JP6794850B2 - スパッタリングターゲット及びスパッタリングターゲットの製造方法 - Google Patents
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Description
ここで、Cu−In−Ga−Se四元系合金薄膜からなる光吸収層を形成する方法として、蒸着法により成膜する方法が知られている。蒸着法によって成膜された光吸収層を備えた太陽電池は、エネルギー交換効率が高いといった利点を有しているものの、大面積化に不向きであり、生産効率が低いといった問題があった。
スパッタ法においては、まず、Inターゲットを用いてIn膜を成膜し、このIn膜の上にCu−Gaスパッタリングターゲットを用いてCu−Ga膜を成膜して、In膜とCu−Ga膜との積層膜を形成し、この積層膜をSe雰囲気中で熱処理して、上述の積層膜をセレン化することにより、Cu−In−Ga−Se四元系合金薄膜を形成する。
そこで、Cu−In−Ga−Se四元系合金薄膜にアルカリ金属を添加する手段として、例えば特許文献1には、Cu−Ga膜を成膜する際に用いられるCu−Gaスパッタリングターゲットにアルカリ金属を添加する方法が開示されている。
なお、アルカリ金属源として、例えば、NaF、Na2S、Na2Se、NaCl、KF、K2S、K2Se、KCl、KBr等を用いることができ、これらのアルカリ金属源のうちアルカリ金属以外の成分(F、S、Se、Cl、Br等)は、Cu及び不可避不純物に含まれることになる。
また、本発明においては、金属成分として、Ga:5原子%以上60原子%以下、アルカリ金属:0.01原子%以上5原子%以下を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなる組成を有しているので、アルカリ金属を比較的多く含むCu−Ga膜を成膜することができる。なお、アルカリ金属の少ない表面については、成膜前に空スパッタを行って除去することで、アルカリ金属を含有するCu−Ga膜を確実に成膜することができる。ここで、ターゲット中の金属が変質していないことから、空放電の際に異常放電が発生することを抑制することができる。
この場合、大気中に暴露される前記スパッタ面における表面アルカリ金属濃度が1原子%以下に制限されているので、スパッタ面における吸湿を確実に抑制することができ、例えば大気中に暴露した場合であっても、スパッタ面近傍における吸湿を確実に抑制することができる。
この場合、スパッタリングターゲット内に存在する空隙が少なく、異常放電の発生を抑制でき、安定してスパッタ成膜することができる。
この場合、スパッタ面の算術平均粗さRaが1.6μm以下とされ、比較的平滑に形成されているので、凸部に電荷が集中することを抑制でき、異常放電の発生を抑制することが可能となる。
この場合、上述の金属元素を合計で0.1原子%以上含有することにより、Cu及びGaを含む原料粉を焼結してスパッタリングターゲットを製造する際に、上述の金属元素が焼結助剤として作用するためスパッタリングターゲットの密度を向上させることができ、異常放電の発生を抑制することができる。一方、上述の金属元素の含有量の合計が5.0原子%以下に制限することにより、金属元素の単体が析出して異常放電の原因となることを抑制できる。また、金属元素が析出した領域で成膜された膜の組成ずれが生じることを抑制できる。
なお、これらの元素を添加することで膜特性として特に影響はないが、場合によっては太陽電池の発電効率の向上が得られる場合もある。
また、得られた前記焼結体のうちスパッタ面となる領域のアルカリ金属を除去するアルカリ金属除去工程を備えており、このアルカリ金属除去工程が、前記スパッタ面となる領域を機械研磨加工する機械研磨工程と、前記スパッタ面側の表面領域を超音波洗浄する超音波洗浄工程を備えているので、スパッタ面側の表面領域のアルカリ金属化合物を確実に除去することができ、上述のアルカリ金属の少ない表面を確実に形成することができる。なお、機械研磨工程と超音波洗浄工程は、どちらを先に実施してもよい。
本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、例えばCIGS系薄膜太陽電池においてCu−In−Ga−Se四元系合金薄膜からなる光吸収層を形成するために、Cu−Ga薄膜をスパッタによって成膜する際に用いられるものである。
ここで、アルカリ金属は、このスパッタリングターゲットによって成膜されたCu−Ga薄膜中に含有され、CIGS系薄膜太陽電池の変換効率を向上させる作用を有する元素である。本実施形態では、このアルカリ金属を0.01原子%以上5原子%以下と比較的多く含んでいる。
ここで、ターゲット内部のアルカリ金属濃度とは、スパッタ面を乾式加工によって1mm以上加工した面におけるアルカリ金属濃度である。
なお、本実施形態においては、スパッタ面における表面アルカリ金属濃度が1原子%以下とされている。
本実施形態に係るスパッタリングターゲットの製造方法は、図1に示すように、Cu−Ga合金粉を作製するCu−Ga合金粉作製工程S01と、Cu−Ga合金粉、Cu粉、アルカリ金属化合物粉を混合粉砕して原料粉を得る混合粉砕工程S02と、原料粉を加熱して焼結させる焼結工程S03と、得られた焼結体を加工する加工工程S04と、加工後の焼結体のうちスパッタ面側の表面領域のアルカリ金属を除去するアルカリ金属除去工程S05と、を備えている。
ここで、アルカリ金属化合物粉としては、市販の純度99mass%以上、平均粒径5〜500μmの範囲内のものを使用することが好ましい。なお、アルカリ金属化合物粉としては、NaF、Na2S、Na2Se、NaCl、KF、K2S、K2Se、KCl、KBr等を用いることができる。
また、Cu粉としては、市販の純度99.9mass%以上、平均粒径5〜500μmの範囲内のものを使用することが好ましい。
さらに、Cu−Ga合金粉は、後述のCu−Ga合金粉作製工程S01で製造されたアトマイズ粉を用いる。組成比は、Ga:5〜60mass%、残部がCu及び不可避不純物とされている。また、Cu−Ga合金粉の平均粒径は、5〜50μmの範囲内とされている。
なお、これらの原料粉は、焼結後の焼結体において金属成分としてIn、Al、Ag、Zn、Sn、Bi、Sb及びMgから選ばれた1種以上の金属元素を合計で0.1原子%以上5.0原子%以下の範囲となるように、上述の金属元素を含有していてもよい。
まず、Cu−Ga合金粉作製工程S01においては、塊状のCu原料及びGa原料を所定の組成となるように秤量し、カーボン製のるつぼに入れてガスアトマイズ装置にセットする。例えば10−2Pa以下にまで真空排気を行って1000℃以上1200℃以下の温度条件で1分以上30分以下保持して原料を溶解した後、孔径1mm以上3mm以下のノズルから溶湯を落下させながら、噴射ガス圧10kgf/cm2以上50kgf/cm2以下の条件でArガスを噴射させ、ガスアトマイズ粉を作製する。冷却後、得られたガスアトマイズ粉を10〜250μmのふるいで分級することにより、所定の粒径のCu−Ga合金粉を得る。
なお、Cu及びGaの組成比によっては、噴射温度が高いために、溶湯が凝固して粉になる前にチャンバーに到達してしまうおそれがある。その場合は、噴射温度を加熱保持温度から100〜400℃程度下げて行うことが好ましい。
次に、アルカリ金属化合物粉と、Cu−Ga合金粉と、必要に応じてCu粉と、を所定の組成になるように秤量し、混合粉砕装置を用いて混合粉砕し、原料粉を得る。
ここで、混合粉砕装置としてボールミルを用いる場合には、例えばAr等の不活性ガスを充填した10Lポットに対して直径5mmのジルコニア製ボール5kg,混合対象物(アルカリ金属化合物粉、Cu−Ga合金粉、Cu粉)を3kg投入し、85〜135rpmで運転時間3〜16時間とすることが好ましい。
また、混合粉砕装置としてヘンシェルミルを用いる場合には、例えばAr等の不活性ガス雰囲気下で回転数2000〜3000rpm,運転時間1〜5分間とすることが好ましい。
なお、V型混合機やロッキングミキサー等の混合を主体とする混合粉砕装置は、アルカリ金属化合物粉の粉砕が不十分となるおそれがあるため、好ましくない。
次に、上述のようにして得られた原料粉(混合粉)を、真空又は不活性ガス雰囲気中又は還元雰囲気中で焼結を行う。本実施形態では、常圧焼結、ホットプレス、熱間静水圧プレス等を適用することができる。
常圧焼結の場合には、雰囲気中の水素の存在は、焼結性の向上に有利であり、雰囲気中の水素含有量を1vol%以上とすることが好ましい。また、水素の他に、一酸化炭素、アンモニアクラッキングガス等の還元ガス、あるいは、それらの還元ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いてもよい。
また、ホットプレス及び熱間静水圧プレスにおいては、プレス圧力が焼結体の密度に影響を及ぼすことから、プレス圧力を10MPa以上60MPa以下の範囲内とすることが好ましい。なお、加圧は、昇温開始前に行ってもよいし、一定の温度に到達してから行ってもよい。
ここで、原料粉がIn、Al、Ag、Zn、Sn、Bi、Sb及びMgから選ばれた1種以上の金属元素を合計で0.1原子%以上5.0原子%以下の範囲で含有する場合には、これらの金属元素が焼結助剤として作用することになる。
焼結工程S03で得られた焼結体に対して切削加工又は研削加工を施すことにより、所定のスパッタリングターゲット形状に加工する。
次に、得られた焼結体のうちスパッタ面側の表面領域のアルカリ金属を除去する。このアルカリ金属除去工程S05においては、図1に示すように、スパッタ面側の表面領域を機械研磨加工する機械研磨工程S51と、機械研磨工程S51後の研磨面を超音波洗浄する超音波洗浄工程S52と、を備えている。
このとき、純水の供給量が少ないと、スパッタ面のアルカリ金属を十分に除去できないおそれがある。また、紙やすりの番手が粗すぎると、スパッタ面が粗くなり、スパッタ時の異常放電の原因となるおそれがある。以上のことから、本実施形態では、上述のような条件で機械研磨工程S51を実施する。
なお、紙やすりは一例であり、この紙やすりの代わりに、同等の効果が得られる研磨加工を適用することも可能である。
超音波洗浄後は、表面に付着した水を、乾燥空気で吹き飛ばし、大気中より好ましくはデシケータ中で乾燥させる。
なお、本実施形態では、ターゲット内部のアルカリ金属濃度を、スパッタ面を乾式加工によって1mm以上加工した面におけるアルカリ金属濃度としており、ターゲットの内部よりもスパッタ面のアルカリ金属濃度が十分に低減されていることになる。
また、本実施形態であるスパッタリングターゲットにおいては、スパッタ面の算術平均粗さRaが1.6μm以下とされ、比較的平滑に形成されているので、凸部に電荷が集中することを抑制でき、異常放電の発生を抑制することが可能となる。
なお、密度の更なる向上を図るためには、上述の金属元素の合計含有量の下限を0.5原子%以上とすることが好ましい。一方、金属元素の単体が析出することを抑制するためには、上述の金属元素の合計含有量の上限を3.0原子%以上とすることが好ましい。
さらに、得られた焼結体のうちスパッタ面側の表面領域のアルカリ金属を除去するアルカリ金属除去工程S05を備えており、このアルカリ金属除去工程S05が、スパッタ面側の表面領域を機械研磨加工する機械研磨工程S51と、機械研磨工程S51後の研磨面を超音波洗浄する超音波洗浄工程S52を備えているので、スパッタ面側の表面のアルカリ金属化合物を確実に除去することができ、上述のアルカリ金属の少ない表面を確実に形成することができる。
例えば、本実施形態では、原料粉として、Cu−Ga合金粉と、アルカリ金属化合物粉と、Cu粉と、を混合した混合粉としたもので説明したが、これに限定されることはなく、Cu粉は必ずしも用いる必要はなく、スパッタリングターゲットの組成に応じて適宜選択して使用することが好ましい。
また、本実施形態で用いた設備に限定されることはなく、既存の設備を適宜適用して、本実施形態であるスパッタリングターゲットを製造してもよい。
まず、原料粉となるCu−Ga合金粉、Cu粉、アルカリ金属化合物粉を準備した。これらを表1に示す組成となるように秤量し、実施形態に記載した条件で、混合粉砕工程、焼結工程及び加工工程を行い、126mm×178mm×6mmtのターゲット形状の焼結体を得た。以下に、具体的な製造方法について記載する。
次に、得られた原料粉(混合粉)を、ホットプレスを用いて、プレス圧力を25MPaに設定し、実施例1、5、6、10、12,13、15、16、比較例1、3では温度800℃、実施例2、3、8、9、比較例2、4、5,6では温度750℃、実施例4、7、11、14では温度650℃でそれぞれ2時間処理を行った。
得られた焼結体に対して研削加工を施すことにより、126mm×178mm×6mmtのターゲットに加工した。
得られたスパッタリングターゲットについて、以下のように評価した。評価結果を表1及び表3に示す。
アルキメデス法によって密度を測定し、純銅の密度ρCu=8.96g/cm3とCu−Ga合金(Cu:69.23原子%、Ga:30.77原子%)の密度ρCuGa=8.47g/cm3とを直線で結び、当該Cu−Ga合金の組成(Gaの含有量)に応じて内挿あるいは外挿することによって求めた値を100%として、相対密度を算出した。
得られたスパッタリングターゲットのスパッタ面を、レーザーアブレーションICP−MS(LA−ICP−MS)を用いてスパッタ面のアルカリ金属を含む金属成分を測定した。得られた金属成分の濃度からアルカリ金属濃度の原子%を計算し、スパッタ面のアルカリ金属濃度とした。スパッタ面の中心座標を(X=0mm,Y=0mm)とした場合、(X=−70mm,Y=50mm)、(X=−70mm,Y=−50mm)、(X=0mm,Y=0mm)、(X=70mm,Y=50mm)、(X=70mm,Y=−50mm)の5箇所についてそれぞれサンプリングを行い、これらの測定結果の平均値を「表面アルカリ金属濃度」とした。このときアルカリ金属濃度が検出下限以下であった場合は0とした。レーザー条件は、例えばビーム径を100μm、パルス周期10Hz、レーザー出力2mj、走査速度50μm/secで分析面積を1mm角とした。試料の表面状態や組成によってレーザー条件は、適宜調整を行った。さらに、乾式加工によって1mm以上加工した後の同様の5箇所の平均値を「内部のアルカリ金属濃度」とした。アルカリ金属濃度に対して、以下の計算式を用いて、「表面アルカリ金属濃度比」を算出した。
表面アルカリ金属濃度比(%)=(表面アルカリ金属濃度)/(内部のアルカリ金属濃度)×100
作製したスパッタリングターゲットのスパッタ面を、粗さ測定装置(Mitsutoyo Surf Test SV−3000)によって加工面に対して垂直の方向の表面粗さRaを測定した。
作製したスパッタリングターゲットの破片を大気中(温度15℃〜35℃、湿度20〜60%)に3日間放置した。放置前と比較して変色のなかったものを◎、全体的に薄い黄色に変色したものあるいは、薄い黄色の斑点状に変色したものを○、暗黄色から黒色に変色したものを×とした。なお、本発明例5の外観観察結果を図2に、比較例2の外観観察結果を図3に示す。
作成したスパッタリングターゲットをスパッタ装置に装着し、ターボ分子ポンプとロータリーポンプを備えた排気システムにて、12時間排気を行った後の真空度を記録した。
上記真空排気を行った後、スパッタガスとしてArガス、流量50sccm、圧力0.67Pa、投入電力2W/cm2にて30分間スパッタリングを行い、DC電源装置に備えられているアークカウント機能により異常放電の回数を計測した。DC電源としては、例えばHPK06Z−SW6(京三製作所社製)を使用した。
S51 機械研磨工程
S52 超音波洗浄工程
Claims (6)
- 金属成分として、Ga:5原子%以上60原子%以下、アルカリ金属:0.01原子%以上5原子%以下を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなる組成を有し、
スパッタ面側の表面のアルカリ金属濃度が、ターゲット内部のアルカリ金属濃度の80%未満であることを特徴とするスパッタリングターゲット。 - スパッタ面における表面アルカリ金属濃度が1原子%以下とされてい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。
- 相対密度が90%以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のスパッタリングターゲット。
- 前記スパッタ面の算術平均粗さRaが1.6μm以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
- 金属成分としてIn、Al、Ag、Zn、Sn、Bi、Sb及びMgから選ばれた1種以上の金属元素を合計で0.1原子%以上5.0原子%以下の範囲で含有することを特徴とする請求項1から請求項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から請求項5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スパッタリングターゲットの製造方法であって、
Cu及びGaを含む原料粉末とアルカリ金属粉末とを混合粉砕する混合粉砕工程と、前記混合粉砕工程で得られた混合粉末を焼結して焼結体を得る焼結工程と、得られた前記焼結体のうちスパッタ面側の表面領域のアルカリ金属を除去するアルカリ金属除去工程と、 を備えており、
前記アルカリ金属除去工程は、前記スパッタ面側の表面領域を機械研磨加工する機械研磨工程と、前記スパッタ面側の表面領域を超音波洗浄する超音波洗浄工程と、を備え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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