JP3792535B2 - 高純度ルテニウムターゲットの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ルテニウム切削屑又は端材等のスクラップから高純度ルテニウムをリサイクルする方法及びリサイクルされた高純度ルテニウムからターゲットを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高純度のルテニウムは、強誘電体電極等のエレクトロニクス材料又は触媒やその他の加工用原料として使用されているが、一般にルテニウム薄膜を形成する場合にはスパッタリング法を用いることが多い。
スパッタリング法自体は、エレクトロニクス分野においてよく知られた方法であるが、このスパッタリングに適合する均一でかつ安定した特性を持つ高純度ルテニウムターゲットが要求されている。例えば、最近のエレクトロニクス分野で使用される材料は、ノイズ発生を防止し、特性を向上させる目的から、高純度化が要求されており、高純度ルテニウムスパッタリングターゲットとしても純度５Ｎレベルが必要とされている。
一方、このような高純度ルテニウムターゲットの製作工程において、平研研削で発生する切削屑や端材が、かなりの量で発生する。ターゲットの製造においてはこのようなスクラップを再利用できることが望ましいのであるが、上記切削等の加工工程において汚染され不純物が多量に混入する。特に酸素の混入や切削バイトからの汚染が著しい。この不純物量は加工条件によってかなり変動するが、その量は表１に示す通りである。
【０００３】
【表１】

【０００４】
一般に、ルテニウム材料は貴金属にしては安価であるが、ルテニウム自体が難溶解性の金属なために、上記のようなスクラップを再利用しようとした場合、リサイクルが非常に難しくコスト高になるという欠点を有している。
しかし、市販されている３Ｎ（９９．９％）レベルの比較的低純度のルテニウム粉末から、最近のエレクトロニクス分野で使用される材料に適合する純度５Ｎレベルの高純度ルテニウムスパッタリングターゲットするには、さらに工程の複雑さとコスト増があり、上記のスクラップのリサイクルの要求は高いが、現在のところ有効な手段がない。
このようなことから、不純物が混入するルテニウムスクラップをアーク溶解等により不純物を揮発させて純度を高めた金属ルテニウムの溶解鋳造品（インゴット）を作製し、これから高純度ルテニウムスパッタリングターゲットを製造しようとすることが考えられる。
しかし、この方法では純度は必ずしも向上せず、また金属ルテニウムの溶解鋳造品（インゴット）は、硬くかつ脆いため通常の圧延や鍛造等の加工が極めて難しいという問題があった。
【０００５】
一般に、このような難加工性材料を加工する方法として金属容器に包んで（キャニング法）圧延するという方法がある。
しかし、この方法を使用して金属ルテニウムのインゴットを、例えば圧延する場合には、金属ルテニウムインゴットを他の金属薄板や箔等で包む工程もさることながら、圧延後それを除去する作業を必要とするなど、工程が極めて煩雑となり、またこれによって歩留りも低下し、著しくコスト高となる欠点があった。
したがって、従来鍛造や圧延でルテニウムターゲットを試験的に製作することがあっても、実製造上では使用に耐えないものであった。
【０００６】
このようなことから、従来高純度ルテニウムスパッタリングターゲットを製造する場合には粉末冶金法が使用され、例えば、低い純度のルテニウム粉末を一旦電子ビーム（ＥＢ）溶解して精製し、これに塩素ガスを接触させて塩化ルテニウムとした後、これをさらに水素還元して高純度化した粉末を得、これをさらに焼結してスパッタリングターゲットとする方法が採られている（特開平９−２２７９６５、特開平９−２２７９６６参照）。
しかし、このような焼結による方法は精製工程数が多く、また最終的に得られたターゲットには焼結体に特有の空孔が存在し、またこれによってガス等の吸着が増加するという問題がある。
したがって、スパッタリングターゲットとして溶解鍛造品（理論的に相対密度１００％）に比べ特性に劣ることは否めず、またコスト高となる欠点を有している。
もとより、ルテニウムスクラップを再利用することは通常考えられておらず、全体としてのスパッタリングターゲット製造コストの増加は必然的なものであった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題を解決するために、ルテニウム切削屑又は端材等のスクラップから高純度ルテニウムを容易にリサイクルする方法を確立し、さらにこのようにして得られた高純度ルテニウムから特性に優れたスパッタリングターゲットを安価に製造する方法を得ることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
１．８０ｗｔ％以上のルテニウムを含有するルテニウムスクラップをアルカリ又は酸処理し、表面に付着した不純物を除去した後、ＥＢ溶解により高純度化することを特徴とする高純度ルテニウムのリサイクル方法。
２．ルテニウム中の酸素含有量が１００ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする上記１記載の高純度ルテニウムのリサイクル方法。
３．リサイクル率が７０％以上であることを特徴とする上記１又は２記載の高純度ルテニウムのリサイクル方法。
４．８０ｗｔ％以上のルテニウムを含有するルテニウムスクラップをアルカリ又は酸処理し、表面に付着した不純物を除去した後、ＥＢ溶解により高純度化し、次にこれを凝固させてインゴットを形成し、さらに該インゴットを１４００〜２０００°Ｃで鍛造することを特徴とする高純度ルテニウムターゲットの製造方法。
５．ルテニウムスクラップをアルゴン又は水素ガス雰囲気中、８００〜１６００°Ｃで焼結した後、ＥＢ溶解することを特徴とする上記４に記載の高純度ルテニウムターゲットの製造方法。
６．酸素１００ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする上記４又は５に記載の高純度ルテニウムターゲットの製造方法。
７．平均結晶粒度が５ｍｍ以下であることを特徴とする上記４〜７のそれぞれに記載の高純度ルテニウムターゲットの製造方法。
８．５Ｎレベル以上（ガス成分を除く）の純度を有することを特徴とする上記４〜７のそれぞれに記載の高純度ルテニウムターゲットの製造方法。
９．２回以上のＥＢ溶解を行うことを特徴とする上記４〜８のそれぞれに記載の高純度ルテニウムターゲットの製造方法。
を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、８０ｗｔ％以上のルテニウムを含有するルテニウムスクラップを、例えばＮａＣｌＯとＮａＯＨの混合液等のアルカリ又は弗酸等の酸処理し、表面に付着したＳｉＯ_２等の不純物を除去した後、ＥＢ溶解により高純度化する。
このアルカリ又は酸処理によりルテニウムの表面を若干溶解することによって、平研研削時等に付着又は突き刺さった不純物（ＷＣやＳｉＣ）を取り除くことができる。
ルテニウム中の酸素等のガス成分又は揮発性の金属はＥＢ溶解時に揮散除去でき、またその他の不純物はスラグとして効果的に除去できる。そして、酸素含有量は１００ｗｔｐｐｍ以下を達成できる。高純度ルテニウムのリサイクル率を７０％以上とすることができる。
【００１０】
高純度ルテニウムターゲットの製造に際しては、上記８０ｗｔ％以上のルテニウムを含有するルテニウムスクラップをアルカリ又は酸処理し、表面に付着した不純物を除去した後、ＥＢ溶解により高純度化し、次にこれを凝固させてインゴットを形成し、さらに該インゴットを１４００〜２０００°Ｃで鍛造することにより製造する。
ＥＢ溶解に際しては、必要に応じてルテニウムスクラップ（粉末を含む）を予めＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等を混ぜて固め、アルゴン又は水素ガス（非酸素、非窒素）雰囲気中、８００〜１６００°Ｃで焼結して焼結体とした後、ＥＢ溶解する。焼結温度８００〜１６００°Ｃの範囲で焼結するのは、ＥＢ溶解時のスプラッシュを少なくすることができるという理由による。
【００１１】
ＥＢ溶解２回以上行うことが望ましい。１回のＥＢ溶解では内部に巣が多く発生し易く、品質低下や歩留り低下となり易いからである。このＥＢ溶解により、上記の通り、ルテニウムに存在する不純物の揮発成分は除去され、またスラグとして除去できる。
これによって、５Ｎレベル（ガス成分を除く）の高純度ルテニウムインゴットをスクラップから容易に得ることができる。特に、酸素含有量を１００ｗｔｐｐｍ以下することができる。
【００１２】
次に、このようにして得た５Ｎレベルの高純度ルテニウムインゴットを１４００〜２０００°Ｃの範囲で鍛造する。１４００°Ｃ未満では鍛造により割れが入り、また２０００°Ｃを超える温度ではエネルギーコストが増大し、好ましくないからである。
また、鍛造中に温度低下するとターゲット材に割れが発生するので、恒温鍛造が望ましい。上記温度範囲において、割れの発生の無い鍛造品が得られる。
鍛造によりほぼターゲットに近い形にまで加工するが、さらに旋盤等で表面を加工しかつ仕上げ加工してターゲットに仕上げる。これによって、平均結晶粒度が５ｍｍ以下であり、成分が均一で、高密度、５Ｎレベル以上（ガス成分を除く）の高純度ルテニウムスパッタリングターゲットを低コストで得ることができる。また、リサイクル率を７０％以上にすることができる。
【００１３】
【実施例】
次に、実施例について説明する。なお、本実施例は発明の一例を示すためのものであり、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に含まれる他の態様及び変形を含むものである。
【００１４】
（実施例１）
前記表１で示した不純物を含有する平研、切削屑及び端材の合計重量約１１ｋｇのルテニウムスクラップをＮａＣｌＯ＋ＮａＯＨの洗浄剤を使用して１時間洗浄し、ルテニウム表面を若干溶解除去するとともにそこに付着する不純物を除去した。
次に、この洗浄したスクラップを予めＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を混ぜて固め、アルゴンガス雰囲気中、１０００°Ｃで焼結し焼結体とした。
このようにして得た焼結体を、３回のＥＢ溶解を実施し、約１０ｋｇのインゴットを得た。この溶解により巣の発生は小さかった。なお、インゴット上部に浮いたスラグは切削により除去した。これにより約９ｋｇのインゴットを得た。
このインゴットをさらに、１６００°Ｃの条件で鍛造し、φ３５０×８ｍｍｔの板を得た。これを旋盤加工し高純度ルテニウムスパッタリングターゲットを得た。このようにして得たターゲットの不純物濃度を表２に示す。なお、表２の濃度はｗｔｐｐｍである。また、平均結晶粒径は約２ｍｍであった。
【００１５】
【表２】

【００１６】
表２に示す通り、酸素及び窒素の含有量は１０ｐｐｍ未満であり、５Ｎレベルの高純度のルテニウムスパッタリングターゲットを得ることができた。本発明は従来廃棄されていたルテニウムスクラップから、高純度、高密度のターゲットを低コストで製造することができる。また、リサイクル率は８０％以上に達した。
【００１７】
実施例１と同様に、前記表１で示した不純物を含有する平研、切削屑及び端材の合計重量約１１ｋｇのルテニウムスクラップをＮａＣｌＯ＋ＮａＯＨの洗浄剤を使用して１時間洗浄し、ルテニウム表面を若干溶解除去するとともにそこに付着する不純物を除去した。
次に、この洗浄したスクラップを予めＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を混ぜて固め、アルゴンガス雰囲気中、１０００°Ｃで焼結し焼結体とした。
このようにして得た焼結体を、２回のＥＢ溶解を実施し、約１０ｋｇのインゴットを得た。この溶解により巣の発生は小さかった。なお、インゴット上部に浮いたスラグは切削により除去した。これにより約９ｋｇのインゴットを得た。
このインゴットをさらに、１８００°Ｃの条件で鍛造し、φ３５０×８ｍｍｔの板を得た。これを旋盤加工し高純度ルテニウムスパッタリングターゲットを得た。このようにして得たターゲットの分析結果は実施例１の表２と同じであり、良好な結果となったが、平均結晶粒径は約４ｍｍであった。
【００１８】
（比較例１）
ＥＢ溶解を１回実施した以外は、実施例１と同一の材料を使用し、同様の条件でインゴットを得た。しかし、ＥＢ溶解が十分でないためにインゴット内に巣が多く、この巣が発生した多くの部分をインゴットから削除する必要があるため、歩留りが悪くなった。また、ＳｉＣ等の異物も観察された。したがって、その後の鍛造工程を実施しなかった。
【００１９】
実施例１と同一の材料を使用し、ＥＢ溶解を３回実施し他は同様の条件でインゴットを得た。そしてその後１３００°Ｃで鍛造した。しかし、鍛造温度が低いためにインゴットの加工が難しく、割れが発生した。このためターゲットへの加工は中断した。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は、ルテニウム切削屑又は端材等のスクラップを使用して、高純度ルテニウムを容易にリサイクルできるという特長を有し、またルテニウムターゲットの製造に際しては、従来の金属容器に包んで（キャニング法）圧延するなどの複雑及びコスト増となる手法をとる必要がなく、また粉末冶金特有の空孔の発生（密度低下）することなく、焼結品に比べ工程数がはるかに少なく、高純度、高密度のルテニウムスパッタリングターゲットを安価に得ることができるという優れた効果を有する。

Claims (5)

1. ８０ｗｔ％以上のルテニウムを含有するルテニウムスクラップをアルカリ又は酸処理し、表面に付着した不純物を除去した後、予めＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等を混ぜて固め、アルゴン又は水素ガス雰囲気中、８００〜１６００°Ｃで焼結した後、ＥＢ溶解により高純度化し、次にこれを凝固させてインゴットを形成し、さらに該インゴットを１４００〜２０００°Ｃで鍛造することを特徴とする高純度ルテニウムターゲットの製造方法。
2. 酸素１００ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の高純度ルテニウムターゲットの製造方法。
3. 平均結晶粒度が５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高純度ルテニウムターゲットの製造方法。
4. ５Ｎレベル以上（ガス成分を除く）の純度を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高純度ルテニウムターゲットの製造方法。
5. ２回以上のＥＢ溶解を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高純度ルテニウムターゲットの製造方法。