JP6311912B2 - Ｃｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲット及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、太陽電池の光吸収層としてのＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜を形成するときに使用するＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲット及びその製造方法に関するものである。

従来、ＣｕＧａスパッタリングターゲットは、いわゆるセレン（Ｓｅ）化法によるＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜（ＣＩＧＳ膜）を光吸収層に用いた太陽電池を製造するために、必須な材料である。なお、セレン化法とは、例えば、ＣｕＧａを約５００ｎｍスパッタリングし、その上に、Ｉｎ膜を約５００ｎｍの厚さにスパッタリングした積層膜を、５００℃のＨ_２Ｓｅガス中で加熱し、ＳｅをＣｕＧａＩｎに拡散させ、ＣｕＩｎＧａＳｅの化合物膜を形成する方法である（例えば、特許文献１を参照）。

従来、上記光吸収層形成に用いる高密度で高Ｇａ含有のＣｕＧａスパッタリングターゲットにおいて、特に、Ｇａが２８原子％を超える場合、加工性に乏しい脆性のγ相の析出の割合が増加するため、高密度化したスパッタリングターゲットは、非常に硬く、かつ、延性が乏しい。特に、溶解鋳造による鋳造体の場合は、切削での表面加工時に割れや欠損が発生してしまうことから、切削加工が困難であり、研削加工を使用せざるを得ないという不都合があった。このため、ターゲットの加工速度が遅く、かつ、複雑形状の加工が非常に困難であった。

そこで、Ｇａ：３０〜６０質量％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成を有するスパッタリングターゲットであって、Ｇａ：３０質量％以上を含有し、残部がＣｕからなる高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粒（高Ｇａ相）を、Ｇａ：１５質量％以下の低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金からなる粒界相（低Ｇａ相）で包囲した二相共存組織を有した高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金によるスパッタリングターゲットが提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
この提案された高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲットでは、脆性のγ相を展延性に優れる低Ｇａ相で包囲した上記二相共存組織を有することで、切削時に割れ又は欠損が生じず、良好な歩留まりが得られている。

一方、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜からなる光吸収層の発電効率を向上させるため、この光吸収層中に、ナトリウム（Ｎａ）を添加することが提案されている（例えば、特許文献２、非特許文献１を参照）。この提案では、プリカーサー膜（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜）中のＮａ含有量を０．１％程度とすることが一般的であると示している。

特許第３２４９４０８号公報 特開２００８−１３８２３２号公報

A.Romeo, 「Development of Thin-film Cu(In,Ga)Se2 and CdTe Solar Cells」, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2004; 12:93-111 (DOI: 10.1002/pip.527)

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記特許文献２に記載のスパッタリングターゲットでは、切削によって表面加工しても割れや欠損が生じ難いが、高Ｇａ相と低Ｇａ相とのＧａ含有量の差が大きいため、高Ｇａ相から低Ｇａ相へのＧａ（或いは、低Ｇａ相から高Ｇａ相へのＣｕ）が十分に拡散されていない状態であり、焼結があまり進行していない場合が多い。そのため、その焼結体は、比較的低密度となり、抗折強度が低いという不都合があった。また、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粒のＧａ含有量を、上述した範囲より増やして高密度化を図ると、割れや欠損の発生を抑制する効果が低下してしまうことがわかった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、機械加工性に優れ、さらには高密度で抗折強度が高い２８原子％以上のＧａを含有するＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲット及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、表面仕上げのための切削時に割れや欠損が発生して不良品となることがないと共に高い抗折強度を有するＣｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲットを製造するべく研究を行った。その結果、上記特許文献２に記載のスパッタリングターゲットとは異なる特定の低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相と高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相との共存組織を有するスパッタリングターゲットとすることで、良好な機械加工性と高い抗折強度とを両立可能であることを突き止めた。

したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
即ち、本発明に係るＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲットは、Ｇａ：２８〜３５原子％を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる成分組成を有し、さらに、Ｇａ：２６原子％以下を含有し、残部がＣｕからなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相を、Ｇａ：２８原子％以上の高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相で包囲し、前記高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相の素地中に、前記低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相が分散された共存組織を有することを特徴とする。

本発明のＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲットでは、Ｇａ：２８〜３５原子％を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる成分組成を有し、さらに、Ｇａ：２６原子％以下を含有し、残部がＣｕからなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相（以下、低Ｇａ合金相とも称す）を、Ｇａ：２８原子％以上の高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相（以下、高Ｇａ合金相とも称す）で包囲した共存組織を有するので、切削時に割れや欠損が発生せず、高密度で高い抗折強度を有している。

なお、Ｃｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲット全体としてＧａの含有量２８〜３５原子％とした理由は、３５原子％を超えると、スパッタリングターゲットにおけるＣｕ−Ｇａ二元系合金相が単一相となってしまい、低Ｇａ合金相と高Ｇａ合金相とによる共存組織を得ることができないか、或いは、その共存組織を得ることができても、低Ｇａ合金相が２６原子％以上となり、この場合、低Ｇａ合金相を高Ｇａ合金相が包囲した組織になっているが、ともに加工性に乏しい合金相となってしまうため、切削加工時に割れが生じると共に、抗折強度も低下してしまう。また、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相のＧａ含有量を２６原子％以下とした理由は、２６原子％を超えると、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相が切削加工性の乏しいγ相になり、切削時に割れが生じ易くなるためである。
さらに、高Ｇａ合金相のＧａ含有量を２８原子％より多くする理由は、２８原子％以下では、Ｃｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲット全体としてＧａ含有量２８原子％以上の組成を得ることができないためである。

また、本発明に係るＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲットでは、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜からなる光吸収層の発電効率を向上させるため、この光吸収層中に、ナトリウム（Ｎａ）を添加することとして、光吸収層を成膜するのに用いられるＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲット中に、Ｎａを含有させた。
具体的には、Ｃｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲット中の金属元素成分として、Ｇａ：２８〜３５原子％、Ｎａ：０．０５〜１５原子％を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる成分組成を有するようにした。
さらには、前記Ｎａは、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、硫化ナトリウム（ＮａＳ）、セレン化ナトリウム（Ｎａ_２Ｓｅ）のうち少なくとも１種のＮａ化合物の状態で含有されていることを特徴とし、前記Ｎａ化合物は、Ｃｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲット素地中に分散していると共に、Ｎａ化合物の平均粒径が１０μｍ以下であることを特徴としている。

ここで、Ｃｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲット中の金属元素成分の計算方法について説明する。
Ｎａ含有量及びＧａ含有量は、スパッタリングターゲットの金属成分全体に対するものであり、以下のように、ターゲット中のＣｕ、Ｇａ及びＮａの各原子の和との比で計算される。
Ｎａ（原子％）：Ｎａ／（Ｎａ＋Ｃｕ＋Ｇａ）×１００％
Ｇａ（原子％）：Ｇａ／（Ｎａ＋Ｃｕ＋Ｇａ）×１００％

本発明に係るＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲットでは、Ｎａ：０．０５〜１５原子％を含有させたが、このＮａ含有量の限定理由は、０．０５原子％未満では、ＣＩＧＳ膜が形成された際に、太陽電池における変換効率の向上の効果が得られないためであり、１５原子％を超えると、Ｎａ化合物を起点としてターゲット割れが発生するためである。さらに、Ｎａ化合物の平均粒径が１０μｍ以下であると、スパッタリング時における異常放電の発生を低減できる。

上述した本発明に係るＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲットを製造する方法は、Ｇａ：２８原子％を超えてかつ７５原子％以下含有し、残部がＣｕからなる高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末に、純銅粉末またはＧａ：２６原子％以下を含み、残部がＣｕからなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を、Ｇａ：２８〜３５原子％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成となるように配合し混合して混合粉末を作製する工程と、該混合粉末を非酸化若しくは還元性雰囲気中でホットプレス又は熱間等方加圧焼結、常圧焼結により焼結させる工程と、該ホットプレス又は焼結工程で得られＧａ：２８〜３５原子％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成を有する焼結体の表面を切削する工程とを有している。さらに、前記混合粉末中の前記高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を１５％以上８５％以下配合し、前記高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の平均粒径が２５０μｍ以下であると共に、前記純銅粉末又は低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の平均粒径が１２５μｍ以下であり、前記高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の平均粒径が前記純銅粉末又は低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の平均粒径よりも大きく設定され、前記非酸化若しくは還元性雰囲気中でホットプレス又は熱間等方加圧焼結、常圧焼結により焼結する時の保持温度を、前記混合粉末の融点から２００℃低い温度と前記融点から５０℃低い温度との間に設定することを特徴とする。なお、混合粉末の融点とは、前記高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末と、前記純銅粉末又は低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末とを混合させて得られる全体のＧａ組成に対する融点である。

この本発明に係るＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲットの製造方法によれば、Ｇａ：２６原子％以下を含有し、残部がＣｕからなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相を、Ｇａ：２８原子％以上の高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相で包囲した共存組織を有する高密度なスパッタリングターゲットを作製することができる。ここで、この共存組織とは、Ｇａ：２６原子％以下を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相を、Ｇａ：２８原子％以上の高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相で包囲しており、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相の素地中に、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相が分散された状態である。

なお、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の配合量が、１５％未満か、或いは、８５％を超えると、Ｃｕ−Ｇａ二元系合金が単一相組織となり、加工性と抗折強度とが低下するためである。
また、非酸化若しくは還元性雰囲気中でホットプレス又は熱間等方加圧焼結、常圧焼結により焼結する時の保持温度を上記温度範囲とした理由は、混合粉末の融点から２００℃低い温度よりも低く設定すると、十分な密度が得られないためであり、前記融点から５０℃低い温度よりも高く設定すると、昇温時に混合粉末が溶解してしまうためである。
さらに、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末におけるＧａ含有量を７５原子％以下とした理由は、Ｇａ含有量が７５原子％を超えると、加圧昇温中に、Ｇａが溶け出してしまうためである。

上記した本発明に係るＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲットの製造方法では、さらに、前記高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末が、Ｇａ：４５原子％以上を含有していることを特徴とする。
即ち、このＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットの製造方法では、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末におけるＧａ含有量を、４５原子％以上とすることにより、金属成分の調整をしやすくしている。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
即ち、本発明に係るＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲット及びその製造方法によれば、上記低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相を、上記高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相で包囲した共存組織を有するので、切削時に割れや欠損が発生せず、高い密度及び抗折強度を有している。したがって、本発明のスパッタリングターゲットでは、切削での表面加工が容易であり、スパッタリングターゲットの加工速度が早く、かつ複雑形状の加工も容易となる。また、高密度で抗折強度が高いため、スパッタ時の熱衝撃に強く、ターゲットの割れ等を抑制することができる。

また、本発明に係るＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットには、Ｎａ成分が含有されているので、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ四元系合金膜からなる太陽電池における光吸収層の形成の際に、このＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットをスパッタリング成膜に利用すれば、この光吸収層中に、ナトリウム（Ｎａ）を添加することができ、その発電効率を向上させることができる。

本発明に係るＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットの具体例について取得した電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による組成像（ＣＯＭＰＯ像）を示す写真である。 本発明に係るＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットの具体例について取得したＥＰＭＡによる組成像（ＣＯＭＰＯ像）、Ｃｕの元素マッピング像及びＧａの元素マッピング像を示す写真である。 従来例に係るＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットについて取得したＥＰＭＡによる組成像（ＣＯＭＰＯ像）、Ｃｕの元素マッピング像及びＧａの元素マッピング像を示す写真である。

以下、本発明に係るＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲット及びその製造方法について、第１の実施形態と第２の実施形態とに分けて説明する。なお、第１の実施形態は、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相を、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相で包囲した共存組織を有する場合であり、第２の実施形態は、この共存組織を有するＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットにＮａ又はＮａ化合物を含有させた場合である。

〔第１の実施形態〕
第１の実施形態によるＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットは、Ｇａ：２８〜３５原子％を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる成分組成を有し、さらに、Ｇａ：２６原子％以下を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相を、Ｇａ：２８原子％以上の高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相で包囲した共存組織を有している。
なお、この共存組織は、例えば、図１及び図２に示すように、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）によるＣｕ及びＧａ元素マッピング像により観察できる。

図１及び図２に示された具体例によるＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットは、密度が９０％以上であり、抗折強度が２００ＭＰａ以上を有している場合である。なお、上記密度は、鋳造体の密度を１００％として換算したものである。
なお、抗折強度（破断点）については、Ｃｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットとして、３×４×３５ｍｍの試験片を作成し、測定装置：島津製作所製オートグラフ：ＡＧ−Ｘを用いて、押し込み速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで応力曲線を測定し、弾性領域の最大点応力を測定することで求めた。

上記本実施形態のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットを製造する方法は、Ｇａ：２８原子％を超えてかつ７５原子％以下含有し、残部がＣｕからなる高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末に、純銅粉末、又は、Ｇａ：２６原子％以下を含み、残部がＣｕからなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を、Ｇａ：２８〜３５原子％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成となるように配合し混合して混合粉末を作製する工程と、該混合粉末を非酸化若しくは還元性雰囲気中でホットプレス又は熱間等方加圧焼結、常圧焼結により焼結させる工程と、該焼結工程で得られＧａ：２８〜３５原子％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成を有する焼結体の表面を切削する工程と、を有している。

また、上記非酸化若しくは還元性雰囲気中でホットプレス又は熱間等方加圧焼結、常圧焼結により焼結する時の保持温度は、混合粉末の融点から２００℃低い温度と前記融点から５０℃低い温度との間に設定している。なお、混合粉末の融点とは、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末と、純銅粉末、又は、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末とを混合させて得られる全体のＧａ組成に対する融点である。上記融点の測定条件は、窒素雰囲気中で昇温速度１０℃／ｍｉｎとした場合である。
また、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末と、純銅粉末又は低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末との混合比率は、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末が１５％以上８５％以下である。また、高Ｇａ原料粉末の平均粒径は２５０μｍ以下であると共に、純銅粉末又は低Ｇａ原料粉末の平均粒径は１２５μｍ以下である。さらに、高Ｇａ原料粉末の平均粒径を、純銅粉末又は低Ｇａ原料粉末の平均粒径よりも大きくしている。
なお、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末は、Ｇａ：４５原子％以上を含有していることが好ましい。

この平均粒径の測定方法は、ヘキサメタリン酸ナトリウム濃度０．２％の水溶液を調製し、合金粉末を適量加え、測定装置：日機装株式会社製Ｍｉｃｒｏｔｒａｃ ＭＴ３０００を用いて合金粉の粒度分布を測定し、平均粒径を求めた。
なお、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末に添加し混合する原料粉末としては、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末よりも純銅粉末であることが好ましい。また、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末と低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末とは、それぞれ単一組成粉に限らず、複数の組成の粉を用いてもよい。

このように、本実施形態のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットでは、Ｇａ：２８〜３５原子％を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる成分組成を有し、さらに、Ｇａ：２６原子％以下を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相（以下、低Ｇａ合金相とも称す）を、Ｇａ：２８原子％以上の高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相（以下、高Ｇａ合金相とも称す）で包囲した共存組織を有するので、切削時に割れや欠損が発生せず、高密度で高い抗折強度を有している。

また、本実施形態のＣｕ−Ｇａ二元系合金スパッタリングターゲットの製造方法では、混合粉末中の高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を１５％以上８５％以下配合し、非酸化若しくは還元性雰囲気中でホットプレス又は熱間等方加圧焼結、常圧焼結により焼結する時の保持温度を、混合粉末の融点から２００℃低い温度と前記融点から５０℃低い温度との間に設定し、高Ｇａ原料粉末の平均粒径が２５０μｍ以下であると共に低Ｇａ原料粉末の平均粒径が１２５μｍ以下であり、高Ｇａ原料粉末の平均粒径が低Ｇａ原料粉末の平均粒径よりも大きく設定されているので、Ｇａ：２６原子％以下を含有し、残部がＣｕからなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相を、Ｇａ：２８原子％以上の高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相で包囲した共存組織を有する高密度なターゲットを作製することができる。

（実施例）
次に、以下に、第１の実施形態に係るＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットの実施例について、上記した製造方法の手順に基づき作製し、評価した結果を説明する。

＜原料粉末の作製＞
まず、本発明の実施例に用いる原料粉としては、下記の表１に示される組成及び平均粒径を有する高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末及び低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を用意した。これらの合金粉末は、４Ｎ（純度９９．９９％）のＣｕ金属塊と４Ｎ（純度９９．９９％）のＧａ金属塊とを指定の組成比となるように秤量し、それぞれをカーボン坩堝に充填して溶解して、Ａｒガスによるガスアトマイズ法により、Ｇａ含有量が調整されて作製されたものである。そのＧａ含有量は、表１の「原料粉」欄における「Ｇａ量（原子％）」欄に示されている。

次に、これら作製された高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末と、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末又は純銅粉末とを、表１の「高Ｇａ粉と低Ｇａ粉の配合比率（％）」欄に示される配合比率で混合して混合粉末（実施例１〜１４）を作製した。低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の代わりに、純銅粉末を用いた場合、同欄には、その比率を記した。これらの粉末の混合では、ヘンシェルミキサーを用い、Ａｒ雰囲気下、回転数２８００ｒｐｍで１分間混合した。

＜パッタリングターゲットの作製、評価＞
このように作製した実施例１〜１４の混合粉末を用いて、表１の「焼結条件」欄に示される条件に従い、真空ホットプレス法、常圧焼結法又は熱間等方加圧焼結法にて焼結し、得られたスパッタリングターゲットの表面部と外周部とを旋盤加工し、直径５０ｍｍ、厚み６ｍｍの実施例１〜１４のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットを作製した。なお、実施例４、６、８〜１１、１４のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットの作製おいては、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の代わりに、純銅粉末を用いており、表１の「低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ粉」における「Ｇａ（原子％）」欄には、「０」と表記した。

また、実施例１〜１４のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットに関し、ターゲット全体におけるＧａ量（原子％）が、表２の「金属成分の組成（原子％）」欄に、そして、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相におけるＧａ量（原子％）が、表２の「高Ｇａ相」欄に、さらに、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相におけるＧａ量（原子％）が、表２の「低Ｇａ相」欄にそれぞれ示されている。

さらに、実施例１〜１４のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットについて、ターゲット密度を算出した結果を、表２の「密度」欄に示した。
この密度としては、焼結体の寸法から算出した体積と重量とを用いて寸法密度（ｇ／ｃｍ^３）を計算した。さらに、鋳造体の密度を１００％とした場合の相対密度（％）を算出した。
なお、Ｃｕ−Ｇａ合金の相対密度については、Ｃｕ−Ｇａ合金の鋳造体の密度を真密度として計算した。具体的には、例えば、Ｃｕ−Ｇａ合金組成のＧａが２８原子％以上３３原子％以下の場合は、Ｇａが３０原子％の鋳造体（比較例２０）で得られた密度８．５５ｇ／ｃｍ^３を、Ｇａが３３原子％より大きく３５原子％以下の場合は、Ｇａが３５原子％の鋳造体（比較例２１）で得られた密度８．４３ｇ／ｃｍ^３とした。粉末焼結によって得られた密度を上記の真密度で割ることで、相対密度を計算した。

また、本発明の実施例では、酸化若しくは還元性雰囲気中でホットプレス又は熱間等方加圧焼結、常圧焼結により焼結する時の保持温度を混合粉末の融点から２００℃低い温度と前記融点から５０℃低い温度との間に設定している。すなわち、混合粉末全体としてのＧａ含有量が３０原子％のときの融点は８３０℃であるので、保持温度は６３０〜７８０℃の範囲内に設定されている。また、混合粉末全体としてのＧａ含有量が３５原子％のときの融点は８００℃であるので、保持温度は６００〜７５０℃の範囲内に設定されている。なお、Ｃｕ−Ｇａ合金の融点については、Ｃｕ−Ｇａ合金組成のＧａが２８原子％以上３０原子％以下の場合には、８３０℃、Ｃｕ−Ｇａ合金組成のＧａが３０原子％より大きく３５原子％以下の場合には、８００℃、Ｃｕ−Ｇａ合金組成のＧａが３５原子％より大きく４０原子％以下の場合には、７６０℃、Ｃｕ−Ｇａ合金組成のＧａが４０原子％より大きく８０原子％以下の場合には、２５６℃とした。また、混合粉末の融点とは、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末と、純銅粉末又は低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末とを混合させて得られる全体のＧａ組成に対する融点である。上記融点の測定条件は、窒素雰囲気中で昇温１０℃／ｍｉｎとしている。

さらに、Ｃｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットのＥＰＭＡによる組織観察を行い、その結果を、表２の「組織」欄に示した。この「組織」欄では、低Ｇａ相を高Ｇａ相が包囲している二相共存組織を「Ａ」とし、逆に、高Ｇａ相を低Ｇａ相が包囲している組織を「Ｂ」とし、単一相組織を「Ｃ」とし、さらに、鋳造組織を「Ｄ」として表記した。また、ターゲット表面の切削加工を行い、その際の割れ又は欠損の有無を調べた結果も、表２の「切削時割れの有無」欄に示した。ここでは、割れ又は欠損が発生しなかった場合を「無」と、割れ又は欠損が発生した場合を「有」と、それぞれ表記した。さらに、抗折強度についても測定した結果を、表２の「抗折強度（ＭＰa）」欄に示した。なお、抗折強度（破断点）の測定にあたっては、３×４×３５ｍｍの試験片を作成し、測定装置である島津製作所製オートグラフ：ＡＧ−Ｘを用いて、押し込み速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで応力曲線を測定し、弾性領域の最大点応力（ＭＰａ）を測定することで求めた。

（比較例）
なお、比較例として、表１に示されるように、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相又は低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相のＧａ量又は平均粒径を、本発明の範囲外に設定した比較例１〜４と、原料粉末の配合比率を本発明の範囲外に設定した比較例５〜７と、ホットプレス温度を本発明の範囲外に設定した比較例８〜１１及び比較例１５、１６と、ターゲット全体の組成のうちＧａ含有量を本発明の範囲外に設定した比較例１２〜１４と、常圧焼結又は熱間等方加圧焼結を用いて本発明の範囲外に設定した比較例１７〜１９と、鋳造法による比較例２０、２１と、を作製し、上記実施例の場合と同様に評価を行った。なお、比較例２、５、７、８、１２、１４、１５、１７、１９のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットの作製おいては、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の代わりに、純銅粉末を用いており、表１の「低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ粉」における「Ｇａ（原子％）」欄には、「０」と表記した。また、比較例１７の常圧焼結は、大気中で行われた。

比較例１〜２１のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットに関する評価結果を表２に示した。なお、比較例２０、２１の場合には、表１に示す成分組成を有するＣｕ−Ｇａ二元系溶湯を作製し、得られたＣｕ−Ｇａ二元系溶湯を鋳型に鋳造してインゴットを作製し、このインゴットの表面を切削してスパッタリングターゲットに仕上げた。なお、比較例１、２、８、１０は、昇温中に溶解してしまったため、上記評価を行っていない。

以上に示された結果から、実施例１〜１４のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットのいずれも、ターゲット組織が低Ｇａ合金相を高Ｇａ合金相が包囲している共存組織（表２中の「Ａ」）であり、切削時の割れが無いと共に、９０％以上の高密度と、２００ＭＰａ以上の高い抗折強度とが得られたことが分かる。
これに対して、低Ｇａ相を高Ｇａ合金相が包囲している組織（組織「Ａ」）を有しているが、低Ｇａ合金相のＧａ含有量が高い比較例３、１２、１４、１９では、切削時に割れが生じてしまい、抗折強度も２００ＭＰａ未満であった。また、高Ｇａ合金相を低Ｇａ合金相が包囲している組織（組織「Ｂ」）を有した比較例４、９、１１、１５、１６では、切削時の割れは無いが、密度が低く、抗折強度も２００ＭＰａ未満であった。また、単一相組織（組織「Ｃ」）を有した比較例５、６、７、１３、１８は、切削時の割れが有り、抗折強度も２００ＭＰａ未満であった。さらに、鋳造体である比較例２０、２１では、鋳造組織（組織「Ｄ」）であり、高い抗折強度が得られているが、切削時に割れが生じてしまった。なお、比較例１７は、焼結体内部まで酸化が進行し、Ｃｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットとしての機能を果たさなかった。

なお、本発明の具体例であるＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットの組織について日本電子株式会社製電子線プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）（ＪＸＡ−８５００Ｆ）による組成像（ＣＯＭＰＯ像）、Ｃｕの元素マッピング像及びＧａの元素マッピング像を図１及び図２に示す。なお、このＥＰＭＡの元素マッピング像は、いずれも元画像がカラー像であるが、グレースケールによる白黒画像に変換して記載しており、明度が高い程、含有量が高い傾向にある。

この実施例のターゲットは、Ｇａ：３０原子％を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる成分組成を有したもので、ホットプレス条件が、保持温度：７４０℃、保持時間：１時間、圧力：２００ｋｇｆ／ｃｍ^２（１９．６ＭＰａ）であり、真空雰囲気中で行った。
また、この実施例のターゲットは、密度が８．５ｇ／ｃｍ^３であり、抗折強度が３７４ＭＰａである。

なお、比較例として、Ｇａ：３０原子％を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる成分組成を有したもので、ホットプレス条件が、保持温度：２００℃、保持時間：１時間、圧力：６００ｋｇｆ／ｃｍ^２（約６０ＭＰａ）であり、真空雰囲気中で行った。また、この比較例のターゲットは、密度が７．２３ｇ／ｃｍ^３であり、抗折強度が１３７．０ＭＰａである。この比較例のターゲットの組織についても、ＥＰＭＡによる組成像（ＣＯＭＰＯ像）、Ｃｕの元素マッピング像及びＧａの元素マッピング像を図３に示す。

上記組織観察の結果により、本発明の実施例のターゲットは、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相を、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相で包囲した共存組織を有していることがわかる。
これに対して比較例のターゲットでは、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相を、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相で包囲した共存組織を有していることがわかる。

〔第２の実施形態〕
上述したように、第１の実施形態によるＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットは、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相を、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相で包囲した共存組織を有する場合であったが、第２の実施形態によるＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットは、この共存組織を有する第１の実施形態によるＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットにＮａ又はＮａ化合物を含有させた。

（実施例）
本発明の実施例に用いる原料粉としては、第２の実施形態の場合と同様に作製された高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末及び低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を用いることができ、下記の表３に示される組成及び平均粒径を有する高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末及び低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を用意した。そのＧａ含有量は、表３の「原料粉」欄における「Ｇａ量（原子％）」欄に示されている。ここで、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の代わりに、純銅粉末を用いた場合には、表３の「低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ粉」における「Ｇａ（原子％）」欄には、「０」と表記した。

次に、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末と低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末又は純銅粉末とを、表３の「高Ｇａ粉と低Ｇａ粉の配合比率（％）」欄に示される配合比率で秤量し、ナトリウム（Ｎａ）化合物粉を、表３の「Ｎａ添加量（％）」欄に示されるＮａ添加量となるように秤量し、さらに、ナトリウム（Ｎａ）化合物粉を、表３の「Ｎａ添加量（％）」欄に示されるＮａ添加量となるように秤量し、これら秤量された粉末を合わせ、第１の実施形態の場合と同様に混合して混合粉末（実施例１５〜２０）を作製した。さらに、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末と低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末又は純銅粉末とを、表３の「高Ｇａ粉と低Ｇａ粉の配合比率（％）」欄に示される配合比率で秤量し、Ｎａ化合物と銅（Ｃｕ）とからなるＮａ含有Ｃｕ粉を、表３の「Ｎａ添加量（％）」欄に示されるＮａ添加量となるように秤量し、これらを合わせて混合して混合粉末（実施例２１〜２３）を作製した。ここで、上記のＮａ化合物粉末には、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）粉末、硫化ナトリウム（ＮａＳ）粉末、セレン化ナトリウム（Ｎａ_２Ｓｅ）粉末のうちから、少なくとも１種が選択され、Ｎａ化合物の純度は、２Ｎ（９９％）である。なお、実施例１５での焼結は、１００％Ｈ２雰囲気で、実施例１６での焼結は、９７％Ｎ２ ３％Ｈ２雰囲気でそれぞれ行われた。

このように作製した実施例１５〜２３の混合粉末を用いて、表３の「焼結条件」欄に示される条件に従い、真空ホットプレス法、常圧焼結法又は熱間等方加圧焼結法にて焼結し、得られたスパッタリングターゲットの表面部と外周部とを旋盤加工し、直径５０ｍｍ、厚み６ｍｍの実施例１５〜２３のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットを作製した。なお、実施例１６、１７、２０、２２のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットの作製おいては、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の代わりに、純銅粉末を用いており、表３の「低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ粉」における「Ｇａ（原子％）」欄には、「０」と表記した。

また、実施例１５〜２３のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットに関し、ターゲット全体におけるＧａ量（原子％）が、表４の「金属成分の組成（原子％）」欄に、そして、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相におけるＧａ量（原子％）が、表４の「高Ｇａ相」欄に、さらに、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相におけるＧａ量（原子％）が、表４の「低Ｇａ相」欄にそれぞれ示されている。
さらに、実施例１５〜２３のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットについて、ターゲット密度を算出した結果を、表４の「密度」欄に示した。なお、この算出の仕方は、第１の実施形態の場合と同様である。

さらに、第１の実施形態の場合と同様にして、実施例１５〜２３のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットについて、Ｎａ化合物の平均粒径の測定、ＥＰＭＡによる組織観察、欠損の有無、抗折強度の測定、異常放電回数の測定を行い、それらの結果を、表４の「Ｎａ化合物平均粒径（μｍ）」欄、「組織」欄、「切削時割れの有無」欄、「抗折強度（ＭＰa）」欄、「異常放電回数（／ｈ）」欄にそれぞれ示した。

なお、Ｎａ化合物の平均粒径の測定では、得られた実施例１５〜２３の焼結体について、ＥＰＭＡにより、５００倍のＣＯＭＰＯ像（６０μｍ×８０μｍ）１０枚を撮影し、これら１０枚の画像におけるＮａ化合物の粒径を計測して、平均粒径を算出した。
また、異常放電回数の測定では、得られた実施例１５〜２３の焼結体を、直径：１５２．４ｍｍ、厚さ：６ｍｍに加工して、スパッタリングターゲットを作製した。各スパッタリングターゲットについて、マグネトロンスパッタ装置を用いて、スパッタリング時における異常放電の評価を行った。スパッタ電力密度は、直流の５Ｗ／ｃｍ^２、スパッタリング時のＡｒ流量は、５０ｓｃｃｍ、圧力は、０．６７Ｐａとし、１時間（ｈ）の連続スパッタリング中での異常放電の発生回数をスパッタ電源（ｍｋｓ社製ＲＧＢ−５０）に付属したアーキングカウンターにより記録した。

（比較例）
比較例として、表３に示されるように、高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相又は低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相の平均粒径を、本発明の範囲外に設定した比較例２２〜２４のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットと、常圧焼結を用いて本発明の範囲外に設定した比較例２５のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットとを作製し、上記実施例の場合と同様に評価を行った。なお、比較例２２〜２４のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットの作製おいては、低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の代わりに、純銅粉末を用いており、表３の「低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ粉」における「Ｇａ（原子％）」欄には、「０」と表記した。

比較例２２〜２５のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットに関する評価結果を表４に示した。なお、比較例２２の場合には、加圧昇温中に溶け出しが発生したため、上記評価を行えなかった。また、比較例２５の場合には、焼結体内部まで酸化が進行し、Ｃｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットとして機能を果たせなかったため、上記評価を行っていない。

以上に示された結果から、実施例２２〜２５のＣｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットのいずれも、ターゲット中にＮａが添加されても、ターゲット組織が低Ｇａ合金相を高Ｇａ合金相が包囲している共存組織（表４中の「Ａ」）であり、切削時の割れが無いと共に、９０％以上の高密度と、２００ＭＰａ以上の高い抗折強度とが得られ、スパッタリング時の異常放電の発生を低減できたことが分かる。

これに対して、比較例２２では、高Ｇａ相を高Ｇａ合金粉の平均粒径が大きいため、加圧昇温中に、Ｇａの溶け出しが発生し、所期のターゲット特性が得られなかった。比較例２３、２４では、高Ｇａ合金相を低Ｇａ合金相が包囲している組織（組織「Ｂ」）を有しており、切削時の割れは無いが、密度が低く、抗折強度も２００ＭＰａ未満であって、Ｎａ化合物の平均粒径が大きいため、スパッタリング時の異常放電が多発した。また、比較例２５は、焼結体内部まで酸化が進行し、Ｃｕ−Ｇａ二元系スパッタリングターゲットとしての機能を果たさなかった。

なお、本発明を、スパッタリングターゲットとして利用するためには、面粗さＲａ：１．５μｍ以下、電気抵抗：１０^−４Ω・ｃｍ以下、金属系不純物濃度：０．１原子％以下であることが好ましい。上記各実施例は、いずれもこれらの条件を満たしたものである。
また、本発明の技術範囲は上記実施形態および上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

Claims (6)

1. Ｇａ：２８〜３５原子％を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる成分組成を有し、
   さらに、Ｇａ：２６原子％以下を含有し、残部がＣｕからなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相を、Ｇａ：２８原子％以上の高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相で包囲し、前記高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相の素地中に、前記低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金相が分散された共存組織を有することを特徴とするＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲット。
2. 金属元素成分としてＧａ：２８〜３５原子％、Ｎａ：０．０５〜１５原子％を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする請求項１に記載のＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲット。
3. 前記Ｎａは、フッ化ナトリウム、硫化ナトリウム、セレン化ナトリウムのうち少なくとも１種のＮａ化合物の状態で含有されていることを特徴とする請求項２に記載のＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲット。
4. Ｃｕ−Ｇａ二元系ターゲット素地中に前記Ｎａ化合物が分散している組織を有すると共に、Ｎａ化合物の平均粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲット。
5. 請求項１に記載のＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲットを製造する方法であって、
   Ｇａ：２８原子％を超えてかつ７５原子％以下含有し、残部がＣｕからなる高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末に、純銅粉末、又は、Ｇａ：２６原子％以下を含み、残部がＣｕからなる低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を、Ｇａ：２８〜３５原子％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成となるように配合し混合して混合粉末を作製する工程と、
   該混合粉末を非酸化若しくは還元性雰囲気中でホットプレス又は熱間等方加圧焼結、常圧焼結により焼結する焼結工程と、
   該焼結工程で得られＧａ：２８〜３５原子％を含有し、残部がＣｕからなる成分組成を有する焼結体の表面を切削する工程とを有し、
   前記混合粉末中の前記高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末を１５％以上８５％以下配合し、
   前記高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の平均粒径が２５０μｍ以下であると共に、純銅粉末又は前記低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の平均粒径が１２５μｍ以下であり、
   前記高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の平均粒径が前記純銅粉末又は低Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末の平均粒径よりも大きく設定され、
   前記ホットプレス又は非酸化若しくは還元性雰囲気中でホットプレス又は熱間等方加圧焼結、常圧焼結により焼結する時の保持温度を、前記混合粉末の融点から２００℃低い温度と前記融点から５０℃低い温度との間に設定することを特徴とするＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲットの製造方法。
6. 前記高Ｇａ含有Ｃｕ−Ｇａ二元系合金粉末が、Ｇａ：４５原子％以上を含有していることを特徴とする請求項５に記載のＣｕ−Ｇａ二元系焼結体スパッタリングターゲットの製造方法。