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JP2010280944A - Cu−Ga合金、スパッタリングターゲット、Cu−Ga合金の製造方法、スパッタリングターゲットの製造方法 - Google Patents

Cu−Ga合金、スパッタリングターゲット、Cu−Ga合金の製造方法、スパッタリングターゲットの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】緻密な組織を有すると共に、偏析相が少ないCu−Ga合金、スパッタリングターゲット、Cu−Ga合金の製造方法、スパッタリングターゲットの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るCu−Ga合金は、複数の相を含むCu−Ga合金であって、40重量%以上60重量%以下のガリウム(Ga)を含み、残部が銅(Cu)及び不可避的不純物からなり、Gaを80重量%以上含む偏析相を含み、偏析相の体積の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が1%以下である。
【選択図】図1

Description

本発明は、Cu−Ga合金、スパッタリングターゲット、Cu−Ga合金の製造方法、スパッタリングターゲットの製造方法に関する。特に、本発明は、太陽電池に用いられるCu−Ga合金、スパッタリングターゲット、Cu−Ga合金の製造方法、スパッタリングターゲットの製造方法に関する。
従来、Cu−Ga二元系合金スパッタリングターゲットとして、30質量%〜60質量%のGaを含み、残部がCuからなる組成の成分と、30質量%を越えた量のGaを含み、残部がCuからなる高Ga含有Cu−Ga二元系合金粒を15質量%以下のGaを含む低Ga含有Cu−Ga二元系合金からなる粒界相で包囲した二相共存組織とを備えるCu−Ga二元系合金スパッタリングターゲットが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載のCu−Ga二元系合金スパッタリングターゲットは、上記構成を備えるので、太陽電池において、Cu−In−Ga−Se四元系合金膜からなる光吸収層を形成する場合に用いられるCu−Ga二元系合金スパッタリングターゲットを歩留り良く製造することができる。
特開2008−138232号公報
しかし、特許文献1に記載のCu−Ga二元系合金スパッタリングターゲットは、原料粉末を焼結することにより製造される。したがって、製造されるスパッタリングターゲットの組織の緻密化が困難であり、スパッタリング時に異常放電等の不具合が発生する場合がある。また、45重量%〜60重量%のGaを含むCu−Ga二元系合金を溶解鋳造すると、70重量%以上のGaを含む偏析相が生じる場合があり、偏析相を含むスパッタリングターゲットを用いると、スパッタリング時の熱により偏析相が溶解する場合がある。
したがって、本発明の目的は、緻密な組織を有すると共に、偏析相が少ないCu−Ga合金、スパッタリングターゲット、Cu−Ga合金の製造方法、スパッタリングターゲットの製造方法を提供することにある。
(1)本発明は、上記目的を達成するため、複数の相を含むCu−Ga合金であって、40重量%以上60重量%以下のガリウム(Ga)を含み、残部が銅(Cu)及び不可避的不純物からなり、Gaを80重量%以上含む偏析相を含み、偏析相の体積の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が1%以下であるCu−Ga合金が提供される。
(2)また、上記銅合金は、40重量%以上60重量%以下のGaを含む粒子を含み、粒子は、0.1μm以上30μm以下の粒径を有すると共に、粒子の体積の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が90%以上であることが好ましい。
(3)また、本発明は、上記目的を達成するため、複数の相を含むCu−Ga合金であって、40重量%以上60重量%以下のガリウム(Ga)を含み、残部が銅(Cu)及び不可避的不純物からなり、Cu−Ga合金のγ相、及びε相を有し、γ相の体積とε相の体積との合計の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が99%以上であるCu−Ga合金が提供される。
(4)また、上記銅合金は、γ相は、0.1μm以上30μm以下の粒径を有する粒子からなり、γ相の体積の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が90%以上であることが好ましい。
(5)また、本発明は、上記目的を達成するため、上記(1)〜(9)のいずれか1つに記載のCu−Ga合金から製造されるスパッタリングターゲットが提供される。
(6)また、本発明は、上記目的を達成するため、Cu−Ga合金の製造方法であって、40重量%以上60重量%以下のガリウム(Ga)を含み、残部が銅(Cu)及び不可避的不純物からなる混合物を加熱して溶融させる溶融工程と、溶融させた混合物を254℃まで冷却し、40重量%以上60重量%以下のGaを含む粒子であって、0.1μm以上30μm以下の粒径を有する粒子を凝固させて形成すると共に、粒子の体積の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が90%以上のCu−Ga合金を形成する冷却工程とを備えるCu−Ga合金の製造方法が提供される。
(7)また、上記Cu−Ga合金の製造方法は、冷却工程後、200℃以上254℃未満の温度で8時間以上の熱処理をCu−Ga合金に施す熱処理工程を更に備えることができる。
(8)また、上記Cu−Ga合金の製造方法は、冷却工程は、20℃/secの冷却速度で254℃まで冷却することにより溶融した混合物を急冷凝固させることが好ましい。
(9)また、上記Cu−Ga合金の製造方法は、溶融工程は、水冷鋳型若しくはルツボに入れた混合物を溶融させ、冷却工程は、水冷鋳型若しくはルツボを直接冷却することが好ましい。
(10)また、本発明は、上記目的を達成するため、上記(6)〜(9)のいずれか1つに記載のCu−Ga合金の製造方法により製造されたCu−Ga合金から所定形状を有するスパッタリングターゲットを製造する工程を備えるスパッタリングターゲットの製造方法が提供される。
本発明に係るCu−Ga合金、スパッタリングターゲット、Cu−Ga合金の製造方法、スパッタリングターゲットの製造方法によれば、緻密な組織を有すると共に、偏析相が少ないCu−Ga合金、スパッタリングターゲット、Cu−Ga合金の製造方法、スパッタリングターゲットの製造方法を提供できる。
本発明の実施の形態に係るCu−Ga合金の製造の流れを示す図である。 熱処理時間と偏析相の面積率との関係を示す図である。
(発明者が得た知見)
本発明の実施の形態に係るCu−Ga合金は、発明者が得た以下の知見に基づく。すなわち、まず、45重量%から60重量%程度のガリウム(Ga)を含む銅(Cu)を加熱して得られる溶湯を冷却すると、相図の理論上、650℃〜780℃の温度で溶湯の凝固が開始する。凝固により、40重量%から45重量%のGaを含む銅合金、すなわち、γ相が析出する。γ相は、数十〜数百μmの粒径を有する結晶粒子として溶湯中に存在する(なお、以下において、γ相を「初晶」ということがある)。
続いて、冷却を続行して温度が254℃よりも低くなると、相図の理論上、γ相のGa濃度よりも高いGa濃度の液相がγ相の結晶粒子間に析出する(すなわち、初晶と液相とが包晶反応を起こす)。この析出物は、ε相であり、68重量%から70重量%のGaを含む相である。ここで、実際には、Ga−Cuの銅合金としてγ相へと反応することができず、90重量%以上のGaを含む液相として残留する場合がある。このような相を偏析相という。偏析相は、29℃付近以下の温度で固化するが、Gaが高濃度であるので融点が低く、偏析相を含むCu−Ga合金から形成されるスパッタリングターゲットを用いてスパッタを実施すると、スパッタリング時に発生する熱で偏析相が融解する場合がある。
このような偏析相は、以下の理由により形成されるとの知見を本発明者は得た。すなわち、溶湯を冷却する場合における温度が低温であるので、初晶の固相間に存在する液相の原子の拡散速度は遅い。したがって、液相中の特にGaがε相へと反応せずに、Gaの高濃度の液相が残留することが原因であるとの知見を本発明者は得た。
そして、本発明者は、Cu−Ga合金中の偏析相を低減するには、溶湯の冷却開始後において、ε相の析出が開始する254℃以下の温度に溶湯の温度が達するまでの間においてγ相の粒径を小さくしておけば、最終的に得られる合金中に存在する偏析相の量を低減することができるという技術思想を見出した。すなわち、γ相の粒径を小さくすることでγ相の結晶粒子間の隙間を小さくすることができ、当該隙間に存在するGa組織を微細化することができる。そして、この微細化によりε相への反応が促進され、偏析相の残留を抑制できるという技術思想に想到したものである。
具体的に、本発明者は、溶湯を254℃以下に冷却するまでの間に、析出するγ相の粒径を30μm以下に制御することにより、最終的に得られるCu−Ga合金の全体積における偏析相の体積の割合を1%以下に抑制できることを見出した。また、ε相の析出が開始する254℃以下に冷却するまでに結晶粒径を30μm以下にするには、254℃まで溶湯を冷却する場合における冷却速度を従来よりも増加させることが有効であることを見出した。具体的に、本発明者は、冷却速度を20℃/sec以上にすることにより、溶湯中に析出させるγ相の結晶粒径を30μm以下に制御できることを見出した。
更に、ε相の析出が開始する254℃に溶湯の温度が達した後、254℃より低い温度に溶湯を保持することにより、液相中の原子の拡散速度を所定の速度に維持することができる。これにより、高濃度のGaを含む偏析相の析出を抑制でき、γ相間に存在する液相をε相へと反応させることができることを本発明者は見出した。具体的には、溶湯の温度が254℃に達した後、8時間以上にわたって溶湯の温度を220℃以上240℃以下に維持することにより、最終的に製造されるCu−Ga合金の全体積中に占める偏析相の体積の割合を1%以下に抑制することができることを本発明者は見出した。以下、実施の形態において具体的に説明する。
[実施の形態]
(Cu−Ga合金の概要)
本実施の形態に係るCu−Ga合金は、例えば、化合物半導体からなる薄膜の太陽電池の光吸収層等に用いられるCu−Ga合金である。すなわち、ソーダライムガラス等からなるガラス基板と、ガラス基板上に設けられる電極層と、電極層上に設けられる光吸収層と、光吸収層上に設けられるバッファ層と、バッファ層上に設けられる透明電極層とを備える太陽電池において、本実施の形態に係るCu−Ga合金は、光吸収層を構成する材料として用いることができる。なお、電極層は、例えば、プラス電極になるモリブデン(Mo)電極であり、光吸収層は、例えば、Cu−In−Ga−Se四元系合金層から形成することができる。また、バッファ層は、ZnS、CdS等から形成することができ、透明電極層はマイナス電極として機能する。
具体的に、本実施の形態に係るCu−Ga合金は、複数の相を含むCu−Ga合金であって、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。また、本実施の形態に係るCu−Ga合金は、Gaを80重量%以上含む偏析相を含み、偏析相の体積の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が1%以下に制御される。更に、Cu−Ga合金は、40重量%以上60重量%以下のGaを含む粒子を含み、当該粒子は、0.1μm以上30μm以下の粒径を有すると共に、粒子の体積の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が90%以上であることが好ましい。
また、複数の相の観点から本実施の形態に係るCu−Ga合金について規定すると、本実施の形態に係るCu−Ga合金は、CuGa合金のγ相、及びε相を有して形成される。そして、γ相の体積とε相の体積との合計の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が99%以上に制御される。また、本実施の形態に係るCu−Ga合金のγ相は、0.1μm以上30μm以下の粒径を有する粒子からなるCuGa合金から形成することもでき、γ相の体積の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合は90%以上であることが好ましい。
本実施の形態に係るCu−Ga合金を所定の形状、例えば、円板状又は矩形状に成形することにより、本実施の形態に係るCu−Ga合金からなるスパッタリングターゲットを提供することもできる。
(Cu−Ga合金の製造方法)
図1は、本発明の実施の形態に係るCu−Ga合金の製造の流れの一例を示す。
本実施の形態に係る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、まず、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:ステップ10、以下、「ステップ」を「S」と表す)。例えば、原料としての混合物を780℃以上に加熱することにより混合物を溶融する。ここで、溶融工程は、水冷鋳型又はルツボに混合物を入れ、水冷鋳型又はルツボを加熱することにより混合物を溶融する。
次に、溶融した混合物を254℃まで冷却する(冷却工程:S20)。具体的には、溶融した混合物(一例として、溶融後、650℃以上780℃以下程度の温度になっている状態の溶融した混合物)を254℃まで急冷する。例えば、水冷鋳型又はルツボを20℃/secの冷却速度で直接冷却することにより、水冷鋳型又はルツボ内の溶融した混合物を254℃まで急冷することができる。
この冷却工程により、40重量%以上60重量%以下のGaを含む粒子であって、0.1μm以上30μm以下の粒径を有する粒子(すなわち、Cu−Ga合金のγ相)が、溶融させた混合物中に凝固して形成されると共に、当該粒子の体積の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が90%以上のCu−Ga合金が形成される。
続いて、冷却工程において水冷鋳型又はルツボ内の温度が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8時間以上120時間以下の熱処理を施す(熱処理工程:S30)。これにより、複数のγ相の間にCu−Ga合金のε相が析出する。すなわち、熱処理工程により、γ相間に存在している液相のε相への反応を促進させることができ、偏析相の析出が抑制される。
以上の工程を経ることにより、70重量%以上のGaを含有する偏析相の全体積に占める割合が1%以下である本実施の形態に係るCu−Ga合金(γ相とε相とを含む)が製造される。
なお、上記の工程を経て製造されたCu−Ga合金から所定の形状(例えば、円板状、矩形状等)を有するスパッタリングターゲットを製造する工程(一例として、Cu−Ga合金を所定の形状に成型する工程)を経ることにより、スパッタリングターゲットを製造することもできる。例えば、本実施の形態に係るスパッタリングターゲットは、CIGS太陽電池用のスパッタリングターゲットである。
(実施の形態の変形例)
本実施の形態に係る溶融工程を、原料の粉末粒子の粒径を微細にした後、微細な粉末の原料を焼結して焼結体を作製する工程に代えることもできる。
(実施の形態の効果)
本発明の実施の形態に係るCu−Ga合金は、40重量%以上60重量%のGaを含有するCuとGaとの混合物を溶解した後、所定の温度まで急冷して、その後に所定の熱処理を加えることにより製造されるので、Cu−Ga合金に含まれる偏析相(すなわち、Gaを70重量%以上含む相)を低減することができる。そして、本実施の形態に係るCu−Ga合金からスパッタリングターゲットを製造して提供することができる。これにより、当該スパッタリングターゲットを用いた場合には、スパッタリングの実施時に発生する熱により偏析相が溶解して、形成される膜に不具合が生じることを抑制できる。
また、本発明の実施の形態に係るCu−Ga合金から製造されるスパッタリングターゲットは、粉体の焼結で製造するのではなく原料を融解した後に所定の冷却工程を経て製造されるので、粉体の焼結においては発生するボイドの発生を抑制でき、緻密な組織を形成できる。更に、本実施の形態に係るスパッタリングターゲットは、粉体の焼結によって製造されたスパッタリングターゲットのように酸化物を含まないので、スパッタ時における異常放電の発生を抑制できる。これにより、本実施の形態に係るスパッタリングターゲットを用いて形成される膜は高品質の合金膜になり、例えば、当該合金膜を太陽電池に用いると、変換効率が優れた太陽電池を提供することができる。
実施例1に係るCu−Ga合金として、50重量%のGaを含むCu−Ga合金を実施の形態で説明した製造方法を用いて製造した。すなわち、無酸素銅を母材にして50重量%のGaを添加した原料を高周波溶解炉で溶製した後、水冷銅鋳型に溶解した原料を鋳込み、水冷銅鋳型を254℃まで急冷することにより、直径90mm、高さ10mmのインゴットを鋳造した。そして、当該インゴットにマッフル炉にて240℃、8時間の熱処理を施すことにより、実施例1に係るCu−Ga合金を製造した。なお、実施例1に係るCu−Ga合金の平均結晶粒径は、冷却工程の冷却速度を調整することにより20μmに制御した。
冷却工程における冷却速度を調整することにより、最終的に製造されるCu−Ga合金の平均結晶粒径を30μmにした点を除き、実施例1と同様にしてインゴットを鋳造した後、当該インゴットにマッフル炉にて240℃、8時間の熱処理を施すことにより、実施例2に係るCu−Ga合金を製造した。
実施例2と同様にしてインゴットを鋳造した後、当該インゴットにマッフル炉にて240℃、240時間の熱処理を施すことにより、実施例3に係るCu−Ga合金を製造した。
実施例1から実施例3に係るCu−Ga合金のインゴットの中央部を切断して、偏析相の面積率を測定した。なお、面積率は、切断面の結晶組織を画像解析ソフト(株式会社日本ローパー社製、Image Pro Plus J)において、輝度を基準に偏析相と母相とを分離することにより、偏析相の面積率を算出した。その結果、実施例2に係るCu−Ga合金においては偏析相の面積率が0.7%であり、実施例3に係るCu−Ga合金においては偏析相の面積率が0.5%という良好な結果が得られた。
(比較例)
実施例2に係るCu−Ga合金と同一組成のCu−Ga合金について、冷却工程における冷却速度を調整することにより平均結晶粒径を変化させると共に、熱処理工程の熱処理条件を変化させて比較例1〜比較例7に係るCu−Ga合金を製造した。平均結晶粒径、及び熱処理条件の詳細を表1に示す。なお、表1においては、実施例1〜3及び比較例1〜7に係るCu−Ga合金の偏析相の面積率も併せて示す。また、図2には、平均結晶粒径毎に、熱処理時間と偏析相の面積率との関係を示す。
Figure 2010280944
表1を参照すると、実施例2及び実施例3に係るCu−Ga合金において、偏析相の面積率が1%未満という良好な組織を有すると共に平均結晶粒径が30μmという良好な微細組織を有することが示された。一方、比較例1〜7に係るCu−Ga合金はいずれも、偏析相の面積率が1%を超えることが示された。
具体的に、比較例1及び比較例2に係るCu−Ga合金は、熱処理を実施せずに製造した合金であり、熱処理を実施しないと偏析相の面積率が1%を超えたままであることが示された。また、比較例3〜比較例7に係るCu−Ga合金は、平均結晶粒径が100μm以上の合金であり、結晶粒が粗大な場合には、熱処理工程を実施しても偏析相の面積率が1%を超えたままであることが示された。
また、図2を参照すると、平均結晶粒径が20μmの場合(実施例1)、30μmの場合(実施例2及び3)には、熱処理時間が8時間以上になると、偏析相の面積率が1%未満になることが示された。
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

Claims (10)

  1. 複数の相を含むCu−Ga合金であって、
    40重量%以上60重量%以下のガリウム(Ga)を含み、残部が銅(Cu)及び不可避的不純物からなり、
    前記Gaを80重量%以上含む偏析相を含み、
    前記偏析相の体積の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が1%以下であるCu−Ga合金。
  2. 40重量%以上60重量%以下のGaを含む粒子を含み、
    前記粒子は、0.1μm以上30μm以下の粒径を有すると共に、前記粒子の体積の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が90%以上である請求項1に記載のCu−Ga合金。
  3. 複数の相を含むCu−Ga合金であって、
    40重量%以上60重量%以下のガリウム(Ga)を含み、残部が銅(Cu)及び不可避的不純物からなり、
    Cu−Ga合金のγ相、及びε相を有し、
    前記γ相の体積と前記ε相の体積との合計の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が99%以上であるCu−Ga合金。
  4. 前記γ相は、0.1μm以上30μm以下の粒径を有する粒子からなり、
    前記γ相の体積の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が90%以上である請求項3に記載のCu−Ga合金。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のCu−Ga合金から製造されるスパッタリングターゲット。
  6. Cu−Ga合金の製造方法であって、
    40重量%以上60重量%以下のガリウム(Ga)を含み、残部が銅(Cu)及び不可避的不純物からなる混合物を加熱して溶融させる溶融工程と、
    溶融させた前記混合物を254℃まで冷却し、40重量%以上60重量%以下のGaを含む粒子であって、0.1μm以上30μm以下の粒径を有する粒子を凝固させて形成すると共に、前記粒子の体積の当該Cu−Ga合金全体の体積に占める割合が90%以上のCu−Ga合金を形成する冷却工程と
    を備えるCu−Ga合金の製造方法。
  7. 前記冷却工程後、200℃以上254℃未満の温度で8時間以上の熱処理を前記Cu−Ga合金に施す熱処理工程
    を更に備える請求項6に記載のCu−Ga合金の製造方法。
  8. 前記冷却工程は、20℃/secの冷却速度で254℃まで冷却することにより溶融した前記混合物を急冷凝固させる請求項7に記載のCu−Ga合金の製造方法。
  9. 前記溶融工程は、水冷鋳型若しくはルツボに入れた前記混合物を溶融させ、
    前記冷却工程は、前記水冷鋳型若しくは前記ルツボを直接冷却する請求項8に記載のCu−Ga合金の製造方法。
  10. 請求項6〜9のいずれか1項に記載のCu−Ga合金の製造方法により製造されたCu−Ga合金から所定形状を有するスパッタリングターゲットを製造する工程を備えるスパッタリングターゲットの製造方法。
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