JP6436006B2 - Sputtering target and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明は、CIGS薄膜型太陽電池の光吸収層を形成するためのCu−In−Ga−Se化合物膜(以下、CIGS膜と略記することがある。)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。   The present invention relates to a sputtering target used when forming a Cu—In—Ga—Se compound film (hereinafter sometimes abbreviated as CIGS film) for forming a light absorption layer of a CIGS thin film solar cell, and It relates to the manufacturing method.

近年、カルコパイライト系の化合物半導体による薄膜型太陽電池が実用に供せられるようになり、この化合物半導体による薄膜型太陽電池は、ソーダライムガラス基板の上にプラス電極となるMo電極層を形成し、このMo電極層の上にCIGS膜からなる光吸収層が形成され、この光吸収層上にZnS、CdSなどからなるバッファ層が形成され、このバッファ層上にマイナス電極となる透明電極層が形成された基本構造を有している。   In recent years, thin film solar cells based on chalcopyrite compound semiconductors have come into practical use, and thin film solar cells based on this compound semiconductor form a Mo electrode layer serving as a positive electrode on a soda-lime glass substrate. A light absorption layer made of a CIGS film is formed on the Mo electrode layer, a buffer layer made of ZnS, CdS, or the like is formed on the light absorption layer, and a transparent electrode layer serving as a negative electrode is formed on the buffer layer. It has a basic structure formed.

上記光吸収層の形成方法として、蒸着法により成膜する方法が知られており、この方法により得られた光吸収層は高いエネルギー変換効率が得られるものの、蒸着法による成膜は蒸着速度が遅いため、大面積の基板に成膜した場合には、膜厚分布の均一性が低下しやすい。そのために、スパッタ法によって光吸収層を形成する方法が提案されている。   As a method for forming the light absorption layer, a method of forming a film by vapor deposition is known. Although a light absorption layer obtained by this method can obtain high energy conversion efficiency, film formation by vapor deposition has a vapor deposition rate. Since it is slow, the uniformity of the film thickness distribution tends to decrease when the film is formed on a large-area substrate. Therefore, a method for forming a light absorption layer by a sputtering method has been proposed.

スパッタ法により上記光吸収層方法としては、まず、Inターゲットを使用してスパッタによりIn膜を成膜する。このIn膜上にCu−Ga二元系合金ターゲットを使用してスパッタすることによりCu−Ga二元系合金膜を成膜し、得られたIn膜及びCu−Ga二元系合金膜からなる積層プリカーサ膜をSe雰囲気中で熱処理してCIGS膜を形成する方法(いわゆる、セレン化法)が提案されている。   As the light absorption layer method by sputtering, first, an In film is formed by sputtering using an In target. A Cu-Ga binary alloy film is formed on the In film by sputtering using a Cu-Ga binary alloy target, and the resulting In film and Cu-Ga binary alloy film are formed. A method (so-called selenization method) for forming a CIGS film by heat-treating a laminated precursor film in a Se atmosphere has been proposed.

さらに、以上の技術を背景に、前記Cu−Ga合金膜及びIn膜の積層プリカーサ膜を、金属裏面電極層側からGa含有量の高いCu−Ga合金層、Ga含有量の低いCu−Ga合金層、In層の順序でスパッタリング法により作製し、これをセレン及び/又は硫黄雰囲気中で熱処理することにより、界面層(バッファ層)側から金属裏面電極層側への薄膜光吸収層内部でのGaの濃度勾配を徐々(段階的)に変化させることで、開放電圧の大なる薄膜型太陽電池を実現すると共に、薄膜光吸収層の他の層からの剥離を防止する技術が提案されている。この場合、CuGaターゲット中のGa含有量は1〜40原子%と提案されている(例えば、特許文献1を参照)。   Furthermore, against the background of the above technology, the Cu-Ga alloy film and the In film laminated precursor film are formed from the metal back electrode layer side with a high Ga content Cu-Ga alloy layer, a low Ga content Cu-Ga alloy. A layer and an In layer are formed by a sputtering method in this order, and this is heat-treated in a selenium and / or sulfur atmosphere, so that the inside of the thin-film light absorption layer from the interface layer (buffer layer) side to the metal back electrode layer side A technique for realizing a thin film type solar cell with a large open circuit voltage by gradually changing the Ga concentration gradient (stepwise) and preventing peeling of the thin film light absorption layer from other layers has been proposed. . In this case, the Ga content in the CuGa target has been proposed as 1 to 40 atomic% (see, for example, Patent Document 1).

一方、太陽電池等の光起電力装置に用いられる低抵抗のp型伝導型を持ったカルコパイライト構造半導体を得るために、p型伝導型のカルコパイライト構造半導体にP、Sb、BiなどのVb属元素をイオンドーピング(イオン注入)によってドーピングする方法が提案されている(例えば、非特許文献1を参照)。
また、カルコパイライト構造半導体へのN、P、Sb、Bi元素の高濃度ドープを分子線やイオン線を用いて行う場合、結晶欠陥等が生じるなどの問題点があり、困難であることが記載されている。さらに、カルコパイライト構造半導体へのVb族元素のドープに、リン酸ナトリウムを用いている技術が提案されている(例えば、特許文献2を参照)。
On the other hand, in order to obtain a chalcopyrite structure semiconductor having a low resistance p-type conductivity type used for photovoltaic devices such as solar cells, a p-type conductivity type chalcopyrite structure semiconductor is applied to Vb such as P, Sb, Bi, etc. A method of doping a genus element by ion doping (ion implantation) has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).
In addition, when high concentration doping of N, P, Sb, and Bi elements into a chalcopyrite structure semiconductor is performed using a molecular beam or an ion beam, there are problems such as crystal defects and the like, which is difficult. Has been. Furthermore, a technique using sodium phosphate for doping a Vb group element into a chalcopyrite structure semiconductor has been proposed (see, for example, Patent Document 2).

特開平9−213978号公報JP-A-9-213978 米国特許公開第2005/0056863号公報US Patent Publication No. 2005/0056863

Shigemi Kohiki,Mikihiko Nishitani,Takayuki Negami,Takahiro Wada、「Valence manipulation and homojunction diode fabrication of chalcopyrite structure Cu In Se thin films」、Thin Solid Films、15 April 1993、Vol.115、Issue1、Pages 149-155Shigemi Kohiki, Mikihiko Nishitani, Takayuki Negami, Takahiro Wada, `` Valence manipulation and homojunction diode fabrication of chalcopyrite structure Cu In Se thin films '', Thin Solid Films, 15 April 1993, Vol. 115, Issue 1, Pages 149-155

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記非特許文献1に記載の方法では、イオンドーピング工程を用いるために、製造コストが高いと共に、特許文献2でも記載されているように、半導体膜に結晶欠陥が発生する等の問題点がある。また、P、Asのドープを行う場合、毒性の高いPH、AsHを使用することから工程の安全性を考慮すると好ましくない。
The following problems remain in the conventional technology.
That is, in the method described in Non-Patent Document 1, since the ion doping process is used, the manufacturing cost is high, and as described in Patent Document 2, crystal defects are generated in the semiconductor film. There is. In addition, when doping P and As, it is not preferable in view of process safety because highly toxic PH 3 and AsH 3 are used.

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、Vb族元素のうち、特に、N、Pが高濃度にドープされたCu−Ga膜を、安全に、かつ、均一に、低コストで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ことを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and among the Vb group elements, in particular, a Cu-Ga film doped with a high concentration of N and P can be produced safely, uniformly and at low cost. It is an object of the present invention to provide a sputtering target capable of forming a film and a manufacturing method thereof.

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
即ち、本発明に係るスパッタリングターゲットは、Ga:0.1〜50質量%、N及びPから選択される1種以上の元素を0.01〜2質量%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、前記N及びPのいずれかの元素と少なくともGa又はCuとによる化合物の状態で含有され、前記化合物の平均粒径が10μm以下であることを特徴とする。
また、本発明に係るスパッタリングターゲットは、Ga:0.1〜50質量%、N及びPから選択される1種以上の元素を0.01〜2質量%、酸素:0.01〜6質量%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、前記N及びPのいずれかの元素と少なくともGa又はCuとによる化合物の状態で含有され、前記化合物の平均粒径が10μm以下であることを特徴とする。
The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems.
That is, the sputtering target according to the present invention contains Ga: 0.1 to 50% by mass, one or more elements selected from N and P in an amount of 0.01 to 2% by mass, the balance being Cu and inevitable impurities. And is contained in a state of a compound of any one of N and P and at least Ga or Cu, and an average particle size of the compound is 10 μm or less.
Moreover, the sputtering target according to the present invention includes Ga: 0.1 to 50% by mass, one or more elements selected from N and P, 0.01 to 2% by mass, oxygen: 0.01 to 6% by mass. And the remainder has a component composition consisting of Cu and inevitable impurities, is contained in the state of a compound of any element of N and P and at least Ga or Cu, and the average particle size of the compound is 10 μm or less It is characterized by being.

このスパッタリングターゲットでは、N及びPのいずれかの元素が少なくともGa又はCuによる化合物の状態で含有され、前記化合物の平均粒径が10μm以下であるので、スパッタリング法により、カルコパイライト構造半導体の前駆体(CuGa膜)形成時に高濃度にN、Pの元素をドーピング可能である。また、スパッタリングプロセスによるドーピングであるために、従来のイオンドーピングに比べて安価、安全かつ均一にドーピング可能である。さらに、前駆体へ、N、Pをドーピングできるため、結晶欠陥等が生じずに、カルコパイライト構造半導体膜へのダメージがない。   In this sputtering target, any element of N and P is contained in a compound state of at least Ga or Cu, and the average particle diameter of the compound is 10 μm or less. Therefore, a precursor of a chalcopyrite structure semiconductor is formed by a sputtering method. During the formation of the (CuGa film), N and P elements can be doped at a high concentration. In addition, since doping is performed by a sputtering process, the doping is cheaper, safer and more uniform than conventional ion doping. Further, since N and P can be doped into the precursor, crystal defects or the like do not occur and the chalcopyrite structure semiconductor film is not damaged.

なお、前記N及びPのいずれかの元素と少なくともGa又はCuとによる化合物の平均粒径が10μm以下に設定されているので、スパッタリング時の異常放電の発生を抑制することができる。
また、上記Gaの含有量を0.1〜50質量%とした理由は、50質量%を超えると、低融点相が析出してしまうためであり、0.1質量%未満であると、CIGS太陽電池の前駆体として使用する際、Ga量が少ないため、所望特性の膜を得るには、スパッタリング成膜の前に、或いは、その後に、Ga添加が必要となり、製造ステップが増えるためである。
また、N及びPから選択される1種以上の元素の含有量を2質量%以下とした理由は、2質量%を超えると異常放電が多発するためである。0.01質量%以上とした理由は、膜中へのN及びPから選択される1種類以上の元素の添加効果が現れないためである。
In addition, since the average particle diameter of the compound by any element of said N and P and at least Ga or Cu is set to 10 micrometers or less, generation | occurrence | production of abnormal discharge at the time of sputtering can be suppressed.
The reason why the Ga content is 0.1 to 50% by mass is that if it exceeds 50% by mass, a low melting point phase is precipitated, and if it is less than 0.1% by mass, CIGS This is because, when used as a solar cell precursor, since the amount of Ga is small, it is necessary to add Ga before or after sputtering film formation in order to obtain a film having desired characteristics, which increases the number of manufacturing steps. .
The reason why the content of one or more elements selected from N and P is set to 2% by mass or less is that abnormal discharge frequently occurs when the content exceeds 2% by mass. The reason for setting it to 0.01 mass% or more is that the effect of adding one or more elements selected from N and P into the film does not appear.

本発明に係るスパッタリングターゲットは、上記のスパッタリングターゲットにおいて、前記化合物が、GaN、GaP、CuN、CuPの少なくとも一種以上であることを特徴とする。
また、本発明に係るスパッタリングターゲットは、上記のスパッタリングターゲットにおいて、前記化合物が、Ga(NO、GaPO、Cu(PO、Cu(NOの少なくとも一種以上であることを特徴とする。
即ち、このスパッタリングターゲット中には、これらの化合物の添加によって、N、Pを含有することになり、スパッタリングで成膜されたCuGa膜における結晶欠陥等の発生を抑制し、カルコパイライト構造半導体膜へのダメージを少なくしており、しかも、高純度の原料を使用することができ、不可避不純物の含有量をできる限り低減することが可能である。
The sputtering target according to the present invention is characterized in that, in the sputtering target, the compound is at least one of GaN, GaP, Cu 3 N, and Cu 3 P.
In the sputtering target according to the present invention, in the above sputtering target, the compound is at least one of Ga (NO 3 ) 3 , GaPO 4 , Cu 3 (PO 4 ) 2 , and Cu (NO 3 ) 2. It is characterized by that.
That is, this sputtering target contains N and P due to the addition of these compounds, suppresses the generation of crystal defects and the like in the CuGa film formed by sputtering, and provides a chalcopyrite structure semiconductor film. In addition, a high-purity raw material can be used, and the content of inevitable impurities can be reduced as much as possible.

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は、上記の本発明のスパッタリングターゲットを製造する方法であって、N及びPのいずれかの元素と少なくともCuとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉との混合粉末、N及びPのいずれかの元素と少なくともGaとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉又はCu粉末との混合粉末、或いは、N及びPのいずれかの元素と少なくともGa又はCuとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉末とCu粉末との混合粉末からなる成形体を、真空中、不活性ガス中又は還元性雰囲気中で焼結する工程を有していることを特徴とする(以下では、常圧焼結法という)。   Moreover, the manufacturing method of the sputtering target which concerns on this invention is a method of manufacturing said sputtering target of this invention, Comprising: The compound powder by any element of N and P, and at least Cu, Cu-Ga alloy powder, A mixed powder of a compound powder of any one of N and P and at least Ga and a Cu-Ga alloy powder or Cu powder, or a mixed powder of any of N and P and at least Ga or Cu It has the process of sintering the compact which consists of mixed powder of a compound powder, Cu-Ga alloy powder, and Cu powder in a vacuum, an inert gas, or a reducing atmosphere (below) Then, it is called atmospheric pressure sintering method).

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は、上記の本発明のスパッタリングターゲットを製造する別の方法であって、N及びPのいずれかの元素と少なくともCuとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉との混合粉末、N及びPのいずれかの元素と少なくともGaとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉又はCu粉末との混合粉末、或いは、N及びPのいずれかの元素と少なくともGa又はCuとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉末とCu粉末との混合粉末を、真空中又は不活性ガス雰囲気中でホットプレスする工程を有していることを特徴とする(以下では、ホットプレス法という)。   Moreover, the method for producing a sputtering target according to the present invention is another method for producing the sputtering target according to the present invention, and is a compound powder and a Cu-Ga alloy composed of any element of N and P and at least Cu. Mixed powder of powder, mixed powder of compound powder of any element of N and P and at least Ga and Cu-Ga alloy powder or Cu powder, or any element of N and P and at least Ga or Cu Characterized in that it has a step of hot pressing the mixed powder of the compound powder, Cu-Ga alloy powder and Cu powder in vacuum or in an inert gas atmosphere (hereinafter referred to as hot pressing method). ).

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は、上記の本発明のスパッタリングターゲットを製造するさらに別の方法であって、N及びPのいずれかの元素と少なくともCuとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉との混合粉末、N及びPのいずれかの元素と少なくともGaとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉又はCu粉末との混合粉末、或いは、N及びPのいずれかの元素と少なくともGa又はCuとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉末とCu粉末との混合粉末末を、熱間静水圧プレス法を用いて焼結する工程を有していることを特徴とする(以下では、HIP法という)。   Moreover, the manufacturing method of the sputtering target which concerns on this invention is another method of manufacturing said sputtering target of this invention, Comprising: The compound powder by any element of N and P, and at least Cu, and Cu-Ga Mixed powder with alloy powder, mixed powder of compound powder of any element of N and P and at least Ga and Cu-Ga alloy powder or Cu powder, or any element of N and P and at least Ga or It is characterized by having a step of sintering a mixed powder of a compound powder of Cu, Cu-Ga alloy powder and Cu powder using a hot isostatic pressing method (hereinafter referred to as HIP method). Called).

以上のように、これらのスパッタリングターゲットの製造方法では、上記の混合粉末を、粉末焼結の方法を使用することで、Vb族元素とGaとの化合物を溶解法によって添加して製造するスパッタリングターゲットに比べ、N及びPのいずれかの元素と少なくともGa又はCuによる化合物を均一に分散分布させることができる。   As described above, in these sputtering target manufacturing methods, the above mixed powder is manufactured by adding a compound of a Vb group element and Ga by a melting method by using a powder sintering method. As compared with the above, it is possible to uniformly disperse and distribute the compound of any element of N and P and at least Ga or Cu.

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るスパッタリングターゲットによれば、N及びPのいずれかの元素が少なくともGa又はCuによる化合物の状態で含有され、前記化合物の平均粒径が10μm以下であるので、スパッタリング法により、カルコパイライト構造半導体の前駆体(CuGa膜)形成時に、N、Pを、高濃度に、安価、安全、かつ、均一にドーピングすることが可能である。
従って、本発明の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れば、CIGS薄膜型太陽電池の光吸収層を成膜することで、N、Pが、高濃度に添加され、発電効率の高い太陽電池を製造することが可能となる。
The present invention has the following effects.
That is, according to the sputtering target according to the present invention, any element of N and P is contained in a compound state of at least Ga or Cu, and the average particle size of the compound is 10 μm or less. When forming a precursor (CuGa film) of a chalcopyrite structure semiconductor, it is possible to dope N and P at a high concentration, inexpensively, safely and uniformly.
Therefore, according to the sputtering method using the sputtering target of the present invention, by forming the light absorption layer of the CIGS thin film type solar cell, N and P are added at a high concentration, and a solar cell with high power generation efficiency is obtained. It can be manufactured.

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、N、Pの元素の含有の仕方で第1の実施形態と第2の実施形態とに分けて説明する。   Hereinafter, embodiments of a sputtering target and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described separately for the first embodiment and the second embodiment in the manner of containing N and P elements.

本実施形態のスパッタリングターゲットは、上述したように、Ga:0.1〜50質量%、N及びPから選択される1種以上の元素を0.01〜2質量%を含有し、選択的に酸素:0.01〜6質量%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、前記N及びPのいずれかの元素が少なくともGa又はCuによる化合物の状態で含有され、前記化合物の平均粒径が10μm以下であることを基本としているが、前記化合物は、GaN、GaP、CuN、CuP、Ga(NO、GaPO、Cu(PO、Cu(NOの少なくとも一種以上である。ここで、N、P元素の含有が、前記化合物として、GaN、GaPで添加される場合を、第1の実施形態とし、CuN、CuP、Ga(NO、GaPO、Cu(PO、Cu(NOで添加される場合を、第2の実施形態とした。 As described above, the sputtering target of this embodiment contains 0.01 to 2% by mass of one or more elements selected from Ga: 0.1 to 50% by mass and N and P, and selectively. Oxygen: 0.01 to 6% by mass, with the balance being a component composition consisting of Cu and inevitable impurities, any element of N and P is contained in the state of a compound of at least Ga or Cu, The average particle size of the compound is basically 10 μm or less, and the compound is composed of GaN, GaP, Cu 3 N, Cu 3 P, Ga (NO 3 ) 3 , GaPO 4 , Cu 3 (PO 4 ) 2. And at least one of Cu (NO 3 ) 2 . Here, the case where the inclusion of N and P elements is added as GaN or GaP as the compound is a first embodiment, and Cu 3 N, Cu 3 P, Ga (NO 3 ) 3 , GaPO 4 , The case where Cu 3 (PO 4 ) 2 and Cu (NO 3 ) 2 are added is the second embodiment.

〔第1の実施形態〕
第1の実施形態のスパッタリングターゲットは、Ga:0.1〜50質量%、N及びPから選択される1種以上の元素:0.01〜2質量%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、N、Pの元素がGaとの化合物の状態で含有され、前記化合物としては、GaN、GaPが挙げられる。
[First Embodiment]
The sputtering target of the first embodiment contains Ga: 0.1 to 50% by mass, one or more elements selected from N and P: 0.01 to 2% by mass, with the balance being Cu and inevitable impurities. The N and P elements are contained in the state of a compound with Ga. Examples of the compound include GaN and GaP.

なお、上記スパッタリングターゲットにおけるターゲット組成の分析は、先ず、製造された後に、スパッタリングターゲットを割り、断面を露出させた試料を作製し、得られた試料断面をクロスセクションポリッシャ(CP)加工で処理する。さらに、処理した面をEPMA(電子線マイクロアナライザ)でCu、Ga、N、Pで定量分析(面分析)を行うことで、含有量を測定して組成分析を行っている。   The analysis of the target composition in the sputtering target is first manufactured, then the sputtering target is divided to produce a sample with the cross section exposed, and the obtained sample cross section is processed by cross section polisher (CP) processing. . Furthermore, the processed surface is subjected to quantitative analysis (surface analysis) with Cu, Ga, N, and P by EPMA (electron beam microanalyzer), thereby measuring the content and performing composition analysis.

また、化合物(GaN、GaP)の最大粒径は、ターゲット断面をEPMAで観察することにより行われ、200倍のCOMPO像を5枚撮影する。そして、これら5枚の画像の中で最も大きな上記化合物の粒径を計測して、最大の粒径としている。平均粒径については、同様に撮影した5枚の写真に存在する上記化合物の粒径から平均値を算出した。   The maximum particle diameter of the compound (GaN, GaP) is determined by observing the target cross section with EPMA, and five 200-times COMPO images are taken. Then, the largest particle size of the above-mentioned compound among these five images is measured to obtain the maximum particle size. About average particle diameter, the average value was computed from the particle diameter of the said compound which exists in five photograph image | photographed similarly.

第1の実施形態のスパッタリングターゲットを製造する方法は、Ga化合物粉末とCu−Ga合金粉末、或いは、Ga化合物粉末とCu−Ga合金粉末とCu粉末との混合粉末を予め用意し、以下の3つの焼結方法で製造することができる。   The method for producing the sputtering target of the first embodiment is prepared by preparing Ga compound powder and Cu—Ga alloy powder or a mixed powder of Ga compound powder, Cu—Ga alloy powder and Cu powder in advance, and the following 3 It can be produced by two sintering methods.

(1)前記混合粉末を金型に充填し、冷間にてプレス成形して成形体を作製する。あるいは、前記混合粉末を成形モールドに充填、タッピングして一定の嵩密度を有する成形体を形成する。この成形体を真空中、不活性ガス中又は還元性雰囲気中において焼結する。特に、水素雰囲気中で焼結する場合には、雰囲気中の水素含有量は、1%以上好ましくは90%以上に設定する。
(2)混合粉末を真空又は不活性ガス雰囲気中で10〜60MPaの圧力範囲内でホットプレスする。
(3)混合粉末をHIP法で圧力:15〜150MPaにて焼結する。
(1) The mixed powder is filled in a mold and press-molded in a cold state to produce a molded body. Alternatively, the mixed powder is filled into a molding mold and tapped to form a molded body having a certain bulk density. The molded body is sintered in a vacuum, in an inert gas, or in a reducing atmosphere. In particular, when sintering in a hydrogen atmosphere, the hydrogen content in the atmosphere is set to 1% or more, preferably 90% or more.
(2) The mixed powder is hot-pressed in a pressure range of 10 to 60 MPa in a vacuum or an inert gas atmosphere.
(3) The mixed powder is sintered by the HIP method at a pressure of 15 to 150 MPa.

この混合粉末を用意するには、例えば、以下の方法で行う。
先ず、用意するGaN化合物粉末又はGaP化合物粉末としては、純度3N以上で、酸素含有量の上昇を抑えると共にCu−Ga合金粉末とCu粉末との混合性を考慮して、一次粒子径が0.3μm以下のものが好ましい。特に、化合物として、GaN及びGaPを用いると、これらは、酸素を含有していないと共に、高純度の原料を使用することができ、ターゲット中の酸素や不可避不純物の含有量を低減することができるため、好適である。
なお、ターゲット中の酸素含有量を低減するために、GaN及びGaP化合物粉末中の吸着水分や水和物を混合する前に予め取り除く必要がある。例えば、真空乾燥機中で真空環境にて120℃、10時間の乾燥が有効である。
In order to prepare this mixed powder, for example, the following method is used.
First, the prepared GaN compound powder or GaP compound powder has a purity of 3N or more, suppresses an increase in oxygen content, and considers the mixability of Cu-Ga alloy powder and Cu powder, and has a primary particle size of 0. The thing of 3 micrometers or less is preferable. In particular, when GaN and GaP are used as compounds, they do not contain oxygen, and high-purity raw materials can be used, and the content of oxygen and inevitable impurities in the target can be reduced. Therefore, it is preferable.
In order to reduce the oxygen content in the target, it is necessary to remove the adsorbed moisture and hydrate in the GaN and GaP compound powder before mixing. For example, drying at 120 ° C. for 10 hours in a vacuum environment in a vacuum dryer is effective.

GaN及びGaP化合物粉末の解砕は、粉砕装置(例えば、ボールミル、ジェットミル、ヘンシェルミキサー、アトライター等)を用いて行う。得られる平均二次粒子径は10μm以下が好ましい。粉砕工程は湿度RH40%以下の乾燥した環境で行うことが好ましい。
さらに、この乾燥させた解砕粉とターゲット組成のCu−Ga合金粉末及びCu粉末の少なくとも一方を、乾式混合装置を用いて相対湿度RH40%以下の乾燥した環境にて混合し、焼結用原料粉を用意する。なお、混合は還元性雰囲気中で行うことがさらに好ましい。
Crushing of the GaN and GaP compound powder is performed using a pulverizer (for example, a ball mill, a jet mill, a Henschel mixer, an attritor, etc.). The average secondary particle size obtained is preferably 10 μm or less. The pulverization step is preferably performed in a dry environment with a humidity of RH 40% or less.
Furthermore, at least one of the dried crushed powder and the Cu-Ga alloy powder and Cu powder of the target composition are mixed in a dry environment having a relative humidity of RH 40% or less using a dry mixing device, and a raw material for sintering Prepare powder. The mixing is more preferably performed in a reducing atmosphere.

なお、Cu−Ga合金粉末及びCu粉末の平均粒径は250μm未満が好ましい。250μm以上であると焼結不良を起こすためである。
また、混合後の混合粉中の吸着水分を取り除く必要がある場合、例えば、真空乾燥機中で真空環境にて80℃、3時間以上の乾燥が有効である。
The average particle size of the Cu—Ga alloy powder and Cu powder is preferably less than 250 μm. This is because if it is 250 μm or more, sintering failure occurs.
Further, when it is necessary to remove adsorbed moisture from the mixed powder after mixing, for example, drying at 80 ° C. for 3 hours or more in a vacuum environment in a vacuum dryer is effective.

次に、このように上記方法で混合した原料粉を、RH30%以下の乾燥環境でプラスチック樹脂性の袋に封入し保管する。
また、Cu−Ga合金又はCuの焼結中の酸化防止のため、常圧焼結、ホットプレス又はHIPは、還元性雰囲気中、真空中又は不活性ガス雰囲気中で行う。
Next, the raw material powder mixed by the above method is sealed in a plastic resin bag in a dry environment of RH 30% or less and stored.
In order to prevent oxidation during sintering of the Cu—Ga alloy or Cu, atmospheric pressure sintering, hot pressing, or HIP is performed in a reducing atmosphere, a vacuum, or an inert gas atmosphere.

常圧焼結においては、GaN及びGaP化合物を添加する場合、雰囲気中の水素の存在は焼結性の向上に有利である。雰囲気中の水素含有量は1%以上であることが好ましく、90%以上はより好ましい。
ホットプレスにおいては、ホットプレスの圧力がターゲット焼結体の密度に大きな影響を及ぼすので、好ましい圧力は10〜60MPaとする。また、加圧は、昇温開始前からでもよいし、一定のホットプレス温度に到達してから行ってもよい。
HIP法においては、好ましい圧力は15〜150MPaとする。
焼結体の焼結時間は組成により変わるが、1〜10時間が好ましい。1時間より短くなると、焼結が不十分であり、スパッタ中に割れや欠けが発生し、さらには、スパッタリング時に異常放電が発生する可能性が高くなる。一方、10時間より長くしても密度を向上させる効果はほとんどない。
In atmospheric pressure sintering, when GaN and GaP compounds are added, the presence of hydrogen in the atmosphere is advantageous for improving the sinterability. The hydrogen content in the atmosphere is preferably 1% or more, more preferably 90% or more.
In the hot press, since the pressure of the hot press greatly affects the density of the target sintered body, the preferable pressure is 10 to 60 MPa. Further, the pressurization may be performed before the start of temperature rise or after reaching a certain hot press temperature.
In the HIP method, a preferable pressure is 15 to 150 MPa.
The sintering time of the sintered body varies depending on the composition, but 1 to 10 hours is preferable. If the time is shorter than 1 hour, sintering is insufficient, cracks and chips are generated during sputtering, and there is a high possibility that abnormal discharge will occur during sputtering. On the other hand, even if it is longer than 10 hours, there is almost no effect of improving the density.

次に、上記焼結体には、通常放電加工、切削加工又は研削加工を用いて、スパッタリングターゲットの指定形状に加工する。
次に、加工後のスパッタリングターゲットを、Inを半田として、Cu又はSUS(ステンレス)、或いは、その他金属(例えば、Mo)からなるバッキングプレートにボンディングし、スパッタリングに供する。
なお、加工済みのスパッタリングターゲットを保管する際には、酸化、吸湿を防止するため、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キングを施すことが好ましい。
Next, the sintered body is processed into a specified shape of the sputtering target using normal electric discharge machining, cutting, or grinding.
Next, the processed sputtering target is bonded to a backing plate made of Cu or SUS (stainless steel) or other metal (for example, Mo) using In as solder, and is used for sputtering.
In addition, when storing the processed sputtering target, it is preferable to apply a vacuum pack or a packing obtained by replacing the entire target with a vacuum in order to prevent oxidation and moisture absorption.

このように作製したスパッタリングターゲットは、Arガスをスパッタガスとして直流(DC)マグネトロンスパッタに供する。このときの直流(DC)スパッタリングは、パルス電圧を付加するパルスDC電源を用いることでもよいし、パルスなしのDC電源でも可能である。また、スパッタリング時の投入電力は、例えば、3W/cmであり、ガス圧が0.67Paとされる。 The sputtering target thus manufactured is subjected to direct current (DC) magnetron sputtering using Ar gas as a sputtering gas. In this case, direct current (DC) sputtering may be performed using a pulsed DC power source to which a pulse voltage is applied or a DC power source without a pulse. The input power during sputtering is, for example, 3 W / cm 2 and the gas pressure is 0.67 Pa.

このようにして作製された第1の実施形態のスパッタリングターゲットは、N、Pの元素がGaとの化合物の状態で含有され、前記化合物の平均粒径が10μm以下であるので、スパッタリング法により、カルコパイライト構造半導体の前駆体(CuGa膜)形成時に、高濃度にN、Pの元素をドーピング可能である。また、スパッタリングプロセスによるドーピングであるために、従来のイオンドーピングに比べて安価、安全かつ均一にドーピング可能である。さらに、前駆体へN、Pの元素をドーピングできるため、結晶欠陥等が生じずに、カルコパイライト構造半導体膜へのダメージがない。   The sputtering target of the first embodiment thus produced contains N and P elements in a compound state with Ga, and the average particle size of the compound is 10 μm or less. At the time of forming the precursor (CuGa film) of the chalcopyrite structure semiconductor, the elements of N and P can be doped at a high concentration. In addition, since doping is performed by a sputtering process, the doping is cheaper, safer and more uniform than conventional ion doping. Further, since the precursor can be doped with N and P elements, crystal defects and the like are not generated, and the chalcopyrite structure semiconductor film is not damaged.

なお、N、Pの元素とGaとの化合物の平均粒径が10μm以下に設定されているので、スパッタリング時の異常放電の発生を抑制することができる。
また、前記化合物としてGaN及びGaPの少なくとも一種を採用することで、化合物が酸素を含有していないと共に、高純度の原料を使用することができるので、不可避不純物の含有量を低減可能である。
さらに、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、上記混合粉末を、粉末焼結の方法を使用することで、Vb族元素とGaとの化合物を溶解法によって添加して製造するターゲットに比べ、N、Pの元素とGaとの化合物を均一に分散分布させることができる。
In addition, since the average particle diameter of the compound of the element of N and P and Ga is set to 10 micrometers or less, generation | occurrence | production of abnormal discharge at the time of sputtering can be suppressed.
In addition, by employing at least one of GaN and GaP as the compound, the compound does not contain oxygen and a high-purity raw material can be used, so that the content of inevitable impurities can be reduced.
Furthermore, in the manufacturing method of the sputtering target of this embodiment, the above mixed powder is compared with a target manufactured by adding a compound of a Vb group element and Ga by a melting method by using a powder sintering method. The compound of N and P elements and Ga can be uniformly dispersed and distributed.

(実施例)
次に、第1の実施形態に係るスパッタリングターゲット及びその製造方法に関し、上述の製造方法に基づいて作製した実施例により、評価した結果を説明する。
(Example)
Next, the evaluation result is demonstrated by the Example produced based on the above-mentioned manufacturing method regarding the sputtering target which concerns on 1st Embodiment, and its manufacturing method.

先ず、表1及び表3に示される成分組成及び粒径を有するCu−Ga合金粉末と、Cu粉(純度4N)と、純度3Nで一次平均粒子径が10μmのGaN粉末又はGaP粉末とを、表1及び表3に示される量になるように配合し、実施例1〜30の原料粉末とした。これらの原料粉末を、真空乾燥機中で10−1Paの真空環境にて120℃、10時間で乾燥させ、その後、容積10Lのポリエチレン製ポットに入れ、さらに、120℃、10時間乾燥した直径5mmのジルコニアボールを入れて、ボールミルで、表1及び表3に記載の時間で混合した。混合はアルゴン雰囲気で行った。 First, Cu-Ga alloy powder having the component composition and particle size shown in Table 1 and Table 3, Cu powder (purity 4N), and GaN powder or GaP powder having a purity of 3N and a primary average particle diameter of 10 μm, It mix | blended so that it might become the quantity shown by Table 1 and Table 3, and it was set as the raw material powder of Examples 1-30. These raw material powders were dried at 120 ° C. for 10 hours in a vacuum environment of 10 −1 Pa in a vacuum dryer, then placed in a 10 L polyethylene pot and further dried at 120 ° C. for 10 hours. 5 mm zirconia balls were put and mixed by a ball mill at the times shown in Tables 1 and 3. Mixing was performed in an argon atmosphere.

得られた混合粉末を、表2及び表4に指定された条件にて焼結した。常圧焼結する場合、まず混合粉末を金属製金型に充填し、500〜2000kgf/cmの圧力にて常温加圧して、成形体を作製し、還元雰囲気ガスとして、水素(H)、一酸化炭素(CO)、アンモニアクラッキングガス等の還元ガス、或いは、それらの還元ガスと不活性ガスとの混合ガスを用い焼成を行った。ホットプレスの場合、原料粉末を黒鉛モールドに充填して真空ホットプレスを行った。HIPの場合も常圧焼結と同様に、まず混合粉末を金属製金型に充填し、常温1500kgf/cmで加圧成形する。得られた成形体を0.5mm厚みのステンレス容器に装入した後、真空脱気を経て封入し、HIP処理に用いる。
なお、焼結済みの焼結体に、乾式切削加工を施し、直径125(mm)×厚さ5(mm)のスパッタリングターゲット(実施例1〜30のスパッタリングターゲット)を作製した。
The obtained mixed powder was sintered under the conditions specified in Tables 2 and 4. In the case of normal pressure sintering, first, the mixed powder is filled in a metal mold and pressed at room temperature at a pressure of 500 to 2000 kgf / cm 2 to produce a compact, and hydrogen (H 2 ) as a reducing atmosphere gas. Calcination was performed using a reducing gas such as carbon monoxide (CO) or ammonia cracking gas, or a mixed gas of these reducing gas and inert gas. In the case of hot pressing, the raw material powder was filled in a graphite mold and vacuum hot pressing was performed. In the case of HIP, similarly to the normal pressure sintering, the mixed powder is first filled in a metal mold and pressure-molded at a normal temperature of 1500 kgf / cm 2 . The obtained molded body is placed in a 0.5 mm-thick stainless steel container and then sealed through vacuum deaeration and used for HIP treatment.
In addition, the dry-cut process was given to the sintered compact after sintering, and the sputtering target (sputtering target of Examples 1-30) of diameter 125 (mm) x thickness 5 (mm) was produced.





<評価>
本実施例1〜30のスパッタリングターゲットについて、焼結体中のGaN粒子又はGaP粒子を、日本電子株式会社製電子線プローブマイクロアナライザ(EPMA)(JXA−8500F)で観察し、上述した計測方法で粒子の最大粒径、平均粒径をそれぞれ求めた。
また、作製したターゲット中のGaとCuとPとの各含有量を、ICP法(高周波誘導結合プラズマ法)を用いて定量分析を行った。また、Nについては、不活性ガス融解熱伝導度法を用いて定量分析を行った。
<Evaluation>
For the sputtering targets of Examples 1 to 30, the GaN particles or GaP particles in the sintered body were observed with an electron beam probe microanalyzer (EPMA) (JXA-8500F) manufactured by JEOL Ltd., and the measurement method described above. The maximum particle size and the average particle size of the particles were determined.
Moreover, each content of Ga, Cu, and P in the produced target was quantitatively analyzed using an ICP method (high frequency inductively coupled plasma method). Further, N was quantitatively analyzed using an inert gas melting thermal conductivity method.

さらに、実施例1〜30のスパッタリングターゲットについて、マグネトロンスパッタ装置を用いて、投入電力:3.3W/cm、10minの直流(DC)スパッタリングにより、Siウエハ上に1000nm成膜した。また、スパッタリング時のAr流量は30sccmとし、圧力を0.67Paとした。
この成膜された各膜に対してEPMA定性分析を行い、N又はPに係るピークが検出された場合は、膜中にN又はPの元素が有る(添加されている)と判断し、ピークが検出されない場合は、膜中にN又はPの元素が無い(添加されていない)と判断した。
Furthermore, about the sputtering target of Examples 1-30, 1000 nm was formed into a film on Si wafer by direct current (DC) sputtering of input electric power: 3.3W / cm < 2 > for 10 minutes using the magnetron sputtering device. The Ar flow rate during sputtering was 30 sccm, and the pressure was 0.67 Pa.
EPMA qualitative analysis is performed on each of the deposited films, and if a peak related to N or P is detected, it is determined that there is an element of N or P (added) in the film, and the peak Was not detected, it was determined that there was no N or P element (not added) in the film.

さらに、以上の条件において10分間連続スパッタリング(電力:3.3W/cm、電源:DC)を行い、異常放電の発生回数をスパッタ電源に付属したアーキングカウンターにて自動的に記録した。また、スパッタリング中に発生したアーキングにおいて、継続してスパッタリングが可能なアーキングをソフトアーク、スパッタリングターゲットの損傷が大きく継続してスパッタリングが不可能なアーキングをハードアークとして区別した。ソフトアークに関しては、アーキングカウンターにて計測が可能なため、その発生回数を記録した。また、ハードアークについては、スパッタリングを中断せざるを得ないため、その中断の発生の有無と、スパッタリング後のターゲット表面の割れ、欠けを目視にて評価した。これらの結果も、表2及び表4に示す。なお、異常放電回数が300回を超える場合、安定して直流(DC)スパッタリングができず、評価可能な膜が得られないため不良と判断し、「成膜不可」と表記した。 Further, continuous sputtering (power: 3.3 W / cm 2 , power source: DC) was performed for 10 minutes under the above conditions, and the number of occurrences of abnormal discharge was automatically recorded by an arcing counter attached to the sputtering power source. Further, in arcing generated during sputtering, arcing that can be continuously sputtered is distinguished as soft arc, and arcing in which sputtering target is largely damaged and cannot be sputtered is distinguished as hard arc. For soft arcs, the number of occurrences was recorded because it can be measured with an arcing counter. Moreover, about hard arc, since sputtering had to be interrupted, the presence or absence of generation | occurrence | production of the interruption and the crack of the target surface after sputtering, and a chip were evaluated visually. These results are also shown in Tables 2 and 4. When the number of abnormal discharges exceeded 300, direct current (DC) sputtering could not be performed stably, and an evaluable film could not be obtained.

(比較例)
先ず、表1及び表3に示される成分組成及び粒径を有するCu−Ga合金粉末と、Cu粉(純度4N)と、純度3NのGaN粉末又はGaP粉末とを、表1及び表3に示される量になるように配合し、比較例1〜6の原料粉末とした。得られた混合粉末を、表2及び表4に示された条件にて焼結し、比較例1〜6のスパッタリングターゲットを作製した。これら比較例のスパッタリングターゲットについても、実施例と同様に評価した。その結果も併せて表2及び表4に示す。
(Comparative example)
First, the Cu—Ga alloy powder having the component composition and particle size shown in Table 1 and Table 3, the Cu powder (purity 4N), and the GaN powder or GaP powder of purity 3N are shown in Table 1 and Table 3. The raw material powders of Comparative Examples 1 to 6 were blended so that the amount was adjusted. The obtained mixed powder was sintered under the conditions shown in Tables 2 and 4, and sputtering targets of Comparative Examples 1 to 6 were produced. The sputtering targets of these comparative examples were also evaluated in the same manner as in the examples. The results are also shown in Tables 2 and 4.

これらの結果からわかるように、実施例はいずれも異常放電回数が少なく、スパッタリング中のターゲット割れや欠けも無かった。また、スパッタリングした膜中には、N又はPが検出され添加されていることが確認された。これらに対して、比較例1では、Nの含有量が2質量%を超えており、異常放電回数が増大して安定したスパッタ成膜ができなかった共にスパッタリング中のターゲット欠けが発生した。また、比較例2及び3では、GaNの平均粒径が10μmを超えており、異常放電回数が増大して安定したスパッタ成膜ができなかった共にスパッタ中のターゲットの割れ又は欠けが発生した。   As can be seen from these results, all the examples had a small number of abnormal discharges, and there were no target cracks or chips during sputtering. Further, it was confirmed that N or P was detected and added in the sputtered film. On the other hand, in Comparative Example 1, the content of N exceeded 2% by mass, the number of abnormal discharges increased, and stable sputter film formation was not possible, and target chipping occurred during sputtering. In Comparative Examples 2 and 3, the average particle diameter of GaN exceeded 10 μm, the number of abnormal discharges increased, and stable sputter film formation was not possible, and cracking or chipping of the target during sputtering occurred.

さらに、比較例4では、Pの含有量が2質量%を超えており、異常放電回数が増大して安定したスパッタ成膜ができなかった共にスパッタ中のターゲットの欠けが発生した。また、比較例5及び6では、GaPの平均粒径が10μmを超えており、異常放電回数が増大して安定したスパッタリング成膜ができなかった共に、スパッタリング中のターゲット割れ又は欠けが発生した。   Furthermore, in Comparative Example 4, the P content exceeded 2 mass%, the number of abnormal discharges increased, and stable sputter film formation could not be performed, and target chipping during sputtering occurred. In Comparative Examples 5 and 6, the average particle size of GaP exceeded 10 μm, the number of abnormal discharges increased, and stable sputtering film formation could not be performed, and target cracks or chipping occurred during sputtering.

〔第2の実施形態〕
上述した第1の実施形態は、Ga:0.1〜50質量%、N及びPから選択される1種以上の元素:0.01〜2質量%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、N、Pの元素が、Gaとの化合物、即ち、GaN、GaPの状態で含有されスパッタリングターゲットの場合であった。これに対して、第2の実施形態は、Ga:0.1〜50質量%、N及びPから選択される1種以上の元素:0.01〜2質量%を含有し、選択的に酸素:0.01〜6質量%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たスパッタリングターゲットであって、N、Pの元素が、少なくともCu又はGaによる化合物の状態、即ち、CuN、CuP、Ga(NO、GaPO、Cu(PO、Cu(NOで添加される場合である。
[Second Embodiment]
1st Embodiment mentioned above contains Ga: 0.1-50 mass%, 1 or more types of elements selected from N and P: 0.01-2 mass%, remainder is Cu and an unavoidable impurity. In the case of a sputtering target, the elements of N and P are contained in the state of a compound with Ga, that is, GaN and GaP. In contrast, the second embodiment contains Ga: 0.1 to 50% by mass, one or more elements selected from N and P: 0.01 to 2% by mass, and selectively contains oxygen. : A sputtering target containing 0.01 to 6% by mass with the balance being composed of Cu and inevitable impurities, wherein the N and P elements are in a compound state of at least Cu or Ga, that is, Cu 3 N, a case where Cu 3 P, Ga (NO 3 ) 3, GaPO 4, Cu 3 (PO 4) 2, Cu (NO 3) is added in 2.

従って、第2の実施形態に係るスパッタリングターゲットの製造においては、第1の実施形態のスパッタリングターゲットの製造方法におけるGaN化合物又はGaP化合物の添加の代わりに、CuN、CuP、Ga(NO、GaPO、Cu(PO、Cu(NOのいずれかによる化合物を添加すればよく、第2の実施形態の製造手順は、上述した第1の実施形態の製造手順と同様である。 Therefore, in the production of the sputtering target according to the second embodiment, Cu 3 N, Cu 3 P, Ga (NO) is used instead of the addition of the GaN compound or the GaP compound in the sputtering target production method of the first embodiment. 3 ) 3 , GaPO 4 , Cu 3 (PO 4 ) 2 , or Cu (NO 3 ) 2 may be added, and the manufacturing procedure of the second embodiment is the same as that of the first embodiment described above. The manufacturing procedure is the same.

また、第2の実施形態のスパッタリングターゲットに関するターゲット組成分析と、化合物〔CuN、CuP、Ga(NO、GaPO、Cu(PO、Cu(NO〕の最大粒径及び平均粒径の測定とについても、第1の実施形態の場合と同様である。なお、酸素については、得られたスパッタリングターゲットについて、JIS Z 2613「金属材料の酸素定量方法通則」に記載された赤外線吸収法に準拠し、LECO社製TC600を用いて測定した。 In addition, target composition analysis on the sputtering target of the second embodiment, and compounds [Cu 3 N, Cu 3 P, Ga (NO 3 ) 3 , GaPO 4 , Cu 3 (PO 4 ) 2 , Cu (NO 3 ) 2]. The measurement of the maximum particle size and the average particle size is the same as in the case of the first embodiment. Regarding oxygen, the obtained sputtering target was measured using a TC600 manufactured by LECO Co., Ltd. in accordance with the infrared absorption method described in JIS Z 2613 “General Rules for Determination of Oxygen of Metallic Materials”.

このようにして作製された第2の実施形態のスパッタリングターゲットは、N、Pの元素が、CuN、CuP、Ga(NO)3、GaPO、Cu(PO、Cu(NOのいずれかの化合物の状態で含有され、前記化合物の平均粒径が10μm以下であり、最大粒径でも、15μm以下であるので、スパッタリング時の異常放電の発生を抑制することができるとともに、スパッタリング法により、カルコパイライト構造半導体の前駆体(CuGa膜)形成時に、高濃度にN、Pの元素をドーピングすることが可能である。また、スパッタリングプロセスによるドーピングであるために、従来のイオンドーピングに比べて安価、安全かつ均一にドーピング可能である。さらに、前駆体へN、Pの元素をドーピングできるため、結晶欠陥等が生じずに、カルコパイライト構造半導体膜へのダメージがない。 In the sputtering target of the second embodiment manufactured in this way, the elements of N and P are Cu 3 N, Cu 3 P, Ga (NO 3 ) 3, GaPO 4 , Cu 3 (PO 4 ) 2 , It is contained in the state of any compound of Cu (NO 3 ) 2 , and the average particle size of the compound is 10 μm or less, and the maximum particle size is 15 μm or less, thereby suppressing the occurrence of abnormal discharge during sputtering. In addition, it is possible to dope N and P elements at a high concentration when forming a precursor (CuGa film) of a chalcopyrite structure semiconductor by sputtering. In addition, since doping is performed by a sputtering process, the doping is cheaper, safer and more uniform than conventional ion doping. Further, since the precursor can be doped with N and P elements, crystal defects and the like are not generated, and the chalcopyrite structure semiconductor film is not damaged.

さらに、第2の実施形態のスパッタリングターゲットの製造方法では、上記した混合粉末を、粉末焼結することで、Vb族元素とGaとの化合物を溶解法によって添加して製造するスパッタリングターゲットに比べ、N、Pの元素と少なくともCu又はGaとの化合物を均一に分散分布させることができる。   Furthermore, in the manufacturing method of the sputtering target of 2nd Embodiment, compared with the sputtering target manufactured by adding the compound of Vb group element and Ga by a melting method by carrying out powder sintering of the above-mentioned mixed powder, A compound of N and P elements and at least Cu or Ga can be uniformly distributed.

(実施例)
次に、第2の実施形態に係るスパッタリングターゲット及びその製造方法に関し、上述の製造方法に基づいて作製した実施例により、評価した結果を説明する。
(Example)
Next, the evaluation result is demonstrated by the Example produced based on the above-mentioned manufacturing method regarding the sputtering target which concerns on 2nd Embodiment, and its manufacturing method.

先ず、表5に示される成分組成及び粒径を有するCu−Ga合金粉末と、Cu粉(純度4N)と、純度3NのCuN化合物粉末、CuP化合物粉末、Ga(NO化合物粉末、GaPO化合物粉末、Cu(PO化合物粉末、Cu(NO化合物粉末とを、表5に示される量になるように配合し、実施例31〜37の原料粉末とした。これらの原料粉末を、真空乾燥機中で10−1Paの真空環境にて120℃、10時間で乾燥させ、その後、容積10Lのポリエチレン製ポットに入れ、さらに、120℃、10時間乾燥した直径5mmのジルコニアボールを入れて、ボールミルで、表5に記載の時間で混合した。混合はアルゴン雰囲気で行った。 First, Cu-Ga alloy powder having the component composition and particle size shown in Table 5, Cu powder (purity 4N), Cu 3 N compound powder of purity 3N, Cu 3 P compound powder, Ga (NO 3 ) 3 Compound powder, GaPO 4 compound powder, Cu 3 (PO 4 ) 2 compound powder, Cu (NO 3 ) 2 compound powder were blended so as to have the amounts shown in Table 5, and raw material powders of Examples 31 to 37 It was. These raw material powders were dried at 120 ° C. for 10 hours in a vacuum environment of 10 −1 Pa in a vacuum dryer, then placed in a 10 L polyethylene pot and further dried at 120 ° C. for 10 hours. 5 mm zirconia balls were put and mixed with a ball mill for the time shown in Table 5. Mixing was performed in an argon atmosphere.

得られた混合粉末を、表6に指定された条件にて焼結した。ホットプレス法による場合では、原料粉末を黒鉛モールドに充填して真空ホットプレスを行った。HIP法による場合では、混合粉末を金属製金型に充填し、常温1500kgf/cmで加圧成形する。得られた成形体を0.5mm厚みのステンレス容器に装入した後、真空脱気を経て封入し、HIP処理を行った。なお、焼結済みの焼結体に、乾式切削加工を施し、直径125(mm)×厚さ5(mm)のスパッタリングターゲット(実施例31〜37のスパッタリングターゲット)を作製した。 The obtained mixed powder was sintered under the conditions specified in Table 6. In the case of the hot press method, the raw material powder was filled in a graphite mold and vacuum hot press was performed. In the case of the HIP method, the mixed powder is filled in a metal mold and pressure-molded at a normal temperature of 1500 kgf / cm 2 . The obtained molded body was placed in a stainless steel container having a thickness of 0.5 mm, and then sealed through vacuum deaeration and subjected to HIP treatment. Note that the sintered body was subjected to dry cutting to produce a sputtering target having a diameter of 125 (mm) × thickness of 5 (mm) (a sputtering target of Examples 31 to 37).



<評価>
本実施例31〜37のスパッタリングターゲットについて、焼結体中におけるCuP粒子、Ga(NO粒子、GaPO粒子、Cu(PO粒子、Cu(NO粒子を、日本電子株式会社製電子線プローブマイクロアナライザ(EPMA)(JXA−8500F)で観察し、上述した計測方法で粒子の最大粒径、平均粒径をそれぞれ求めた。
また、作製したターゲット中のGaとCuとPとの各含有量を、ICP法(高周波誘導結合プラズマ法)を用いて定量分析を行った。また、Nについては、不活性ガス融解熱伝導度法を用いて定量分析を行った。酸素については、 JIS Z 2613「金属材料の酸素定量方法通則」に記載された赤外線吸収法に準拠し、LECO社製TC600を用いて測定した。
<Evaluation>
For the sputtering targets of Examples 31 to 37, Cu 3 P particles, Ga (NO 3 ) 3 particles, GaPO 4 particles, Cu 3 (PO 4 ) 2 particles, and Cu (NO 3 ) 2 particles in the sintered body were used. The maximum particle size and the average particle size of the particles were determined by the above-described measurement method, using an electron beam probe microanalyzer (EPMA) (JXA-8500F) manufactured by JEOL Ltd.
Moreover, each content of Ga, Cu, and P in the produced target was quantitatively analyzed using an ICP method (high frequency inductively coupled plasma method). Further, N was quantitatively analyzed using an inert gas melting thermal conductivity method. Oxygen was measured using a TC600 manufactured by LECO in accordance with the infrared absorption method described in JIS Z 2613 “General Rules for Determination of Oxygen of Metallic Materials”.

さらに、実施例31〜37のスパッタリングターゲットについて、マグネトロンスパッタ装置を用いて、投入電力:3.3W/cm、10minの直流(DC)スパッタリングにより、Siウエハ上に1000nm成膜した。ここで、スパッタリング時のAr流量は30sccmとし、圧力を0.67Paとした。この成膜された各膜に対してEPMA定性分析を行い、N又はPに係るピークが検出された場合は、膜中にN又はPの元素が有る(添加されている)と判断し、ピークが検出されない場合は、膜中にN又はPの元素が無い(添加されていない)と判断した。 Further, with respect to the sputtering targets of Examples 31 to 37, a 1000 nm film was formed on a Si wafer by direct current (DC) sputtering with an input power of 3.3 W / cm 2 and 10 min using a magnetron sputtering apparatus. Here, the Ar flow rate during sputtering was 30 sccm, and the pressure was 0.67 Pa. EPMA qualitative analysis is performed on each of the deposited films, and if a peak related to N or P is detected, it is determined that there is an element of N or P (added) in the film, and the peak Was not detected, it was determined that there was no N or P element (not added) in the film.

さらに、以上の条件において10分間連続スパッタリング(電力:3.3W/cm、電源:DC)を行い、異常放電の発生回数をスパッタ電源に付属したアーキングカウンターにて自動的に記録した。また、スパッタリング中に発生したアーキングにおいて、継続してスパッタリングが可能なアーキングをソフトアーク、スパッタリングターゲットの損傷が大きく継続してスパッタリングが不可能なアーキングをハードアークとして区別した。ソフトアークに関しては、アーキングカウンターにて計測が可能なため、その発生回数を記録した。また、ハードアークについては、スパッタリングを中断せざるを得ないため、その中断の発生の有無と、スパッタリング後のターゲット表面の割れ、欠けを目視にて評価した。これらの結果も、表6に示す。なお、異常放電回数が300回を超える場合、安定して直流(DC)スパッタリングができず、評価可能な膜が得られないため不良と判断し、「成膜不可」と表記した。 Further, continuous sputtering (power: 3.3 W / cm 2 , power source: DC) was performed for 10 minutes under the above conditions, and the number of occurrences of abnormal discharge was automatically recorded by an arcing counter attached to the sputtering power source. Further, in arcing generated during sputtering, arcing that can be continuously sputtered is distinguished as soft arc, and arcing in which sputtering target is largely damaged and cannot be sputtered is distinguished as hard arc. For soft arcs, the number of occurrences was recorded because it can be measured with an arcing counter. Moreover, about hard arc, since sputtering had to be interrupted, the presence or absence of generation | occurrence | production of the interruption and the crack of the target surface after sputtering, and a chip were evaluated visually. These results are also shown in Table 6. When the number of abnormal discharges exceeded 300, direct current (DC) sputtering could not be performed stably, and an evaluable film could not be obtained.

(比較例)
先ず、表5に示される成分組成及び粒径を有するCu−Ga合金粉末と、Cu粉(純度4N)と、純度3NのCuP化合物粉末又はCu(NO化合物粉末とを、表5に示される量になるように配合し、比較例7、8の原料粉末とした。得られた混合粉末を、表6に示された条件にて焼結し、比較例7、8のスパッタリングターゲットを作製した。これら比較例のスパッタリングターゲットについても、実施例と同様に評価した。その結果も併せて表6に示す。
(Comparative example)
First, a Cu—Ga alloy powder having the component composition and particle size shown in Table 5, a Cu powder (purity 4N), and a Cu 3 P compound powder or a Cu (NO 3 ) 2 compound powder having a purity of 3N The raw material powders of Comparative Examples 7 and 8 were blended so that the amount shown in FIG. The obtained mixed powder was sintered under the conditions shown in Table 6 to prepare sputtering targets of Comparative Examples 7 and 8. The sputtering targets of these comparative examples were also evaluated in the same manner as in the examples. The results are also shown in Table 6.

表6に示された結果からわかるように、実施例31〜37の場合には、いずれも異常放電回数が少なく、スパッタリング中のターゲット割れや欠けも無かった。また、スパッタリングした膜中には、N又はPが検出され添加されていることが確認された。
これに対して、比較例7の場合では、CuP化合物の最大粒径が15μmを超え、さらに、平均粒径も10μmを超えており、異常放電回数が増大して安定したスパッタ成膜ができなかった共にスパッタリング中のターゲット割れが発生した。また、比較例8の場合では、Cu(NO化合物の最大粒径が15μmを超え、さらに、平均粒径も10μmを超えており、異常放電回数が増大して安定したスパッタ成膜ができなかったと共にスパッタリング中のターゲット割れが発生した。
As can be seen from the results shown in Table 6, in each of Examples 31 to 37, the number of abnormal discharges was small, and there were no target cracks or chips during sputtering. Further, it was confirmed that N or P was detected and added in the sputtered film.
On the other hand, in the case of Comparative Example 7, the maximum particle size of the Cu 3 P compound exceeds 15 μm, and the average particle size also exceeds 10 μm, so that the number of abnormal discharges increases and stable sputter film formation is achieved. In both cases, target cracks occurred during sputtering. In the case of Comparative Example 8, the maximum particle size of the Cu (NO 3 ) 2 compound exceeds 15 μm, and the average particle size also exceeds 10 μm, so that the number of abnormal discharges increases and stable sputter film formation is achieved. It was not possible and a target crack occurred during sputtering.

なお、本発明を、スパッタリングターゲットとして利用するためには、相対密度:90%以上、面粗さRa:1.5μm以下、比抵抗:10−2Ω・cm以下、抗折強度:10
0MPa以上であることが好ましい。上記第1及び第2の実施形態における各実施例は、いずれもこれらの条件を満たしたものである。
また、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。
In order to use the present invention as a sputtering target, relative density: 90% or more, surface roughness Ra: 1.5 μm or less, specific resistance: 10 −2 Ω · cm or less, bending strength: 10
It is preferably 0 MPa or more. Each example in the first and second embodiments satisfies these conditions.
The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

Claims (7)

Ga:0.1〜50質量%、N及びPから選択される1種以上の元素を0.01〜2質量%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、
前記N及びPのいずれかの元素が少なくともGa又はCuによる化合物の状態で含有され、前記化合物の平均粒径が10μm以下であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
Ga: 0.1 to 50% by mass, containing at least one element selected from N and P in an amount of 0.01 to 2% by mass, with the balance being composed of Cu and inevitable impurities,
One of the elements of N and P is contained in the state of a compound of at least Ga or Cu, and the average particle size of the compound is 10 μm or less.
Ga:0.1〜50質量%、N及びPから選択される1種以上の元素を0.01〜2質量%、酸素:0.01〜6質量%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、前記N及びPのいずれかの元素と少なくともGa又はCuとによる化合物の状態で含有され、前記化合物の平均粒径が10μm以下であることを特徴とするスパッタリングターゲット。   Ga: 0.1 to 50% by mass, one or more elements selected from N and P are contained in an amount of 0.01 to 2% by mass, oxygen: 0.01 to 6% by mass, the balance being Cu and inevitable impurities A sputtering target characterized in that it is contained in the state of a compound of any one of N and P and at least Ga or Cu, and the compound has an average particle size of 10 μm or less. 請求項1に記載のスパッタリングターゲットにおいて、
前記化合物が、GaN、GaP、CuN、CuPの少なくとも一種以上であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
The sputtering target according to claim 1,
The sputtering target, wherein the compound is at least one of GaN, GaP, Cu 3 N, and Cu 3 P.
請求項2に記載のスパッタリングターゲットにおいて、
前記化合物が、Ga(NO、GaPO、Cu(PO、Cu(NOの少なくとも一種以上であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
In the sputtering target according to claim 2,
The sputtering target, wherein the compound is at least one of Ga (NO 3 ) 3 , GaPO 4 , Cu 3 (PO 4 ) 2 , and Cu (NO 3 ) 2 .
請求項1〜4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、
N及びPのいずれかの元素と少なくともCuとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉との混合粉末、N及びPのいずれかの元素と少なくともGaとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉又はCu粉末との混合粉末、或いは、N及びPのいずれかの元素と少なくともGa又はCuとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉末とCu粉末との混合粉末からなる成形体を、真空中、不活性ガス中又は還元性雰囲気中で焼結する工程を有し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。
A method for producing the sputtering target according to any one of claims 1 to 4,
Mixed powder of compound powder and Cu-Ga alloy powder by any element of N and P and at least Cu, compound powder and Cu-Ga alloy powder or Cu powder by any element of N and P and at least Ga Or a compact made of a compound powder of any element of N and P and at least Ga or Cu, and a mixed powder of Cu-Ga alloy powder and Cu powder, in a vacuum or in an inert gas Or the manufacturing method of the sputtering target characterized by having the process sintered in a reducing atmosphere.
請求項1〜4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、
N及びPのいずれかの元素と少なくともCuとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉との混合粉末、N及びPのいずれかの元素と少なくともGaとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉又はCu粉末との混合粉末、或いは、N及びPのいずれかの元素と少なくともGa又はCuとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉末とCu粉末との混合粉末を、真空中又は不活性ガス雰囲気中でホットプレスする工程を有し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。
A method for producing the sputtering target according to any one of claims 1 to 4,
Mixed powder of compound powder and Cu-Ga alloy powder by any element of N and P and at least Cu, compound powder and Cu-Ga alloy powder or Cu powder by any element of N and P and at least Ga Or a mixed powder of a compound powder of at least one of N and P and at least Ga or Cu, a Cu-Ga alloy powder, and a Cu powder in a vacuum or an inert gas atmosphere. The manufacturing method of the sputtering target characterized by having the process to do.
請求項1〜4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、
N及びPのいずれかの元素と少なくともCuとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉との混合粉末、N及びPのいずれかの元素と少なくともGaとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉又はCu粉末との混合粉末、或いは、N及びPのいずれかの元素と少なくともGa又はCuとによる化合物粉末とCu−Ga合金粉末とCu粉末との混合粉末末を、熱間静水圧プレス法を用いて焼結する工程を有し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。
A method for producing the sputtering target according to any one of claims 1 to 4,
Mixed powder of compound powder and Cu-Ga alloy powder by any element of N and P and at least Cu, compound powder and Cu-Ga alloy powder or Cu powder by any element of N and P and at least Ga Or a powder powder of a compound powder of at least one of N and P and at least Ga or Cu, a Cu-Ga alloy powder, and a Cu powder is sintered using a hot isostatic pressing method. The manufacturing method of the sputtering target characterized by having the process to tie.
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