[发明专利]铜镓溅射靶材

说明书

技术领域

本发明涉及具有30至68At％的Ga含量的溅射靶材，该溅射靶材包括含有Ga和Cu的 相。本发明还涉及用于其制造的方法。另外，本发明还涉及溅射靶材的应用。

背景技术

Cu-Ga溅射靶材例如用于制造铜-铟-镓二硒化钨(Cu(In,Ga)(Se,S)₂，简称CIGS) 薄层。CIGS薄层具有高吸收性能并因此适合作为薄膜太阳能电池的吸收层的很有前景的半 导体材料系统。带隙能量在此可以与Ga含量的变化相适应并且达到约三元CuInSe₂的1eV至 三元的CuGaS₂的1.7eV。通过掺杂碱金属可以实现太阳能电池性能、特别是效率的改善，其 中，确切的作用机制仍是不清楚的。

为了制造p型掺杂的吸收层可使用不同的方法。在此总是激烈地实施溅射过程。在 此，使用Cu-Ga和In溅射靶材时通常共溅射或依次溅射。Cu-Ga溅射靶材的组织结构具有重 要的意义。Cu-Ga溅射靶材原则上可以以熔化冶金的方式或粉末冶金的方式制造。但是，熔 化冶金方法仅适用于低的Ga含量，因为高的Ga含量所导致的、与制造条件相关的较大的组 织结构连接的金属间相导致明显的材料脆化。该脆化另外还可能伴随着材料缺陷，比如宏 观裂纹或微观裂纹。这些缺陷以及方法相关的富Ga熔析对溅射特性并因此也对薄层的质量 起到不利的作用。

热等静压制(HIP)和热压(HP)对于Cu-Ga溅射靶材的粉末冶金制造而言是常见的。 但是，这些方法技术要求高的过程温度或长的过程时间，由此在Ga含量＞30At％的Cu-Ga溅 射靶材中不能够避免形成脆性的金属间相。

具有高Ga含量的溅射靶材例如在JP2014051712、WO201298722、US 20110284372、CN101906552、CN1719626以及JP2000073163中有所描述。一般的共同观点 在于，应避免其中Ga为主要元素的相。“主要元素”应与本发明相关地理解为合金中具有最 高含量的元素。由制造方法所决定，在根据这些文件的溅射靶材中形成Gamma相(γ相)，γ 相由于其较低的Ga含量(约24至43At％)而也是所希望的。

结合本发明，以下变型归为γ相(相图见图1)：

-高温变型γ(Cu₉Ga₄)

-γ₁相(Cu₉Ga₄)

-γ₂相(Cu_8.45Ga_4.55)

-γ₃相(Cu_7.5Ga_5.85)

高温变型γ₁、γ₂、和γ₃在下文中通过Cu₉Ga₄表述。

在Ga含量超过55At％的条件下,根据平衡相图，CuGa₂作为主要的Cu-Ga相形成，其 称为Theta相(θ相)。“主要的Cu-Ga相”应与本发明相关地理解为具有所有Cu-Ga相的最高含 量的Cu-Ga相。θ相在下文中始终选择CuGa₂的表述。

Cu₉Ga₄和CuGa₂为金属间相。金属间相具有不同于合金的格状结构，该格状结构与 结构化的金属相区别。通常，混合键由金属键部分和较少的原子键部分或离子键部分组成。

CuGa₂相形成在温度＞254℃的冷却过程中通过包晶转变(Cu₉Ga₄+熔体(熔体的Ga 含量＝大约95At％)→CuGa₂)进行。但是，包晶反应在常规的冷却条件下不能根据平衡而进 行，而是受抑制的Cu由Cu₉Ga₄相的向外扩散导致富Ga的(Ga含量为75At％或更大)非平衡相。 非平衡相(通常也称为隔离相或偏析相)包绕Cu₉Ga₄晶体。在此，Cu₉Ga₄相的比重比平衡条件 下所预期的比重明显更高。富Ga的非平衡相可能在溅射过程中导致局部的熔化，因为其熔 点非常低。