WO2011114657A1 - 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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張 守斌
雅弘 小路
孝典 白井
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三菱マテリアル株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a sputtering target used for forming a Cu—In—Ga—Se quaternary alloy film for forming a light absorption layer of a solar cell and a method for manufacturing the same.
  • a Mo electrode layer serving as a positive electrode is formed on a soda lime glass substrate.
  • a light absorption layer made of a Cu—In—Ga—Se quaternary alloy film is formed on the light absorption layer made of this Cu—In—Ga—Se quaternary alloy film.
  • a buffer layer is formed, and a transparent electrode layer serving as a negative electrode is formed on the buffer layer.
  • this Cu—In—Ga—Se quaternary alloy film by sputtering first, a Cu—Ga binary alloy film is formed by sputtering using a Cu—Ga binary alloy sputtering target. On the Cu—Ga film, an In film was formed by sputtering using an In sputtering target, and the obtained Cu—Ga binary alloy film and the laminated film composed of the In film were formed into Se. And a method of forming a Cu—In—Ga—Se quaternary alloy film by heat treatment in an S atmosphere (so-called selenization method) has been proposed (see Patent Documents 1 and 2). *
  • Non-Patent Document 1 proposes that the Na content in the precursor film (Cu—In—Ga—Se quaternary alloy film) is generally about 0.1%.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a sputtering target capable of forming a Cu—Ga film doped with Na satisfactorily by a sputtering method and a method for manufacturing the same.
  • the inventors of the present invention have studied to produce a Cu—Ga sputtering target with good addition of Na. As a result, it was found that if Na 2 S powder in a compound state instead of metal Na was added to the sputtering target, Na could be added well. Therefore, the present invention has been obtained from the above findings, and the following configuration has been adopted in order to solve the above problems. That is, the sputtering target of the present invention contains Ga: 20 to 40 at%, further contains Na: 0.05 to 2 at% and S: 0.025 to 1.0 at%, with the balance being Cu and inevitable impurities. It has the component composition which consists of.
  • This sputtering target contains Ga: 20 to 40 at%, further contains Na: 0.05 to 2 at% and S: 0.025 to 1.0 at%, with the balance being Cu and inevitable impurities. Therefore, it is possible to form a Cu—Ga film containing Na which is effective for improving the power generation efficiency by sputtering. Note that sulfur (S) in the Cu-Ga film containing Na does not particularly affect the characteristics of the light absorption layer of the solar cell. *
  • the reason why the amount of Na added is set within the above range is that when the amount of Na added exceeds 2 at%, the adhesion of the Cu—Ga—Na—S film formed by sputtering to the Mo electrode is significantly reduced. However, film peeling occurs during the selenization process. On the other hand, if the amount of Na added is less than 0.05 at%, the amount of Na in the film is insufficient and the effect of improving the power generation efficiency cannot be obtained.
  • a preferable amount of Na is 0.1 at% to 0.5 at%.
  • the reason for setting the addition amount of sulfur (S) within the above range is that when the S addition amount exceeds 1.0 at%, the pn junction quality in the solar cell is lowered by the sulfur, and the high FF of the solar cell. This is because (curve factor) cannot be achieved.
  • the amount of addition of S is less than 0.025 at%, S becomes deficient with respect to Na, oxygen enters the S site, and bonds with Na. As a result, the oxygen content in the sputtering target is abnormally increased, the oxygen in the precursor film prepared by sputtering is abnormally increased, and the conversion efficiency of the solar cell is lowered.
  • the sputtering target of the present invention has a structure in which a Na 2 S phase is dispersed in a metal phase matrix composed of Cu and Ga, and the average particle size of the Na 2 S phase is 5 ⁇ m or less. It is characterized by.
  • Na 2 S in a compound state is added to a conductive Cu—Ga sputtering target, abnormal discharge due to Na 2 S is likely to occur when direct current sputtering is performed as in a conventional Cu—Ga sputtering target.
  • the light absorption layer of solar cells is very thick (for example, 1000 nm to 2000 nm), and therefore the Cu—Ga film is very thick.
  • the sputtering target of the present invention enables direct current sputtering similar to that of a conventional Cu—Ga sputtering target by optimizing the particle size of Na 2 S.
  • the sputtering target of the present invention has a structure in which the Na 2 S phase is dispersed in the metal phase matrix composed of Cu and Ga, and the average particle size of the Na 2 S phase is set to 5 ⁇ m or less.
  • Stable direct current sputtering is possible by suppressing abnormal discharge due to Na 2 S. Since the contained Na 2 S phase is an insulator, if the average particle diameter exceeds 5 ⁇ m, abnormal discharge occurs frequently and DC sputtering becomes unstable. Therefore, in the present invention, stable direct current sputtering can be achieved by setting the average particle size of the Na 2 S phase to 5 ⁇ m or less.
  • the number of large Na 2 S particles of 40 ⁇ m to 10 ⁇ m in about 0.1 mm 2 field of view is 3 or less. preferable.
  • Method for producing the sputtering target of the present invention is a method of making a sputtering target of the present invention, mixed powder of Na 2 S powder and Cu-Ga alloy powder, or Na 2 S powder and Cu-Ga alloy powder It has the process of hot-pressing the mixed powder of a pure Cu powder in a vacuum or inert gas atmosphere. That is, in this sputtering target manufacturing method, a sputtering target in which Na 2 S is uniformly distributed can be obtained by hot pressing the mixed powder in a vacuum or an inert gas atmosphere. Furthermore, the sputtering target having the above composition made by the melting method has low mechanical strength because Na 2 S segregates at the grain boundaries, and is easily cracked during machining.
  • the sputtering target of the present invention is made by hot pressing, present in the matrix metal phase Na 2 S is composed of a Cu and Ga, without affecting the strength of the sputtering target, sintering, machining, In any process of sputtering, cracks do not occur and the film can be formed stably.
  • the sputtering target manufacturing method of the present invention is characterized in that sintering is performed at a temperature of 500 ° C. to 800 ° C. when a hot press method is employed. That is, in this sputtering target manufacturing method, since sintering is performed at a temperature of 500 ° C. to 800 ° C. by a hot press method, a sputtering target having less abnormal discharge and better spatter crack resistance can be obtained. .
  • the reason why the holding temperature at the time of hot pressing is set within the above range is that when it is less than 500 ° C., the sputtering target density is not sufficiently increased, and abnormal discharge is increased when sputtering the sputtering target.
  • a more preferable holding temperature during hot pressing is in the range of 600 ° C. to 750 ° C.
  • Method for producing the sputtering target of the present invention is a method of making a sputtering target of the present invention, mixed powder of Na 2 S powder and Cu-Ga alloy powder, or Na 2 S powder and Cu-Ga alloy powder And a process of sintering a mixed powder of pure Cu powder with hot isostatic pressing. That is, in this sputtering target manufacturing method, a sputtering target in which Na 2 S is uniformly distributed can be obtained by sintering the mixed powder by hot isostatic pressing. Furthermore, the sputtering target having the above composition made by the melting method has low mechanical strength because Na 2 S segregates at the grain boundaries, and is easily cracked during machining.
  • the sputtering target of the present invention made by hot isostatic pressing is present in the base material of the metal phase in which Na 2 S is composed of Cu and Ga, and does not affect the strength of the sputtering target. In either process or sputtering, cracks do not occur and the film can be formed stably.
  • the sputtering target manufacturing method of the present invention is characterized in that when a hot isostatic press is employed, the sputtering is performed at a temperature of 500 to 800 ° C. and a pressure of 300 kgf / cm 2 or more.
  • the reason why the temperature and pressure of the above hot isostatic pressing are set within the above range is that when the sputtering target density is not sufficiently increased when the temperature is less than 500 ° C. or less than 300 kgf / cm 2 , the sputtering target is sputtered. This is because the abnormal discharge increases.
  • a more preferable temperature is in the range of 550 ° C to 700 ° C.
  • the pressure is preferably 1500 kgf / cm 2 or less in view of the performance of the apparatus.
  • the present invention has the following effects. That is, according to the sputtering target and the manufacturing method thereof according to the present invention, Ga: 20 to 40 at% is contained, and Na: 0.05 to 2 at% and S: 0.025 to 1.0 at% are contained. Since the balance has a component composition composed of Cu and inevitable impurities, a Cu—Ga film containing Na effective in improving power generation efficiency can be formed by sputtering. Therefore, Na can be favorably added to the Cu—Ga film by sputtering using the sputtering target of the present invention, and a solar cell with high power generation efficiency can be manufactured.
  • the sputtering target of the present embodiment contains Ga: 20 to 40 at%, further contains Na: 0.05 to 2 at% and S: 0.025 to 1.0 at%, and the balance is made up of Cu and inevitable impurities. It has the component composition which becomes. Moreover, the sputtering target of the present embodiment has a structure in which a Na 2 S phase is dispersed in a metal phase matrix composed of Cu and Ga, and an average particle size of the Na 2 S phase is 5 ⁇ m or less. . When the target cross section is observed using EPMA, the number of large Na 2 S particles of 40 ⁇ m to 10 ⁇ m in the 0.1 mm 2 visual field is preferably 3 or less.
  • Method of making a sputtering target of the present embodiment mixed powder of Na 2 S powder and Cu-Ga alloy powder, or a mixed powder of Na 2 S powder and Cu-Ga alloy powder and pure Cu powder, vacuum Or it has the process of hot-pressing in inert gas atmosphere.
  • the sintering by the hot press is performed within a temperature range of 500 ° C. to 800 ° C. during the hot pressing.
  • the production of the raw material powder for performing the hot pressing is performed, for example, by any one of the following methods (1) to (3).
  • a powder having a purity of 3N or more and a primary particle size of 0.3 ⁇ m or less is prepared, and this is averaged using a pulverizer (for example, a ball mill, a jet mill, a Henschel mixer, an attritor). Crush to a secondary particle size of 5 ⁇ m or less.
  • this pulverized powder is blended with Cu—Ga alloy powder so as to have a sputtering target composition, and mixed and dispersed using a mixing apparatus (eg, ball mill, Henschel mixer, jet mill, V-type mixer, etc.), A raw powder for hot pressing is used. Since Na 2 S is dissolved in water, it is preferable to use a dry pulverizing and mixing apparatus that does not use water rather than a wet pulverizing and mixing apparatus that uses water.
  • a mixing apparatus eg, ball mill, Henschel mixer, jet mill, V-type mixer, etc.
  • a Na 2 S powder having a purity of 3N or more and a primary particle diameter of 0.3 ⁇ m or less is prepared and blended together with a Cu—Ga alloy powder so as to have a sputtering target composition.
  • a sputtering target composition For example, ball mill, jet mill, Henschel mixer, attritor, V-type mixer, etc.
  • mixing and crushing Na 2 S powder at the same time the average secondary particle diameter of Na 2 S powder is 5 ⁇ m or less At this point, the crushing is finished and the raw material powder for hot pressing is obtained.
  • a Cu—Ga alloy powder having a Ga concentration higher than that of the sputtering target composition is prepared in advance, and this is first mixed with Na 2 S powder, and further, the Cu—Ga alloy so that the sputtering target composition is obtained.
  • a Cu—Ga alloy powder (or pure Cu powder) having a Ga concentration lower than that of the powder is added and mixed so that the three are uniform to obtain a raw material powder for hot pressing.
  • the raw material powder for hot pressing mixed by any one of the above methods (1) to (3) is stored in a dry environment. This is to prevent Na 2 S from absorbing moisture and aggregating due to moisture absorption.
  • hot pressing is performed in a vacuum or an inert gas atmosphere. Since the pressure of the hot press has a great influence on the density of the sputtering target sintered body, the preferred pressure is 100 to 500 kgf / cm 2 . Further, the pressurization may be performed before the start of sintering temperature rise, or may be performed after reaching a certain temperature.
  • the Cu—Ga—Na 2 S sintered body sintered by the hot press method is processed into a specified shape of the sputtering target by using ordinary electric discharge machining, cutting or grinding method.
  • the processed sputtering target is bonded to a backing plate made of Cu or a Cu alloy using In as solder, and subjected to sputtering.
  • Sputtering using the Cu—Ga—Na—S sputtering target thus prepared is performed in Ar gas by a direct current (DC) magnetron sputtering method.
  • DC sputtering at this time, a pulse superimposed power source to which a pulse voltage is applied may be used, or a DC power source without a pulse may be used.
  • the input power density during sputtering is preferably 1 to 10 W / cm 2 .
  • the thickness of a film formed using a Cu—Ga—Na—S sputtering target is 200 nm to 2000 nm.
  • the sputtering target of this embodiment contains Ga: 20 to 40 at%, further contains Na: 0.05 to 2 at%, and S: 0.025 to 1.0 at%, with the balance being Cu and inevitable impurities. Therefore, it is possible to form a Cu—Ga film containing Na that is effective for improving power generation efficiency by sputtering.
  • it has a structure in which the Na 2 S phase is dispersed in the metal phase matrix composed of Cu and Ga, and the average particle size of the Na 2 S phase is set to 5 ⁇ m or less, whereby abnormal discharge due to Na 2 S Stable direct current sputtering is possible by suppressing the above.
  • the sputtering target in which Na 2 S is uniformly distributed can be manufactured by hot pressing the mixed powder described above in a vacuum or an inert gas atmosphere. it can.
  • the sputtering target is produced by hot pressing in a vacuum or an inert gas atmosphere.
  • the present invention is not limited to this, and the sputtering target may be produced by hot isostatic pressing. it can.
  • another method of manufacturing a sputtering target according to an embodiment of the present invention mixed powder of Na 2 S powder and Cu-Ga alloy powder, or Na 2 S powder and Cu-Ga alloy powder and the pure Cu powder A step of sintering the mixed powder by hot isostatic pressing.
  • Sintering by the hot isostatic pressing is performed at a temperature of 500 to 800 ° C. and a pressure of 300 kgf / cm 2 or more.
  • the hot isostatic pressing is performed in a vacuum or an inert gas atmosphere in order to prevent oxidation of the Cu—Ga alloy or Cu. Further, the pressurization may be performed before the start of sintering temperature rise, or may be performed after reaching a certain temperature.
  • the production and storage of the raw material powder and the processing of the Cu—Ga—Na 2 S sintered body sintered by hot isostatic pressing can employ the same method as in the case of the hot press described above. In such a sputtering target manufacturing method according to another embodiment, the mixed powder described above is sintered by hot isostatic pressing to manufacture a sputtering target in which Na 2 S is uniformly distributed. it can.
  • sintering was performed by vacuum hot press using a graphite mold, and a sputtering target (Examples 1 to 10) of ⁇ 125 (mm) ⁇ 5 (mm) T was manufactured by grinding.
  • the Cu—Ga alloy powder was prepared by gas atomization, classified and collected.
  • hot isostatic pressing HIP (Examples 11 to 13)
  • the mixed powder is filled in a mold and pressure-molded at 1500 kgf / cm 2 at room temperature.
  • the obtained molded body was charged into a 0.5 mm-thick stainless steel container and then subjected to HIP through vacuum deaeration.
  • Na 2 S particles and is displayed in black.
  • image analysis software for example, WinRoof Ver 5.6.2 (manufactured by Mitani Corporation) can be used.
  • a certain “threshold value” is set for the luminance (brightness) of each pixel of an image, and “0” is set if the threshold value is less than the threshold value, and “1” is set if the threshold value is greater.
  • C Assuming that the maximum threshold value that does not select all the images is 100%, a threshold value of 32% is used to select a black side region showing Na 2 S particles. Then, the selected area four times shrink, the area when inflated 3 times and Na 2 S particles, measuring the size of the individual particles to obtain an average particle size. The magnification of shrinkage and expansion is, for example, 2.3%.
  • the content of Ga and Na in the produced Cu—Ga—Na—S sputtering target was quantitatively analyzed using the ICP method (high frequency inductively coupled plasma method). S was analyzed using a carbon / sulfur analyzer (Horiba Seisakusho). *
  • the sputtering target was formed into a 1000 nm thick glass plate with a thickness of 3.2 mm coated with a Mo sputtering film by direct current sputtering with a power density of 5 W / cm 2 using a magnetron sputtering apparatus.
  • the thickness of the Mo sputtered film was 500 nm.
  • the Ar pressure during sputtering was 1.3 Pa, and the distance between the sputtering target and the substrate was 70 mm. Note that the substrate is not heated during film formation.
  • the number of occurrences of abnormal discharge during 10 minutes of continuous sputtering under the above conditions was automatically recorded by an arcing counter attached to the sputtering power source.
  • “Comparative Example” Cu—Ga alloy powder and pure Cu powder having the component compositions and particle sizes shown in Table 5 were prepared, and Na 2 S powder similar to Table 1 was prepared. These raw materials were mixed at a designated time by a ball mill in the same manner as in Table 1. The mixture thus mixed was subjected to hot press sintering, HIP sintering or melt casting under the conditions shown in Table 6. The compounding composition of the sputtering target of the comparative example obtained in this way has a Na content outside the range of 0.05 to 2 at%.
  • Comparative Examples 8 and 10 in Table 5 were not manufactured by the hot press method or the HIP method, but were performed at 1000 ° C. using a graphite crucible using a vacuum melting furnace. , And cast into an iron mold, cooled and then machined.
  • the comparative example was evaluated in the same manner as in the above example.
  • the evaluation results are shown in Table 7 and Table 8.
  • Comparative Examples 8 and 10 produced by the melt casting method are cracked during machining. Further, in Comparative Examples 11 and 12 where the HIP temperature is lower than 500 ° C. and the pressure is lower than 300 kgf / cm 2 , the mechanical strength of the sintered body is low, cracking occurs during processing, and a sputtering target that can be sputtered cannot be produced. .
  • Comparative Example 2 with a high Na content of 2.8 at% and a high holding temperature during hot pressing of 950 ° C., a comparative example 2 with a high Na content of 3 at% and a large average particle size of Na 2 S of 16 ⁇ m
  • Example 7 and Comparative Example 4 in which the Na content is as high as 4.2 at% and the holding temperature during hot pressing is as low as 350 ° C., cracks are generated during sputtering.
  • the number of abnormal discharges during sputtering was 10 or less, while in Comparative Examples 2, 4, 7, and 10, all occurred 1000 times or more. That is, Comparative Example 2 with a high Na content of 2.8 at% and a high holding temperature during hot pressing of 950 ° C., and Comparative Example 7 with a high Na content and a large Na 2 S average particle size of 16 ⁇ m Comparative Example 4 having a high Na content of 4.2 at% and a low holding temperature during hot pressing of 350 ° C., and a Comparative Example 4 having a high Na content of 2.3 at% and prepared by a dissolution method No. 10 has many abnormal discharges.
  • the sputtering target of the present invention contains Ga: 20 to 40 at%, further contains Na: 0.05 to 2 at% and S: 0.025 to 1.0 at%, with the balance being Cu and inevitable. Since it has a component composition consisting of impurities, a Cu—Ga film containing Na that is effective in improving power generation efficiency can be formed by sputtering. Therefore, by forming a film by sputtering using the sputtering target of the present invention, Na can be added well, and a solar cell with high power generation efficiency can be manufactured. *

Abstract

【課題】 スパッタ法により良好にNa添加されたCu-Ga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こと。【解決手段】 Ga:20~40at%を含有し、 さらに、Na:0.05~2at%およびS:0.025~1.0at%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する。また、このスパッタリングターゲットを作製する方法は、NaS粉末とCu-Ga合金粉末との混合粉末、又はNaS粉末とCu-Ga合金粉末と純Cu粉末との混合粉末を、真空または不活性ガス雰囲気中でホットプレスする工程、または、熱間静水圧法で焼結する工程を有している。

Description

スパッタリングターゲット及びその製造方法
本発明は、太陽電池の光吸収層を形成するためのCu-In-Ga-Se四元系合金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。
近年、化合物半導体による薄膜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Cu-In-Ga-Se四元系合金膜からなる光吸収層が形成され、このCu-In-Ga-Se四元系合金膜からなるこの光吸収層の上にZnS、CdSなどからなるバッファ層が形成され、このバッファ層の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。 
上記Cu-In-Ga-Se四元系合金膜からなる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Cu-In-Ga-Se四元系合金膜からなる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速度が遅いため、大面積成膜した場合、膜厚の面内分布の均一性が不足している。そのために、スパッタ法によってCu-In-Ga-Se四元系合金膜からなる光吸収層を形成する方法が提案されている。 
このCu-In-Ga-Se四元系合金膜をスパッタ法により成膜する方法として、まず、Cu-Ga二元系合金スパッタリング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、このCu-Ga膜の上に、Inスパッタリングターゲットを使用してスパッタによりIn膜を成膜し、得られたCu-Ga二元系合金膜およびIn膜からなる積層膜をSe及びS雰囲気中で熱処理してCu-In-Ga-Se四元系合金膜を形成する方法(いわゆる、セレン化法)が提案されている(特許文献1、2参照)。 
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、この光吸収層へのNaの添加が要求されている。例えば、非特許文献1では、プリカーサー膜(Cu-In-Ga-Se四元系合金膜)中のNa含有量が、0.1%程度が一般的と提案している。
特許第3249408号公報 特開2009-135299号公報
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
前記スパッタにより前記光吸収層へNaを添加させるためのスパッタリングターゲットおよびその製造方法には、以下の課題が残されている。 すなわち、スパッタ法ではスパッタリングターゲットへのNa添加は非常に困難であるという問題である。特に、特許文献1に記載のように上記セレン化法を用いる太陽電池の製造では、Cu-Ga膜を形成するためにCu-Gaスパッタリングターゲットが用いられるが、NaがCuに固溶しないこと、また金属Naの融点(98℃)及び沸点(883℃)が非常に低いこと、さらに金属Naが非常に酸化しやすいことから、金属Naを用いたスパッタリングターゲットの製造は非常に困難であった。 
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、スパッタ法により良好にNa添加されたCu-Ga膜が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。
本発明者らは、Naが良好に添加されたCu-Ga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、金属Naの状態ではなく化合物状態のNaS粉末を用いてスパッタリングターゲットに添加すれば、良好にNaを添加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。すなわち、本発明のスパッタリングターゲットは、Ga:20~40at%を含有し、さらに、Na:0.05~2at%およびS:0.025~1.0at%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することを特徴とする。 
このスパッタリングターゲットでは、Ga:20~40at%を含有し、さらに、Na:0.05~2at%およびS:0.025~1.0at%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するので、スパッタ法により、発電効率の向上に有効なNaを良好に含有したCu-Ga膜を成膜することができる。なお、このNaを含有したCu-Ga膜における硫黄(S)は、太陽電池の光吸収層の特性に特に影響を及ぼさない。 
なお、Naの添加量を上記範囲内に設定した理由は、Na添加量が2at%を超えると、スパッタによって形成されるCu-Ga-Na-S膜のMo電極への密着力が顕著に低下し、セレン化プロセス中に膜剥がれが発生するためである。一方、Na添加量が0.05at%より少ないと、膜中のNa量が不足し、発電効率の向上効果が得られないためである。なお、Naの好ましい量は、0.1at%~0.5at%である。 また、硫黄(S)の添加量を上記範囲内に設定した理由は、S添加量が1.0at%を超えると、硫黄によって太陽電池の中のpn接合品質が低下し、太陽電池の高いFF(曲線因子)が達成できないという問題があるためである。一方、S添加量が0.025at%より少ないと、Naに対してSが欠損となり、Sサイトに酸素が入り、Naと結合することになる。その結果、スパッタリングターゲット中の酸素含有量が異常に増加し、スパッタで作成したプリカーサー膜中の酸素が異常に増加することになり、太陽電池の変換効率を低下させるためである。 
また、本発明のスパッタリングターゲットは、CuとGaとからなる金属相の素地中にNaS相が分散している組織を有すると共に、前記NaS相の平均粒径が5μm以下であることを特徴とする。 導電性のCu-Gaスパッタリングターゲットに化合物状態のNaSを添加すると、従来のCu-Gaスパッタリングターゲットのように直流スパッタをしようとすると、NaSによる異常放電が発生しやすくなる。太陽電池の光吸収層は非常に厚く(例えば、1000nm~2000nm)、従ってCu-Ga膜は非常に厚いので、異常放電のために高速成膜に適した直流スパッタができないと、太陽電池の量産が現実的に困難になる。これを解決すべく、本発明のスパッタリングターゲットでは、NaSの粒子サイズを最適化することで、従来のCu-Gaスパッタリングターゲットと同様の直流スパッタを可能にした。 
すなわち、本発明のスパッタリングターゲットでは、CuとGaとからなる金属相の素地中にNaS相が分散している組織を有すると共に、NaS相の平均粒径を5μm以下にすることで、NaSによる異常放電を抑制して安定した直流スパッタが可能になる。含有するNaS相は絶縁物であるため、平均粒径が5μmを越えると、異常放電が多発し、直流スパッタが不安定になる。したがって、本発明では、NaS相の平均粒径を5μm以下に設定することで、安定した直流スパッタが可能になる。 なお、スパッタリングターゲット断面を電子プローブマイクロアナライザ(以下、EPMAと称す)を用いて観察する際、約0.1mm視野中に40μm~10μmの大きなNaS粒子個数は3個以下であることが好ましい。 
本発明のスパッタリングターゲットの製造方法は、上記本発明のスパッタリングターゲットを作製する方法であって、NaS粉末とCu-Ga合金粉末との混合粉末、又はNaS粉末とCu-Ga合金粉末と純Cu粉末との混合粉末を、真空また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。 すなわち、こ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、真空または不活性ガス雰囲気中でホットプレスすることで、NaSを均一に分散分布させたスパッタリングターゲットを得ることができる。 さらに、溶解法で作った上記組成のスパッタリングターゲットはNaSが粒界に偏析するため機械的強度が低く、機械加工の際に割れやすい。一方、ホットプレス法で作った本発明のスパッタリングターゲットは、NaSがCuとGaとからなる金属相の素地中に存在し、スパッタリングターゲットの強度に影響を与えず、焼結、機械加工、スパッタのいずれの過程においても、割れが発生せず、また安定して成膜できる。 
また、本発明のスパッタリングターゲットの製造方法は、ホットプレス法を採用する場合、温度:500℃~800℃で焼結を行うことを特徴とする。 すなわち、このスパッタリングターゲットの製造方法では、ホットプレス法にて、温度:500℃~800℃で焼結を行うので、異常放電が少なく、またより良好な耐スパッタ割れ性を有するスパッタリングターゲットが得られる。 なお、ホットプレス時の保持温度を上記範囲内に設定した理由は、500℃未満であると、スパッタリングターゲット密度が十分に上がらず、スパッタリングターゲットをスパッタする際の異常放電が多くなるためである。一方、ホットプレス時の保持温度が800℃を越えると、NaSがCu-GaやCu粒子の粒界に移動し凝集するため、焼結体の強度が低下し、機械加工や、スパッタ時の割れが発生しやすくなるためである。なお、より好ましいホットプレス時の保持温度は、600℃~750℃の範囲内である。 
本発明のスパッタリングターゲットの製造方法は、上記本発明のスパッタリングターゲットを作製する方法であって、NaS粉末とCu-Ga合金粉末との混合粉末、又はNaS粉末とCu-Ga合金粉末と純Cu粉末との混合粉末を、熱間静水圧プレスにより焼結する工程を有していることを特徴とする。 すなわち、こ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、熱間静水圧プレスにより焼結することで、NaSを均一に分散分布させたスパッタリングターゲットを得ることができる。 さらに、溶解法で作った上記組成のスパッタリングターゲットはNaSが粒界に偏析するため機械的強度が低く、機械加工の際に割れやすい。一方、熱間静水圧プレスで作った本発明のスパッタリングターゲットは、NaSがCuとGaとからなる金属相の素地中に存在し、スパッタリングターゲットの強度に影響を与えず、焼結、機械加工、スパッタのいずれの過程においても、割れが発生せず、また安定して成膜できる。 
また、本発明のスパッタリングターゲットの製造方法は、熱間静水圧プレスを採用する場合、温度:500~800℃、圧力:300kgf/cm以上で行うことを特徴とする。 上記の熱間静水圧プレスの温度と圧力とを上記範囲内に設定した理由は、500℃未満または300kgf/cm未満であると、スパッタリングターゲット密度が十分に上がらず、スパッタリングターゲットをスパッタする際の異常放電が多くなるためである。一方、温度が800℃を越えると、NaSがCu-GaやCu粒子の粒界に移動し凝集するため、スパッタリングターゲットの強度が低下し、機械加工時や、スパッタ中に割れや欠けが発生しやすくなる。なお、より好ましい温度は、550℃~700℃の範囲内である。また、圧力については、装置の性能に鑑みて、1500kgf/cm以下とすることが好ましい。
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及びその製造方法によれば、Ga:20~40at%を含有し、さらに、Na:0.05~2at%およびS:0.025~1.0at%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するので、スパッタ法により、発電効率の向上に有効なNaを含有したCu-Ga膜を成膜することができる。したがって、本発明のスパッタリングターゲットを用いてスパッタ法によりCu-Ga膜中にNaを良好に添加でき、発電効率の高い太陽電池を作製可能である。
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一実施形態を説明する。 
本実施形態のスパッタリングターゲットは、Ga:20~40at%を含有し、さらに、Na:0.05~2at%およびS:0.025~1.0at%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、CuとGaとからなる金属相の素地中にNaS相が分散している組織を有すると共に、前記NaS相の平均粒径が5μm以下である。 なお、ターゲット断面を、EPMAを用いて観察する際、0.1mm視野中に40μm~10μmの大きなNaS粒子個数が3個以下であることが好ましい。 
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方法は、NaS粉末とCu-Ga合金粉末との混合粉末、又はNaS粉末とCu-Ga合金粉末と純Cu粉末との混合粉末を、真空また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。 なお、上記ホットプレスでの焼結は、ホットプレス時の保持温度が500℃~800℃の温度範囲内で行われる。 
このホットプレスを行うための原料粉末の製造は、例えば以下の(1)~(3)のいずれかの方法で行う。(1)NaS粉末として、純度3N以上、一次粒子径0.3μm以下のものを準備し、これを粉砕装置(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、平均二次粒子径5μm以下に解砕する。さらに、この解砕粉をスパッタリングターゲット組成となるようにCu-Ga合金粉末と共に配合し、混合装置(例えば、ボールミル、ヘンシェルミキサー、ジェットミル、V型混合機等)を用いて混合、分散し、ホットプレス用原料粉末とする。なお、NaSは水に溶解されるので、水を使う湿式粉砕混合装置よりも水を使わない乾式粉砕混合装置の使用が好ましい。 
(2)NaS粉末は、純度3N以上、一次粒子径0.3μm以下のものを準備し、これを、スパッタリングターゲット組成となるようにCu-Ga合金粉末と共に配合し、両者を同時に粉砕装置(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、V型混合機等)に充填し、混合及びNaS粉末の解砕を同時に行い、NaS粉末の平均二次粒子径が5μm以下になる時点で解砕を終了し、ホットプレス用原料粉末とする。 
(3)予めスパッタリングターゲット組成よりもGa濃度の高いCu-Ga合金粉末を準備し、まず、これをNaS粉末と混合してから、さらに、スパッタリングターゲット組成となるように前記Cu-Ga合金粉末よりもGa濃度の低いCu-Ga合金粉末(または純Cu粉末)を追加し、三者が均一になるように混合してホットプレス用原料粉末とする。 
次に、上記(1)~(3)のいずれかの方法で混合したホットプレス用原料粉末を乾燥環境で保管する。これは、NaSの吸湿や吸湿による凝集を防止するためである。 また、Cu-Ga合金またはCuの酸化防止のため、ホットプレスは、真空または不活性ガス雰囲気中で行う。ホットプレス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、好ましい圧力は100~500kgf/cmとする。また、加圧は、焼結昇温開始前から行ってもよいし、一定な温度に到達してから行ってもよい。 
次に、上記ホットプレス法で焼結したCu-Ga-NaS焼結体は、通常放電加工、切削または研削工法を用いて、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またはCu合金からなるバッキングプレートにボンディングし、スパッタに供する。 
なお、加工済みのスパッタリングターゲットの酸化、吸湿を防止するため、スパッタリングターゲット全体を真空パックまたは不活性ガス置換したパックを施すことが好ましい。 
このように作製したCu-Ga-Na-Sスパッタリングターゲットを用いたスパッタは、直流(DC)マグネトロンスパッタ法にて、Arガス中で行う。このときの直流スパッタでは、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。また、スパッタ時の投入電力密度は1~10W/cmが好ましい。また、Cu-Ga-Na-Sスパッタリングターゲットで作成する膜の厚みは、200nm~2000nmとする。 
この本実施形態のスパッタリングターゲットでは、Ga:20~40at%を含有し、さらに、Na:0.05~2at%およびS:0.025~1.0at%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するので、スパッタ法により、発電効率の向上に有効なNaを良好に含有したCu-Ga膜を成膜することができる。 また、CuとGaとからなる金属相の素地中にNaS相が分散している組織を有すると共に、NaS相の平均粒径を5μm以下にすることで、NaSによる異常放電を抑制して安定した直流スパッタが可能になる。 
また、本実施形態のスパッタリングターゲットの製造方法では、上述した混合粉末を、真空または不活性ガス雰囲気中でホットプレスすることで、NaSを均一に分散分布させたスパッタリングターゲットを製造することができる。 
なお、上述の実施形態においては、真空または不活性ガス雰囲気中でのホットプレスによってスパッタリングターゲットを作製したが、本発明はこれに限定されず、熱間静水圧プレスによりスパッタリングターゲットを作製することもできる。 すなわち、本発明の他の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、NaS粉末とCu-Ga合金粉末との混合粉末、又はNaS粉末とCu-Ga合金粉末と純Cu粉末との混合粉末を、熱間静水圧プレスにより焼結する工程を有している。 
上記熱間静水圧プレスでの焼結は、温度:500~800℃、圧力:300kgf/cm以上で行われる。熱間静水圧プレスは、Cu-Ga合金またはCuの酸化防止のため、真空または不活性ガス雰囲気中で行う。また、加圧は、焼結昇温開始前から行ってもよいし、一定な温度に到達してから行ってもよい。 なお、原料粉末の製造・保管および熱間静水圧プレスで焼結したCu-Ga-NaS焼結体の加工は、上述のホットプレスの場合と同様の方法が採用できる。 このような他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、上述した混合粉末を、熱間静水圧プレスにより焼結することで、NaSを均一に分散分布させたスパッタリングターゲットを製造することができる。
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、評価した結果を説明する。「実施例」 まず、表1に示される成分組成および粒径を有するCu-Ga合金粉末および純Cu粉末(純度4N、平均粒径5μm)、さらに純度3N、一次平均粒子径0.2μmのNaS粉末を準備した。 これらの原料を表1に示す実施例1~10の組合せにて容積10Lのポリエチレン製ポットにφ5mmのZrOボールと共に装填して、指定された時間でボールミル混合した。得られた混合粉末は、表2に指定された条件にて焼結した。ホットプレス法の場合、黒鉛モールドを用いて真空ホットプレスにて焼結し、さらに、研削加工にてφ125(mm)×5(mm)Tのスパッタリングターゲット(実施例1~10)を作製した。 尚、前記Cu-Ga合金粉末は、ガスアトマイズ法にて作成し、分級して採取した。 また、熱間静水圧プレス(HIP)の場合(実施例11~13)、まず混合粉末を金型に充填し、常温にて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、HIPに供した。 
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
「評価」 本実施例1~13について、研削加工後のスパッタリングターゲットの欠けや、割れ発生の有無を目視にて観察し、さらに得られた焼結体の組織をEPMA(日本電子株式会社製JXA-8500F)で観察した。 また、上記観察は倍率500倍にて観察可能なNaS粒子(0.5μm以上)のサイズを測定し、以下の方法にて粒子の平均サイズを計算した。(a)上記EPMAにより500倍のCOMPO像(観察範囲は60μm×80μm)10枚を撮影する。(b)市販の画像解析ソフトにより、撮影した画像をモノクロ画像に変換するとともに、単一しきい値を使用して二値化する。 これにより、NaS粒子は、黒く表示されることとなる。 なお、画像解析ソフトとしては、例えば、WinRoof Ver5.6.2(三谷商事社製)などが利用できる。また、二値化とは、画像の各画素の輝度(明るさ)に対してある“しきい値”を設け、しきい値以下ならば“0”、しきい値より大きければ“1”として、領域を区別化することである。(c)この画像すべてを選択しない最大のしきい値を100%とすると、32%のしきい値を使用しNaS粒子を示す黒い側の領域を選択する。 そして、この選択した領域を4回収縮し、3回膨張させたときの領域をNaS粒子とし、個々の粒子のサイズを測定し、平均粒径を求める。 収縮および膨張の倍率としては、例えば、2.3%である。 
また、同時に、作製したCu-Ga-Na-Sスパッタリングターゲット中のGa, Naの含有量を、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。なお、Sは、炭素・硫黄分析装置(堀場製作所)を用いて分析した。 
さらに、当該スパッタリングターゲットを、マグネットロンスパッタ装置を用いて、電力密度5W/cmの直流スパッタにより、Moスパッタ膜でコーティングした厚み3.2mm青板ガラスに1000nm成膜した。なお、Moスパッタ膜の厚みは500nmとした。 また、スパッタ時のAr圧力は1.3Paとし、スパッタリングターゲット-基板間距離は70mmとした。なお、成膜時の基板加熱は行っていない。さらに、以上の条件において10分間の連続スパッタ中での、異常放電の発生回数をスパッタ電源に付属するアーキングカウンターにて自動的に記録した。 
このようなスパッタを5回繰り返した後、スパッタリングターゲットの表面を観察し、スパッタ時の割れの有無および5回スパッタの合計異常放電回数について確認した。その結果を、表3に示す。  
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
また、上記得られた膜を、前記EPMAにて膜中5箇所のNa、S、Ga含有量を測定した。  
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
「比較例」 表5に示された成分組成及び粒径を有するCu-Ga合金粉末および純Cu粉末を用意し、さらに、表1と同様のNaS粉末を用意した。これらの原料を表1と同様にボールミルで、指定された時間で混合した。このように混合したものを
、表6の条件でホットプレス焼結、HIP焼結または溶解鋳造を行った。このように得られた比較例のスパッタリングターゲットの配合組成は、Naの含有量が0.05~2at%の範囲外となっている。 
また、表6に示すように表5中の比較例8,10は、混合した粉末をホットプレス法またはHIP法で製造するのではなく、真空溶解炉を用いて黒鉛製坩堝を用いて1000℃にて溶解し、鉄製のモールドに鋳込み、冷却後、機械加工を行ったものである。  
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
上記比較例の評価は、上記実施例と同様に行った。その評価結果を表7及び表8に示す。  
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
以上の評価結果からわかるように、本実施例では、表3に示すように、機械加工時の割れ及びスパッタ時の割れは、いずれも発生していないのに対し、表7に示すように、比較例8,10,11,12で、機械加工時の割れや欠けが発生している。また、比較例2,4,7,10では、スパッタ時の割れが発生した。 
すなわち、溶解鋳造法により製造した比較例8と10は、機械加工時に割れが生じていることが判る。また、HIP温度が500℃より低く、圧力が300kgf/cmより低い比較例11,12の場合、焼結体の機械強度が低く加工時に割れが生じ、スパッタ可能なスパッタリングターゲットが作製できなかった。Naの含有量が2.8at%と多く、ホットプレス時の保持温度が950℃と高い比較例2と、Naの含有量が3at%と多く、NaSの平均粒径が16μmと大きい比較例7と、Naの含有量が4.2at%と多く、ホットプレス時の保持温度が350℃と低い比較例4は、いずれもスパッタ時に割れが生じている。 
また、本実施例では、スパッタ時の異常放電回数がいずれも10回以下であるのに対し、比較例2,4,7,10では、いずれも1000回以上発生した。すなわち、Naの含有量が2.8at%と多く、ホットプレス時の保持温度が950℃と高い比較例2と、Naの含有量が多く、NaS平均粒径が16μmと大きい比較例7と、Naの含有量が4.2at%と多く、ホットプレス時の保持温度が350℃と低い比較例4と、Naの含有量が2.3at%と多く、また溶解法で作成した比較例10は、多くの異常放電が発生している。 
また、Naの含有量が0.03at%以下である比較例1,3,5,6,9では、膜中Naが0.01at%以下でほとんど膜中に含有されていない。 なお、比較例8,11,12では、機械加工時に割れが生じたため、NaSの粒子サイズ測定を行っていない。 
このように本発明のスパッタリングターゲットでは、Ga:20~40at%を含有し、さらに、Na:0.05~2at%およびS:0.025~1.0at%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するので、スパッタ法により、発電効率の向上に有効なNaを良好に含有したCu-Ga膜を成膜することができる。 したがって、本発明のスパッタリングターゲットを用いてスパッタ法により成膜することで、Naを良好に添加でき、発電効率の高い太陽電池を作製可能である。 
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 (6)

  1. Ga:20~40at%を含有し、 さらに、Na:0.05~2at%およびS:0.025~1.0at%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することを特徴とするスパッタリングターゲット。
  2. 請求項1に記載のスパッタリングターゲットにおいて、 CuとGaとからなる金属相の素地中にNaS相が分散している組織を有すると共に、前記NaS相の平均粒径が5μm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。
  3. 請求項1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、 NaS粉末とCu-Ga合金粉末との混合粉末、 又はNaS粉末とCu-Ga合金粉末と純Cu粉末との混合粉末を、真空また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。
  4. 請求項3に記載のスパッタリングターゲットの製造方法において、 前記ホットプレスを、ホットプレス時の保持温度が500℃~800℃で行う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。
  5. 請求項1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、 NaS粉末とCu-Ga合金粉末との混合粉末、 又はNaS粉末とCu-Ga合金粉末と純Cu粉末との混合粉末を、熱間静水圧プレスにより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。
  6. 請求項5に記載のスパッタリングターゲットの製造方法において、 前記熱間静水圧プレスを、温度:500~800℃、圧力:300kgf/cm以上で行う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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