(57)【要約】【課題】合金ターゲットあるいは化合物ターゲットをコールドスプレー法により安定して製造することができるターゲットアセンブリ及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係るターゲットアセンブリの製造方法は、金属元素からなる第１の粉末と、前記金属元素を主成分とする合金又は化合物からなる第２の粉末との混合粉末を作製し、前記混合粉末を原料としてコールドスプレー法により基体表面に前記金属元素の合金又は化合物からなるターゲット層を形成する。これにより、コールドスプレー法による合金ターゲットあるいは化合物ターゲットを安定して製造することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属元素からなる第１の粉末と、前記金属元素を主成分とする合金又は化合物からなる第２の粉末との混合粉末を作製し、
前記混合粉末を原料としてコールドスプレー法により基体表面に前記金属元素の合金又は化合物からなるターゲット層を形成する
ターゲットアセンブリの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のターゲットアセンブリの製造方法であって、
前記第１の粉末は、Ｃｕ粉末であり、
前記第２の粉末は、ＣｕＧａ粉末である
ターゲットアセンブリの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載のターゲットアセンブリの製造方法であって、
前記混合粉末に対する前記第１の粉末の混合比率は、２０原子％以上５０原子％以下である
ターゲットアセンブリの製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載のターゲットアセンブリの製造方法であって、
前記基体は円筒形状を有し、
前記ターゲット層は、前記基体の外周側表面に形成される
ターゲットアセンブリの製造方法。
【請求項５】
基体と、
前記基体の表面に形成され、ＣｕＧａ粒子と前記ＣｕＧａ粒子間に介在するＣｕ粒子とを有するターゲット層と
を具備するターゲットアセンブリ。
【請求項６】
請求項５に記載のターゲットアセンブリであって、
前記ターゲット層は、３０原子％以上６０原子％以下のＧａを含有するＣｕＧａ合金で形成され、９７％以上の相対密度を有する
ターゲットアセンブリ。
【請求項７】
請求項５に記載のターゲットアセンブリであって、
前記基体は、金属製の円筒体である
ターゲットアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コールドスプレー法により形成されたターゲット層を有するターゲットアセンブリ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｃｕ−Ｇａ、Ｃｕ−Ｇａ−Ｉｎ等のＣｕ−Ｇａ系ターゲットは、例えば薄膜太陽電池の光吸収層のスパッタ成膜に使用される。この種の合金ターゲットの製造方法として、下記特許文献１には、ＣｕＧａ合金の溶湯をスプレイフォーミング法によってＣｕ−Ｇａ合金プリフォームを作製し、そのプリフォームを熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）法によって焼結するＣｕ−Ｇａ合金スパッタリングターゲットが提案されている。【０００３】
また、溶射法によるターゲットの製造方法も知られており、例えば下記特許文献２には、Ｔｉ粉末とＴｉＯ2粉末とを高温・高速度で素管上に吹き付けて、ＴｉとＴｉＯ2との混合物からなるターゲットを形成する方法が記載されている。さらに下記特許文献３には、金属粉末を原料とするコールドスプレー法により基体上に金属堆積膜からなるターゲット層を形成する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２６５５４４号公報
【特許文献２】特開２００３−２３９０６７号公報
【特許文献３】ＷＯ２００８／０８１５８５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の方法では、スプレイフォーミング法と熱間静水圧プレス法を組み合わせてターゲットを作製するため、工程数が多く、生産性・生産コストの増加が問題となる。また特許文献２に記載されているような溶射法では、原料の溶解に伴う酸素濃度の増加を避けられず、高密度なターゲットを作製することが困難である。さらに特許文献３に記載の方法では、金属粉末よりも硬質の合金粉末あるいは化合物粉末を安定して堆積させることができないため、合金ターゲットあるいは化合物ターゲットの作製が困難であるという問題がある。【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、合金ターゲットあるいは化合物ターゲットをコールドスプレー法により安定して製造することができるターゲットアセンブリ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るターゲットアセンブリの製造方法は、金属元素からなる第１の粉末と、上記金属元素を主成分とする合金又は化合物からなる第２の粉末との混合粉末を作製することを含む。
上記混合粉末を原料としてコールドスプレー法により基体表面に前記金属元素の合金又は化合物からなるターゲット層が形成される。【０００８】
本発明の一形態に係るターゲットアセンブリは、基体と、ターゲット層とを具備する。
上記ターゲット層は、上記基体の表面に形成され、ＣｕＧａ粒子と上記ＣｕＧａ粒子間に介在するＣｕ粒子とを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係るターゲットアセンブリの構成を示す概略断面図である。
【図２】ターゲット層の内部構造を示す模式図である。
【図３】本実施形態のターゲットアセンブリの製造方法を説明する工程フローである。
【図４】本実施形態におけるターゲット層の形成方法を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態に係るターゲットアセンブリの製造方法は、金属元素からなる第１の粉末と、上記金属元素を主成分とする合金又は化合物からなる第２の粉末との混合粉末を作製することを含む。
上記混合粉末を原料としてコールドスプレー法により基体表面に前記金属元素の合金又は化合物からなるターゲット層が形成される。
【００１１】
上記第１の粉末は、コールドスプレー法を適用し得る軟質性金属の粉末で構成される。一方、上記第２の粉末は、一般的には、これら純金属よりも硬質であるため、当該第２の粉末だけではコールドスプレー法による成膜が困難な場合が多い。そこで上記製造方法においては、上記第１の粉末と第２の粉末との混合粉末を原料に用い、基体表面と第２の粉末との間、及び、第２の粉末の間に第１の粉末を介在させることで、合金材料あるいは化合物材料の堆積膜の形成を可能とする。これにより、コールドスプレー法による合金ターゲットあるいは化合物ターゲットを安定して製造することができる。
【００１２】
第１の粉末を構成する金属元素としては、例えばＣｕ（銅），Ａｌ（アルミニウム），Ｉｎ（インジウム），Ｓｎ（錫），Ｔｉ（チタン），Ｎｉ（ニッケル），Ｃｏ（コバルト），Ｃｒ（クロム），Ｔａ（タンタル），Ｍｏ（モリブデン）等のコールドスプレー法を適用できる種々の軟質性金属が採用可能である。第２の粉末を構成する合金あるいは化合物もまた特に限定されず、化合物としては、酸化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、炭化物等が挙げられる。
【００１３】
一実施形態として、第１の粉末にはＣｕ粉末が用いられ、第２の粉末にはＣｕＧａ（銅−ガリウム合金）粉末が用いられる。この場合、例えば薄膜太陽電池の光吸収層の成膜に使用されるＣｕＧａ系ターゲット層を得ることができる。
【００１４】
上記ＣｕＧａ系ターゲット層の形成に際しては、上記混合粉末に対する第１の粉末の混合比率は、２０原子％以上５０原子％以下とすることができる。これにより、９５％以上の相対密度を有する、３０原子％以上６０原子％以下のＧａを含有するＣｕＧａ合金ターゲット層を安定して形成することができる。
【００１５】
上記ターゲット層が形成される基体としては、平板形状でもよいし、円筒形状でもよい。基体が円筒形状の場合、ターゲット層は、基体の外周側表面に形成される。形成方法は特に限定されず、例えば、基体をその軸心のまわりに回転させながら、スプレーノズルを基体の軸方向に移動させることで、基体表面にターゲット層を形成することができる。
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１７】
［ターゲットアセンブリ］
図１は、本発明の一実施形態に係るターゲットアセンブリの構成を示す概略断面図である。本実施形態のターゲットアセンブリ１０は、バッキングチューブとしての基体１１と、ターゲット層１２とを有する。
【００１８】
基体１１は、Ｃｕ，Ａｌ，Ｔｉ，ＳＵＳ（ステンレス鋼）等の金属材料で構成されている。基体１１は、図１においてＸ軸方向に軸心を有する円筒形状を有する。基体１１の内部は、冷却水が循環する流路を形成する。さらに基体１１の内部には、基体１１の外周側表面に固定磁場を形成するための図示しないマグネットユニットが配置されている。
【００１９】
ターゲット層１２は、基体１１の表面を被覆するように、基体１１の外周側表面に形成されている。ターゲット層１２の厚みは特に限定されず、例えば３ｍｍ〜２０ｍｍである。
【００２０】
図２は、ターゲット層の内部構造を示す模式図である。本実施形態のターゲット層１２は、Ｃｕ粒子（Ｇ１）とＣｕＧａ粒子（Ｇ２）との混合層で構成される。Ｃｕ粒子（Ｇ１）は、ＣｕＧａ粒子（Ｇ２）と基体１１の表面との間、及び、ＣｕＧａ粒子（Ｇ２）の間にそれぞれ介在し、これらの間を相互に結合する。これにより、９０％を超える相対密度を有する所定厚みのターゲット層１２を構成することができる。
【００２１】
ターゲット層１２のＧａ含有量は特に限定されず、例えば用途や仕様に応じて適宜設定される。本実施形態におけるターゲット層１２のＧａ含有量は、３０原子％以上６０原子％以下であり、例えば薄膜太陽電池の光吸収層の成膜に使用されるＣｕＧａ系合金ターゲットを構成する。
【００２２】
ターゲット層１２は、Ｃｕ粉末とＣｕＧａ粉末との混合粉末を原料として、基体１１の外周側表面にコールドスプレー法により形成される。以下、ターゲットアセンブリ１０の製造方法について説明する。
【００２３】
［ターゲットアセンブリの製造方法］
図３は、本実施形態のターゲットアセンブリの製造方法を説明する工程フローである。本実施形態は、純Ｃｕ粉末の調整工程（ＳＴ１）と、ＣｕＧａ合金粉末の調整工程（ＳＴ２）と、混合工程（ＳＴ３）と、コールドスプレー工程（ＳＴ４）とを有する。
【００２４】
まず、純Ｃｕ粉末と、ＣｕＧａ合金粉末が調整される（ＳＴ１，ＳＴ２）。
【００２５】
純Ｃｕ粉末の純度は特に限定されず、例えば９９．９９％以上である。ＣｕＧａ合金粉末としては、Ｇａ含有量が例えば３６原子％以上７３原子％以下のものが用いられる。Ｇａ含有量は、作製すべきターゲット層１２のＧａ含有量等に応じて適宜設定される。
【００２６】
純Ｃｕ粉末及びＣｕＧａ合金粉末の形状は特に限定されないが、コールドスプレー法によりターゲット層１２を堆積させる上では、球状あるいは球状に近い形状の粉末であることが成膜効率の点で好ましい。そのため、粉末の製造方法としては、アトマイズ法、回転電極法、真空噴霧急冷法等が適用される。
【００２７】
純Ｃｕ粉末及びＣｕＧａ合金粉末の粒径は特に限定されないが、高密度のターゲット層１２を形成する上では粒径は小さいほど好ましい。本実施形態において純Ｃｕ粉末の粒径は例えば１０μｍ以下、ＣｕＧａ合金粉末の粒径は例えば２００〜３００μｍ以下とされる。
【００２８】
続いて、純Ｃｕ粉末とＣｕＧａ合金粉末との混合粉末が作製される（ＳＴ３）。
【００２９】
純Ｃｕ粉末とＣｕＧａ合金粉末との混合には、種々の混合機を用いることができる。混合粉末中の純Ｃｕ粉末の混合比は特に限定されないが、混合粉末中の純Ｃｕ粉末の混合比を１５原子％以上５０原子％以下とすることで、９７％以上の相対密度を有するターゲット層１２を安定して形成することができる。また、ＣｕＧａ合金粉末のＧａ組成比は、この純Ｃｕ粉末の配合比や、形成するべきターゲット層１２中のＧａ組成比等に応じて設定される。
【００３０】
続いて、上記混合粉末を原料してコールドスプレー法により基体１１の外周側表面にターゲット層１２が形成される（ＳＴ４）。
【００３１】
コールドスプレー法は、原料粉末を不活性ガスと共に超音速流で固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成する成膜方法をいう。原料粉末を溶融又はガス化させずに基材に衝突させるため、熱による材料の特性劣化や皮膜の酸化を最小限に抑えることができる。したがって原料を溶融又はガス化して成膜する溶射法とは原理的に異なる成膜技術である。
【００３２】
図４は、本実施形態におけるターゲット層１２の形成方法を説明する模式図である。成膜には、スプレーノズル２０が用いられる。スプレーノズル２０には、不活性ガスを蓄圧したガス源２１、原料粉末をスプレーノズル２０へ供給する粉末供給源２２等が接続されている。スプレーノズル２０は、軸心１１ａのまわりに所定速度で回転する基体１１の表面に対向配置され、原料粉末を不活性ガスと共に高速度で噴出し、原料粉末を基体１１の表面に堆積させる。
【００３３】
一般に、Ｃｕ等の軟質性金属は、超音速で基材表面に衝突すると、粉末自体が塑性変形することで皮膜の形成を可能とする。これに対してＣｕＧａ合金は純Ｃｕよりも硬質であるため、超音速で基体表面に衝突しても、塑性変形せずに基体表面で跳ね返ることが多い。したがって、ＣｕＧａ合金粉末のみを原料粉末に用いた場合、皮膜の形成が困難であり、皮膜が形成されたとしても密着性が低いため容易に剥離してしまい、所望の膜厚の合金皮膜が得られにくい。
【００３４】
そこで本実施形態では、原料粉末として純Ｃｕ粉末とＣｕＧａ合金粉末との混合粉末を用い、基体１１表面とＣｕＧａ合金粉末との間、及び、ＣｕＧａ合金粉末の間に純Ｃｕ粉末を介在させることで、ＣｕＧａ系合金材料の堆積膜を形成するようにしている。これにより、コールドスプレー法によるＣｕＧａ系合金ターゲットを安定して製造することが可能となる。
【００３５】
スプレーノズル２０からの原料粉末の噴射速度は、純Ｃｕ粉末を基体１１表面に付着させるのに十分な速度（臨界速度）であれば特に限定されず、例えば５００ｍ／ｓ以上とされる。
【００３６】
ガス源２１に用いられる不活性ガスも特に限定されず、例えばＮ2（窒素）、Ｈｅ（ヘリウム）、Ａｒ(アルゴン)等が用いられる。ガス圧力及びガス流量は、ガス種や噴射速度等に応じて適宜設定可能であり、例えばガス圧力を約０．６５ＭＰａ、ガス流量を１５Ｌ／ｍｉｎとすることができる。
【００３７】
原料粉末は、スプレーノズル２０の内部において適宜の温度に加熱されてもよい。これにより基体１１表面への付着強度が高まり、相対密度の高いターゲット層１２を形成することができる。加熱温度は、原料粉末（純Ｃｕ粉末及びＣｕＧａ合金粉末）の融点より低ければよく、例えば５００℃に設定される。
【００３８】
目的とする厚みのターゲット層１２を得るために、スプレーノズル２０を基体１１の軸心方向に往復移動（スキャン）させてもよい。基体１１表面とスプレーノズル２０との距離も特に限定されず、例えば７ｍｍ以上１２ｍｍ以下に設定される。
【００３９】
以上のようにして、図１に示すターゲットアセンブリ１０が製造される。なお以上の実施形態では、基体１１として円筒形状のバッキングチューブが用いられたが、これに代えて平板形状の金属製基体が採用されてもよい。この金属製基体に上述のようにしてターゲット層が形成されることにより、バッキングプレートを備えたターゲットアセンブリを製造することができる。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。【００４１】
（比較例１）
アトマイズ法で作製した平均粒径１００μｍのＣｕ−３０ａｔ％Ｇａ合金粉末を原料粉末に用いて、直径４インチのアルミニウム合金（Ａ５０５２）製の円板形状の基体の表面にＣｕ−３０ａｔ％Ｇａ合金ターゲット層をコールドスプレー法により形成した。【００４２】
原料粉末の噴出ガスにはＮ2（圧力０．６５ＭＰａ、流量１５Ｌ／ｍｉｎ）を用い、原料粉末の加熱温度を５００℃、スキャン速度を２０ｍｍ／ｓｅｃ、スキャン回数を２０回、基体とスプレーノズルとの間の距離を７ｍｍとした。【００４３】
成膜の結果、厚み０．０５〜０．１５ｍｍのＣｕＧａ合金系皮膜が得られたものの、剥離しやすく相対密度の測定は困難であった。【００４４】
（比較例２）
アトマイズ法で作製した平均粒径１００μｍのＣｕ−３０ａｔ％Ｇａ合金粉末を原料粉末に用いて、直径４インチの銅製の円板形状の基体の表面にＣｕ−３０ａｔ％Ｇａ合金ターゲット層をコールドスプレー法により形成した。【００４５】
原料粉末の噴出ガスにはＮ2（圧力０．６５ＭＰａ、流量１５Ｌ／ｍｉｎ）を用い、原料粉末の加熱温度を５００℃、スキャン速度を２０ｍｍ／ｓｅｃ、スキャン回数を２０回、基体とスプレーノズルとの間の距離を７ｍｍとした。【００４６】
成膜の結果、厚み０．０５〜０．１５ｍｍのＣｕＧａ合金系皮膜が得られたものの、剥離しやすく相対密度の測定は困難であった。【００４７】
（実施例１）
アトマイズ法で作製した平均粒径１００μｍのＣｕ−４０ａｔ％Ｇａ合金粉末と、アトマイズ法で作製した平均粒径８μｍの純Ｃｕ粉末との混合粉末を作製した。ＣｕＧａ合金粉末と純Ｃｕ粉末の配合モル比は６８：３２とした。この混合粉末を原料粉末に用い、直径４インチのアルミニウム合金（Ａ５０５２）製の円板形状の基体の表面にＣｕ−３０ａｔ％Ｇａ合金ターゲット層をコールドスプレー法により形成した。【００４８】
原料粉末の噴出ガスにはＮ2（圧力０．６５ＭＰａ、流量１５Ｌ／ｍｉｎ）を用い、原料粉末の加熱温度を５００℃、スキャン速度を２０ｍｍ／ｓｅｃ、スキャン回数を２０回、基体とスプレーノズルとの間の距離を７ｍｍとした。【００４９】
成膜の結果、基体上のターゲット層の厚みは５．０〜５．５ｍｍであった。相対密度の測定は、堆積層の見掛け密度と理論密度との比を計算により求めた。本実施例では、ターゲット層の相対密度は９８．１％であった。【００５０】
（実施例２）
ＣｕＧａ合金粉末の組成比をＣｕ−３７．５ａｔ％Ｇａ、ＣｕＧａ合金粉末と純Ｃｕ粉末の配合モル比を８０：２０、基体の材料を銅製とした以外は実施例１と同様の条件で、基体上にＣｕ−３０ａｔ％Ｇａ合金ターゲット層をコールドスプレー法により形成した。成膜の結果、基体上のターゲット層の厚みは４．５〜５．０ｍｍ、相対密度は９７．０％であった。【００５１】
（実施例３）
ＣｕＧａ合金粉末の組成比をＣｕ−３６ａｔ％Ｇａ、ＣｕＧａ合金粉末と純Ｃｕ粉末の配合モル比を８５：１５、基体の材料を銅製とした以外は実施例１と同様の条件で、基体上にＣｕ−３０ａｔ％Ｇａ合金ターゲット層をコールドスプレー法により形成した。成膜の結果、基体上のターゲット層の厚みは０．５〜１．０ｍｍ、相対密度は９２．０％であった。【００５２】
（実施例４）
ＣｕＧａ合金粉末の組成比をＣｕ−７３ａｔ％Ｇａ、ＣｕＧａ合金粉末と純Ｃｕ粉末の配合モル比を７０：３０、基体の材料を銅製とした以外は実施例１と同様の条件で、基体上にＣｕ−５０ａｔ％Ｇａ合金ターゲット層をコールドスプレー法により形成した。成膜の結果、基体上のターゲット層の厚みは５．０〜５．５ｍｍ、相対密度は９９．０％であった。【００５３】
（実施例５）
基体の形状を直径４インチの円筒形状とした以外は実施例１と同様の条件で、基体上にＣｕ−３０ａｔ％Ｇａ合金ターゲット層をコールドスプレー法により形成した。成膜の結果、基体上のターゲット層の厚みは５．０〜５．５ｍｍ、相対密度は９８．１％であった。【００５４】
（実施例６）
ＣｕＧａ合金粉末の組成比をＣｕ−６０ａｔ％Ｇａ、ＣｕＧａ合金粉末と純Ｃｕ粉末の配合モル比を５０：５０、基体の材料をステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製とした以外は実施例１と同様の条件で、基体上にＣｕ−３０ａｔ％Ｇａ合金ターゲット層をコールドスプレー法により形成した。成膜の結果、基体上のターゲット層の厚みは３．５〜４．０ｍｍ、相対密度は９７．３％であった。【００５５】
（実施例７）
ＣｕＧａ合金粉末の組成比をＣｕ−６０ａｔ％Ｇａ、ＣｕＧａ合金粉末と純Ｃｕ粉末の配合モル比を５０：５０、基体の材料を銅製、基体とスプレーノズルとの間の距離を１２ｍｍとした以外は実施例１と同様の条件で、基体上にＣｕ−３０ａｔ％Ｇａ合金ターゲット層をコールドスプレー法により形成した。成膜の結果、基体上のターゲット層の厚みは３．０〜３．５ｍｍ、相対密度は９５．１％であった。【００５６】
比較例１，２及び実施例１〜７の条件及び結果を表１にまとめて示す。【００５７】
【表１】
2013054521.tif 000003
【００５８】
表１に示すように、ＣｕＧａ合金粉末のみを原料とする比較例１，２においては、ターゲット層を形成することは不可能であった。これに対して、ＣｕＧａ合金粉末と純Ｃｕ粉末との混合粉末を原料とする実施例１〜７においては適正にターゲット層を形成できることが確認された。【００５９】
また、純Ｃｕ粉末とＣｕＧａ合金粉末との混合粉末における純Ｃｕ粉末の混合比率が２０〜５０ａｔ％である実施例１，２，４〜７においては、９５％以上の相対密度を有するＣｕ−３０〜６０ａｔ％Ｇａ合金系ターゲットを得ることができる。これにより異常放電の少ない安定したスパッタ成膜が可能となる。【００６０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。【００６１】
例えば以上の実施形態では、純Ｃｕ粉末とＣｕＧａ合金粉末とを用いてＣｕＧａ合金系スパッタ層を形成する例について説明したが、これに限られない。例えばＴｉＭｏ合金系スパッタ層の形成にも本発明は適用可能である。この場合、純Ｔｉ粉末とＴｉＭｏ合金粉末との混合粉末をスプレー原料とすることができる。これ以外にも、Ａｌ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｍｏ等の純金属粉末と、それらの合金粉末あるいは化合物粉末を用いて、当該合金系のスパッタ層を形成することが可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１０…ターゲットアセンブリ
１１…基体
１２…ターゲット層
２０…スプレーノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2013054521.tif 000008
2013054521.tif 000009
2013054521.tif 000010
2013054521.tif 000011