JP3756047B2 - High purity titanium sponge material and method for producing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッタリング用ターゲット材の素材に適した高純度スポンジチタン材及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
金属チタンの工業的な製造方法として、クロール法により製造されたスポンジチタン材を切断破砕した後、ブリケットに固め、これを溶解・鋳造する方法が多用されている。クロール法は、反応容器内で溶融Mgと四塩化チタンを反応させる還元工程と、還元後、その反応容器内を真空状態として加熱することにより、容器内の材料に含まれる未反応Mg及び残留副生物を蒸発させて除去する真空分離工程とからなる。
【0003】
一方、金属チタンの新しい用途として、LSI等の半導体素子における配線材料がある。この配線は、高純度の金属チタンをターゲット材としてスパッタリングを行うことにより形成される。このスパッタリング用ターゲット材には、不純物の少ないことが要求され、その素材であるスポンジチタン材には、酸素含有量については200ppm以下、Fe、Ni、Cr、Al及びSiの各金属元素の含有量については10ppm以下が求められている。
【0004】
しかしながら、クロール法は、生産性を優先させた方法であるため、スパッタリング用ターゲット材に要求されるような不純物レベルを確保することが容易でない。そこで、次のような方法が提案されている。一つは、真空分離後、反応容器内に得られたスポンジチタン材の上部、下部及び外周部を除いた中心近傍部分を製品化する中心採りの方法であり(特許第2863469号公報)、いま一つは、その反応容器から取り出したスポンジチタン材を低湿度の雰囲気中で切断破砕する低湿破砕の方法である(特許第2921790号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の中心採りの方法では、Fe、Ni、Cr、Al及びSiの各金属元素については、スパッタリング用ターゲット材に要求されるレベルを確保できることができるが、酸素については、そのレベルを確保することが難しい。これに対し、後者の低湿破砕の方法では、酸素については、スパッタリング用ターゲット材に要求されるレベルを確保できることができるが、Fe、Ni、Cr、Al及びSiの各金属元素については、そのレベルを確保することが難しい。
【0006】
従って、Fe、Ni、Cr、Al及びSiの各金属元素、並びに酸素の両方について、スパッタリング用ターゲット材に要求されるレベルを確保するためには、前者の中心採りの方法と後者の低湿破砕の方法を組み合わせることが必要になる。しかしながら、現実的な問題として、前者の中心採りの方法は実施が容易であるが、後者の低湿破砕の方法の場合は、実際にスパッタリング用ターゲット材に要求される酸素レベルを安定的に確保しようとすると、内部を低湿度に保持した非常に大きな隔絶された作業空間が必要になり、その空間の構築及び雰囲気保持に多大の経費が必要となので、現実的な方法とは言えない。
【0007】
本発明の目的は、酸素量及び金属元素量の両方が少なく、しかも経済性に優れた高純度スポンジチタン材及びその製造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らはクロール法により製造されたスポンジチタン材のサンプル採取位置と酸素量の関係に着目した。
【0009】
図1は真空分離工程における反応容器内のスポンジチタン材の縦断面図である。反応容器20は加熱炉30内に収容される。反応容器20内のスポンジチタン材10は、先の還元工程で反応容器20内のロストル21上及び反応容器20の側壁部内面にチタンの析出を生じることから、中段部がくびれた形状になっている。
【0010】
真空分離工程後のスポンジチタン材10において、Fe、Ni、Cr、Al及びSiの各金属元素は、上面、下面及び外周面から離れた部分ほど含有量が少なくなる。これは、各金属元素の含有が主に反応容器20からの汚染によるためである。このため、スポンジチタン材10の上部、下部及び外周部を除去し、残った中心近傍部分11を採取することにより、金属元素については、スパッタリング用ターゲット材に要求されるレベルを比較的簡単に確保できる。
【0011】
ところが、酸素量、特に切断破砕後の酸素量については、意外にもスポンジチタン材10の表層部で少なくなる。例えば、スポンジチタン材10の中心位置において最上部Aから1/2部Cに至る部分の、切断破砕後の酸素量分布を調査すると、1/2部Cに近づくほど酸素量が増大する。例えば最上部Aから得たチタン粒の酸素量が250ppmの場合、1/4部Bでは300ppm程度になり、1/2部Cでは350ppm程度になる。この傾向のため、スポンジチタン材10の中心近傍部分11を採取しても、切断破砕後の酸素量はスパッタリング用ターゲット材に要求されるレベルを確保するのが困難になる。
【0012】
本発明者らは、スポンジチタン材10の表層部で酸素量が少なくなる原因を、物性及び製法の両面から調査した。その結果、次の事実が判明した。
【0013】
図2は真空分離工程におけるスポンジチタン材の温度変化を、中心位置の最上部A、1/4部B、1/2部Cについて示したものである。いずれの部分の温度も、傾向としては真空分離開始から一時的に低下した後、上昇に転じ、炉温に近い安定温度に達する。これは、真空分離開始と共に残留Mgの蒸発が始まり、その気化熱により温度が一時的に低下するが、残留Mgが少なくなることにより温度の上昇が始まり、蒸発が完了することにより炉温に近いレベルに温度が安定することによる。
【0014】
この傾向は最上部A、1/4部B、1/2部Cのいずれにおいても共通するが、最低温度は最上部A、1/4部B、1/2部Cの順に低く、真空分離開始から上昇に転じ始めるまでの時間、安定温度に達するまでの時間は、最上部A、1/4部B、1/2部Cの順に長くなる。これはスポンジチタン材の中心に近い部分ほど残留Mgが抜けにくいためであり、その残留Mgが最も抜けにくい中心部、即ち1/2部Cの残留Mgが除去され、この部分の温度Tcが安定温度Toに達した時点が真空分離の終了時とされる。なお、安定温度が最上部A、1/4部B、1/2部Cの順に低いのは反応容器の開口部側(上方)への放熱が顕著なことによる。
【0015】
このようなプロセスで真空分離が行われる結果、スポンジチタン材の中心から遠い表層部分は、Mgの蒸発が終了した後も長い時間、加熱が継続され、いわゆる空焚きの状態となる。本発明者は、このMgが蒸発した後の加熱時間が、切断破砕後の酸素量に関係する考え、各種の調査を行ったところ、スポンジチタン材の中心から遠い部分ほど、この空焚き状態の加熱中に焼結が進んで比表面積が小さくなること、比表面積が小さい部分ほど切断破砕工程での酸化による酸素量の増大が抑制されること、その結果、1/2部C、1/4部B、最上部Aの順に切断破砕後の酸素量が少なくなること、1/2部CのMgの蒸発が完了した後も加熱を継続するならば、この部分の焼結が進んで比表面積が小さくなり、低酸素化が実現されることを知見した。
【0016】
本発明はかかる知見を基礎として完成されたものであり、その高純度スポンジチタン材は、クロール法で製造されたスポンジチタン材であって、BET法により測定された比表面積を、真空分離時の焼結の進行により0.03m 2 /g以下とし、且つFe、Ni、Cr、Al及びSiの各金属元素含有量を10ppm以下としたものである。
【0017】
BET法による比表面積を0.03m 2 /g以下に制限することにより、通常の大気雰囲気中で切断破砕を行っても、そのチタン粒の酸素含有量が、半導体素子向けスパッタリングターゲット用スポンジチタンに要求される200ppm以下に抑制される。更に好ましい切断破砕後の酸素含有量は100ppm以下である。比表面積の下限については、酸素量低減の点からは低いほどよいが、余りに比表面積が小さいと切断破砕が困難になるので、0.01m2 /g以上が好ましい。
【0018】
Fe、Ni、Cr、Al及びSiの各金属元素含有量を10ppm以下に制限したのは、スポンジチタン材の上部、下部及び外周部を排除するためである。これらの表層部分、例えば図1に示す最上部Aは、従来からも空焚き状態の加熱を受けて、BET法による比表面積が小さくなっている。但し、この部分は各金属元素含有量が10ppmが超える。特に好ましい各金属元素の含有量は7ppm以下である。
【0019】
また、本発明の高純度スポンジチタン材の製造方法は、クロール法によりスポンジチタン材を製造する際に、真空分離工程における真空分離時間tを、真空分離開始から反応容器内の材料の中心部温度Tcが炉温近傍の安定温度Toに到達までの時間をto時間として、t=to+(20〜35)時間に設定し、真空分離終了後、反応容器内の材料の塊高をH、塊径をDとして、上面からの厚さh1が0.1H以上の上部、下面からの厚さh2が0.25H以上の下部、及び外周面からの厚さdが0.18D以上の外周部を切断除去し、その残りで、且つ材料の塊重量の30%未満の中心近傍部分を製品化するものである。
【0020】
真空分離時間tを(to+20)時間以上とすることにより、反応容器内の材料の上部、下部及び外周部を除く中心近傍部分の比表面積が小さくなり、切断破砕後の低酸素化が、半導体素子向けスパッタリングターゲット用スポンジチタンに要求されるレベルに実現される。そして、反応容器内の材料の上部、下部及び外周部を除く中心近傍部分を製品化することより、Fe、Ni、Cr、Al及びSiの各金属元素についても、含有量が低位に抑制される。
【0021】
真空分離時間tが(to+35)時間を超えると、比表面積が小さくなりすぎ、切断破砕が困難になる。また、熱経済性が必要以上に悪化する。特に好ましい真空分離時間tは、上限については(to+30)時間以下である。
【0022】
なお、実際の操業では、スポンジチタン材の中心部温度を実測しない。操業設備毎に試験操業や温度解析で得た温度変化データから、中心部温度が安定温度に到達までの時間を求め、この時間を基準にして真空分離工程における加熱時間を設定する。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を説明する。
【0024】
反応容器内でMgを溶融し、四塩化チタン液を滴下することにより、スポンジチタン材を製造する。この還元工程が終わると、真空分離工程に移行する。真空分離工程では、反応容器内を真空状態にすると共に、加熱炉により所定温度に加熱することにより、未反応Mg及び副生物を除去する。
【0025】
この真空分離工程を図2の操業例について詳細に説明する。反応容器内のスポンジチタン材の最上部Aの温度Taは、真空分離開始当初は若干下がるが、直ちに上昇に転じ、真空分離開始から約20〜30時間で安定温度に達する。これに対し、中心部(1/2部C)の温度Tcは真空分離開始から約30時間下がり続け、その後、上昇に転じて真空分離開始から70時間後に安定温度Toに達する。
【0026】
従来は、中心部温度Tcが安定温度Toに達する約70時間をもって真空分離を終了しており、この時間を短縮する試みはありこそすれ、これをわざわざ延長するようなことは考えられていなかった。その結果、金属元素量の少ない中心近傍部分において、Mg蒸発後の空焚き状態での加熱が行われず、焼結が進行しないため、比表面積が十分に低減しない。このため、真空分離後、中心近傍部分を採取しても、大気雰囲気中の切断破砕では酸化による酸素量の増大が顕著になり、スパッタリング用ターゲット材に要求されるレベルの低酸素化を実現することは困難であった。
【0027】
そこで、本実施形態では、中心部温度Tcが安定温度Toに達した後、更に20〜35時間、好ましくは20〜30時間、加熱を継続する。これにより、金属元素量の少ない中心近傍部分においても、焼結の進行により、BET法による比表面積が0.03m 2 /g以下に低減される。その結果、真空分離後に中心近傍部分を採取することにより、切断破砕工程での酸化による酸素量の増大が抑制され、酸素量及び金属元素量の両方について、半導体素子向けスパッタリング用ターゲット材に要求される不純物レベルの実現が可能になる。
【0028】
真空分離後の中心近傍部分の採取では、図1に示すように、スポンジチタン材10の塊高をH、塊径をDとして、上面からの厚さh1が0.1H以上の上部、下面からの厚さh2が0.25H以上の下部、及び外周面からの厚さdが0.18D以上の外周部を切断除去し、その残りで、且つスポンジチタン材10の塊重量の30%未満の中心近傍部分11を採取する。
【0029】
採取された中心近傍部分11に対しては、通常に大気雰囲気中で切断破砕を行い、所定粒径のスポンジチタン粒とする。通常に大気雰囲気中で切断破砕を行うにもかかわらず、酸素量は200ppm以下に抑制され、且つFe、Ni、Cr、Al及びSiの各金属元素量も10ppm以下に抑制される。破砕後の粒径は平均で10〜300mmが好ましい。
【0030】
真空分離工程における好ましい真空分離時間を調査した結果を図3に示す。好ましい真空分離時間は、図3中の斜線で示された領域である。
【0031】
真空分離時間は、反応容器の直径(レトルト径)の影響を受け、この直径が大きくなるほど長時間となる。実線で示す従来の真空分離時間に対し+20時間〜+35時間が本発明おける真空分離時間である。+20時間以上で中心近傍部分のBET法による比表面積が0.03m2 /g以下になり、切断破砕後の酸素量が、半導体素子向けスパッタリングターゲット用スポンジチタンに要求される200ppm以下を満足するようになる。BET法による比表面積が0.01m2 /g未満の場合は、切断破砕が困難になる。
【0032】
反応容器の直径(レトルト径)については、1350〜2000mmが好ましい。1350mm未満の場合は中心採りを行っても金属不純物が増大する傾向となる。2000mmを超える場合は反応容器の熱変形などの設備上の問題が生じるおそれがある。
【0033】
ちなみに、図2に示した温度変化は反応容器の直径(レトルト径)が1700mmの場合であり、従来の真空分離時間は70時間、この場合の本発明おける真空分離時間は90〜105時間であり、90〜100時間が特に好ましい。
【0034】
反応容器の直径(レトルト径)が1700mmの場合にスポンジチタン材の中心部から採取したサンプルの顕微鏡写真を、真空分離時間が70時間の場合と95時間の場合について、図4(a)(b)に同じ倍率で示す。
【0035】
BET法による比表面積は、真空分離時間が70時間の場合0.1m2 /gであるのに対し、真空分離時間が95時間の場合は0.03m2 /gとなる。この違いは図4(a)(b)からも明らかである。この比表面積の相違の結果、大気雰囲気中で平均粒径65mmに切断破砕した段階での酸素量は、真空分離時間が70時間の場合280ppm、真空分離時間が95時間の場合は190ppmになった。また、金属元素量については、いずれの場合もFe、Ni、Cr、Al及びSiの各金属元素含有量が10ppm以下であった。
【0036】
なお、図3中の斜線で示された領域を数式で表現すると次のとおりである。
真空分離時間=(0.0698×〔レトルト径〕−24)−5〜(0.0698×〔レトルト径〕−24)+10
【0037】
BET法とは、液体窒素の吸収量から比表面積を計算する方法であり、吸着剤などでは広く一般に用いられている。
【0038】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の高純度スポンジチタン材は、BET法による比表面積を0.03m 2 /g以下に制限することにより、大気雰囲気中で切断破砕を行っても酸素量を低位に抑制でき、中心採りによる金属不純物の低減とあいまって、半導体素子向けスパッタリング用ターゲット材に要求される不純物レベルを経済的に確保できる。
【0039】
また、本発明の高純度スポンジチタン材の製造方法は、真空分離工程における真空分離時間tを、真空分離開始から反応容器内の材料の中心部温度Tcが炉温近傍の安定温度Toに到達までの時間をto時間としてt=to+(20〜35)時間に設定することにより、BET法による比表面積を0.03m 2 /g以下に簡単に制限でき、これによる酸素量の低減と、中心採りによる金属不純物の低減とにより、半導体素子向けスパッタリング用ターゲット材に要求される不純物レベルを経済的に確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】真空分離工程における反応容器内のスポンジチタン材の縦断面図である。
【図2】真空分離工程におけるスポンジチタン材の経時的な温度変化を、中心位置の最上部A、1/4部B、1/2部Cについて示したグラフである。
【図3】真空分離工程における好ましい真空分離時間を、反応容器の直径(レトルト径)をパラメータとして示したグラフである。
【図4】真空分離時間が異なる2種類のスポンジチタン材の中心部から採取したサンプルの顕微鏡写真である。
【符号の説明】
10 スポンジチタン材
11 中心近傍部分
20 反応容器
30 加熱炉[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-purity sponge titanium material suitable for a sputtering target material and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
As an industrial manufacturing method of titanium metal, a method of cutting and crushing a sponge titanium material manufactured by a crawl method, then hardening it to a briquette, and melting and casting it is frequently used. The crawl method is a reduction step in which molten Mg and titanium tetrachloride are reacted in a reaction vessel, and after the reduction, the reaction vessel is heated in a vacuum state, thereby allowing unreacted Mg and residual secondary substances contained in the material in the vessel. A vacuum separation step of evaporating and removing organisms.
[0003]
On the other hand, as a new application of titanium metal, there is a wiring material in a semiconductor element such as LSI. This wiring is formed by performing sputtering using high-purity metallic titanium as a target material. This sputtering target material is required to be low in impurities, and the sponge titanium material, which is the material, has an oxygen content of 200 ppm or less and the content of each metal element of Fe, Ni, Cr, Al, and Si. About 10 ppm or less is required.
[0004]
However, since the crawl method is a method that prioritizes productivity, it is not easy to ensure an impurity level that is required for a sputtering target material. Therefore, the following method has been proposed. One is a centering method in which a portion near the center excluding the upper, lower and outer peripheral portions of the titanium sponge material obtained in the reaction vessel after vacuum separation is commercialized (Japanese Patent No. 2863469). One is a low-humidity crushing method of cutting and crushing a sponge titanium material taken out from the reaction vessel in a low-humidity atmosphere (Japanese Patent No. 2921790).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the former centering method, the level required for the sputtering target material can be secured for each metal element of Fe, Ni, Cr, Al and Si, but the level of oxygen is secured. Difficult to do. On the other hand, in the latter method of low-humidity crushing, it is possible to ensure the level required for the sputtering target material for oxygen, but for each metal element of Fe, Ni, Cr, Al and Si, the level is required. It is difficult to ensure.
[0006]
Therefore, in order to ensure the level required for the sputtering target material for each of the metallic elements of Fe, Ni, Cr, Al and Si, and oxygen, the former centering method and the latter low-humidity crushing It is necessary to combine methods. However, as a practical problem, the former centering method is easy to implement, but in the latter case of the low-humidity crushing method, the oxygen level actually required for the sputtering target material should be stably secured. Then, a very large isolated work space in which the inside is kept at a low humidity is required, and a large amount of expenses are required for the construction of the space and the atmosphere maintenance, which is not a realistic method.
[0007]
An object of the present invention is to provide a high-purity sponge titanium material that is low in both oxygen content and metal element content and excellent in economic efficiency, and a method for producing the same.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present inventors paid attention to the relationship between the sample collection position of the sponge titanium material manufactured by the crawl method and the amount of oxygen.
[0009]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a sponge titanium material in a reaction vessel in a vacuum separation process. The
[0010]
In the
[0011]
However, the amount of oxygen, particularly the amount of oxygen after cutting and crushing, is unexpectedly reduced at the surface layer portion of the
[0012]
The present inventors investigated the cause of the decrease in the amount of oxygen in the surface layer portion of the
[0013]
FIG. 2 shows the temperature change of the titanium sponge material in the vacuum separation process for the uppermost part A, 1/4 part B, 1/2 part C at the center position. The temperature of any portion tends to temporarily decrease from the start of the vacuum separation, then increases, and reaches a stable temperature close to the furnace temperature. This is because the evaporation of residual Mg begins with the start of vacuum separation, and the temperature temporarily decreases due to the heat of vaporization, but the temperature starts to increase due to the decrease in residual Mg, and close to the furnace temperature when the evaporation is completed. By the temperature stabilizes to the level.
[0014]
This tendency is common to all of the uppermost part A, 1/4 part B, and 1/2 part C, but the lowest temperature is lower in the order of the uppermost part A, 1/4 part B, and 1/2 part C. The time from the start to the start of rising and the time to reach the stable temperature increase in the order of the uppermost part A, 1/4 part B, 1/2 part C. This is because the portion closer to the center of the titanium sponge material is more difficult to remove residual Mg. The central portion where the residual Mg is most difficult to escape, that is, the residual Mg of 1/2 part C is removed, and the temperature Tc of this part is stable. The time when the temperature To is reached is the end of the vacuum separation. The reason why the stable temperature is lower in the order of the uppermost part A, ¼ part B, and ½ part C is that heat radiation to the opening side (upward) of the reaction vessel is remarkable.
[0015]
As a result of performing the vacuum separation in such a process, the surface layer portion far from the center of the sponge titanium material is heated for a long time after the Mg evaporation is finished, and is in a so-called empty state. The present inventor considered that the heating time after the evaporation of Mg was related to the amount of oxygen after cutting and crushing, and conducted various investigations. The farthest part from the center of the sponge titanium material, Sintering progresses during heating and the specific surface area decreases, and the smaller the specific surface area, the more the increase in the amount of oxygen due to oxidation in the cutting and crushing process is suppressed. As a result, 1/2 part C, 1/4 If the amount of oxygen after cutting and crushing decreases in the order of part B and top part A, and heating is continued after the evaporation of 1/2 part C Mg is completed, the sintering of this part proceeds and the specific surface area It has been found that the reduction of oxygen concentration and the reduction of oxygen are realized.
[0016]
The present invention has been completed on the basis of such knowledge, and the high-purity sponge titanium material is a sponge titanium material manufactured by the crawl method, and the specific surface area measured by the BET method is determined at the time of vacuum separation. It is 0.03 m 2 / g or less due to the progress of sintering , and each metal element content of Fe, Ni, Cr, Al, and Si is 10 ppm or less.
[0017]
By limiting the specific surface area by the BET method to 0.03 m 2 / g or less, the oxygen content of the titanium particles in the sponge titanium for a sputtering target for a semiconductor device can be reduced even when cutting and crushing in a normal air atmosphere. The required 200 ppm or less is suppressed. A more preferable oxygen content after cutting and crushing is 100 ppm or less. The lower limit of the specific surface area is preferably as low as possible from the viewpoint of reducing the amount of oxygen. However, if the specific surface area is too small, cutting and crushing becomes difficult, so 0.01 m 2 / g or more is preferable.
[0018]
The reason why the metal element contents of Fe, Ni, Cr, Al, and Si are limited to 10 ppm or less is to exclude the upper part, the lower part, and the outer peripheral part of the sponge titanium material. These surface layer portions, for example, the uppermost portion A shown in FIG. 1, have been subjected to heating in the air in the past, and have a small specific surface area by the BET method. However, in this part, each metal element content exceeds 10 ppm. The particularly preferable content of each metal element is 7 ppm or less.
[0019]
Further, in the method for producing a high purity titanium sponge material of the present invention, when the sponge titanium material is produced by the crawl method, the vacuum separation time t in the vacuum separation step is set to the center temperature of the material in the reaction vessel from the start of the vacuum separation. Tc is the time until reaching a stable temperature to near furnace temperature as to the time, t = to + (20 ~35 ) was set to a time after the end vacuum separation, the mass height of the material in the reaction vessel H, Katamari径, D is an upper part with a thickness h1 from the upper surface of 0.1H or more, a lower part with a thickness h2 from the lower surface of 0.25H or more, and an outer peripheral part with a thickness d of 0.18D or more from the outer peripheral surface. The remaining portion and the portion near the center of less than 30% of the mass of the material are produced.
[0020]
With the vacuum separation time t (to + 20) hours or more, the top of the material in the reaction vessel, the specific surface area near the center portion excluding the lower and outer peripheral portion is reduced, a low-oxygen after cutting crushing, semiconductor It is realized at a level required for a sponge titanium for a sputtering target for an element . And by commercializing the parts in the vicinity of the center excluding the upper part, the lower part and the outer peripheral part of the material in the reaction vessel, the content of each metal element of Fe, Ni, Cr, Al and Si is suppressed to a low level. .
[0021]
When the vacuum separation time t exceeds (to + 35) time, the specific surface area becomes too small and cutting and crushing becomes difficult. In addition, the thermal economy is worse than necessary. A particularly preferable vacuum separation time t is (to + 30) hours or less for the upper limit .
[0022]
In the actual operation, the center temperature of the sponge titanium material is not actually measured. The time until the center temperature reaches a stable temperature is obtained from the temperature change data obtained by test operation and temperature analysis for each operation equipment, and the heating time in the vacuum separation process is set based on this time.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0024]
A sponge titanium material is produced by melting Mg in a reaction vessel and dropping a titanium tetrachloride solution. When this reduction process is completed, the process proceeds to a vacuum separation process. In the vacuum separation step, the reaction vessel is evacuated and heated to a predetermined temperature by a heating furnace to remove unreacted Mg and by-products.
[0025]
This vacuum separation step will be described in detail for the operation example of FIG. The temperature Ta of the uppermost part A of the sponge titanium material in the reaction vessel is slightly lowered at the beginning of the vacuum separation, but immediately starts to rise and reaches a stable temperature in about 20 to 30 hours from the start of the vacuum separation. On the other hand, the temperature Tc at the center (1/2 part C) continues to decrease for about 30 hours from the start of the vacuum separation, and then starts to rise and reaches the stable temperature To 70 hours after the start of the vacuum separation.
[0026]
Conventionally, the vacuum separation is completed in about 70 hours when the center temperature Tc reaches the stable temperature To, and there has been an attempt to shorten this time, but no attempt has been made to bother this. . As a result, in the portion near the center where the amount of the metal element is small, heating in an empty state after evaporation of Mg is not performed and sintering does not proceed, so that the specific surface area is not sufficiently reduced. For this reason, even if a portion near the center is collected after vacuum separation, an increase in the amount of oxygen due to oxidation becomes significant in cutting and crushing in the air atmosphere, and a low oxygen level required for the sputtering target material is realized. It was difficult.
[0027]
Therefore, in this embodiment, after the center temperature Tc reaches the stable temperature To, the heating is continued for another 20 to 35 hours, preferably 20 to 30 hours. As a result, the specific surface area according to the BET method is reduced to 0.03 m 2 / g or less by the progress of sintering even in the vicinity of the center where the amount of metal element is small. As a result, by collecting the portion near the center after vacuum separation, an increase in the amount of oxygen due to oxidation in the cutting and crushing process is suppressed, and both the oxygen amount and the metal element amount are required for sputtering target materials for semiconductor elements. Impurity levels can be realized.
[0028]
In the collection of the vicinity of the center after the vacuum separation, as shown in FIG. 1, the lump height of the
[0029]
The collected portion 11 near the center is usually cut and crushed in an air atmosphere to obtain sponge titanium particles having a predetermined particle size. In spite of normal cutting and crushing in an air atmosphere, the amount of oxygen is suppressed to 200 ppm or less, and the amount of each metal element of Fe, Ni, Cr, Al, and Si is also suppressed to 10 ppm or less. The average particle size after crushing is preferably 10 to 300 mm.
[0030]
The result of investigating the preferable vacuum separation time in the vacuum separation step is shown in FIG. A preferable vacuum separation time is a region indicated by hatching in FIG.
[0031]
The vacuum separation time is affected by the diameter (retort diameter) of the reaction vessel, and the longer this diameter is, the longer the time is. +20 hours to +35 hours relative to conventional vacuum separation time indicated by a solid line Ru vacuum separation time der the definitive present invention. The specific surface area by the BET method in the vicinity of the center becomes 0.03 m 2 / g or less after +20 hours or more, and the oxygen amount after cutting and crushing satisfies 200 ppm or less required for sponge titanium for sputtering targets for semiconductor elements. become. When the specific surface area by the BET method is less than 0.01 m 2 / g, cutting and crushing become difficult.
[0032]
About the diameter (retort diameter) of a reaction container, 1350-2000 mm is preferable. If it is less than 1350 mm, metal impurities tend to increase even if centering is performed. If it exceeds 2000 mm, there may be a problem in equipment such as thermal deformation of the reaction vessel.
[0033]
Incidentally, the temperature change shown in FIG. 2 is when the diameter (retort diameter) of the reaction vessel is 1700 mm, the conventional vacuum separation time is 70 hours, and the vacuum separation time in the present invention in this case is 90 to 105 hours. 90-100 hours are particularly preferred.
[0034]
When the diameter of the reaction vessel (retort diameter) is 1700 mm, micrographs of samples taken from the center part of the sponge titanium material are shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b) for the cases where the vacuum separation time is 70 hours and 95 hours. ) At the same magnification.
[0035]
The specific surface area according to the BET method is 0.1 m 2 / g when the vacuum separation time is 70 hours, whereas it is 0.03 m 2 / g when the vacuum separation time is 95 hours. This difference is also apparent from FIGS. 4 (a) and 4 (b). As a result of the difference in specific surface area, the amount of oxygen at the stage of cutting and crushing to an average particle size of 65 mm in the air atmosphere was 280 ppm when the vacuum separation time was 70 hours, and 190 ppm when the vacuum separation time was 95 hours. . As for the amount of metal element, the content of each metal element of Fe, Ni, Cr, Al, and Si was 10 ppm or less in any case.
[0036]
In addition, the area | region shown with the oblique line in FIG. 3 is expressed with a numerical formula as follows.
Vacuum separation time = (0.0698 × [retort diameter] −24) −5− (0.0698 × [retort diameter] −24) +10
[0037]
The BET method is a method for calculating the specific surface area from the amount of liquid nitrogen absorbed, and is widely used in adsorbents and the like.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, the high-purity titanium sponge material of the present invention limits the specific surface area by the BET method to 0.03 m 2 / g or less, so that the amount of oxygen can be lowered even when cutting and crushing in the air atmosphere. In combination with reduction of metal impurities by centering, the impurity level required for the sputtering target material for semiconductor elements can be economically secured.
[0039]
Moreover, the manufacturing method of the high purity sponge titanium material of this invention is the vacuum separation time t in a vacuum separation process until the center temperature Tc of the material in reaction container reaches the stable temperature To near furnace temperature from the start of vacuum separation. by setting the time t = to + (20 ~35) time as to the time, the BET specific surface area can easily be limited to less than 0.03 m 2 / g, and the reduction of this by the oxygen amount, the center picking By reducing the metal impurities due to the above, the impurity level required for the sputtering target material for semiconductor elements can be economically ensured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a sponge titanium material in a reaction vessel in a vacuum separation step.
FIG. 2 is a graph showing temperature changes of the titanium sponge material over time in the vacuum separation process for the uppermost part A, 1/4 part B, 1/2 part C at the center position.
FIG. 3 is a graph showing a preferable vacuum separation time in a vacuum separation step with a diameter (retort diameter) of a reaction vessel as a parameter.
FIG. 4 is a photomicrograph of samples taken from the center of two types of sponge titanium materials with different vacuum separation times.
[Explanation of symbols]
10 Sponge titanium material 11
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