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    • 专利摘要:
    本發明係提供一種能藉由冷噴塗法來安定製造合金靶材或者化合物靶材之靶材組件及其製造方法。本發明的實施形態之一的靶材組件之製造方法係製作由金屬元素所構成之第1粉末與由以前述金屬元素為主成分之合金或化合物所構成之第2粉末的混合粉末，且以前述混合粉末為原料，藉由冷噴塗法在基體表面形成由前述金屬元素之合金或化合物所構成的靶材層。因此，能以冷噴塗法安定製造合金靶材或者化合物靶材。
    公开号:TW201317380A
    申请号:TW101137640
    申请日:2012-10-12
    公开日:2013-05-01
    发明作者:Nobuhiro Harada；Hiroshi Matsumoto；Junichi Nitta；Yutaka Kadowaki；Yasuhiko Akamatsu
    申请人:Ulvac Inc；
    IPC主号:C23C14-00
    专利说明:
    靶材組件及其製造方法
    本發明係關於具有藉由冷噴塗法所形成之靶材層的靶材組件及其製造方法。
    傳統上，Cu-Ga、Cu-Ga-In等Cu-Ga系靶材係使用於例如薄膜太陽電池的光吸收層之濺鍍成膜。做為此種合金靶材之製造方法，下述專利文獻1中提案將CuGa合金的熔融液藉由噴射成形法製作成Cu-Ga合金預製物，再將該預製物藉由熱等靜壓(HIP)法燒結為Cu-Ga合金濺鍍靶材。
    此外，亦已知使用熔射法之靶材的製造方法，例如下述專利文獻2中記載：以高溫、高速將Ti粉末與TiO2粉末噴塗於原料管上，來形成由Ti與TiO2之混合物所構成之靶材之方法。此外，在下述專利文獻3記載：以金屬粉末為原料，藉由冷噴塗法於基體上形成由金屬堆積膜所構成之靶材層之方法。 〔先前技術文獻〕
    [專利文獻]
    專利文獻1 日本特開2010-265544號公報
    專利文獻2 日本特開2003-239067號公報
    專利文獻3 WO2008/081585號說明書
    專利文獻1所記載之方法因係組合噴射成形法與熱等靜壓法來製作靶材，故步驟數多，讓生產性、生產成本增加變成問題。而如專利文獻2所記載之熔射法，無法避免會伴隨著原料之熔解而增加氧濃度，難以製作高密度之靶材。而專利文獻3所記載之方法，因無法安定的堆積比金屬粉末還硬的合金粉末或者化合物粉末，而有難以製作合金靶材或者化合物靶材之問題。
    有鑒於以上情事，本發明之目的係提供能藉由冷噴塗法來安定製造合金靶材或者化合物靶材之靶材組件及其製造方法。
    為了達成上述目的，本發明的形態之一的靶材組件之製造方法係包括：製作由金屬元素所構成之第1粉末、與由以上述金屬元素為主成分之合金或化合物所構成之第2粉末的混合粉末。
    以上述混合粉末為原料，藉由冷噴塗法於基體表面上形成由前述金屬元素之合金或化合物所構成之靶材層。
    本發明的形態之一的靶材組件係具備基體與靶材層。
    上述靶材層係形成於上述基體之表面，在CuGa粒子與上述CuGa粒子間夾有Cu粒子。〔實施發明之形態〕
    本發明的實施形態之一的靶材組件之製造方法係包括：製作由金屬元素所構成之第1粉末、與由以上述金屬元素為主成分之合金或化合物所構成之第2粉末的混合粉末。
    以上述混合粉末為原料，藉由冷噴塗法於基體表面上形成由前述金屬元素之合金或化合物所構成之靶材層。
    上述第1粉末係以能適用冷噴塗法之軟質性金屬的粉末所構成。另一方面，上述第2粉末，一般而言，因係比此等純金屬還硬，在僅以該第2粉末用冷噴塗法來成膜時會有很多困難。因此，上述製造方法中，將上述第1粉末與第2粉末之混合粉末用做為原料，藉由在基體表面與第2粉末之間，以及在第2粉末彼此之間都夾有第1粉末，可以形成合金材料或者化合物材料的堆積膜。因此，能藉由冷噴塗法安定的製造合金靶材或者化合物靶材。
    構成第1粉末之金屬元素能採用例如Cu(銅)、Al(鋁)、In(銦)、Sn(錫)、Ti(鈦)、Ni(鎳)、Co(鈷)、Cr(鉻)、Ta(鉭)、Mo(鉬)等可適用於冷噴塗法之各種軟質性金屬。構成第2粉末之合金或者化合物均未特別限定，化合物可舉出氧化物、氮化物、硼化物、矽化物、碳化物等。
    在實施形態之一中，第1粉末係使用Cu粉末，第2粉末係使用CuGa(銅-鎵合金)粉末。在此情形，能得到例如使用於薄膜太陽電池之光吸收層的成膜之CuGa系靶材層。
    在形成上述CuGa系靶材層時，第1粉末對上述混合粉末之的混合比率可設為20原子%以上50原子%以下。因此，能安定的形成具有95%以上之相對密度、且含有30原子%以上60原子%以下的Ga之CuGa合金靶材層。
    用於形成上述靶材層之基體可為平板狀亦可為圓筒狀。在基體為圓筒狀時，靶材層係形成於基體的外周側表面。形成方法未特別限制，例如可藉由邊讓基體繞著其軸心旋轉，邊讓噴嘴在基體之軸方向移動，來在基體表面形成靶材層。
    以下邊參照圖式邊說明本發明之實施形態。
    [靶材組件]
    圖1為顯示本發明的實施形態之一之靶材組件的結構之示意截面圖。本實施形態之靶材組件10係具有做為背管之基體11與靶材層12。
    基體11係以Cu、Al、Ti、SUS(不銹鋼)等金屬材料構成。在圖1中基體11為具有X軸方向軸心之圓筒狀。基體11的內部形成有讓冷卻水循環之流路。此外，為了在基體11的外周側表面形成固定磁場，在基體11的內部配置有未圖示的磁性元件。
    靶材層12係以被覆基體11之表面的方式，形成於基體11的外周側表面上。靶材層12的厚度未特別限制，為例如3mm~20mm。
    圖2為顯示靶材層之內部構造的示意圖。本實施形態之靶材層12係以Cu粒子(G1)與CuGa粒子(G2)之混合層構成。Cu粒子(G1)夾在CuGa粒子(G2)與基體11的表面之間，以及夾在CuGa粒子(G2)彼此之間，將此等空間相互結合。因此，能構成具有超過90%之相對密度的特定厚度之靶材層12。
    靶材層12的Ga含量未特別限制，可依例如用途或規格來適當設定。本實施形態中，靶材層12之Ga含量係30原子%以上60原子%以下，構成例如能使用於薄膜太陽電池的光吸收層之成膜的CuGa系合金靶材。
    靶材層12係以Cu粉末與CuGa粉末之混合粉末為原料，藉由冷噴塗法形成於基體11的外周側表面。以下說明靶材組件10之製造方法。
    [靶材組件之製造方法]
    圖3係說明本實施形態之靶材組件之製造方法的步驟流程圖。本實施形態係具有純Cu粉末之調整步驟(ST1)、CuGa合金粉末之調整步驟(ST2)、混合步驟(ST3)、及冷噴塗步驟(ST4)。
    首先，調整純Cu粉末與CuGa合金粉末(ST1、ST2)。
    純Cu粉末的純度未特別限制，例如為99.99%以上。CuGa合金粉末能使用Ga含量為例如36原子%以上73原子%以下者。Ga含量可依要製作之靶材層12的Ga含量等來適當設定。
    純Cu粉末及CuGa合金粉末的形狀未特別限定，但就藉由冷噴塗法來堆積靶材層12來說，以成膜效率的點來看，較佳係球狀或者接近球狀形狀的粉末。因此，粉末的製造方法適合使用霧化法、旋轉電極法、真空噴霧驟冷法等。
    純Cu粉末及CuGa合金粉末的粒徑未特別限定，但就形成高密度之靶材層12來說，粒徑係越小越好。本實施形態中，純Cu粉末的粒徑為例如10μm以下，CuGa合金粉末的粒徑為例如200~300μm以下。
    接下來，製作純Cu粉末與CuGa合金粉末之混合粉末(ST3)。
    於混合純Cu粉末與CuGa合金粉末時，可使用各種混合機。混合粉末中的純Cu粉末之混合比未特別限制，但讓混合粉末中的純Cu粉末之混合比為15原子%以上50原子%以下，能安定的形成具有97%以上之相對密度的靶材層12。而CuGa合金粉末的Ga組成比，係對應此純Cu粉末的調配比與要形成之靶材層12中的Ga組成比等來設定。
    接下來，把上述混合粉末做為原料，藉由冷噴塗法在基體11的外周側表面形成靶材層12(ST4)。
    冷噴塗法係以超音速流讓維持著固相狀態之原料粉末與惰性氣體一起衝擊基材來形成皮膜之成膜方法。由於不使原料粉末熔融或氣體化地衝擊基材，而能把因熱使材料特性劣化與皮膜之氧化抑制在最小限度。因此與將原料熔融或氣體化後再成膜之熔射法在原理上是不同之成膜技術。
    圖4為說明本實施形態之靶材層12之形成方法的示意圖。於成膜時使用噴嘴20。噴嘴20係連接著加壓惰性氣體之氣體源21、把原料粉末供給至噴嘴20之粉末供給源22等。噴嘴20係配置成面向以特定速度繞著軸心11a旋轉之基體11的表面，將原料粉末與惰性氣體一起以高速噴出，把原料粉末堆積在基體11的表面。
    一般來說，Cu等軟質性金屬若以超音速衝擊基材表面，粉末本身藉由塑性變形而能形成皮膜。相對於此，CuGa合金因比純Cu還硬，即使以超音速衝擊基體表面，亦多是無塑性變形地於基體表面彈回。因此，在僅使用CuGa合金粉末來做為原料粉末時皮膜難以形成，即便形成了皮膜，因附著性低也容易造成剝離，故不易得到所期望之膜厚的合金皮膜。
    因此，在本實施形態中係使用純Cu粉末與CuGa合金粉末的混合粉末做為原料粉末，在基體11表面與CuGa合金粉末間、及CuGa合金粉末彼此間都夾有純Cu粉末，以形成CuGa系合金材料的堆積膜。藉此能以冷噴塗法安定的製造CuGa系合金靶材。
    從噴嘴20出來的原料粉末之噴射速度只要是能讓純Cu粉末附著於基體11表面之充分速度(臨界速度)即無特別限制，可設為例如500m/s以上。
    氣體源21所使用之惰性氣體亦未特別限制，可使用例如N2(氮氣)、He(氦氣)、Ar(氬氣)等。氣體壓力及氣體流量能依氣體種類與噴射速度等來適當設定，例如可將氣體壓力設為約0.65MPa、氣體流量設為15L/min。
    原料粉末亦可於噴嘴20的內部被加熱至適當溫度。藉此能提高對基體11表面之附著強度，並形成相對密度高的靶材層12。加熱溫度只要比原料粉末(純Cu粉末及CuGa合金粉末)的熔點低即可，可設定於例如500℃。
    為了得到目標厚度之靶材層12，亦可讓噴嘴20在基體11的軸心方向來回移動(掃描)。基體11表面與噴嘴20之距離亦未特別限制，能設定於例如7mm以上12mm以下。
    如上述般進行，能製造圖1所示之靶材組件10。而在以上的實施形態中，雖使用圓筒狀的背管做為基體11，但亦可採用平板狀的金屬製基體來加以取代。藉由於此金屬製基體如上述般形成靶材層，而得以製造具備背板之靶材組件。 〔實施例〕
    以下說明本發明之實施例，但本發明並非限定於此。
    (比較例1)
    使用以霧化法製作之平均粒徑100μm的Cu-30at%Ga合金粉末做為原料粉末，藉由冷噴塗法於直徑4英吋之鋁合金(A5052)製的圓板狀基體的表面形成Cu-30at%Ga合金靶材層。
    原料粉末的噴出氣體係使用N2(壓力0.65MPa、流量15L/min)，原料粉末的加熱溫度設為500℃、掃描速度設為20mm/sec、掃描次數設為20次、基體與噴嘴之間的距離設為7mm。
    成膜的結果，雖然得到厚度0.05~0.15mm之CuGa合金系皮膜，但容易剝離而難以測定相對密度。
    (比較例2)
    使用以霧化法製作之平均粒徑100μm的Cu-30at%Ga合金粉末做為原料粉末，藉由冷噴塗法於直徑4英吋之銅製的圓板狀基體的表面形成Cu-30at%Ga合金靶材層。
    原料粉末的噴出氣體係使用N2(壓力0.65MPa、流量15L/min)，原料粉末的加熱溫度設為500℃、掃描速度設為20mm/sec、掃描次數設為20次、基體與噴嘴之間的距離設為7mm。
    成膜的結果，雖然得到厚度0.05~0.15mm之CuGa合金系皮膜，但容易剝離而難以測定相對密度。
    (實施例1)
    製作以霧化法製作之平均粒徑100μm的Cu-40at%Ga合金粉末、與以霧化法製作之平均粒徑8μm的純Cu粉末之混合粉末。CuGa合金粉末與純Cu粉末的調配莫耳比設為68：32。使用此混合粉末做為原料粉末，藉由冷噴塗法於直徑4英吋的鋁合金(A5052)製圓板狀基體的表面形成Cu-30at%Ga合金靶材層。
    原料粉末的噴出氣體係使用N2(壓力0.65MPa、流量15L/min)，原料粉末的加熱溫度設為500℃、掃描速度設為20mm/sec、掃描次數設為20次、基體與噴嘴之間的距離設為7mm。
    成膜的結果，基體上之靶材層的厚度係5.0~5.5mm。相對密度之測定，係經由計算堆積層的表觀密度與理論密度的比而求得。於本實施例，靶材層之相對密度係98.1%。
    (實施例2)
    除了將CuGa合金粉末之組成比變更為把Cu-37.5at%Ga、CuGa合金粉末與純Cu粉末之調配莫耳比設為80：20，並將基體之材料改為銅製品以外，以與實施例1相同之條件，藉由冷噴塗法於基體上形成Cu-30at%Ga合金靶材層。成膜的結果，基體上之靶材層的厚度係4.5~5.0mm，相對密度係97.0%。
    (實施例3)
    除了將CuGa合金粉末之組成比變更為把Cu-36at%Ga、CuGa合金粉末與純Cu粉末之調配莫耳比設為85：15，並將基體之材料改為銅製品以外，以與實施例1相同之條件，藉由冷噴塗法於基體上形成Cu-30at%Ga合金靶材層。成膜的結果，基體上之靶材層的厚度係0.5~1.0mm，相對密度係92.0%。
    (實施例4)
    除了將CuGa合金粉末的組成比變更為把Cu-73at%Ga、CuGa合金粉末與純Cu粉末之調配莫耳比設為70：30，並將基體之材料改為銅製品以外，以與實施例1相同之條件，藉由冷噴塗法於基體上形成Cu-50at%Ga合金靶材層。成膜的結果，基體上之靶材層的厚度係5.0~5.5mm，相對密度係99.0%。
    (實施例5)
    除了將基體形狀改為直徑4英吋的圓筒狀以外，以與實施例1相同之條件，藉由冷噴塗法於基體上形成Cu-30at%Ga合金靶材層。成膜的結果，基體上之靶材層的厚度係5.0~5.5mm，相對密度係98.1%。
    (實施例6)
    除了將CuGa合金粉末的組成比變更為把Cu-60at%Ga、CuGa合金粉末與純Cu粉末之調配莫耳比設為50：50，並將基體之材料改為不銹鋼(SUS304)製以外，以與實施例1相同之條件，藉由冷噴塗法於基體上形成Cu-30at%Ga合金靶材層。成膜的結果，基體上之靶材層的厚度係3.5~4.0mm，相對密度係97.3%。
    (實施例7)
    除了將CuGa合金粉末的組成比變更為把Cu-60at%Ga、CuGa合金粉末與純Cu粉末之調配莫耳比設為50：50，並將基體之材料改為銅製品，以及將基體與噴嘴間的距離設為12mm以外，以與實施例1相同之條件，藉由冷噴塗法於基體上形成Cu-30at%Ga合金靶材層。成膜的結果，基體上之靶材層的厚度係3.0~3.5mm，相對密度係95.1%。
    比較例1、2及實施例1~7之條件及結果彙整於表1顯示。
    如表1所示，於僅以CuGa合金粉末為原料之比較例1、2中無法形成靶材層。相對於此，於以CuGa合金粉末與純Cu粉末之混合粉末為原料的實施例1~7中，則確認能形成適當的靶材層。
    又，於純Cu粉末與CuGa合金粉末之混合粉末中的純Cu粉末之混合比率為20~50at%之實施例1、2、4~7中，可得到具有95%以上之相對密度的Cu-30~60at%Ga合金系靶材。藉此能異常放電少地安定的濺鍍成膜。
    以上雖說明了本發明之實施形態，但本發明不單單限定於上述實施形態而已，當然可在不脫離本發明之要旨的範圍內添加各種變更。
    例如在以上之實施形態中，雖說明使用純Cu粉末與CuGa合金粉末來形成CuGa合金系濺鍍層的例子，但不限於此。本發明亦能適用於形成例如TiMo合金系濺鍍層。在此情形，能以純Ti粉末與TiMo合金粉末之混合粉末做為噴塗原料。除此之外，能使用Al、In、Sn、Ni、Co、Cr、Ta、Mo等純金屬粉末，與此等的合金粉末或者化合物粉末，來形成該合金系的濺鍍層。
    10‧‧‧靶材組件
    11‧‧‧基體
    11a‧‧‧軸心
    12‧‧‧靶材層
    20‧‧‧噴嘴
    21‧‧‧氣體源
    22‧‧‧粉末供給源
    G1‧‧‧Cu粒子
    G2‧‧‧CuGa粒子
    圖1為顯示本發明實施形態之一的靶材組件之結構之示意截面圖。
    圖2為顯示靶材層之內部構造的示意圖。
    圖3為說明本實施形態之靶材組件的製造方法之步驟流程圖。
    圖4為說明本實施形態之靶材層的形成方法之示意圖。
    权利要求:
    Claims (7)
    [1] 一種靶材組件之製造方法，其係包括：製作由金屬元素所構成之第1粉末、與由以前述金屬元素為主成分之合金或化合物所構成之第2粉末的混合粉末；以前述混合粉末為原料，藉由冷噴塗法於基體表面形成由前述金屬元素之合金或化合物所構成的靶材層。
    [2] 如申請專利範圍第1項之靶材組件之製造方法，其中前述第1粉末係Cu粉末，而前述第2粉末係CuGa粉末。
    [3] 如申請專利範圍第2項之靶材組件之製造方法，其中前述第1粉末對前述混合粉末之混合比率係20原子%以上50原子%以下。
    [4] 如申請專利範圍第1項之靶材組件之製造方法，其中前述基體係圓筒狀，而前述靶材層係形成於前述基體的外周側表面。
    [5] 一種靶材組件，其係具備：基體；形成於前述基體之表面，且具有夾在CuGa粒子與前述CuGa粒子間的Cu粒子之靶材層。
    [6] 如申請專利範圍第5項之靶材組件，其中前述靶材層係以含有30原子%以上60原子%以下之Ga的CuGa合金所形成，且具有97%以上的相對密度。
    [7] 如申請專利範圍第5項之靶材組件，其中前述基體係金屬製的圓筒體。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP2011226571||2011-10-14||
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