靶组合件及其制造方法
【专利摘要】本发明提供一种将合金靶材或化合物靶材通过冷喷涂法能够制造稳定的靶组合件及其制造方法。本发明的一个实施方式的靶组合件的制造方法包含制作由金属元素构成的第1粉末和以所述金属元素为主要成分的合金或化合物形成的第2粉末的混合粉末，然后，以所述混合粉末为原料通过冷喷涂法在基体表面上形成由所述金属元素的合金或化合物形成的靶材层。由此，通过冷喷涂法能够制造稳定的合金靶材或化合物靶材。
【专利说明】靶组合件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有通过冷喷涂法形成的靶材层的靶组合件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]现有技术中，Cu GID-Ga (镓)、Cu-Ga-1n (铟)等的Cu-Ga类祀材，例如使用在薄膜太阳能电池的光吸收层的溅射成膜上。上述种类的合金靶材的制造方法，例如下述专利文件I中所提供的，将CuGa合金的溶液通过喷射成形法制作Cu-Ga合金半成品，然后将该半成品通过热等静压(HIP)法烧结而形成Cu-Ga合金溅射靶材。
[0003]另外，通过热喷涂法的靶材的制造方法已被大家所公知，例如，在下述的专利文献2中记载有，将Ti (钛)粉末和TiO2 (二氧化钛)粉末以高温且高速的状态被吹到管材上，从而由Ti和TiO2的混合物形成靶材的方法。又有，在下述的专利文献3中记载有，通过以金属粉末为原料的冷喷涂法在基体上由金属堆积膜形成靶材层的方法。
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本发明专利公开公报特开2010-265544号
[0006]专利文献2:日本发明专利公开公报特开2003-239067号
[0007]专利文献3:W02008/081585号说明书
[0008]在专利文献I中所记载的方法中，由于将喷射成形法和热等静压法组合制作靶材，存在工序繁杂，生产性及生产成本增加的问题。另外，在专利文献2中所记载的热喷涂法中，伴随着原料的溶解，不可避免的使氧浓度增加，从而很难制作高密度的靶材。还有，在专利文献3中记载的方法中，由于硬质的合金粉末或化合物粉末相对于金属粉末不能够被稳定的堆积，从而使合金靶材或化合物靶材的制作困难。
【发明内容】
[0009]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种将合金靶材或化合物靶材通过冷喷涂法能够制造稳定的靶组合件及其制造方法。
[0010]为了达到上述目的，本发明的一个技术方案的靶组合件的制造方法包含制作由金属元素构成的第I粉末和以所述金属元素为主要成分的合金或化合物形成的第2粉末的混合粉末。
[0011]然后，以所述混合粉末为原料通过冷喷涂法在基体表面上形成由所述金属元素的合金或化合物形成的靶材层。
[0012]本发明的一个技术方案的靶组合件具有基体和靶材层。
[0013]所述靶材层具有形成在所述基体的表面上的CuGa粒子和配置于CuGa粒子之间的Cu粒子。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是表示本发明的一实施方式的靶组合件的结构的大致截面图；[0015]图2是表示祀材层的内部结构的示意图；
[0016]图3是说明本实施方式的靶组合件的制作方法的工艺流程图；
[0017]图4时说明本实施方式的靶材层的形成方法的示意图。
【具体实施方式】
[0018]本发明的一个实施方式的靶组合件的制造方法包含制作第I粉末和第2粉末的混合粉末的步骤，该第I粉末由金属元素构成，该第2粉末由以上述金属元素为主要成分的合金或化合物形成。
[0019]以上述混合粉末为原料通过冷喷涂法在基体表面上形成由所述金属元素的合金或化合物形成的靶材层。
[0020]上述第I粉末为适用于冷喷涂法的软质金属的粉末。另一方面，上述第2粉末一般为相对于上述纯金属的硬质金属，因此，只使用该第2粉末很难通过冷喷涂法成膜。因此，在上述制造方法中，使用上述第I粉末和第2粉末的混合粉末作为原料，通过在基体表面和第2粉末之间，以及在第2粉末之间配置第I粉末，能够形成合金材料或化合物材料的堆积膜。由此，通过冷喷涂法能够制造稳定的合金祀材或化合物祀材。
[0021]构成第I粉末的金属元素，例如可采用Cu (铜)、Al (铝)、In (铟)、Sn (锡)、Ti(钛)、Ni (镍)、Co (钴)、Cr (铬)、Ta (铊)、Mo (钥)等的能够适用于冷喷涂法的各种的软质金属。构成第2粉末的合金或化合物也没有特别的限定，该化合物例如为氧化物、氮化物、硼化物、硅化物、碳化物等。
[0022]在本发明的一个实施方式中，第I粉末使用Cu粉末，第2粉末使用CuGa (铜-镓合金)粉末。在这种情况下，能够得到例如在薄膜太阳电池的光吸收层的成膜中使用的CuGa类靶材层。
[0023]在形成上述CuGa类靶材层时，第I粉末相对于上述混合粉末的混合比例，为占原子数的20%以上且50%以下。由此，能够形成具有95%以上的相对密度，并且镓的原子数含有量为30%以上且60%以下的稳定的CuGa合金靶材层。
[0024]形成上述靶材层的基体可以为平板形状，也可以为圆筒形状。在基体为圆筒形状的情况下，靶材层形成在基体的外周侧表面上。形成方法也没有特别的限定，例如，在基体绕着其轴心转动时，通过使喷雾嘴沿基体的轴向方向移动，以在基体表面上形成靶材层。
[0025]以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
[0026]靶组合件
[0027]图1为本发明的一个实施方式的靶组合件结构的大致截面图。本实施方式的靶组合件10具有作为磁通管的基体11和靶材层12。
[0028]基体11由Cu、Al、T1、SUS (不锈钢)等的金属材料构成。基体11为图1所示的具有沿X轴方向轴心的圆筒形状。基体11的内部形成冷却水循环的流路。在基体11的内部还配置有未图示的磁铁单元，该磁铁单元用于在基体的外周侧表面上形成固定磁场。
[0029]靶材层12以覆盖基体11的表面的方式形成在基体11的外周侧表面上。靶材层12的厚度并没有特别的限定，例如为3mm~20mm。
[0030]图2为靶材层的内部结构的示意图。本实施方式的靶材层12为Cu粒子(Gl)和CuGa粒子(G2)的混合层。Cu粒子(Gl)分别被置于CuGa粒子(G2)和基体11的表面之间，以及CuGa粒子(G2)之间，从而使上述的各构成之间相互结合。由此，能够得到具有90%以上相对密度的所定厚度的靶材层12。
[0031]靶材层12的Ga含有量也没有特别的限定，例如可对应于使用用途或式样而作适当的设定。本实施方式的靶材层12的Ga含有量为原子数的30%以上且60%以下，例如构成在薄膜太阳能电池的光吸收层的成膜中使用的CuGa类合金靶材。
[0032]靶材层12以Cu粉末和CuGa粉末的混合粉末为原料，通过冷喷涂法形成在基体11的外周侧表面上。以下，对靶组合件10的制造方法进行说明。
[0033]靶组合件的制造方法
[0034]图3为对本实施方式的靶组合件的制作方法进行说明的工艺流程图。本实施方式具有纯Cu粉末的调整步骤(STl)、CuGa合金粉末的调整步骤(ST2)、混合步骤(ST3)和冷喷涂步骤(ST4).[0035]首先，说明对纯Cu粉末和CuGa合金粉末进行调整的步骤(ST1、ST2)。
[0036]纯Cu粉末的纯度并没有特别的限定，例如为99.99%以上。CuGa合金粉末使用Ga含有量例如为原子数的36%以上且73%以下。Ga含有量根据应制作的靶材层12的Ga含有量等适当设定。
[0037]纯Cu粉末和CuGa合金粉末的形状也没有特别的限定，从通过冷喷涂法而堆积成靶材层12的角度来看，形成为球状或接近球状的形状会使成膜效率较好。因此，粉末的制造方法可使用雾化法、旋转电极法、真空喷雾急冷法等。
[0038]纯Cu粉末和CuGa合金粉末的粒径并没有特别的限定，为了形成高密度的靶材层
12,粒径越小越好。本实施方式中纯Cu粉末的粒径例如为10 μ m以下,CuGa合金粉末的粒径例如为200~300 μ m以下。
[0039]接下来，制作纯Cu粉末和CuGa合金粉末的混合粉末(ST3)。
[0040]纯Cu粉末和CuGa合金粉末的混合可使用各种的混合机。混合粉末中的纯Cu粉末的混合比例并没有特别的限定，通过使混合粉末中的纯Cu粉末的混和比例为占原子数的15%以上且50%以下，能够形成具有97%以上相对密度的稳定的靶材层12。另外，CuGa合金粉末的Ga组成比例，根据该纯Cu粉末的配合比，或应形成的靶材层12中的Ga组成比而设定。
[0041]接下来，以Cu粉末和CuGa粉末的混合粉末为原料，通过冷喷涂法在基体11的外周侧表面上形成靶材层12 (ST4)。
[0042]冷喷涂法为将原料粉末在惰性气体且超音波中以其固态的状态与基体冲撞而形成皮膜的成膜方法。由于不需将原料粉末熔化或气化后再与基体冲撞，能够抑制由于加热而导致的材料的特性劣化以及使皮膜的氧化最小化。因此，上述成膜技术与将原料熔化或气化而成膜的热喷涂法在本质上不同。
[0043]图4为对本实施方式的靶材层12的形成方法进行说明的示意图。在成膜中，使用喷雾嘴20。在喷雾嘴20上连接有用于存储压缩惰性气体的气体源21、将原料粉末向喷雾嘴20供给的粉末供给源22等。喷雾嘴20面向绕着轴心Ila以所规定速度转动的基体11的表面配置，并将原料粉末与惰性气体一起高速喷出，使原料粉末堆积在基体11的表面上。
[0044] —般地，Cu等的软质金属以超音速撞击基材的表面时,通过粉末自身的塑性变形形成皮膜。于此相对地，CuGa合金为相对于Cu的硬质金属，即使以超音速撞击基体表面，也大多不会发生塑性变形而是在基体表面上跳跃并折返。因此，仅将CuGa合金粉末作为原料粉末使用时，很难形成皮膜，即使形成皮膜也会由于粘合性较低而容易剥离，从而得不到所期望膜厚的合金皮膜。
[0045]因此，在本实施方式中，将纯Cu粉末和CuGa合金粉末的混合粉末作为原料粉末使用，通过在基体11表面和CuGa合金粉末之间，以及CuGa合金粉末之间配置纯Cu粉末，以形成CuGa类合金材料的堆积膜。由此,通过冷喷涂法能够制造稳定的CuGa类合金祀材。
[0046]由喷雾嘴20喷射的原料粉末的喷射速度，只要能将纯Cu粉末充分附着在基体11表面上的速度(临界速度)就可以，没有特别的限定，例如可以为500m/s以上。
[0047]在气体源21中使用的惰性气体也没有特别的限定，例如使用N2 (氮气)、He (氦)、Ar (氩)等气体。气体压力及气体流量可根据气体种类或喷射速度等作适当的设定，例如，气体压力约为0.65MPa、气体流量为15L/min。
[0048]原料粉末可在喷雾嘴20的内部以适当的温度加热。由此，在基体11表面上能够形成附着强度较高，相对密度较大的靶材层12。加热温度以低于原料粉末(纯Cu粉末和CuGa合金粉末)的熔点为佳，例如设定为500°C。
[0049]为了得到所期望厚度的靶材层12，可使喷雾嘴20沿基体11的轴心方向往复移动(扫描)。基体11表面和喷雾嘴20之间的距离也没有特别的限定，例如设定为7mm以上且1 2mm以下。
[0050]按照上述方式制造图1所示的靶组合件10。在上述的实施方式中，作为基体11，采用圆筒形状的磁通管，但也可采用平板形状的金属制基体。通过在该金属制基体上形成上述的靶材层，能够制造具有磁通板的靶组合件。
[0051]以下，对本发明的实施例进行说明，但本发明并不局限于此。
[0052]比较例I
[0053]将通过雾化法制作的平均粒径为100 μ m的Cu_30at%Ga合金粉末作为原料粉末使用，在直径4英寸(inch)的铝合金(A5052)制的圆板形状的基体表面上通过冷喷涂法形成Cu-30at%Ga合金祀材层。
[0054]原料粉末的喷出气体使用N2 (压力约为0.65MPa、气体流量为15L/min)，原料粉末的加热温度为500°C，扫描速度为20mm/sec，扫描次数为20次，基体和喷雾嘴之间的距离为7mm。
[0055]成膜的结果，得到了厚度为0.05~0.15mm的CuGa合金类皮膜，但很容易剥离，且难以测定其相对密度。
[0056]比较实施例2
[0057]将通过雾化法制作的平均粒径为100 μ m的Cu_30at%Ga合金粉末作为原料粉末使用，在直径4英寸的铜制的圆板形状的基体表面上通过冷喷涂法形成Cu_30at%Ga合金靶材层。
[0058]原料粉末的喷出气体使用N2 (压力约为0.65MPa、气体流量为15L/min)，原料粉末的加热温度为500°C，扫描速度为20mm/sec，扫描次数为20次，基体和喷雾嘴之间的距离为7mm。
[0059]成膜的结果，得到了厚度为0.05~0.15mm的CuGa合金类皮膜，但很容易剥离，且难以测定其相对密度。[0060]实施例1
[0061 ] 制作通过雾化法制作的平均粒径为100 μ m的Cu_40at%Ga合金粉末和通过雾化法制作的平均粒径为8 μ m的纯Cu粉末的混合粉末。CuGa合金粉末和纯Cu粉末之间的配合摩尔比为68:32。将该混合粉末作为原料粉末使用，在直径4英寸的铝合金(A5052)制的圆板形状的基体表面上通过冷喷涂法形成Cu_30at%Ga合金靶材层。
[0062]原料粉末的喷出气体使用N2 (压力约为0.65MPa、气体流量为15L/min)，原料粉末的加热温度为500°C，扫描速度为20mm/sec，扫描次数为20次，基体和喷雾嘴之间的距离为7mm。
[0063]成膜的结果，基体上的祀材层的厚度为5.0~5.5mm。相对密度的测定，通过计算堆积层的表观密度和理论密度的比求得。在本实施例中，靶材层的相对密度为98.1%。
[0064]实施例2
[0065]除了 CuGa合金粉末的组成比为Cu_37.5at%Ga、CuGa合金粉末和纯Cu粉末之间的配合摩尔比为80:20、基体材料为铜制以外，其他的条件与实施例1相同，在这样的条件下，通过冷喷涂法在基体上形成Cu_30at%Ga合金靶材层。成膜的结果，基体上的靶材层的厚度为4.5~5.0mm,相对密度为97.0%。
[0066]实施例3
[0067]除了 CuGa合金粉末的组成比为Cu_36at%Ga、CuGa合金粉末和纯Cu粉末之间的配合摩尔比为85:15、基体材料为铜制以外，其他的条件与实施例1相同，在这样的条件下，通过冷喷涂法在基体上形成Cu_30at%Ga合金靶材层。成膜的结果，基体上的靶材层的厚度为
0.5~1.0_，相对密度为92.0%。
[0068]实施例4
[0069]除了 CuGa合金粉末的组成比为Cu_73at%Ga、CuGa合金粉末和纯Cu粉末之间的配合摩尔比为70:30、基体材料为铜制以外，其他的条件与实施例1相同，在这样的条件下，通过冷喷涂法在基体上形成Cu_50at%Ga合金靶材层。成膜的结果，基体上的靶材层的厚度为
5.0~5.5_，相对密度为99.0%。
[0070]实施例5
[0071]除了基体的形状为直径4英寸的圆筒形状以外，其他的条件与实施例1相同，在这样的条件下，通过冷喷涂法在基体上形成Cu_30at%Ga合金靶材层。成膜的结果，基体上的靶材层的厚度为5.0~5.5mm，相对密度为98.1%。
[0072]实施例6
[0073]除了 CuGa合金粉末的组成比为Cu_60at%Ga、CuGa合金粉末和纯Cu粉末之间的配合摩尔比为50:50、基体材料为不锈钢(SUS304)制以外，其他的条件与实施例1相同，在这样的条件下，通过冷喷涂法在基体上形成Cu_30at%Ga合金靶材层。成膜的结果，基体上的靶材层的厚度为3.5~4.0_，相对密度为97.3%。
[0074]实施例7
[0075]除了 CuGa合金粉末的组成比为Cu_60at%Ga、CuGa合金粉末和纯Cu粉末之间的配合摩尔比为50:50、基体材料为铜制、基体和喷雾嘴之间的距离为12mm以外，其他的条件与实施例1相同，在这样的条件下，通过冷喷涂法在基体上形成Cu_30at%Ga合金祀材层。成膜的结果，基体上的靶材层的厚度为3.0~3.5mm，相对密度为95.1%。
【权利要求】
1.一种靶组合件的制造方法，其特征在于， 制作由金属元素构成的第I粉末和以所述金属元素为主要成分的合金或化合物形成的第2粉末的混合粉末， 然后，以所述混合粉末为原料通过冷喷涂法在基体表面上形成由所述金属元素的合金或化合物形成的靶材层。
2.根据权利要求1所述的靶组合件的制造方法，其特征在于， 所述第1粉末为Cu粉末，所述第2粉末为CuGa粉末。
3.根据权利要求2所述的靶组合件的制造方法，其特征在于， 所述第I粉末相对于所述混合粉末的混合比例为，占原子数的20%以上50%以下。
4.根据权利要求1所述的靶组合件的制造方法，其特征在于， 所述基体为圆筒形状， 所述靶材层形成在所述基体的外周侧表面上。
5.一种靶组合件，其特征在于， 具有基体和靶材层，所述靶材层形成在所述基体的表面上，具有CuGa粒子和配置于CuGa粒子之间的Cu粒子。
6.根据权利要求5所述的靶组合件，其特征在于， 所述靶材层由含有占原子数的30%以上且60%以下的Ga的CuGa合金形成，并具有97%以上的相对密度。
7.根据权利要求5所述的靶组合件，其特征在于， 所述基体为金属制的圆筒体。
【文档编号】C23C14/34GK103930591SQ201280049766
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年10月11日 优先权日:2011年10月14日
【发明者】原田宣弘, 松本博, 新田纯一, 门胁丰, 赤松泰彦 申请人:株式会社爱发科