の範囲を写真撮影し、内接円相当径０．３ｍｍ以上のチッピングの有無にて判断した。
これらの評価結果から、Ａｌ等添加元素が添加されていない又は本発明のＡｌ等添加元素含有量より少ない比較例１〜５、７、１２〜１４、１６、１８及び本発明のＡｌ等添加元素含有量より多い比較例６、８〜１１、１５、１７のいずれにおいても、加工後面粗さＲａが１．０μｍ以上、Ｒｚが１０μｍ以上、と大きいのに対し、Ａｌ等添加元素を有効な含有量で添加している本発明の実施例１〜３０では、いずれも加工中チッピングが無く、面粗さＲａが１．０μｍ以下、Ｒｚが９．９μｍ以下と小さく、優れた被切削性が得られている。また、全ての実施例が良好な加工を施すことができたのに対し、本発明のＡｌ等添加元素が含有しない比較例２、その含有量がより少ない比較例３、７、１８、及び本発明の含有量より多い比較例８、１７では、加工中に割れが発生し、目的とするスパッタリングターゲットに加工ができなかった。なお、比較例１９、２０では、圧延の段階で割れ発生したため、評価することができなかった。
一例として、Ｃｕ−３０％Ｇａ−３％Ｚｎ−３％Ｎａ−３％Ｆ（原子％）とした本発明の実施例２３を図１に、Ｃｕ−３０％Ｇａ−３％Ｎａ−３％Ｆ（原子％）とした本発明の比較例２との加工後におけるターゲット表面の写真を図２に示す。
一例として、Ｃｕ−３０％Ｇａ−３％Ｚｎ−３％Ｎａ−３％Ｆ（原子％）とした本発明の実施例２３を図１に、Ｃｕ−３０％Ｇａ−３％Ｎａ−３％Ｆ（原子％）とした本発明の比較例２との加工後におけるターゲット表面の写真を図２に示す。
また、組織観察結果について、本発明の実施例７を一例として、Ｃｕ−３０％Ｇａ−３％Ｓｎ（原子％）としたスパッタリングターゲットのＥＰＭＡによる元素分布マッピング画像を図３に示す。このＥＰＭＡの画像は、いずれも元画像がカラー像であるが、グレースケールによる白黒画像に変換して記載しており、明度が高い程、含有量が高い傾向を示している。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
Claims (9)
- スパッタリングターゲット中の全金属元素に対し、Ｇａ：１５．０〜５０．０原子％、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素の合計：０．１〜１０．０原子％を含有し、さらに、Ｓｂ又はＢｉ：０．０１〜１０．０原子％を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなることを特徴とするスパッタリングターゲット。
- 理論密度比が９５％以上、酸素含有量が８００重量ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリングターゲット。
- 抗折強度が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタリングターゲット。
- Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素を含有する金属相の平均粒径が、５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
- さらに、スパッタリングターゲット中の全金属元素に対し、Ｌｉ、Ｋ及びＮａから選ばれた１種以上の元素の合計：０．０１〜１０．０原子％を含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
- 請求項１乃至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製造する方法であって、
Ｃｕと、Ｇａと、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素と、さらに、Ｓｂ又はＢｉの金属元素とを１０５０℃以上において溶解、鋳造し、鋳塊を作製する工程を含む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１乃至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、
Ｃｕと、Ｇａと、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素と、さらに、Ｓｂ又はＢｉの金属元素とが、単体又はこれらのうち２種以上の元素を含む合金の粉末として含有する原料粉末を作製する工程と、
前記原料粉末を真空、不活性雰囲気又は還元性雰囲気で焼結する工程と、を含む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５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、
Ｃｕと、Ｇａと、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ及びＭｇから選ばれた１種以上の金属元素と、さらに、Ｓｂ又はＢｉの金属元素とが、単体又はこれらのうち２種以上の元素を含む合金として含有する金属粉末と、ＮａＦ粉末、Ｎａ２Ｓ粉末又はＮａ２Ｓｅ粉末と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、不活性雰囲気又は還元性雰囲気で焼結する工程と、を含む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。 - 前記原料粉末の平均粒径が、１〜５００μｍであることを特徴とする請求項７又は８に記載のスパッタリングターゲットの製造方法。
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