(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣｕＧａ合金粉末とＮａ2ＣＯ3粉末との混合粉末の焼結体からなり、
前記焼結体に対して３０原子％以上５０原子％以下のＧａと、前記焼結体に対して３重量％以上５重量％以下のＮａとを含有し、９８％以上の相対密度を有する
ＣｕＧａＮａ系スパッタリング用ターゲット。
【請求項２】
請求項１に記載のＣｕＧａＮａ系スパッタリング用ターゲットであって、
平均抵抗値が３４μΩ・ｃｍ以下である
ＣｕＧａＮａ系スパッタリング用ターゲット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜太陽電池における光吸収層の形成に用いられるＣｕＧａＮａ系スパッタリング用ターゲット及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ｐ型光吸収層として、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ、Ｓ等を含むカルコパイライト構造の化合物半導体を用いたＣＩＳ系薄膜太陽電池の開発が進められている。薄膜太陽電池においては、ガラス基板に青板ガラスを使用した場合、ｐ型光吸収層の成膜過程でガラス中のＮａがその光吸収層に拡散し、キャリア濃度を増加させるため、高い光電変換効率を実現できることが知られている（例えば特許文献１，２参照）。
【０００３】
一方、青板ガラスを使用せずに、Ｎａを含有する光吸収層を形成する方法が種々提案されている。例えば特許文献１には、Ｎａを含むＣｕＧａターゲットと、Ｎａを含まないＣｕＧａターゲットと、Ｉｎターゲットとを用いて、金属プリカーサー膜を形成する方法が記載されている。また特許文献２には、フッ化ナトリウム、炭酸ナトリウム等のアルカリ金属化合物を含有するＳｉターゲットを用いて光電変換層を成膜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２００９−２８３５６０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５８４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２にはＮａを含有するＣｕＧａターゲットの製造方法の詳細については記載されていない。また、この種のターゲットにおいては、安定したスパッタを行うために、相対密度が高く、抵抗値のバラツキが小さいことが必要とされる。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、相対密度の高く、抵抗値のバラツキが小さいＣｕＧａＮａ系スパッタリング用ターゲット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ＣｕＧａＮａ系スパッタリング用ターゲットの製造方法は、ＣｕＧａ合金粉末と、１５０μｍ以下の平均粒度を有するＮａ2ＣＯ3粉末との混合粉末を作製し、上記混合粉末を加圧焼結する。
【０００８】
本発明の一形態に係るＣｕＧａＮａ系スパッタリング用ターゲットは、ＣｕＧａ合金粉末とＮａ2ＣＯ3粉末との混合粉末の焼結体からなり、３０原子％以上５０原子％以下のＧａと３重量％以上５重量％以下のＮａとを含有し、９８％以上の相対密度を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣｕＧａＮａ系スパッタリング用ターゲットの製造方法を説明する工程フローである。
【図２】本発明の一実施形態において使用されるＮａ2ＣＯ3粉末の平均粒度を説明する図である。
【図３】平均粒度の異なる複数のＮａ2ＣＯ3粉末を使用して作製された焼結体のＸＲＤチャートである。
【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ＣｕＧａＮａ系スパッタリング用ターゲットの製造方法は、ＣｕＧａ合金粉末と、１５０μｍ以下の平均粒度を有するＮａ2ＣＯ3粉末との混合粉末を作製し、上記混合粉末を加圧焼結する。
【００１１】
上記製造方法においては、ＣｕＧａ合金粉末に添加されるＮａ原料としてＮａ2ＣＯ3粉末を採用し、そのＮａ2ＣＯ3粉末の平均粒度を規定することにより、高密度化および抵抗値の均一化を実現するようにしている。すなわち、Ｎａ2ＣＯ3粉末の平均粒度を１５０μｍ以下に制限することで、焼結体の相対密度を例えば９８％以上に高めることができるとともに、抵抗値のバラツキを例えば±６％以下に抑えることができる。
【００１２】
ここで、本明細書において「平均粒度」とは、レーザー散乱回折法で測定した粒度分布の積算％が５０％の値（Ｄ50）を意味する。また、平均粒度の値は、ベックマン・コールター社製装置「ＬＳ １３ ３２０」による測定値を用いた。
【００１３】
Ｎａ2ＣＯ3粉末の平均粒径が１５０μｍを超えると、焼結体の相対密度は９８％に達することができず、また抵抗値のバラツキも±１００％に達するおそれがある。この場合、安定したスパッタを実現することが困難となり、異常放電やパーティクルの発生の原因となり得る。
【００１４】
ＣｕＧａ合金粉末は、ＣｕとＧａの合金インゴットを粉砕することで作製され、例えば２００μｍ以下の平均粒度に分級された粉末が用いられる。Ｎａ2ＣＯ3粉末は、ＣｕＧａ合金粉末と混合された後、板状に加圧焼結される。焼結法は特に限定されず、例えば真空中でのホットプレス法が適用される。
【００１５】
焼結体のＧａ含有量は、例えば３０原子％以上５０原子％以下とされる。一方、Ｎａ含有量は、３重量％以上５重量％以下とされる。これにより、３４μΩ・ｃｍの平均抵抗値と、±６％以下の抵抗値バラツキを実現することができる。
【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】
図１は、本発明の一実施形態に係るＣｕＧａＮａ系スパッタリング用ターゲットの製造方法を説明する工程フローである。本実施形態のＣｕＧａＮａ系スパッタリング用ターゲットの製造方法は、ＣｕＧａ合金粉末を作製する工程（Ｓ１）と、ＣｕＧａ合金粉末にＮａ2ＣＯ3粉末を混合する工程（Ｓ２）と、ＣｕＧａ合金粉末とＮａ2ＣＯ3粉末との混合粉末を焼結する工程（Ｓ３）と、焼結体をターゲット形状に加工する工程（Ｓ４）とを有する。
【００１８】
［ＣｕＧａ合金粉末の作製工程］
ＣｕＧａ合金粉末の作製工程（Ｓ１）は、本実施形態では、ＣｕＧａ合金を作製する工程と、ＣｕＧａ合金インゴットを粉砕する工程とを有する。
【００１９】
ＣｕＧａ合金は、所定の混合割合となるように秤量されたＣｕインゴットとＧａインゴットをそれぞれ溶解し、所定形状の鋳造することで作製される。Ｃｕインゴット及びＧａインゴットの純度は特に制限されず、例えば４Ｎ程度が用いられる。Ｃｕインゴット及びＧａインゴットは同一のルツボに装入され、例えば真空誘導溶解炉で溶解される。
【００２０】
ＣｕＧａ合金インゴットの粉砕には、例えば、ジョークラッシャ、ロールミル等の適宜の破砕機を単独または組み合わせて用いることができる。本実施形態では、平均粒度が例えば２００μｍ程度のＣｕＧａ合金粉末が作製される。
【００２１】
［Ｎａ2ＣＯ3粉末の混合工程］
次に、ＣｕＧａ合金粉末とＮａ2ＣＯ3粉末との混合粉末が作製される（Ｓ２）。ＣｕＧａ合金粉末とＮａ2ＣＯ3粉末との混合方法は特に限定されず、シェーカミキサー等の公知の撹拌器あるいは混合器を使用することができる。
【００２２】
Ｎａ2ＣＯ3粉末の平均粒度は、ＣｕＧａＮａ焼結体の相対密度や抵抗値の分布に大きく影響する。すなわち、Ｎａ2ＣＯ3粉末の平均粒度が大きいほど、得られる焼結体の相対密度は低く、抵抗値のばらつきが大きくなる。このような焼結体をスパッタリング用ターゲットに用いた場合、異常放電やパーティクルの発生頻度が高くなり、安定したスパッタ成膜が困難となる。
【００２３】
そこで本実施形態では、平均粒度が１５０μｍ以下のＮａ2ＣＯ3粉末が使用される。これにより、得られる焼結体の相対密度を９８％以上に高めることができるとともに、抵抗値のバラツキを例えば±６％以下に抑えることができる。一方、Ｎａ2ＣＯ3粉末の平均粒度が１５０μｍを超えると、焼結体の相対密度は９８％に達することができず、抵抗値のバラツキも±１００％に達するおそれがある。
【００２４】
Ｎａ2ＣＯ3粉末の平均粒度は、１００μｍ以下であってもよい。これにより、相対密度９８％以上の焼結体を安定して製造することができる。また、得られる焼結体の抵抗値のバラツキの更なる低減を図ることができる。また、Ｎａ2ＣＯ3粉末の平均粒度を４５μｍ以下とした場合、上記効果をさらに一層高めることができる。
【００２５】
Ｎａ2ＣＯ3粉末の平均粒度の調製には、市販のＮａ2ＣＯ3粉末（平均粒度３５３μｍ）を破砕し、メッシュの目の大きさが例えば１５０μｍ以下の篩（ふるい）を用いて分級してもよい。図２は、上述のように調整したＮａ2ＣＯ3粉末の平均粒度を測定した一実験結果である。図において横軸は粒径（μｍ）であり、対数目盛で示されている。縦軸は頻度（％）である。
【００２６】
図２において、Ｃ１は、メッシュの目の大きさが１５０μｍの篩を用いて分級したときの篩い上残量に相当する粉末の粒度分布を示し、Ｃ２は、メッシュの目の大きさが１００μｍの篩を用いて分級したときの篩い上残量に相当する粉末の粒度分布を示している。Ｃ３は、メッシュの目の大きさが４５μｍの篩を用いて分級したときの篩い上残量に相当する粉末の粒度分布を示し、Ｃ４は、メッシュの目の大きさが４５μｍの篩いを通過した粉末の粒度分布を示している。Ｃ２の平均粒度は１２１μｍであり、Ｃ３の平均粒度は８４μｍであり、Ｃ４の平均粒度は３３μｍであった。Ｃ２〜Ｃ４の平均粒度は、原料粉末の粉砕の程度によって変動するが、メッシュの目の大きさがそれぞれ１５０μｍ、１００μｍおよび４５μｍの篩を使用すれば、平均粒度がそれぞれ１５０μｍ以下、１００μｍ以下および４５μｍ以下の粉末を確実に得ることができる。
【００２７】
ＣｕＧａ合金粉末に対するＮａ2ＣＯ3粉末の混合比率は、作製されるＣｕＧａＮａ焼結体の組成比に応じて定められる。本実施形態では、Ｇａ含有量が３０原子％以上５０原子％以下、Ｎａ含有量が３重量％以上５重量％以下、残部ＣｕのＣｕＧａＮａ焼結体が作製される。なお不可避の不純物元素の混入や、Ｉｎ、Ｓｅ等の第４、第５の元素の添加は排除されない。
【００２８】
［混合粉末の焼結工程］
続いて、ＣｕＧａ合金粉末とＮａ2ＣＯ3粉末との混合粉末が焼結される（Ｓ３）。本実施形態では真空ホットプレス法によって焼結体が作製されるが、これ以外にも、ＨＩＰ法等の他の焼結法が採用されてもよい。焼結条件も特に限定されず、真空ホットプレス法では例えば温度７００℃、圧力２４．５ＭＰａ（２５０ｋｇ／ｃｍ2）等とすることができる。上記混合粉末は所定厚みの板状に焼結されるが、その平面形状は円形でもよいし矩形でもよい。
【００２９】
以上のようにして、３０原子％以上５０原子％以下のＧａと３重量％以上５重量％以下のＮａとを含有し、９８％以上の相対密度と、３４μΩ・ｃｍ以下の平均抵抗値とを有するＣｕＧａＮａ系スパッタリング用ターゲットが作製される。
【００３０】
［焼結体の機械加工工程］
作製された焼結体は、所定のターゲット形状に加工される（Ｓ４）。典型的には、焼結体は、旋盤等を用いて切削あるいは研削される。所定のサイズに加工されたターゲットは、インジウム等のロウ材を用いてバッキングプレートに接合され、ターゲットアセンブリを構成する。
【００３１】
以上のように本実施形態においては、ＣｕＧａ合金粉末に添加されるＮａ原料としてＮａ2ＣＯ3粉末を採用し、そのＮａ2ＣＯ3粉末の平均粒度を規定することにより、高密度化および抵抗値の均一化を実現するようにしている。
【００３２】
Ｎａ原料にＮａ2ＣＯ3を採用することにより、他のナトリウム化合物と比較して、取り扱い性、品質の安定性等において有利となる。例えばＮａ2ＣＯ3は、ＮａＦ等と比較して毒性が低いため安全に取り扱うことができ、またＮａ2Ｓ等と比較して酸化し難いためターゲットの組成が安定に維持される。
【００３３】
一方、Ｎａ2ＣＯ3粉末の平均粒度を１５０μｍ以下に制限することで、焼結体の相対密度を例えば９８％以上に高めることができるとともに、抵抗値のバラツキを例えば±６％に抑えることができる。
【００３４】
［実験例］
本発明者らは、平均粒度の異なる複数種のＮａ2ＣＯ3粉末を準備し、これを平均粒度が２００μｍのＣｕＧａ合金粉末と混合した後、焼結体を作製し、その相対密度と抵抗値のバラツキを測定した。さらに各焼結体をスパッタ装置に組み込んでそのスパッタ性を評価した。
【００３５】
（実験例１）
平均粒度が１５０μｍを超えるＮａ2ＣＯ3粉末（図２においてＣ１で示される粒度分布を有する粉末）をＣｕＧａ合金粉末に混合し、Ｃｕ−３０ａｔ％Ｇａ−３ｗｔ％Ｎａ焼結体を作製した。焼結法には真空ホットプレス法を採用し、焼結温度を７００℃、焼結圧力を２４．５ＭＰａ（２５０ｋｇ／ｃｍ2）、焼結時間は２時間とした。
【００３６】
焼結体の相対密度は、焼結体の見掛け密度と理論密度（７．３１ｇ／ｃｍ3）との比を計算により求めた。見掛け密度は、得られた焼結体を機械加工して外周及び厚みの寸法をノギス、マイクロメータ或いは３次元測定器を用いて測定して体積を求め、次に、電子天秤にて重量を測定し、（重量／体積）の式から求めた。
【００３７】
焼結体の抵抗値は、４探針法によって測定した。測定装置は、ＮＰＳ社製「Σ−１」を用いた。抵抗値のバラツキは、抵抗値の最大値、最小値及び平均値を算出し、［｛（最大値−最小値）／平均値｝×１／２］の式から求めた。
【００３８】
スパッタ評価は、焼結体を直径１０ｃｍ（４インチ）、厚み６ｍｍに加工し、これをバッキングプレートに装着してスパッタ装置に組み込み、所定時間スパッタを行って異常放電の有無を評価した。異常放電が無かった場合を「○」、異常放電が認められた場合を「×」とした。
【００３９】
実験の結果を表１に示す。焼結体の相対密度は９５．９％、平均抵抗値は４１．１μΩ・ｃｍ、抵抗値のバラツキは±９７％、スパッタ評価は「×」であった。
【００４０】
（実験例２）
平均粒度が１００μｍ以上１５０μｍ以下のＮａ2ＣＯ3粉末（図２においてＣ２で示される粒度分布を有する粉末）をＣｕＧａ合金粉末に混合し、実験例１と同一の焼結条件でＣｕ−３０ａｔ％Ｇａ−３ｗｔ％Ｎａ焼結体を作製した。得られた焼結体の相対密度は９８％、平均抵抗値は２９．２μΩ・ｃｍ、抵抗値のバラツキは±６％、スパッタ評価は「○」であった（表１）。
【００４１】
（実験例３）
平均粒度が４５μｍ以上１００μｍ以下のＮａ2ＣＯ3粉末（図２においてＣ３で示される粒度分布を有する粉末）をＣｕＧａ合金粉末に混合し、実験例１と同一の焼結条件でＣｕ−３０ａｔ％Ｇａ−３ｗｔ％Ｎａ焼結体を作製した。得られた焼結体の相対密度は９８％、平均抵抗値は３２．７μΩ・ｃｍ、抵抗値のバラツキは±６％、スパッタ評価は「○」であった（表１）。
【００４２】
（実験例４）
平均粒度が４５μｍ以下のＮａ2ＣＯ3粉末（図２においてＣ４で示される粒度分布を有する粉末）をＣｕＧａ合金粉末に混合し、実験例１と同一の焼結条件でＣｕ−３０ａｔ％Ｇａ−３ｗｔ％Ｎａ焼結体を作製した。得られた焼結体の相対密度は９８．８％、平均抵抗値は３３μΩ・ｃｍ、抵抗値のバラツキは±６％、スパッタ評価は「○」であった（表１）。
【００４３】
（実験例５）
平均粒度が４５μｍ以上１００μｍ以下のＮａ2ＣＯ3粉末（図２においてＣ３で示される粒度分布を有する粉末）をＣｕＧａ合金粉末に混合し、実験例１と同一の焼結条件でＣｕ−５０ａｔ％Ｇａ−３ｗｔ％Ｎａ焼結体を作製した。得られた焼結体の相対密度は９８％、平均抵抗値は３４μΩ・ｃｍ、抵抗値のバラツキは±４．５％、スパッタ評価は「○」であった（表１）。
【００４４】
（実験例６）
平均粒度が４５μｍ以上１００μｍ以下のＮａ2ＣＯ3粉末（図２においてＣ３で示される粒度分布を有する粉末）をＣｕＧａ合金粉末に混合し、実験例１と同一の焼結条件でＣｕ−３０ａｔ％Ｇａ−５ｗｔ％Ｎａ焼結体を作製した。得られた焼結体の相対密度は９８．５％、平均抵抗値は３２μΩ・ｃｍ、抵抗値のバラツキは±３％、スパッタ評価は「○」であった（表１）。
【００４５】
【表１】
0005795898.tif 000002
【００４６】
表１に示すように、１５０μｍ以下の平均粒度を有するＮａ2ＣＯ3粉末を混合した焼結体(実験例２〜６)においては、９８％以上の相対密度を得られることが確認された。また、これら焼結体の抵抗値の平均値が３４μΩ・ｃｍ以下、抵抗値のバラツキが±６％以下であることから、焼結体全体において組成の均一化を実現できることが確認された。
【００４７】
また、Ｎａ2ＣＯ3粉末の平均粒度が小さいほど相対密度が高くなる傾向があることが確認された（実験例４）。
【００４８】
続いて、図３は、平均粒度の異なる複数種のＮａ2ＣＯ3粉末を用いて、Ｃｕ−３０ａｔ％Ｇａ−３ｗｔ％Ｎａ焼結体を作製したときの各サンプルのＸＲＤチャートである。
図において「Ｐ０」は、市販のＮａ2ＣＯ3原料粉末（平均粒度３５３μｍ）を粉砕せずにＣｕＧａ合金粉末（平均粒度２００μｍ）に混合して作製した焼結体のＸＲＤチャートである。
「Ｐ１」は、上記原料粉末を粉砕後、平均粒度が１５０μｍを超えるもの（図２においてＣ１で示される粒度分布を有する粉末）をＣｕＧａ合金粉末に混合して作製した焼結体のＸＲＤチャートである。
「Ｐ２」は、上記原料粉末を粉砕後、平均粒度が１００μｍ以上１５０μｍ以下のもの（図２においてＣ２で示される粒度分布を有する粉末）をＣｕＧａ合金粉末に混合して作製した焼結体のＸＲＤチャートである。
「Ｐ３」は、上記原料粉末を粉砕後、平均粒度が４５μｍ以上１００μｍ以下のもの（図２においてＣ３で示される粒度分布を有する粉末）をＣｕＧａ合金粉末に混合して作製した焼結体のＸＲＤチャートである。
「Ｐ４」は、上記原料粉末を粉砕後、平均粒度が４５μｍ以下のもの（図２においてＣ４で示される粒度分布を有する粉末）をＣｕＧａ合金粉末に混合して作製した焼結体のＸＲＤチャートである。
【００４９】
図３に示すように、Ｎａ2ＣＯ3の回折ピークは、Ｎａ2ＣＯ3の平均粒度が小さくなるほど小さくなることから、Ｎａ2ＣＯ3粉末の平均粒度が小さくなるほどＮａ化合物（Ｎａ2ＣＯ3）の存在量が減少することが確認された。このことから、Ｎａ2ＣＯ3粉末は、その平均粒度が小さくなるほど焼結体に分散しすくなり、Ｎａ化合物相が形成されにくくなるものと推測される。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００５１】
例えば以上の実施形態では、焼結体の焼結温度を７００℃としたが、これに限られず、例えばＮａ2ＣＯ3の融点以下の温度で適宜変更することが可能である。
【００５２】
また以上の実施形態では、Ｃｕ−Ｇａ−Ｎａの三元系焼結体を例に挙げて説明したが、更にＩｎやＳｅ等の元素が添加された多元系焼結体の製造にも、本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
Ｓ１…ＣｕＧａ合金粉末の作製工程
Ｓ２…Ｎａ2ＣＯ3粉末の混合工程
Ｓ３…焼結工程
Ｓ４…機械加工工程
【図１】
0005795898.tif 000003
【図２】
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【図３】
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