专利名称：靶材以及该靶材所制造的薄膜的制作方法
技术领域：
本发明主要是关于一种靶材，尤其是指一种具有IB-IIIA-VIA元素组成的靶材，其可应用于溅镀制造太阳能电池的薄膜。
背景技术：
在石化燃料逐渐缺乏的时代，加上全球气候变迁以及空气污染等问题日益严重，替代性能源的应用愈来愈受到人们重视，而其中太阳能电池(solar cell)因具有可提供低廉且源源不绝电力的潜力而受到注目。目前的产品中， 太阳能电池粗略可分为(1) 芯片型(wafer type)太阳能电池包含单晶(single crystal)硅及多晶 (polycrystalline)珪；以及(2) 薄膜型(thin film type)太阳能电池。虽然硅芯片型太阳能电池为目前市场主流，但因其为间接能隙(indirect energygap)，因此需要较厚的硅材料做为吸收层(absorber);而薄膜型太阳能 电池中具有IB-IIIA-VIA元素组成(如CuInGaSe2， CIGS)的材料为直接能隙 (direct energy gap),且光的吸收效率很高，加上可藉由In/Ga成分的比例来 调整能隙的大小，因此仅需很薄一层材料即可产生高光电转换效率，故可 大幅节省材料，降低太阳能电池制作成本。因此具有IB-IIIA-VIA元素组成 的太阳能电池为未来前展性极佳的产品。CIGS薄膜的制作方式有化学气相沉积法(CVD， chemical vapor deposition,如美国专利第5474939号专利所揭示)、物理气相沉积法(PVD， physical vapor deposition,如美国专利第5141564号专利所揭示)及液相沉积法(LPE、 liquid phase deposition)等；其中属于物理气相沉积法的溅镀法 (sputter)为可提供工艺低廉且薄膜特性佳的方法，但目前并没有具完整元素 组成的CIGS溅镀靶材(target)，因此CIGS薄膜并无法直接以溅镀法制造。目前CIGS薄膜的制造方法是先于基板上沉积先驱物(precursor)，再经 由硒化(selenization)工艺的热化学反应形成CIGS薄膜(如日本第10-135495 号专利所揭示)，然而此工艺相当繁瑣。此外，于日本第2000-73163号专利中，荻原淳一郎等人利用铸造(casting) 方法来制作Cu-Ga(铜-镓)合金靶材，藉由控制降温速率使得具脆性(brittle) 的Cu-Ga合金在冷却过程中不会裂开；另外，于中国第1719626号专利中， 庄大明等人也使用铸造方式来制作Cu-Ga合金靶材。虽然铸造可获得高密 度及低氧含量的靶材，但该铜镓二元合金应用于制作太阳能电池的吸收层 时，需使用较繁杂的共溅镀(Co-sputtering)或多道溅镀(multi-sputtering)程序， 甚至还需加上硒化(sdenization)方法，这样才能制作出CIGS系列的合金薄 膜，因此工艺上也相当复杂；另外，熔炼(melting) Cu-Ga 二元合金时，因 Ga的蒸汽压很高，使得铸件(ingot)的成分不易控制；再者，铸造会衍生缩 孑Li(shrinkage)及成分《扁冲斤(segregation)等问题。综上所述，如何制作具有完整元素成分的IB-IIIA-VIA耙材为使用賊镀 工艺制造CIGS太阳能电池的关键瓶颈，若能提供一含完整成分的CIGS靶 材，则可大幅降低工艺复杂度，也可降低太阳能电池的制造成本。发明内容有鉴于现有CIGS薄膜的制作工艺相当繁瑣，本发明的目的在于提供一 种靶材，其可应用于制造具有IB-IIIA-VIA元素组成的薄膜。本发明的另一目的在于提供一种以该靶材所制作的薄膜，其可应用于 太阳能电池上，而可以较低廉的制造成本制造太阳能电池。为达到所述的目的，本发明的第一种靶材的元素组成为IBX-IIIAV-VIAZ;其中，IB选自于以下群组中的至少一种Cu及Ag;IIIA选自子以下群组中的至少一种In及Ga;VIA选自于以下群组中的至少一种S、 Se及Te;x为IB含量的原子百分比、y为IIIA含量的原子百分比、z为VIA含 量的原子百分比，且满足0《x〈1、 0<y<l、 0<z<l, x+y+z=l。本发明的第二种靶材，其元素组成为IBx-IIIAy-VIAz;其中，IB选自于以下群组中的至少一种Cu及Ag;IIIA选自于以下群组中的至少一种In及Ga;VIA选自于以下群组中的至少一种S、 Se及Te;x为IB含量的原子百分比、y为IIIA含量的原子百分比、z为VIA含 量的原子百分比，且满足(Xx〈1、 0《y<l、 0<z<l， x+y+z=l。本发明的靶材的制作方法包含以下步骤形成预合金将一靶材元素与靶材元素組成中 一种以上的其它元素合 成预合金；金粉末混合；烧结混合粉末经烧结后形成靶材。 本发明的薄膜是使用上述的靶材溅镀而成。 上述薄膜可用于太阳能电池。 本发明可达成的具体功效包括1.本发明的靶材具有完整IB-IIIA-VIA元素組成，因此将此靶材经由 一次的'践镀工艺，即可镀制出具有完整IB-IIIA-VIA元素组成的薄膜，此薄 膜可直接应用于太阳能电池中，避免现有CIGS薄膜需经多重賊镀或硒化处 理方可制作的问题，大幅降低薄膜制作工艺的复杂度与太阳能电池的制造成本。2.本发明在靶材的制造过程中，先形成预合金，因此在之后的烧结过 程中，不会因材料熔融而产生材料成分变异及破坏的现象，确保本发明的 靶材的优良品质。
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
本发明的第一种靶材，其元素组成为IBx-IIIAy-VIAz;其中， IB选自于以下群组中的至少一种Cu(铜)及Ag(4艮)； IIIA选自于以下群组中的至少 一种In(铟)及Ga(镓)； VIA选自于以下群组中的至少一种S(硫)、Se(硒)及Te(碲)； x为IB含量的原子百分比、y为IIIA含量的原子百分比、z为VIA含 量的原子百分比，且满足0《x〈1、 0<y<l、 0<z<l,且x+y+z-l。 本发明的第二种靶材，其元素组成为IBx-IIIAy-VIAz;其中， IB选自于以下群组中的至少一种Cu及Ag; IIIA选自于以下群组中的至少一种In及Ga; VIA选自于以下群组中的至少一种S、 Se及Te; x为IB含量的原子百分比、y为IIIA含量的原子百分比、z为VIA含 量的原子百分比，且满足(Xx〈1、 0《y<l、 0<z<l, x+y+z=l。当在制造含有IB-IIIA-VIA元素组成的靶材时，由于IIIA及VIA用于 制造靶材的元素的熔点都很低(IIIA例如In的熔点为156.6。C, Ga的'熔点 为29.9。C; VIA例如S的熔点为112.8°C， Se的熔点为217。C， Te的炫点 为449.5。C),故其蒸汽压很高，而IB元素的熔点相对于IIIA及VIA而言很 高(例如Cu的熔点为1Q8《6。C, Ag的熔点为961.9°C)，因此，若单纯4吏用IB-IIIA-VIA多元化合物靶材，并不容易获得特性良好的 铸锭。若单使用粉末冶佥(powder metallurgy)的方式制造IB-IIIA-VIA系列輩巴 材，也因IIIA及VIA的熔点皆很低，而IB元素的熔点相对于IIIA及VIA 而言很高，若IB与IIIA及VIA的元素粉末进行烧结(sintering)时，例如使 用热压(HP, hotpressing)或热均压(HIP， hot isostaticpressing)时，则溶点4氐 的元素会熔融而导致材料破坏。由于粉末冶金方法所制作的靶材与铸造方法相比较而言，其靶材品质 较佳，因此本发明是使用粉末冶金来制造IB-IIIA-VIA元素組成的輩巴材。当 将一靶材元素与靶材元素组成中 一种以上的其它元素合成化合物时， 一般 将此化合物称之为预合金。再将此预合金直接或再加入其它耙材元素进行 粉末冶金的工艺，即可制造本发明的靶材。本发明靶材的制作方法如下，其步骤请参照图l所示。形成预合金将一靶材元素与靶材元素组成中 一种以上的其它元素合 成预合金，此预合金合成的方式可为熔炼、热化学反应或其它方法。造粉将预合金制成粉末，粉末的制成方法可采用机械方法，如将预 合金压碎或击碎后，再以球磨或棒磨进行研磨，或其它物理化学方法如雾 化法(atomization)等。预合金粉末混合；烧结混合粉末经烧结后形成具优良特性的靶材，混合粉末的烧结可 采热压法、热均压法或者热压法合并热均压法进行，此靶材可再经加工成 形为可供溅镀机使用的靶材。本发明的第 一种靶材可包舍以下各种靶材当x为0， 0.5<z<0.6， IIIA为In-Ga， VIA为Se，可得到In-Ga-Se乾材。 当IB为Cu、 Ag或Cu-Ag， IIIA为In-Ga， VIA为Se，可得到Cu-In-Ga-Se、Ag-In-Ga誦Se或Cu-Ag-In-Ga-Se耙材。当IB为Cu、 Ag或Cu-Ag， IIIA为Ga， VIA为Se，可得到Cu-Ga-Se、Ag-Ga-Se或Cu-Ag-Ga-Se靶材。当IB为Cu、 Ag或Cu-Ag， IIIA为In， VIA为Se，可得到Cu-In-Se、Ag-In-Se或Cu-Ag-In-Se靶材。当x为0, 0.428<z<0.6， IIIA为In， VIA为Se，可得到In-Se耙材。 当x为0， 0.5<z<0.6, IIIA为In-Ga, VIA为S，可得到In-Ga-S革巴材。 当IB为Cu、 Ag或Cu-Ag， IIIA为In-Ga, VIA为S，可得到Cu-In-Ga-S、Ag画In-Ga-S或Cu-Ag-In-Ga-S革巴材。当x为0， 0.5<z<0.6， IIIA为In-Ga， VIA为Te,可得到In-Ga-Te耙材。当IB为Cu, IIIA为In-Ga， VIA为Te,可得到Cu-In-Ga-Te耙材。 当IB为Cu, IIIA为In， VIA为Te，可得到Cu-In-Te乾材。 藉由上迷的制作方法，可制造出具有完整IB-IIIA-VIA元素组成的耙 材。而由于本发明的靶材具有完整IB-IIIA-VIA元素组成，因此将此耙材经 由一次的溅镀工艺，即可镀制出具有完整IB-IIIA-VIA元素组成的薄膜，可 直接应用于太阳能电池中，避免现有CIGS薄膜需经多重濺镀和/或硒化处 理方可制作的问题，大幅降低太阳能电池的制造成本。
权利要求
1. 一种靶材，其元素组成为IBx-IIIAy-VIAz；其中，IB选自于以下群组中的至少一种Cu及Ag；IIIA选自于以下群组中的至少一种In及Ga；VIA选自于以下群组中的至少一种S、Se及Te；x为IB含量的原子百分比、y为IIIA含量的原子百分比、z为VIA含量的原子百分比，且满足0≤x＜1、0＜y＜1、0＜z＜1，x+y+z＝1。
2. 如权利要求1所述的靶材，其中的x为0, IIIA为In-Ga, VIA为Se。
3. 如权利要求1所述的靶材，其中的IB为Cu、 Ag或Cu-Ag， IIIA为 In-Ga， VIA为Se。
4. 如权利要求1所述的靶材，其中的IB为Cu、 Ag或Cu-Ag， IIIA为 Ga， VIA为Se。
5. 如权利要求1所述的靶材，其中的IB为Cu、 Ag或Cu-Ag， IIIA为 In, VIA为Se。
6. 如权利要求1所述的靶材，其中的x为0， IIIA为In， VIA为Se。
7. 如权利要求1所述的靶材，其中的x为0, IIIA为In-Ga， VIA为S。
8. 如权利要求l所述的靶材，其中的IB为Cu、 Ag或Cu-Ag， IIIA为 In-Ga, VIA为S。
9. 如权利要求1所述的靶材，其中的IB为Cu， IIIA为In-Ga， VIA 为Te。
10. 如权利要求1所述的靶材，其中的IB为Cu， IIIA为In， VIA为Te。
11. 一种靶材，其元素组成为IBx-IIIAy-VIAz;其中， IB选自于以下群组中的至少一种Cu及Ag; IIIA选自于以下群组中的至少一种In及Ga; VIA选自于以下群组中的至少一种S、 Se及Te;x为IB含量的原子百分比、y为IIIA含量的原子百分比、z为VIA含 量的原子百分比，且满足0〈x〈1、 0《y<l、 0<z<l, x+y+z=l。
12. —种薄膜，其是使用如权利要求i或11所述的靶材溅镀而成。
13. 如权利要求12所述的薄膜，其是用于太阳能电池。
全文摘要
本发明主要提供一种靶材，其元素组成IB<sub>x</sub>-IIIA<sub>y</sub>-VIA<sub>z</sub>；其中，IB选自于以下群组中的至少一种Cu及Ag；IIIA选自于以下群组中的至少一种In及Ga；VIA选自于以下群组中的至少一种S、Se及Te；x、y、z分别为IB、IIIA、VIA含量的原子百分比，且0≤x＜1、0≤y＜1、0＜z＜1，x+y+z＝1；该靶材的制作方法包含形成预合金将一靶材元素与靶材元素组成中一种以上的其它元素合成预合金；造粉将预合金制成粉末；混粉将所述粉末直接混合或再与其它元素或预合金粉末混合；烧结混合粉末经烧结后形成靶材。本发明还提供一种用于太阳能电池的薄膜，其是使用上述的靶材溅镀制成。
文档编号C23C14/34GK101245443SQ200710078740
公开日2008年8月20日 申请日期2007年2月17日 优先权日2007年2月17日
发明者李仲仁, 毛庆中, 赵勤孝 申请人:光洋应用材料科技股份有限公司