TWI720111B - Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法以及Cu-Ga合金濺鍍靶材 - Google Patents
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Abstract
本發明之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法,係由Cu-Ga合金所構成,且具有中空部之Cu-Ga合金濺鍍靶材(10),其特徵係具有如下步驟:預燒步驟(S02),其係將至少含有CuGa合金粉之原料粉填充於具有中間體(32)之成形模具,在還原環境下進行加熱而形成預燒體(13);及,本燒結步驟(S03),其係從前述預燒體(13)取出前述中間體(32),在還原環境中加熱前述預燒體(13)而形成燒結體;在前述預燒步驟(S02)中,係使用以線熱膨脹係數比構成前述Cu-Ga合金濺鍍靶材(10)之Cu-Ga合金大之材質所構成者作為前述中間體(32),在100℃以上600℃以下之溫度維持10分鐘以上10小時以下,以形成前述預燒體(13)。
Description
本案發明係關於例如具有圓筒形狀等之中空部的Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法、及、Cu-Ga合金濺鍍靶材。
本案係依據在2016年2月3日日本申請案之特願2016-019282號及在2016年12月26日日本申請案之特願2016-250827號,主張優先權,在此援用其內容。
以往,就由化合物半導體所構成之薄膜太陽電池而言,提供一種具備由Cu-In-Ga-Se四元系合金薄膜所構成之光吸收層的CIGS系太陽電池。
在此,就形成由Cu-In-Ga-Se四元系合金薄膜所構成之光吸收層之方法而言,已知有藉由蒸鍍法進行成膜之方法。具備藉由蒸鍍法所成膜之光吸收層的太陽電池,雖然具有能量交換效率高之優點,但仍有不適於大面積化,且
生產效率低之問題。
因此,就形成由Cu-In-Ga-Se四元系合金薄膜所構成之光吸收層的方法而言,提供一種形成In膜及Cu-Ga膜之層合膜,將此層合膜在Se環境中進行熱處理,使上述之層合膜進行硒化之方法。在此,形成In膜及Cu-Ga膜之時,係適用一種使用In濺鍍靶材及Cu-Ga合金濺鍍靶材之濺鍍法。
上述之Cu-Ga合金濺鍍靶材係已提出平板型濺鍍靶材、及、圓筒型濺鍍靶材。在此,圓筒型濺鍍靶材係使其外周面為濺鍍面,一邊使靶材旋轉,一邊實施濺鍍,故相較於使用平板型濺鍍靶材之情形,具有適於連續成膜,且濺鍍靶材之使用效率優異之優點。
在此,上述之Cu-Ga合金濺鍍靶材係例如可以專利文獻1-4所示之方法製造。
在專利文獻1中,係已提出將CuGa合金粉末在真空或惰性環境中以400℃以上900℃以下之溫度進行熱處理之後,加壓並燒結之方法。
在專利文獻2中,係已提出對於藉由溶解鑄造所得之Cu-Ga合金鑄塊,進行金屬線放電加工,以製造預定形狀之Cu-Ga合金濺鍍靶材之方法。
在專利文獻3中係已提出使Cu粉與CuGa合金粉之混合粉末之壓粉體成形,並使此成形體常壓燒結之方法。
在專利文獻4中,係在圓筒形之膠囊中填充CuGa合
金粉,並藉由熱間靜水壓擠壓(HIP)而獲得Cu-Ga合金燒結體之方法。
[專利文獻1]日本特開2012-072466號公報(A)
[專利文獻2]日本特開2011-089198號公報(A)
[專利文獻3]日本特開2014-019934號公報(A)
[專利文獻4]日本特開2014-141722號公報(A)
藉由專利文獻1所記載之加壓燒結而製造具有圓筒型等中空部之Cu-Ga合金濺鍍靶材之時,在相當於中空部之處使用配置有中間體之成形模具,但燒結後之冷卻時,因燒結體之收縮難以取出中間體,取出中間體時有燒結體破損之虞。
又,藉由專利文獻2所記載之金屬線放電法,將Cu-Ga合金鑄塊成形為圓筒形狀之時,有加工時間長且原料良率亦降低之問題。
如專利文獻3所記載,使壓粉體成形之時,例如可在具有中間體之橡膠模具中填充原料粉而進行CIP處理。此時,在壓粉體之側面會產生源自於橡膠模具之凹凸,在其後之燒結中,亦會殘存此凹凸。因此,有所得之
燒結體之表面加工量增加,原料良率降低之問題。又,必須有加壓設備,且製造成本增加之問題。
又,如專利文獻4所記載,藉由熱間靜水壓擠壓(HIP)製造圓筒狀之Cu-Ga合金燒結體時,係因必須有加熱加壓設備,故有製造成本增加之問題。進一步,在專利文獻4中,為了除去附著於Cu-Ga合金燒結體之膠囊,必須進行車床加工。
又,藉由專利文獻1,3,4所記載之方法,製造具有圓筒型等中空部之Cu-Ga合金濺鍍靶材時,在內周側及外周側,有燒結之進行情形相異,特性相異之問題。
本發明係有鑑於前述之事實而構成者,目的在於提供一種可以生產效率佳且低成本製造具有中空部之Cu-Ga合金濺鍍靶材的Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法、及、在內周側及外周側之特性差異少的Cu-Ga合金濺鍍靶材。
為解決上述之課題,本案發明之一態樣的Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法(以下,稱為「本案發明之Cu-Ga合金濺鍍靶材」)係由Cu-Ga合金所構成,且具有中空部之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法,其特徵係具有如下步驟:預燒步驟,其係將至少含有CuGa合金粉之原料粉填充於具有中間體之成形模具,在還原環境下進行加
熱而形成預燒體;及,本燒結步驟,其係從前述預燒體取出前述中間體,在還原環境中加熱前述預燒體而形成燒結體;在前述預燒步驟中,係藉由使用以線熱膨脹係數比構成前述Cu-Ga合金濺鍍靶材之Cu-Ga合金大之材質所構成者作為前述中間體,在100℃以上600℃以下之溫度維持10分鐘以上10小時以下,以形成前述預燒體。
形成如此構成的本案發明之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法中,係藉由將至少含有CuGa合金粉之原料粉填充至具有中間體之成形模具,在還原環境下加熱而形成預燒體之預燒步驟;及,取出前述中間體,在還原環境下加熱前述預燒體而形成燒結體之本燒結步驟;以製造濺鍍靶材,故不需要使用加壓裝置等,可降低製造成本,同時提高生產效率。
又,在預燒步驟之後,因具有本燒結步驟,故在預燒步驟中係只要燒結至成為可維持形狀之強度即可,可在大幅地進行燒結收縮之前的階段終止預燒步驟。
進一步,不使用加壓裝置,故在預燒體中空隙較多,在本燒結步驟中,還原氣體會充分流至內周側及外周側,可抑制在內周側及外周側進行燒結之程度上產生差異。
又,在本案發明之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法中,係具備將前述原料粉填充於具有中間體之成形模具中,在還原環境下進行加熱而形成預燒體之預燒步驟,在此預燒步驟中,使用線熱膨脹係數比構成前述Cu-Ga合金濺鍍靶材之Cu-Ga合金大之材質所構成者作為前
述中間體,故冷卻至預燒步驟後之時,中間體會大幅收縮,可從預燒體容易地取出中間體。因而,可抑制預燒體之破損。
又,依Ga之含量而熱膨脹係數相異,故製作由與所製造之Cu-Ga合金濺鍍靶材相同之組成之Cu-Ga合金所構成之試驗片,預先測定線熱膨脹係數,只要以此測定值為基準,選定中間體之材料即可。
又,在前述預燒步驟中,在100℃以上600℃以下之溫度維持10分鐘以上10小時以下,故可確保預燒體之強度,並可抑制在其後之本燒結步驟等處理時預燒體破損。
在此,在本案發明之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法中,前述原料粉係可包含Cu粉及CuGa合金粉,且前述Cu粉之含量為5質量%以上。
此時,因原料粉中之Cu粉之含量為5質量%以上,故在預燒步驟中,即使未達500℃之低溫條件,Cu粉亦會被優先地還原而縮頸,可獲得充分強度之預燒體。亦即,僅使用CuGa合金粉作為原料粉時,以預燒步驟中之加熱溫度設為500℃以上較佳,藉由含有Cu粉作為原料粉,可使預燒步驟中之加熱溫度為未達500℃之低溫條件。
又,在本案發明之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法中,前述原料粉係包含:Ga濃度超過0原子%且20原子%以下之範圍內的第1CuGa合金粉、及Ga濃度超過20原子%且70原子%以下之範圍內之第2CuGa合金粉,可使前述第1CuGa合金粉之含量為5質量%以上。
此時,因設為原料粉中之Ga濃度超過0原子%且20原子%以下之範圍內的第1CuGa合金粉之含量為5質量%以上,故在預燒步驟中,即使未達500℃之低溫條件,第1CuGa合金粉亦會被優先地還原而縮頸,可獲得充分強度之預燒體。
又,在本案發明之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法中,前述原料粉中之Ga之含量可為20原子%以上40原子%以下。
此時,可製造適於CIGS太陽電池製造之具有中空部的Cu-Ga合金濺鍍靶材。
又,在本案發明之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法中,前述本燒結步驟較佳係在常壓下,設為燒成後之Cu-Ga合金之液相顯現溫度Tm℃時,以(Tm-150)℃以上、未達Tm℃之溫度條件進行燒結之構成。
此時,設為燒成後之Cu-Ga合金之液相顯現溫度Tm℃時,可藉由以(Tm-150)℃以上之溫度條件進行燒結,充分提升燒結密度。又,可藉由以未達Tm℃之溫度條件進行燒結,維持燒結體之形狀。
本案發明之其他態樣的Cu-Ga合金濺鍍靶材(以下,稱為「本案發明之Cu-Ga合金濺鍍靶材」),係由Cu-Ga合金所構成,且具有中空部之Cu-Ga合金濺鍍靶材,其特徵係:內周側之抗彎強度Fi與外周側之抗彎強度Fo之比Fi/Fo為0.980以上1.020以下之範圍內。
若依據該構成之Cu-Ga合金濺鍍靶材,因內周側之抗
彎強度Fi與外周側之抗彎強度Fo之比Fi/Fo設為0.980以上1.020以下之範圍內,故在內周側與外周側進行燒結之情形下無差異,成為整體均勻之組織,靶材之開始使用至結束,維持安定之濺鍍特性(例如投入電力、成膜速度等),故可容易製作均質之濺鍍膜。
在此,在本案發明之Cu-Ga合金濺鍍靶材中,其特徵係相當圓之徑未達25μm之空孔個數密度為100個/mm2以下,相當圓之徑25μm以上未達100μm之空孔個數密度為20個/mm2以下,相當圓之徑100μm以上之空孔個數密度為2個/mm2以下。
此時,因如上述般規範各尺寸之空孔個數密度,故在空孔分布上變異較少。因而,可抑制Cu-Ga合金濺鍍靶材整體特性之變異。
再者,在本案發明之Cu-Ga合金濺鍍靶材中,較佳係Ga濃度為20原子%以上40原子%以下之範圍內。
若依據此構成之Cu-Ga合金濺鍍靶材,因Ga濃度設為20原子%以上40原子%以下之範圍內,故可使用來作為CIGS太陽電池製造用之靶材。
又,在本案發明之Cu-Ga合金濺鍍靶材中,較佳係相對密度為90%以上。
若依據此構成之Cu-Ga合金濺鍍靶材,因相對密度設為90%以上,故可抑制濺鍍時之異常放電的發生,並可安定地進行成膜。
如以上,若依據本案發明,可提供一種可以生產效率佳且低成本製造具有中空部之Cu-Ga合金濺鍍靶材之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法、及、在內周側與外周側上特性差異較少之Cu-Ga合金濺鍍靶材。
10‧‧‧Cu-Ga合金濺鍍靶材
13‧‧‧預燒體
20‧‧‧原料粉
30‧‧‧成形模具
32‧‧‧中間體
S01‧‧‧原料粉形成步驟
S02‧‧‧預燒步驟
S03‧‧‧本燒結步驟
[圖1]關於本案發明之一實施形態的Cu-Ga合金濺鍍靶材之概略說明圖。(a)為正交於軸線方向之剖面圖、(b)為側面圖。
[圖2]表示關於本案發明之一實施形態的Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法的流程圖。
[圖3]關於本案發明之一實施形態的Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法之概略說明圖。
[圖4]表示本發明例2之內部組織觀察結果的照片。
[圖5]表示比較例3之內部組織觀察結果的照片。
[圖6]表示本發明例2中之空孔之觀察結果的照片。
[圖7]表示比較例3中之空孔之觀察結果的照片。
以下,參照添付之圖面並說明有關本案發明
之實施形態的Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法、及、Cu-Ga合金濺鍍靶材10。
關於本實施形態之Cu-Ga合金濺鍍靶材10,係例如在CIGS系薄膜太陽電池中用以形成由Cu-In-Ga-Se四元系合金薄膜所構成之光吸收層,使Cu-Ga薄膜藉由濺鍍而成膜時所使用者。
如圖1所示,關於本實施形態之Cu-Ga合金濺鍍靶材10,設為具有中空部者。具體而言,圖1所示之Cu-Ga合金濺鍍靶材10,係構成為沿著軸線O而延伸之圓筒形狀,例如外徑D設為150mm≦D≦200mm之範圍內、內徑d設為120mm≦d≦190mm之範圍內、軸線O方向長度L設為200mm≦L≦2000mm之範圍內。
在此,Cu-Ga合金濺鍍靶材10之外周面設為濺鍍面。中空部係相當於被Cu-Ga合金濺鍍靶材10之內周面包圍之空間。又,Cu-Ga合金濺鍍靶材10之外周面及內周面形成為同心圓狀。
又,關於本實施形態之Cu-Ga合金濺鍍靶材10中,在內周側之抗彎強度Fi與外周側之抗彎強度Fo之比Fi/Fo設為0.980以上1.020以下之範圍內。
繼而,關於本實施形態之Cu-Ga合金濺鍍靶材10中,相當圓之徑未達25μm之空孔個數密度設為100個/mm2以下,相當圓之徑25μm以上且未達100μm之空孔個數密度設為20個/mm2以下,相當圓之徑100μm以上之空孔個數密度設為2個/mm2以下。
又,該Cu-Ga合金濺鍍靶材10係設為依照所成膜之薄膜的組成,在本實施形態中Ga之含量設為20原子%以上40原子%以下之範圍內,且其餘部分為由Cu及不可避免雜質所構成之Cu-Ga合金構成。
又,該Cu-Ga合金濺鍍靶材10係相對密度設為90%以上。又,相對密度係在縱軸為密度且橫軸為Ga組成之圖表中,純銅之密度ρCu=8.96g/cm3及Cu-Ga合金(Cu:69.23原子%、Ga:30.77原子%)之密度ρCuGa=8.47g/cm3以直線連結,依照該Cu-Ga合金之組成(Ga之含量)而進行內插或外插而求得之值作為100%而算出者。
其次,有關本實施形態之Cu-Ga合金濺鍍靶材10之製造方法,參照圖2及圖3並予以說明。
作為本實施形態之Cu-Ga合金濺鍍靶材10之製造方法係如圖2所示,具備:將Cu粉與CuGa合金粉混合而得到原料粉20之原料粉形成步驟S01;將在原料粉形成步驟S01所得之原料粉20填充至具有中間體32之成形模具30,在還原環境下加熱,形成預燒體13之預燒步驟S02;從預燒體13取出中間體32,在還原環境中加熱預燒體13而燒結之本燒結步驟S03;及,對所得之燒結體17進行精加工之精加工步驟S04。
首先,準備至少包含CuGa合金粉之原料粉20。該原料粉20係可含有CuGa合金粉以及Cu粉5質量%以上,
亦可為Ga濃度超過0原子%且20原子%以下之第1CuGa合金粉及Ga濃度超過20原子%且70原子%以下之第2CuGa合金粉之混合粉,並使第1CuGa合金粉之含量為5質量%以上者,亦可僅使用單一組成之CuGa合金粉。原料粉20係可購入,亦可將所購入之原料粉混合,藉由例如以下所示之霧化法而製造。
以成為預定之組成方式秤量塊狀之Cu原料及Ga原料,放入於碳製之坩堝內而安裝於氣體霧化裝置上。進行真空排氣並以1000℃以上1200℃之溫度條件維持1分鐘以上至30分鐘,使原料溶解之後,從孔徑1mm以上3mm以下之噴嘴低入熱溶液,同時以噴射氣壓10kgf/cm2以上50kgf/cm2以下之條件噴射Ar氣體,製作氣體霧化粉。冷卻後,藉由使所得之氣體霧化粉以篩網進行分級,以獲得預定粒徑之CuGa合金粉。又,依照Cu及Ga之組成比,因噴射溫度高,故有熱溶液會凝固而成為粉體之前到達腔室之虞。此情形下,較佳係使噴射溫度從加熱維持溫度降至100~400℃左右來進行。
又,原料粉20中之Ga的含量係設為預定值(在本實施形態係Ga之含量:20原子%以上40原子%以下)。又,原料粉20係使用漢歇爾混合機等之混合裝置進行混合為佳。
其次,將在上述之原料粉形成步驟S01所得之原料粉
20填充至具有中間體32之成形模具30中而在還原環境下加熱,獲得被燒結至成為可維持形狀之強度的預燒體13。此預燒體13較佳係相對密度設為30%以上70%以下。
在此預燒步驟S02中所使用之成形模具30,係具有外模具31與配置於該外模具31內之中間體32。外模具31與中間體32係以對於預燒步驟S02之維持溫度具有耐熱性之材質構成,本實施形態中,外模具以碳構成、中間體以鋁、鋅或不銹鋼構成。
中間體32係以線熱膨脹係數比所製造之Cu-Ga合金大之材質構成。在本實施形態中,係以線熱膨脹係數為15×10-6/℃以上之材質構成上述之中間體32。又,中間體32之線熱膨脹係數之上限無特別限定,但以45×10-6/℃以下為佳。中間體32之線熱膨脹係數以「/℃」表示其單位時,較佳係設為所製造之Cu-Ga合金之線熱膨脹係數的100%以上。
又,外模具31之內徑設為150mm以上300mm以下,中間體32之外徑設為100mm以上200mm以下,外模具31之內徑與中間體32之外徑之差設為10mm以上200mm以下,軸線方向長度設為50mm以上3000mm以下。
在此,在該預燒步驟S02中係將維持溫度設定於100℃以上600℃以下,將維持時間設定於10分鐘以上10小時以下。
預燒步驟S02中之維持溫度未達100℃及維持時間未達10分鐘,Cu粉不被還原而不形成縮頸,故有預燒體13之強度不足之虞。另一方面,維持溫度超過600℃及維持時間超過10小時,進行燒結而因燒結收縮有難以取出中間體32之虞。又,在預燒步驟S02中過度進行燒結時,在此後之本燒結步驟S03中,至預燒體13之內部無法進行還原,燒結體17之相對密度有降低之虞。
從以上之事實,在本實施形態中,係將預燒步驟S02中之維持溫度設定於100℃以上600℃以下,將維持時間設定於10分鐘以上10小時以下。
又,為確保預燒體13之強度,將預燒步驟S02中之維持溫度設為200℃以上較佳。又,將預燒步驟S02中之維持時間設為60分鐘以上較佳。
又,為了確實地抑制預燒步驟S02中之過度燒結之進行,將預燒步驟S02中之維持溫度設為500℃以下較佳。又,將預燒步驟S02中之維持時間設為180分鐘以下較佳。
進一步,以維持溫度T與維持時間H之關係成為曲線T=0.0004×H2-0.6833×H+264及T=0.0013×H2-2.05×H+792之範圍內之方式,設定於預燒步驟S02中之維持溫度及維持時間為較佳。藉此,可製作對原料粉之還原具有效果的空隙率之預燒體。為何呢,因燒結之進行速度隨溫度而異,故為獲得目標之空隙率,高溫的話必須進行短時間之燒成,低溫的話必須進行長時間之燒成。
再者,在該預燒步驟S02中,例如在氫、氨分解氣體、CO氣體等之還原環境中設為進行加熱之構成,並使環境中之氧濃度未達10體積%。若環境中之氧濃度成為10體積%以上,恐有Cu粉及CuGa合金粉之還原不充分,預燒體13之強度不足之虞。因此,環境中之氧濃度規定未達10體積%。
在本實施形態中主要係在氫(純度90體積%以上、露點-50℃以下)之環境中實施預燒步驟S02。
上述之預燒步驟S02終止之後,從所得之預燒體13取出中間體32,從成形模具30取出預燒體13。將此預燒體13在還原環境中加熱並燒結,獲得燒結體17。
在此,在本燒結步驟S03中,係在常壓下(1.00~1.05氣壓),所製造之Cu-Ga合金的液相顯現溫度Tm℃之情形,設為以(Tm-150)℃以上且未達Tm℃之溫度條件進行燒結之構成。
本燒結步驟S03中之維持溫度為未達(Tm-50)℃時,有燒結體17之相對密度不充分之虞。另一方面,本燒結步驟S03中之維持溫度為Tm℃以上時,有液相產生至必需以上,且無法維持燒結體17之形狀之虞。
從以上之事實,在本實施形態中,係將本燒結步驟S03中之維持溫度設定於(Tm-150)℃以上且未達Tm℃。
又,為使燒結體17之相對密度確實提升,較佳係使本燒結步驟S03中之維持溫度設為(Tm-120)℃以上,以(Tm-100)℃以上為更佳。另一方面,為確實地維持燒結體17之形狀,較佳係使本燒結步驟S03中之維持溫度設為(Tm-5)℃以下,更佳係設為(Tm-20)℃以下。
又,本燒結步驟S03中之較佳燒結時間為10分鐘以上20小時以下。更佳為60分鐘以上10小時以下。
進一步,在該本燒結步驟S03中,係例如在氫、氨分解氣體、CO氣體等之還原環境中設為進行加熱之構成,且使環境中之氧濃度為未達10體積%。若環境中之氧濃度為10體積%以上,有Cu粉及CuGa合金粉之還原會不充分,且燒結體17之強度不足之虞。因此,環境中之氧濃度規定為未達10體積%。
在本實施形態中,主要係在氫(純度90體積%以上、露點-50℃以下)之環境實施本燒結步驟S03。
在本燒結步驟S03藉由對所得之燒結體17施予切削加工或研削加工,以加工成預定形狀之濺鍍靶材。
藉由如以上之步驟,可製造本實施形態之Cu-Ga合金濺鍍靶材10。
若依據如以上構成之作為本實施形態的Cu-Ga合金濺鍍靶材10之製造方法及Cu-Ga合金濺鍍靶材10,因具備:將原料粉20填充至具有中間體32之成形模
具30,在還原環境中進行加熱而形成預燒體13之預燒步驟S02、及從所得之預燒體13取出中間體32,在還原環境中加熱預燒體13而形成燒結體17之本燒結步驟S03,故不需使用加壓裝置等,可獲得圓筒狀之燒結體17,可降低製造成本,同時可提升生產效率。
又,在預燒步驟S02之後,因具有本燒結步驟S03,故在預燒步驟S02只要燒結至可維持形狀之強度即可,可抑制預燒步驟S02中之收縮量,並可使中間體32比較簡單地取出。
進而,在預燒體13係空隙多,且在本燒結步驟S03中可使還原氣體充分地流至預燒體13之內周側及外周側,可抑制在預燒體13之內周側及外周側進行燒結之進行情形產生差異。藉此,可製造內周側之抗彎強度Fi與外周側之抗彎強度Fo之比Fi/Fo為0.980以上1.020以下之範圍內之Cu-Ga合金濺鍍靶材10。
又,在預燒步驟S02中,因使用線熱膨脹係數比所製造之Cu-Ga合金大之材質構成的中間體32,故冷卻至預燒步驟S02後之時,中間體32大幅地收縮,可從預燒體13容易地取出中間體32。因而,可抑制預燒體13之破損。
進一步,在預燒步驟S02中,係使維持溫度設為100℃以上,使維持時間設為10分鐘以上,故可確保預燒體13之強度,並可抑制其後之本燒結步驟S03等操作時預燒體13破損。又,因使預燒步驟S02中之維持溫度設為
未達800℃,故可抑制預燒步驟S02中之燒結進行至必需以上,在此後之本燒結步驟S03中,可獲得確實地燒結至預燒體13之內部而相對密度高之燒結體17。
又,在原料粉形成步驟S01中,係以Cu粉之含量成為5質量%以上之方式,調整Cu粉與CuGa合金粉之混合比率,故在預燒步驟S02中,即使低溫條件,Cu粉亦優先地被還原而縮頸,可獲得充分之強度的預燒體13。
又,在本燒結步驟S03中,係使維持溫度設為所製造之Cu-Ga合金之液相顯現溫度Tm℃之情形,設定在(Tm-150)℃以上且未達Tm℃之範圍內,故可充分提高燒結體17之相對密度,並且可維持燒結體17之形狀。
再者,在本實施形態中,係在預燒步驟S02及本燒結步驟S03中,設為例如在氫、氨分解氣體、CO氣體等還原環境下進行加熱之構成,並使環境中之氧濃度設為未達10體積%,故可使原料粉20還原而確實地製造燒結體17。
又,在本實施形態之Cu-Ga合金濺鍍靶材10中,係使內周側之抗彎強度Fi與外周側之抗彎強度Fo之比Fi/Fo設為0.980以上1.020以下之範圍內,故在內周側與外周側進行燒結之情形無差異,整體成為均勻的組織。
繼而,在本實施形態之Cu-Ga合金濺鍍靶材
10中,係相當圓之徑未達20μm之空孔個數密度設為100個/mm2以下,相當圓之徑20μm以上且未達100μm之空孔個數密度設為20個/mm2以下,相當圓之徑100μm以上之空孔個數密度設為2個/mm2以下,故於空孔之分布上變異較少,可抑制Cu-Ga合金濺鍍靶材10全體特性之變異。
此外,在本實施形態之Cu-Ga合金濺鍍靶材10中,相對密度設為90%以上,故成為異常放電原因之空隙少,可安定地進行成膜。
以上,說明有關本案發明之實施形態,但本案發明係不限定於此,在不超出其發明之技術的思想之範圍可適當變更。
例如,在本實施形態中係說明Ga之含量設為20原子%以上40原子%以下之範圍內,其餘部分為由Cu及不可避免雜質所構成之組成之Cu-Ga合金濺鍍靶材,但不限定於此,Cu及Ga以外亦可為含有鹼金屬等之添加元素者。
進一步,有關成形模具(中間體)之尺寸或形狀,不限定於本實施形態,亦可依照所製造之Cu-Ga合金濺鍍靶材的形狀或尺寸而適當設計變更。
又,在本實施形態中,係說明有關製造圓筒形狀之燒結體,從此燒結體製造圓筒形狀之Cu-Ga合金濺鍍靶材,但不限定於此,亦可使用中間體而製造具有中空部之燒結體的構成。
以下,說明有關評估本案發明之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法的評估試驗結果。
首先,準備成為原料粉之CuGa合金粉、Cu粉,以表1所示之組成的方式秤量,藉由漢歇爾研磨機進行混合。此時,以表1所示之量的方式調整原料粉中之Cu粉之含量。
將此原料粉填充於具有中間體之成形模具。成形模具之外模具為碳製,中間體為以表2所示之材質所構成者。藉由外模具及中間體所區隔成之模穴的尺寸設為外徑230mm、內徑170mm、軸線方向長度300mm。
接著,以表2所示之環境、維持溫度及維持時間進行預燒步驟,獲得預燒體。又,在比較例3中係為在大氣環境中進行預燒步驟,故使外模具設為SUS410製。
然後,從預燒體取出中間體,從成形模具取出預燒體,以表2所示之條件實施本燒結步驟。
如以上之方式,對於所得之燒結品,如以下般評估有關燒結品之組成、在製造步驟內有無龜裂、相對密度、氧濃度、內部組織。
藉ICP法(高頻感應耦合電漿法)測定燒結品之組成,其結果,與原料粉之添加組成約為相同。
在上述之預燒步驟及本燒結步驟等中,以目視判斷燒結品有無龜裂。將評估結果表示於表3中。
對於所得之燒結品,將重量除以體積而測定密度。而且,在縱軸為密度、橫軸為Ga含量之圖表中,純銅之密度ρCu=8.96g/cm3及Cu-Ga合金(Cu:69.23原子%、Ga:30.77原子%)之密度ρCuGa=8.47g/cm3以直線連結,依照該Cu-Ga合金之Ga之含量進行內插或外插而求出之值設為100%,算出相對密度。評估結果表示於表3中。
藉由JIS Z 2613「金屬材料之氧定量方法通則」記載之紅外線吸收法測定所得之燒結品之氧濃度。將評估結果表示於表3中。
圓筒狀之燒結品之中,從圖1之T1所示之位置採取觀察試料,將觀察面進行研磨/蝕刻而使用光學顯微鏡觀察。使倍率為250倍,以總觀察視野面積成為12mm2以上之方式進行觀察。觀察試料係從燒結體之10處採取。繼而,在觀察視野內判斷未燒結部是否存在。將評估結果
表示於表3中。又,將本發明例2之觀察結果表示於圖4,將比較例3之觀察結果表示於圖5。
圓筒狀之燒結品之中,從圖1之T1所示之位置採取觀察試料,以靶材之內周面及外周面作為觀察面而進行研磨/蝕刻,並使用光學顯微鏡觀察。使倍率為250倍,以總觀察視野面積成為7.5mm2以上之方式進行觀察。觀察試料係從燒結體之10處採取。繼而,評估相當圓之徑未達25μm之空孔個數密度,相當圓之徑25μm以上且未達100μm之空孔個數密度,相當圓之徑100μm以上之空孔個數密度。評估結果表示於表3。又,將本發明例2之內周側及外周側之觀察結果表示於圖6中,將比較例3之內周側及外周側之觀察結果表示於圖7中。
如圖1所示,將圓筒狀之燒結品於徑方向進行3分割,從內周側及外周側之厚度中央部(以圖1之T2所示之位置)分別採取5個試驗片(3mm×4mm×35mm),使用島津製作所製Autograph AG-X,以押入速度0.5mm/分鐘測定應力曲線,求出彈性區域之最大點應力,以5個試驗片的平均值評估抗彎強度。將評估結果表示於表3中。
在使用線熱膨脹係數為6×10-6/℃、及比Cu-Ga合金之線熱膨脹係數(約15×10-6/℃)小之碳所構成之中間體的比較例1中,係在預燒步驟產生龜裂。
在大氣環境下實施預燒步驟及本燒結步驟之比較例2中,如圖5所示,在內部觀察到未燒結部。又,相對密度低至80%。進一步,內周側之抗彎強度Fi及外周側之抗彎強度Fo之比Fi/Fo設為1.33,在抗彎強度上產生差。此外,空孔之數量較多。
在使預燒步驟中之維持溫度設為50℃之比較例3及預燒步驟中之維持時間設為5分鐘之比較例4中,係任一者均在操作時於預燒體產生龜裂。因此,未實施本燒結。判斷在預燒步驟未進行充分燒結之故。
又,在比較例5中,如圖7所示,在內周側及外周側空孔之分布大幅相異,對於抗彎強度亦大幅相異。
相對於此,將原料粉中之Cu粉之含量、預燒步驟之維持溫度及維持時間、中間體之線膨脹係數設定在本案發明之範圍內之本發明例中,係無龜裂等之發生,如圖4所例示,在內部看不出未燒結部。又,相對密度全部為90%以上。
又,在本發明例中,如圖6所示,在內周側及外周側空孔之分布差異較少,內周側之抗彎強度Fi及外周側之抗彎強度Fo之比Fi/Fo設為0.980以上1.020以下之範圍內,抗彎強度之差異較小。又,空孔之個數較少,在空孔之分布上變異小。
從以上之事實,若依據本案發明,可確認出可以生產效率佳且低成本製造具有中空部之Cu-Ga合金濺鍍靶材。又,確認出可提供在內周側及外周側特性之差異少之Cu-Ga合金濺鍍靶材。
以硒化法形成Cu-In-Ga-Se四元系合金薄膜時所需之圓筒型Cu-Ga合金濺鍍靶材之生產效率會提高,又其製造成本亦降低。其結果,可使CIGS系太陽電池之製造更有效率化並低成本化。
Claims (9)
- 一種Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法,其係由Cu-Ga合金所構成,且具有中空部,內周側之抗彎強度Fi與外周側之抗彎強度Fo之比Fi/Fo為0.980以上1.020以下之範圍內之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法,其特徵係具有下步驟:預燒步驟,其係將至少含有CuGa合金粉之原料粉填充於具有中間體之成形模具,在還原環境下進行加熱而形成預燒體;及,本燒結步驟,其係從前述預燒體取出前述中間體,並在還原環境中加熱前述預燒體而形成燒結體;在前述預燒步驟中,係藉由使用以線熱膨脹係數比構成前述Cu-Ga合金濺鍍靶材之Cu-Ga合金大之材質所構成者作為前述中間體,在100℃以上600℃以下之溫度維持10分鐘以上10小時以下,以形成前述預燒體。
- 如申請專利範圍第1項之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法,其中,前述原料粉包含Cu粉及CuGa合金粉,且前述Cu粉之含量為5質量%以上。
- 如申請專利範圍第1項之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法,其中,前述原料粉包含:Ga濃度為超過0原子%且20原子%以下的範圍內之第1CuGa合金粉,及Ga濃度為超過20原子%且70原子%以下的範圍內之第2CuGa合金粉;前述第1CuGa合金粉之含量為5質量%以上。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法,其中,前述原料粉中之Ga的含量為20 原子%以上40原子%以下。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之Cu-Ga合金濺鍍靶材之製造方法,其中,在前述本燒結步驟中,係在常壓下設為燒成後之Cu-Ga合金之液相顯現溫度Tm℃時,以(Tm-150)℃以上,未達Tm℃之溫度條件進行燒結
- 一種Cu-Ga合金濺鍍靶材,係由Cu-Ga合金所構成且具有中空部之Cu-Ga合金濺鍍靶材,且內周側之抗彎強度Fi與外周側之抗彎強度Fo之比Fi/Fo為0.980以上1.020以下之範圍內。
- 如申請專利範圍第6項之Cu-Ga合金濺鍍靶材,其中,相當圓之徑未達25μm之空孔的個數密度為100個/mm2以下,相當圓之徑25μm以上未達100μm之空孔的個數密度為20個/mm2以下,相當圓之徑100μm以上之空孔的個數密度為2個/mm2以下。
- 如申請專利範圍第6或7項之Cu-Ga合金濺鍍靶材,其中,Ga濃度為20原子%以上40原子%以下之範圍內。
- 如申請專利範圍第6或7項之Cu-Ga合金濺鍍靶材,其中,相對密度為90%以上。
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