JP2013513032A - 熱プラズマを用いた高純度銅粉の製造方法 - Google Patents
熱プラズマを用いた高純度銅粉の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本発明は、電子産業におけるスパッタリングターゲット材の製造及び貫通子ライナーなどに用いられる高純度銅（Ｃｕ）粉末材料の製造方法に関する。原料供給部、プラズマトーチ部、及び反応容器を備えている装置を用いて金属粉末を製造する方法において、平均粒径３０〜４５０μｍの銅（Ｃｕ）粉末を２〜３０ｋｇ／ｈｒ注入速度で熱プラズマトーチに通過させることで、平均粒径５〜３００μｍの高純度銅粉を得る。
Description
〔技術分野〕
本発明は、熱プラズマを用いて高純度銅粉を製造する方法に関する。
〔背景技術〕
情報産業の急速な進展に伴い、情報産業機器部品の製造に用いられるスパッタリングターゲット材が大量使用されている。かかるターゲット材料の製造工程としては、高純度金属粉末原料の焼結による製造が最適なものと知られている。そのため、高純度融点金属粉末の需要が漸増しており、かつ、情報機器の高機能化のためにさらなる高純度化が要求されている。
本発明は、熱プラズマを用いて高純度銅粉を製造する方法に関する。
〔背景技術〕
情報産業の急速な進展に伴い、情報産業機器部品の製造に用いられるスパッタリングターゲット材が大量使用されている。かかるターゲット材料の製造工程としては、高純度金属粉末原料の焼結による製造が最適なものと知られている。そのため、高純度融点金属粉末の需要が漸増しており、かつ、情報機器の高機能化のためにさらなる高純度化が要求されている。
また、ターゲットのニアネットシェイプ（ｎｅａｒ ｎｅｔ ｓｈａｐｅ）の焼結製造には、当該粉末の球状化が要求され、かつ伝導性ペーストや貫通子ライナーなどの用途に高純度銅粉が要求されている。
高純度銅粉の製造方法には、一般に、鉱石から化学湿式分離・精製を繰り返し、高純度の中間酸化物や化合物を製造して得られた酸化物や化合物を分解し水素還元することで金属粉末を製造する工程が知られている。
韓国公開特許公報第１０−２００４−００９７３６４号では、湿式製造された粉末の酸素含有量が２０００ｐｐｍ以上とかなり高く、酸化物中の不純物残留のために高純度化には限界があり、各種溶液による環境汚染の危険も高いという問題点がある他、製造された粉末の粒径を１μｍ以下にハンドリングすることは相当難しい。
このような不具合を持つ湿式分離方法とは違い、韓国公開特許公報第１０−２００５−００３３７２１では、ＤＣ熱プラズマを用いて超高温で炭素ナノチューブを製造する方法が紹介されているが、このＤＣプラズマ方式は、電極の侵食による不純物の混入が避けられず、高純度金属粉末を製造するのが困難である。
一方、ＲＦ熱プラズマを用いて高純度粉末を製造する方法として、日本公開特許公報２００１−３４２５０６（以下、「先行技術Ａ」）及び日本公開特許公報２００２−１８０１１２号（以下、「先行技術Ｂ」）が知られている。
先行技術Ａでは、金属ブロック（ｂｌｏｃｋ）を粉砕して得られた粉末から、熱プラズマを用いてタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）などの高純度金属粉末を得ており、先行技術Ｂでは、平均粒径が１０〜３２０μｍの高融点金属の酸化物または高融点金属の化合物から、水素を導入するＲＦ熱プラズマを用いてタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）などの高純度金属粉末を得ている。
これらの先行技術は、高融点金属が熱プラズマを通過する過程で、高融点金属は溶融及び気化せず、相対的に融点の低い不純物のみ気化してサイクロンに放出される点に着目した高純度化方法を用いている。しかしながら、融点が相対的に低い銅（Ｃｕ）は、高融点金属に用いた方法を適用すると、原料粉末まで不純物と共に気化して飛んで行くため、上記の先行技術のような方法では銅粉を高純度化させることが不可能だった。
〔発明の概要〕
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、その目的は、先行技術の熱プラズマを用いながらも、相対的に融点の低い銅粉を得るためのもので、原料粉末の熱プラズマトーチへの注入速度、及び反応容器における反応通過区間を適宜適用することによって、先行技術とは異なる高純度銅粉を得ることにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するための本発明は、熱プラズマトーチを用いて金属粉末を製造する方法において、平均粒径３０〜４５０μｍの銅（Ｃｕ）粉末を、２〜３０ｋｇ／ｈｒ注入速度で熱プラズマトーチに通すことで、平均粒径５〜３００μｍの高純度銅粉を得る。
〔発明の概要〕
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、その目的は、先行技術の熱プラズマを用いながらも、相対的に融点の低い銅粉を得るためのもので、原料粉末の熱プラズマトーチへの注入速度、及び反応容器における反応通過区間を適宜適用することによって、先行技術とは異なる高純度銅粉を得ることにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するための本発明は、熱プラズマトーチを用いて金属粉末を製造する方法において、平均粒径３０〜４５０μｍの銅（Ｃｕ）粉末を、２〜３０ｋｇ／ｈｒ注入速度で熱プラズマトーチに通すことで、平均粒径５〜３００μｍの高純度銅粉を得る。
ここで、熱プラズマトーチに投入される銅（Ｃｕ）粉末は、好ましくは、純度９５〜９９％のものであり、熱プラズマトーチを通過した最終的な高純度銅粉は、好ましくは４Ｎ級（９９．９９％）以上となる。
本発明は、上記の銅粉に限定されず、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）などの相対的に融点の低い金属、及びタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）のような高融点金属粉末にも適用することができる。
ここでは、原料粉末として平均粒径３０〜４５０μｍの銅粉を使用した。原料粉末の平均粒径が３０μｍ以下と微小であると、プラズマ反応後の粉末の平均粒径が５μｍ以下となり、粉末同士の凝集が起きることがあり、一方、平均粒径４５０μｍ以上では、プラズマ処理効果が急減するからである。
本発明は、金属粉末を２〜３０ｋｇ／ｈｒの注入速度で熱プラズマトーチに通過させると共に、反応容器の長さを１．４ｍ以上２．５ｍ以下の範囲に設計して使用する点で先行技術と異なる。
熱プラズマを発生させる動作ガス（ｇａｓ）としては、アルゴン（Ａｒ）、水素（Ｈ2）、ヘリウム（Ｈｅ）を挙げることができ、水素添加量が増加すると高純度化効果が向上する傾向にあるため、アルゴン（Ａｒ）に水素を５〜５０ｖｏｌ％添加する。
特に、水素添加量は、５ｖｏｌ％以上から効果が急増し、５０ｖｏｌ％以上になると、高純度化効果が急減するため、５〜５０ｖｏｌ％とすることが好ましい。
図１は、本発明に用いられる熱プラズマ装置の模式図であり、該プラズマ装置は、粉末原料を供給する供給部２、該供給部２の下部において水冷絶縁チューブ（ｔｕｂｅ）の外周面にコイルが巻回されてなり、かつコイルに高周波電界を印加することでトーチ内に熱プラズマ高温領域帯６を有するプラズマトーチ（ｐｌａｓｍａ ｔｏｒｃｈ）部１、注入された原料粉末が熱プラズマにより高純度化する反応容器３、除去された不純物を回収するサイクロン４、及び製造された高純度金属粉末を回収するバックフィルター５で構成されている。
図１は、本発明に用いられる熱プラズマ装置の模式図であり、該プラズマ装置は、粉末原料を供給する供給部２、該供給部２の下部において水冷絶縁チューブ（ｔｕｂｅ）の外周面にコイルが巻回されてなり、かつコイルに高周波電界を印加することでトーチ内に熱プラズマ高温領域帯６を有するプラズマトーチ（ｐｌａｓｍａ ｔｏｒｃｈ）部１、注入された原料粉末が熱プラズマにより高純度化する反応容器３、除去された不純物を回収するサイクロン４、及び製造された高純度金属粉末を回収するバックフィルター５で構成されている。
このような高周波電源により発生した熱プラズマを、ＲＦ熱プラズマ（または、高周波プラズマ）と呼ぶ。ＲＦ熱プラズマの発生には電極を必要とせず、陰極材料の蒸発による汚染を避けることができる。ＲＦ熱プラズマの発生に適用される高周波電源の周波数は４〜１３．５ＭＨｚとすることができるが、高温領域帯を広めるために４ＭＨｚを用いるとよい。
本発明が熱プラズマトーチに通過させる側面では上記の先行技術に類似しているとしても、先行技術の方法は、原料粉末まで不純物と共に気化して飛んで行くため、本発明で高純度化しようとする銅粉には適用することができない。
また、本発明では、原料粉末注入速度の範囲を２〜３０ｋｇ／ｈｒに限定している。
原料注入速度は、２ｋｇ／ｈｒ以下になると、それ以上の純度向上は期待されず、しかも生産性が低下するという問題点があり、また、３０ｋｇ／ｈｒ以上になると、高純度化効果が顕著に低下するという問題があり、２〜３０ｋｇ／ｈｒが好ましい。
原料注入速度は、２ｋｇ／ｈｒ以下になると、それ以上の純度向上は期待されず、しかも生産性が低下するという問題点があり、また、３０ｋｇ／ｈｒ以上になると、高純度化効果が顕著に低下するという問題があり、２〜３０ｋｇ／ｈｒが好ましい。
また、本発明は、上記装置において、反応容器３の長さを１．４ｍ〜２．５ｍの範囲に設計することが好ましい。本発明は、反応容器の長さを２ｍ以上にした点で先行技術と異なっており、反応容器の長さを１．４ｍ以下にすると、２００μｍ以上の原料粉末を処理することができない。
すなわち、２００μｍ以上の原料粉末を使用する場合は、該原料粉末が熱プラズマを通過しながら溶融されてから冷却される区間がさらに必要である。そのため、１．４ｍ以下の長さを有する反応容器では、２００μｍ以上の原料粉末は完全に凝固されないままで反応容器の底に堆積するため、粉末の球状化が期待し難い。一方、反応容器の長さを２．５ｍ以上にすると、製造コストが上昇するが、それに相応する効果は期待できない。
〔発明の効果〕
以上の如く、本発明によれば、原料粉末のプラズマトーチ通過時の注入速度（２〜３０ｋｇ／ｈｒ）、及び反応容器の長さ（１．４〜２．５ｍ）を適宜適用することによって、不純物と共に気化して飛んで行く低融点の原料粉末も、高純度金属粉末とすることが可能になる。
〔発明の効果〕
以上の如く、本発明によれば、原料粉末のプラズマトーチ通過時の注入速度（２〜３０ｋｇ／ｈｒ）、及び反応容器の長さ（１．４〜２．５ｍ）を適宜適用することによって、不純物と共に気化して飛んで行く低融点の原料粉末も、高純度金属粉末とすることが可能になる。
下記の実施例を用いて本発明を説明する。
（実施例１）
平均粒径２０μｍ、純度９６％のＣｕ粉末を原料にし、図１に示すＲＦ熱プラズマ処理することで、７．５μｍの高純度Ｃｕ粉末を製造した。
平均粒径２０μｍ、純度９６％のＣｕ粉末を原料にし、図１に示すＲＦ熱プラズマ処理することで、７．５μｍの高純度Ｃｕ粉末を製造した。
高周波電源周波数は４ＭＨｚにし、Ｃｕ粉末は原料供給部からプラズマ高温領域に供給し、熱プラズマにより原料粉末を溶融し、球状化及び高純度化させた。この時、原料粉末の注入速度をそれぞれ５ｋｇ／ｈｒと３０ｋｇ／ｈｒとした。
（実施例２）
平均粒径３３μｍ、純度９６％のＣｕ粉末を原料にする以外は、実施例１と同一の方法により処理することで、純度９９．９９９％、平均粒径１１．８８μｍの球状の高純度Ｃｕ粉末を製造した。
平均粒径３３μｍ、純度９６％のＣｕ粉末を原料にする以外は、実施例１と同一の方法により処理することで、純度９９．９９９％、平均粒径１１．８８μｍの球状の高純度Ｃｕ粉末を製造した。
（実施例３）
平均粒径４８μｍ、純度９７％のＣｕ粉末を原料にする以外は、実施例１と同一の方法により純度９９．９９％、平均粒径１９．８μｍの球状の高純度Ｃｕ粉末を製造した。
平均粒径４８μｍ、純度９７％のＣｕ粉末を原料にする以外は、実施例１と同一の方法により純度９９．９９％、平均粒径１９．８μｍの球状の高純度Ｃｕ粉末を製造した。
（実施例４）
平均粒径８６μｍ、純度９７％のＣｕ粉末を原料にする以外は、実施例１と同一の方法により純度９９．９９％、平均粒径３５．３μｍの球状の高純度Ｃｕ粉末を製造した。
平均粒径８６μｍ、純度９７％のＣｕ粉末を原料にする以外は、実施例１と同一の方法により純度９９．９９％、平均粒径３５．３μｍの球状の高純度Ｃｕ粉末を製造した。
（実施例５）
平均粒径１０３μｍ、純度９６％のＣｕ粉末を原料にする以外は、実施例１と同一の方法により、純度９９．９９％、平均粒径４８．１μｍの球状の高純度Ｃｕ粉末を製造した。
平均粒径１０３μｍ、純度９６％のＣｕ粉末を原料にする以外は、実施例１と同一の方法により、純度９９．９９％、平均粒径４８．１μｍの球状の高純度Ｃｕ粉末を製造した。
（実施例６）
平均粒径２３３μｍ、純度９６％のＣｕ粉末を原料にする以外は、実施例１と同一の方法により純度９９．９９％、平均粒径１１０．５μｍの球状の高純度Ｃｕ粉末を製造した。
平均粒径２３３μｍ、純度９６％のＣｕ粉末を原料にする以外は、実施例１と同一の方法により純度９９．９９％、平均粒径１１０．５μｍの球状の高純度Ｃｕ粉末を製造した。
（実施例７）
平均粒径５８８μｍ、純度９７％のＣｕ粉末を原料にする以外は、実施例１と同一の方法により純度９９．４５％、平均粒径２５９．８μｍの球状の高純度Ｃｕ粉末を製造した。
平均粒径５８８μｍ、純度９７％のＣｕ粉末を原料にする以外は、実施例１と同一の方法により純度９９．４５％、平均粒径２５９．８μｍの球状の高純度Ｃｕ粉末を製造した。
図２及び図３は、金属粉末の顕微鏡写真であり、図２は、プラズマ処理前の原料粉末（Ｃｕ）の状態を示し、図３は、上記実施例によって製造された金属粉末（Ｃｕ）を示している。
これらの写真から、プラズマ処理後の金属粉末は、微粒子で且つ球状であることがわかる。
〔産業上の利用可能性〕
本発明は、電子産業のスパッタリングターゲット材の製造、伝導性ペースト及び貫通子ライナーなどに用いられる高純度銅粉材料などに広く用いられる。
〔産業上の利用可能性〕
本発明は、電子産業のスパッタリングターゲット材の製造、伝導性ペースト及び貫通子ライナーなどに用いられる高純度銅粉材料などに広く用いられる。
Claims (4)
- 原料供給部、熱プラズマトーチ部、及び反応容器を備えた装置を用いて金属粉末を製造する方法であって、
平均粒径３０〜４５０μｍの銅（Ｃｕ）粉末を、２〜３０ｋｇ／ｈｒの注入速度で熱プラズマトーチ及び反応容器に通過させることで平均粒径５〜３００μｍにすることを特徴とする、プラズマを用いた高純度、球状の銅（Ｃｕ）粉末の製造方法。 - 前記平均粒径３０〜４５０μｍの銅（Ｃｕ）粉末は、純度が９５〜９９％であることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマを用いた高純度、球状の銅粉の製造方法。
- 前記反応容器の長さが１．４ｍ〜２．５ｍであることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマを用いた高純度、球状の銅粉の製造方法。
- 前記平均粒径５〜３００μｍの銅粉は、純度が４Ｎ級（９９．９９％）以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載のプラズマを用いた高純度、球状の銅粉の製造方法。
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