JP2016065309A - 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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Abstract
【解決手段】本発明のスパッタリングターゲットは、30.0〜67.0原子%のGa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、Cu−Ga合金のγ相マトリックス中に、Cu−Ga合金のθ相が分散している組織を備えた焼結体からなる。
【選択図】なし
Description
このセレン化法による場合には、Cu−Ga合金スパッタリングターゲットは、Cu−In−Ga−Se化合物膜(CIGS膜)を光吸収層に用いたCIGS系太陽電池を製造するために、必須なものである。
即ち、特許文献2に開示されたCu−Ga合金スパッタリングターゲットにおけるCu−Ga合金は、原料を溶融した後に、溶融した原料を急冷凝固することにより製造される。具体的には、40重量%以上60重量%以下のGaを含み、残部がCu及び不可避的不純物からなる混合物を溶解炉中において加熱して溶融させる溶融工程、溶融した混合物を254℃まで冷却し、Cu−Ga合金のγ3相が、溶融させた混合物中に凝固して形成される冷却工程、続いて、冷却工程において温度が254℃に達した後、水冷鋳型又はルツボに対して、200℃以上254℃未満の温度で熱処理を施し、γ3相の間にCu−Ga合金のε相を析出させる熱処理工程、を経ることにより、80重量%以上のGaを含有する偏析相を含むCu−Ga合金(γ3相とε相とを含む)が製造される。
(1)本発明のスパッタリングターゲットは、30.0〜67.0原子%のGa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、Cu−Ga合金のγ相マトリックス中に、Cu−Ga合金のθ相が分散している組織を備えた焼結体からなることを特徴とする。
(2)前記(1)のスパッタリングターゲットにおいて、前記γ相の平均結晶粒径が、5.0〜50.0μmであることを特徴とする。
(3)前記(1)のスパッタリングターゲットにおいて、前記θ相の平均結晶粒径が、5.0〜100.0μmであることを特徴とする。
(4)前記(1)乃至(3)のいずれかのスパッタリングターゲットにおいて、スパッタ面のX線回折(XRD)パターンで得られた前記γ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度に対する前記θ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度の比が、0.01〜10.0であることを特徴とする。
(5)前記(1)乃至(4)のいずれかのスパッタリングターゲットにおいて、さらに、Naを0.05〜15原子%の範囲内で含有することを特徴とする。
(6)前記(5)のスパッタリングターゲットにおける前記Naは、フッ化ナトリウム、硫化ナトリウム、セレン化ナトリウムのうち少なくとも1種のNa化合物の状態で含有されていることを特徴とする。
(7)前記(1)乃至(4)のいずれかのスパッタリングターゲットの製造方法であり、40.0〜67.0原子%、好ましくは42.6〜67.0原子%のGaを含有し、残部がCu及び不可避不純物からなるCu−Ga合金粉末であって、X線回折(XRD)パターンで得られた前記γ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度に対する前記θ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度の比が、0.01〜10.0である粉末を、非酸化雰囲気若しくは還元性雰囲気中で、前記主ピーク強度の比が0.5以下の場合には、焼成温度を254℃以上450℃以下、好ましくは254℃以上400℃未満で、主ピーク強度の比が0.5より大きい場合には、焼成温度を254℃未満で焼結して焼結体を作製する工程を有していることを特徴とする。
(8)前記(1)乃至(4)のいずれかのスパッタリングターゲットの製造方法であり、γ相(Cu1−xGax:x=0.295〜0.426)からなる原料粉とθ相(Cu1−xGax:x=0.646〜0.667)からなる原料粉を、θ相からなる原料粉の混合比率を35%以下、好ましくは30%以下で、かつ、30.0〜42.6原子%のGaを含有し、残部がCu及び不可避不純物からなる成分組成となるように混合した混合粉末を、非酸化雰囲気若しくは還元性雰囲気中で、温度:150〜400℃で焼結して焼結体を作製する工程を有していることを特徴とする。
即ち、本発明に係るスパッタリングターゲットによれば、30.0〜67.0原子%のGa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焼結体は、Cu−Ga合金のγ相マトリックス中に、Cu−Ga合金のθ相が分散している組織を備えているので、Cu−Ga合金焼結体中において、γ相の結晶粒の肥大化を抑制でき、ターゲット加工時の割れ発生を低減することができる。
以上から、上記のスパッタリングターゲットは、γ相のマトリックス中に、相対的にGaが多く含有されているθ相が存在する結晶組織を有していることが分かる。なお、スパッタリングターゲット中に、NaあるいはKが添加された場合でも、上記と同様に、その結晶組織は、γ相とθ相との2相共存組織を有する。
γ相とθ相の2相が共存する利点は、θ相の存在によって、γ相の結晶粒の肥大化が抑制され、ターゲット組織中の平均結晶粒径が小さくなり、スパッタリングターゲットの加工の際に割れ難いものとなる。
即ち、本実施形態のスパッタリングターゲットにおけるγ相の平均結晶粒径が、50.0μmを、更には、θ相の平均結晶粒径が、100.0μmを超えると、スパッタリングターゲット製造後の加工の際に、チッピング(割れや欠け)が発生しやすくなる。さらに、そのスパッタリングターゲット中で、γ相とθ相との2相が共存することを表すためのθ相割合を、0.01〜10.0の範囲とすると、θ相の存在によって、γ相の結晶粒の肥大化が抑制されるので、スパッタリングターゲットの加工の際に割れ難いものとすることができる。
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、上記実施形態のスパッタリングターゲットを製造する方法であって、40.0〜67.0原子%のGaを含有し、残部がCu及び不可避不純物からなるCu−Ga合金粉末であって、X線回折(XRD)パターンで得られたγ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度に対するθ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度の比(θ相強度/γ相強度)が、0.01〜10.0である粉末を、非酸化性雰囲気若しくは還元性雰囲気中で、前記主ピーク強度の比が0.5以下の場合には、焼成温度を254℃以上450℃以下で、主ピーク強度の比が0.5より大きい場合には、焼成温度を254℃未満で焼結して焼結体を作製する工程を有していることを特徴としている。
即ち、このスパッタリングターゲットの製造方法では、Cu−Ga合金粉末を用いることで、焼結体中の結晶粒径を調整しやすくした。また、X線回折(XRD)パターンで得られたγ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度に対するθ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度の比(θ相強度/γ相強度)を、0.01〜10.0にし、さらに、そのスパッタリングターゲットに係る焼結体を得るときの焼結温度を、150〜450℃の範囲としたので、その焼結体において、Cu−Ga合金のγ相マトリックス中に、Cu−Ga合金のθ相が分散した組織とすることができ、前記γ相の平均結晶粒径を、50.0μm以下にすることができる。
即ち、このスパッタリングターゲットの製造方法では、γ相(Cu1−xGax:x=0.295〜0.426)からなる原料粉とθ相(Cu1−xGax:x=0.646〜0.667)からなる原料粉を用いることで、焼結体において、30.0〜42.6原子%のGaを含有した組成においても、Cu−Ga合金のγ相マトリックス中に、Cu−Ga合金のθ相をより分散した組織とすることができ、前記γ相の平均結晶粒径を、50.0μm以下にすることができる。
ここで、原料粉末を作製する工程では、原料粉末であるCu−Ga合金アトマイズ粉末が、カーボン坩堝にCu金属塊と、Ga金属塊とを所定の組成比でそれぞれ充填し、Arガスによるガスアトマイズ法で調製される。
低温で焼結させる工程では、ホットプレス、熱間等方加圧焼結及び常圧焼結のいずれかが用いられ、その焼結する時の保持温度を、150〜450℃の範囲内で設定した。非酸化雰囲気は、Ar雰囲気、真空雰囲気などの酸素を含まない雰囲気をいう。還元性雰囲気は、H2、COなどの還元性ガスを含む雰囲気をいう。
なお、加工済みの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クを施すことが好ましい。
実施例2、4、10、13では、θ相が、表1に記載のθ相割合で、γ相マトリックス中に分散された組織を有する原料粉Aと、γ相(Cu1−xGax:x=0.295〜0.426)の単一相からなる原料粉Bとを、表1に記載の混合比率で秤量した後、ロッキングミキサーにより混合し、CuGa原料粉末を得た。ロッキングミキサーによる混合条件は、回転数72rpm、混合時間を30分とした。
実施例6、7では、原料粉Aと表2に示されるNa添加剤とを、表1に記載の原料粉Aと表2に記載のNa添加剤の混合比率で秤量した後、ロッキングミキサーにより混合し、原料粉末を得た。また、実施例8、11では、原料粉Aと原料粉Bとを、表1に記載の混合比率にて秤量してロッキングミキサーにより混合して得た混合物に、表2に示されるNa添加剤を、表2に記載の混合比率にて加えた後、ロッキングミキサーにより混合し、CuGa原料粉末を得た。Na添加剤としては、3N(純度99.9%)のNa化合物粉末を用いた。
実施例14、19〜23では、原料粉Aと表2に示されるK添加剤とを、表1に記載の原料粉Aの混合比率と表2に記載のK添加剤の混合比率にて秤量し、ロッキングミキサーにより混合して、原料粉末を得た。
実施例17では、原料粉Aと原料粉Bと表2に示されるK添加剤とを、表1に示される原料粉Aと原料粉Bの混合比率と表2に示されるK添加剤の混合比率で秤量した後、ロッキングミキサーにより混合し、原料粉末を得た。
実施例18では、原料粉Aと表2に示されるNa添加剤とK添加剤とを、表1に示される原料粉Aの混合比率と表2に示されるNa添加剤とK添加剤の混合比率で秤量し、ロッキングミキサーにより混合して、原料粉末を得た。
一方、比較例として、上記実施例の範囲から外れた条件に基づいて焼結された焼成体を得て、比較例1〜4のCu−Ga合金スパッタリングターゲットを作製した。
比較例1は、原料粉AにおけるGaの含有量が実施例の場合に比較して少なく、かつ、θ相割合が低く、本発明における温度範囲外の高い温度でホットプレスした場合であり、比較例2は、原料粉AにおけるGaの含有量が実施例の場合に比較して多く、γ相が無い場合であり、そして、比較例3は、原料粉A及び原料粉Bを使用した場合であるが、原料粉Bの混合割合が高く、CuGa原料粉末におけるGaの含有量が、実施例の場合に比較して少ない場合である。また、比較例4は、原料粉A及び原料粉Bを使用した場合であるが、原料粉Aの混合割合が高い場合である。
上記実施例1〜23及び比較例1、3のスパッタリングターゲットについて、焼結体の密度を測定した。各焼結体の寸法から算出した体積と重量とを用いて寸法密度(g/cm3)を計算して求めた。
この測定結果を、表4の「密度(g/cm3)」欄に示した。
上記実施例1〜23及び比較例1、3のスパッタリングターゲットについて、Cu−Ga合金のγ相及びθ相に係る平均結晶粒径について測定した。
この測定にあたっては、スパッタリングターゲットから切り出した試料面を鏡面に研磨し、硝酸と純水とからなるエッチング液にてエッチングした後、EPMAにて結晶粒界を判別することができる倍率:50〜1000倍の範囲内の組成像(COMPO像)を5枚撮る。市販の画像解析ソフト例えば、WinRoof(三谷商事社製)等により、撮影した画像をモノクロ画像に変換すると共に、しきい値を使用して二値化する。これによりγ相(或いは、θ相)を黒く表示させ得られた画像のγ相(或いは、θ相)のうち任意に選択した20個の結晶に対して最大外接円を描き、この直径の平均をこの画像での平均結晶粒径とし、さらに5枚の画像の平均値を平均結晶粒径とする。
この測定結果を、表4の「γ相平均結晶粒径(μm)」欄及び「θ相平均結晶粒径(μm)」欄に示した。
上記実施例1〜23及び比較例1、3のスパッタリングターゲットについて、X線回折(XRD)パターンで得られた前記θ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度と、前記γ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度とを測定し、γ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度に対するθ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度の比を算出して、θ相の割合を求めた。なお、回折ピークの主ピーク強度は、θ相では(102)面を、γ相では(330)面のピーク強度とした。
このXRDパターンは、スパッタリングターゲットのスパッタ面をSiC−Paper(grit 180)にて湿式研磨、乾燥の後、測定した。この分析に使用した装置及び測定条件を以下に示す。
・装置:理学電気社製(RINT−Ultima/PC)
・管球:Cu
・管電圧:40kV
・管電流:40mA
・走査範囲(2θ):20゜〜120°
・スリットサイズ:発散(DS)2/3度、散乱(SS)2/3度、受光(RS)0.8mm
・測定ステップ幅:2θで0.02度
・スキャンスピード:毎分2度
・試料台回転スピード:30rpm
以上の条件で取得した回折ピークグラフ(例えば、図2)におけるγ相の(102)面の強度とθ相の(330)面強度とから、θ相の割合を求めた。即ち、強度比からθ相の割合を、下記の計算式で求めた。
θ相の割合=Iobs(θ相)/Iobs(γ相)
ここで、Iobs(θ相)は、θ相(201)面の測定強度、Iobs(γ相)は、γ相(330)面の測定強度である。
以上の測定結果を、表4の「θ相割合」欄に示した。
上記実施例1〜23及び比較例1、3のスパッタリングターゲットについて、EPMAによって得られた組成像(COMPO像)の写真から、γ相中にθ相が分散した組織を「A」、γ相単一相を「B」として表4の「ターゲット組織」欄に示した。
上記実施例1〜23及び比較例1、3のスパッタリングターゲットの加工性の評価として、切削時のチッピング発生と、ターゲット表面の粗さとについて測定した。
(切削時チッピング発生の測定)
作製されたスパッタリングターゲットを旋盤加工し、その後に、チッピング(割れ又は欠損)の有無を測定し、さらに、加工後のターゲット表面の粗さ(Ra:算術平均粗さ)を測定した。旋盤加工の条件としては、回転数100rpm、切り込み量0.7mm、送り0.097mm/revとした。インサートには、市販の超硬材料のものを用いた。
この測定結果を、表4の「切削時チッピング」欄に示した。表4の同欄では、最大チッピングサイズが0.3mm以下の場合を、「◎」、最大チッピングサイズが0.3mm超え0.5mm以下の場合を、「○」、最大チッピングサイズ0.5mm超えの場合を、「×」と表記し、0.5mm以下を加工性良好とした。
作製されたスパッタリングターゲットを旋盤加工し、加工後のターゲット表面の粗さ(Ra:算術平均粗さ)を表面粗さ測定器(Mitsutoyo社製Surf Test SV-3000H4)にて測定した。この測定では、触針先端曲率半径2μm、触針先端角度60゜の針を用い、JIS B 0651:2001に従い、加工跡の線に対して垂直に交わる線分にて測定を行った。
この測定結果を、表4の「表面粗さRa(μm)」欄に示した。
従って、本発明のスパッタリングターゲットについて、Cu−Ga合金の焼結体におけるγ相マトリックス中に、θ相を分散させることにより、加工時のチッピング(割れ、欠け)の発生を抑制できることが分かった。
また、本発明の技術範囲は上記実施形態およ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。
例えば、上記実施形態及び上記実施例のスパッタリングターゲットは、平板状のものであるが、円筒状のスパッタリングターゲットとしても構わない。
Claims (8)
- 30.0〜67.0原子%のGa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、
Cu−Ga合金のγ相マトリックス中に、Cu−Ga合金のθ相が分散している組織を備えた焼結体からなることを特徴とするスパッタリングターゲット。 - 前記γ相の平均結晶粒径が、5.0〜50.0μmであることを特徴とする請求項1に記載のスパッタリングターゲット。
- 前記θ相の平均結晶粒径が、5.0〜100.0μmであることを特徴とする請求項1に記載のスパッタリングターゲット。
- スパッタ面のX線回折パターンで得られた前記γ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度に対する前記θ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度の比が、0.01〜10.0であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
- さらに、Naを0.05〜15原子%の範囲内で含有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
- 前記Naは、フッ化ナトリウム、硫化ナトリウム、セレン化ナトリウムのうち少なくとも1種のNa化合物の状態で含有されていることを特徴とする請求項5に記載のスパッタリングターゲット。
- 40.0〜67.0原子%のGaを含有し、残部がCu及び不可避不純物からなるCu−Ga合金粉末であって、X線回パターンで得られたγ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度に対するθ相に帰属する回折ピークの主ピーク強度の比が、0.01〜10.0である粉末を、非酸化雰囲気若しくは還元性雰囲気中で、前記主ピーク強度の比が0.5以下の場合には、焼成温度を254℃以上450℃以下で、主ピーク強度の比が0.5より大きい場合には、焼成温度を254℃未満で焼結して焼結体を作製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。
- 組成式がCu1−xGax、但しx=0.295〜0.426で表されるCu−Ga合金のγ相からなる原料粉と、組成式がCu1−xGax、但し、x=0.646〜0.667で表されるCu−Ga合金のθ相からなる原料粉を、θ相からなる原料粉の混合比率を35%以下で、かつ、30.0〜42.6原子%のGaを含有し、残部がCu及び不可避不純物からなる成分組成となるように混合した混合粉末を、非酸化雰囲気若しくは還元性雰囲気中で、温度:150〜400℃で焼結して焼結体を作製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。
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