KR100438670B1 - 탄탈륨 스퍼터링 타겟 및 그의 제조 방법 - Google Patents

탄탈륨 스퍼터링 타겟 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

고 순도 탄탈륨을 생성하기 위한 방법 및 그에 의해서 생성되는 고 순도 탄탈륨, 그리고 고 순도 탄탈륨의 스퍼터링 타겟을 기술한다. 방법은 시초 물질을 정제하고, 이후 순서적으로 고 순도 탄탈륨으로 정제하는 것을 포함한다.

Description

탄탈륨 스퍼터링 타겟 및 그의 제조 방법{TANTALUM SPUTTERING TARGET AND METHOD OF MANUFACTURE}
탄탈륨은 현재 고 효율 전자 캐패시터의 제조에서 탄탈륨을 제공하는 전자 공정에서 폭 넓게 이용된다. 이것은 주로 양극산화 처리된 금속 위의 산화막(oxide film)의 견고하고 안정적인 유전체 특성에 기여한다. 가공된 얇은 포일(foil) 및 파우더 둘 다는 벌크 캐패시터를 제조하는 데에 사용된다. 또한, 마이크로 회로 응용 분야에서의 박막 캐패시터는 탄탈륨 막의 양극산화에 의하여 형성되어 지며, 탄탈륨막은 일반적으로 스퍼터링에 의해서 생성된다. 탄탈륨을 Ar-N2분위기에서 스퍼터링하여 초박막 TaN 층을 형성한다. 이 초박막 TaN 층은 상호접합부위의 횡단면이 Cu의 고 전도 특성을 이용할 수 있도록 차세대 칩에서 Cu 층과 실리콘 기판 사이의 확산 배리어로서 사용된다. TiN과는 달리, TaN 의 마이크로구조 및 화학양론(stoichiometry)은 상대적으로 증착 조건들에 덜 영향을 받는다고 보고되고 있다. 따라서, TaN은 금속화 물질로서 구리를 사용하는 칩 제조에 있어서 TiN보다 더 좋은 확산 배리어로 간주된다. 마이크로 전자 산업에서 이와 같은 박막의 적용을 위해서, 고 순도 탄탈륨 스퍼터링 타겟이 필요하다.
현재 세계적으로 생산되는 대부분의 탄탈륨 금속은 칼륨 7철화 탄탈륨(K2TaF7)의 나트륨 환원으로부터 유도된다. 상업적으로 상당한 정도까지 적합하지 않은 공정들은 칼슘 및 알루미늄과 같은 금속 환원제들 및 탄소 및 질화탄소와 같은 비금속 환원제를 이용한 산화 탄탈륨(Ta2O5)의 환원; 및 마그네슘, 나트륨 또는 수소를 갖는 5염화 탄탈륨의 환원; 및 TaCl5의 열적 해리를 포함한다.
환원된 탄탈륨은 파우더, 스폰지 또는 큰 금속으로 얻어진다. 이것은 항상 스타팅 탄탈륨 컴파운드에 존재할 수도 있는 환원제와 불순물 같은 여타 불순물 뿐만아니라 상당한 양의 산소를 포함한다. 탄탈륨에서 불순물을 제거하기 위하여, 전자 빔 멜팅(melting) 방법을 종종 수행한다. 전자 빔 멜팅 중에, 대부분의 금속 불순물 및 침입형 가스는 탄탈륨의 용융점 (2996℃)에서 높은 증기압으로 인하여 증발된다.
니오븀, 텅스텐, 몰리브덴, 우라늄 및 토륨을 제외한 모든 원소는 이러한 방법에 의해서 반드시 제거될 수 있다. 금속 불순물 및 질소가 직접 증발에 의해서 제거되는 반면에, 산소의 제거는 탄탈륨의 아산화물 뿐만아니라 탄소 산화물, 알루미늄 산화물, 물의 형성 및 증발을 포함하는 메카니즘들을 통하여 수행된다.
순도는 전자 빔 멜팅 방법을 반복적으로 수행함으로서 더욱 향상될 수 있다. 다른 정제 공정은 진공 아크 멜팅, 진공 소결, 용염 전자정제(molten salt electrorefining) 및 탄탈륨 요요드 정제를 포함하며, 요오드 공정은 텅스텐 및 몰리브덴을 제거하기 위한 가장 유망한 기법이다.
상기에서 기술한 정제 방법들은 탄탈륨에서 니오븀을 제거하기 위해서는 효율적이 못하다. 탄탈륨 및 니오븀은 서로가 특성상 밀접하게 관련되어 있기 때문에, 니오븀의 제거는 매우 순도가 높은 탄탈륨의 준비에 불가결한 점이 있다. 특히, 이들의 분리는 용매 추출, 염소 처리 및 부분 결정화와 같은 방법들을 통하여 환원 전에 수행된다.
탄탈륨 타겟 제조 공정은 빌렛 내의 잉곳을 빌렛으로 단조하는 공정, 빌렛을 표면 가공하는 공정, 빌렛을 단편들로 절단하는 공정, 상기 단편들을 블랭크(blank)로 냉간압연하는 공정, 상기 블랭크를 어닐링하는 공정, 최종 마무리 및 후면판들(backing plates)에 본딩하는 공정을 포함한다.
본 발명은 고 순도 탄탈륨 및 고 순도 탄탈륨을 생산하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 고 순도 탄탈륨의 생산에 관한 것이다.
도 1은 K2TaF7의 나트륨 환원을 위하여 사용되는 액화 반응 증류기의 도식적인 다이아그램이다.
도 2는 요오드 셀의 도식적인 다이아그램이다.
도 3은 증류 유닛을 갖는 요오드 셀을 설명하는 도식적인 다이아그램이다.
도 4a 및 도 4b는 탄탈륨 타겟의 도식적인 다이아그램이다.
도 5는 시간의 함수로서 탄탈륨 바의 전도 그래프이다.
본 발명에 따라서, 고 순도 탄탈륨 스퍼터링 타겟을 생산하기 위한 방법 및 장치, 그리고 그에 의해서 생성되는 고 순도 탄탈륨을 제공한다.
상기 방법은 포타슘 헵타플로우탄탈레이트(potassium heptafloutantalate), K2TaF7를 정제하고, 정제된 K2TaF7을 환원시켜 탄탈륨 파우더를 생성하고, 요오드와 반응시켜 탄탈륨을 정제하고, 그리고 최종적으로 탄탈륨을 전자 빔 융해하여 고 순도 탄탈륨 잉곳을 형성하는 단계들을 포함한다.
시작 물질(starting material)은 상업용 K2TaF7염이며, 이는 탄탈륨 원광석을 플루오르화수소산 및 유황산 혼합액에서 용해하여, 이후 여과 및 메틸이소부틸케톤(MIBK)을 이용하여 용매 추출하고, K2TaF7를 결정화하는 것에 의해서 얻어진다. 이러한 과정은 불순도 레벨, 특히 니오븀(Nb)의 레벨을 낮추기 위하여 여러번 반복적으로 수행될 수 있다.
정제된 K2TaF7의 나트륨 환원은 K2TaF7및 희석제 (KCl 및 NaCl)를 약 1000℃에서 가열하는 액화 환원 증류기에서 수행된다. 이후, 용융된 나트륨을 상기 증류기로 주입하여 K2TaF7과 반응시킨진다. 반응물의 교반은 환원 반응을 가속하기 위하여 제공되어 진다. 냉각 후, 물질을 증류기로부터 꺼낸 후, 분쇄, 여과 및 세척하여 염화 혼합물에서 탄탈륨 파우더를 분리한다.
탄탈륨 정제는 요오드 공정 또는 전자 빔 멜팅에 의해서 수행되어 진다. 이러한 방법들은 동시에 또는 연속적으로 행하여진다. 전자 빔 멜팅은 타겟 제조의 목적을 위한 추가적인 물리야금 단계에 적합한 잉곳을 산출하기 때문에 최종 단계로 함이 바람직하다.
전자 빔 멜팅된 잉곳은 빌렛으로 단조되고 표면 가공된다. 표면 가공후, 단조된 빌렛은 단편(piece)들로 잘려지고, 이것들은 불랭크 내에서 냉간압연된다. 블랭크 어닐링은 재결정된 미세구조를 얻기 위하여 불활성 기체 분위기에서 수행된다. 그후 상기 블랭크는 기계가공되어 최종 제품을 얻게 되고, 구리 또는 알루미늄의 후면판에 본딩되어 진다.
본 발명의 공정에 의해서 생산된 타겟의 특성화를 위하여, 화학적인 분석 방법을 수행한다. 여기에서 주장된 화학적인 설명들을 유도하기 위하여 사용되어지는 화학적인 분석 방법은 금속 원소의 경우 글로우 디스차지 매스 스펙트로스코프(GDMS) 및 비금속 원소의 경우 LECO 가스 분석기로서 알려진 방법이다.
본 발명의 고순도 탄탈륨 재료는 중량으로 500ppm 미만의 총 금속 불순물들, 중량으로 약 100 ppm 미만의 산소, 중량으로 50ppm 이하의 몰리브덴 또는 텅스텐, 및 중량으로 10ppb 이하의 우라늄 및 토륨을 갖는다. 또한, 중량으로 5ppm 미만의 몰리브덴 및 텅스텐을 갖는 탄탈륨을 생산하는 것도 가능하다.
1) 전구체(Precusor) 정제 및 나트륨 환원
사실상, 일반적으로 탄탈륨은 니오븀, 주석 및 다른 원소와 밀접한 관계를 갖고있다. 탄탈륨 생산에서 원자재로서 가장 일반적으로 사용되는 광물은 탄탈라이트(Tantalite), 우드지나이트(Wodginite), 미코라이트(Micolite) 및 사마스카이트(Samarskite)이다. 이러한 광물은 습식 중력(gravity), 마그네틱 또는 정전기 방법에 의해서 농축되어 진다. 농축물들은 플루오르화수소산 및 황산의 혼합용액에서 용해된다. 결과적인 용액은 필터되어지고, 이후 용매 추출 플랜트에서 니오븀 및 다른 분순물로부터 분리되어 진다. 탄탈륨 농축액은 수용액 내로 옮겨지고, 암모니아와 함께 석출시켜 탄탈륨 산 (Ta2O5xH20)을 얻은 후, 가열하여 탄탈륨 산화물을 얻는다. 선택적으로, 탄탈륨은 용해 추출로부터 얻어지는 고온의 수용액에 KF 및 KCl를 첨가함으로써 포타슘 헵타플로우탄탈레이트로 결정화된다. 이러한 방법에 의해서 얻어지는 불순물을 함유한 포타슘 헵타플로우탄탈레이트는 전자 산업에서 소스 탄탈륨으로 사용하기 위하여 정제되어야 한다.
일반적으로, 포타슘 헵타플로우탄탈레이트는 다음과 같은 과정에 의해서 정제될 수 있다.
기술적 등급의 포타슘 헵타플로우탄탈레이트(K2TaF7)는 HF, 즉 49%의 HF 용액에 용해된다. 또한, HF 및 H2SO4의 혼합용약이 용해 공정을 위하여 사용될 수 있다. 용해되는 K2TaF7의 양은 온도 및 HF의 농도에 의해서 결정된다. 용해 속도가 상온에서는 매우 느리기 때문에, 혼합물은 적절한 용기 내에서 90℃로 가열되어 진다. K2TaF7를 포함하는 용액은 증발로 인한 손실을 막기 위하여 뚜껑이 덮여지고, 연속적으로 휘젓는다. 용해되는 시간은 약 한 시간이다. 65℃ KCl 용액이 K2TaF7용액에 첨가되고 결과적인 용액은 상온에서 냉각될 때까지 휘젓어진다. K2TaF7의 용해도가 상온에서는 매우 낮기 때문에 용액 내의 탄탈륨은 K2TaF7로 석출된다. 상기 석출물은 필터되어 지고, 세척되고, 건조되어 진다. 니오븀, 텅스텐, 몰리브덴, 지르코늄, 우라늄 및 토륨(thorium)은 용액 내에 잔류된다. 반복적인 용해 및 석출은 대단히 높은 순도의 탄탈륨을 얻기 위하여 유용하다. 니오븀, 텅스텐, 몰리브덴, 우라늄 및 토륨과 같은 원소는 전자 빔 멜팅에 의해서 제거되기 어렵고, 상기의 과정에 의해서 쉽게 제거되어 진다.
포타슘 헵타플로우탄탈레이트는 용융염 전기 분해 또는 나트륨에 의한 환원에 의해서 탄탈륨 금속으로 환원될 수 있다. 전기 분해에 의한 환원 속도는 매우 느리므로, 나트륨 환원이 많은 양의 K2TaF7를 탄탈륨 금속으로 처리하기 위해서 사용된다. 전체적인 환원 반응은 다음과 같다.
K2TaF7+ 5Na(1) = Ta(s) + 2KF + 5NaF
도면을 참조하면, 도 1은 환원로를 보인 것이다. 환원은 K2TaF7및 KCl, NaCl, LiCl, CsCl, CaCl2와 같은 약간의 희석된 염들을 휘젓는 장치를 구비한 반응로에 넣어서 수행된다. 반응로는 염 혼합물의 용해점 이상, 일반적으로 1000℃ 이하로 가열되는 노 내에 놓여진다. 용융된 나트륨이 반응기 내로 공급되어, 온도를 조절하는 동안 휘저어진다. 냉각 후, 상기 물질은 반응기로부터 꺼내어지고, 분쇄 및 희석산으로 여과되어 탄탈륨 금속 파우더를 생성한다. 파우더는 압착되어지고 전자 빔 로에서 용해된다.
2) 요오드 공정
탄탈륨 금속은 나트륨에 의한 상용적으로 이용가능한 K2TaF7의 환원에 의하여 생성되며, 이것은 스폰지 티타늄을 생성하기 위하여 사용되는 Hunter 공정과 유사한 공정이다. 나트륨의 환원에 의해서 생성되는 물질은 K2TaF7내에 존재하는 Fe, Ni, Ti, W, Mo 등과 같은 대부분의 불순물을 포함한다. 금속은 파우더의 향태로 존재하고, 매우 높은 산소 량을 갖는다.
여기에서 기술하는 방법은 스크랩 또는 불순의 탄탈륨 금속으로부터 고 순도의 탄탈륨을 생성하도록 할 수 있다. 공정은 화학 전달 반응에 기초하고, 탄탈륨 요오드는 낮은 온도에서 불순물이 섞인 탄탈륨과 요오드 가스(합성 영역)의 반응에 의해서 형성되어지고, 그 후 탄탈륨 요오드는 매우 높은 온도에서, 뜨거운 와이어 필라멘트에서 분해되어 매우 순도가 높은 금속을 생성한다(증착 또는 열분해 영역). 불순물이 섞인 탄탈륨은 합성 영역 내에서 다음의 반응식에 따라서 기체의 형태로 변환된다.
Ta(s, 불순물) + 5/2 I2(g) = TaI5(g) (합성 반응)
Ta(s, 불순물) + 5I(g) = TaI5(g) (합성 반응)
유사한 반응들이 TaI3및 TaI2와 같은 다른 탄탈륨 요오드 종들을 위하여 기술될 수 있다. 탄탈륨의 기체 종들은 열 분해 영역으로 확산되고 분해되어 다음의 반응식에 따라서 순도의 탄탈륨 금속을 형성한다.
TaI5(g) = Ta(s) + 5I(g) (열 분해 반응)
열역학 요소는 공정을 이해하고 제어하는 데에 중요하다. 열역학 계산은 합성 및 분해 영역 내에서 온도 및 압력과 같은 유익한 동작 조건을 결정하기 위하여 수행된다.
장치의 도식적인 다이아그램이 도 2에 도시되어 있다. 공정 장치는 셀, 필라멘트 및 피드(feed) 물질을 포함하고, 배치(batch) 동작을 수행하도록 설계된다. 각각의 동작 후에, 장치는 상온에서 냉각되고, 분해된다.
탄탈륨의 정제를 위하여 바람직한 요오드 셀은 몰리브덴 또는 텅스텐 또는 이들의 합금과 같은 염화 기전적인 계열에 따라서 탄탈륨보다 더 전기 화학적으로 우수한 금속을 갖는 합금 600 (인코넬) 컨테이너 클래드이다. 클래딩은 몰리브덴 및 텅스텐이 셀 동작 온도에서 요오드와 반응을 하지 않기 때문에 셀 컴포넌트에 의해서 정제된 탄탈륨이 오염되는 것을 방지한다. 또한, 합금 600 (인코넬) 컨테이너는, Ti 및 Zr과 같은 금속이 서로 다른 동작 조건하에서 정제되기 때문에, 클래딩없이 이들 금속을 정제하기 위하여 사용되기도 한다.
순수 탄탈륨 로드로 만들어지는 필라멘트는 표면 분해를 위하여 사용되어 진다. 필라멘트는 U 형일 수도 있거나 또는 표면적을 증가하기 위하여 다른 형태가 될 수도 있다. 또한, 표면적 및 셀 생산성을 증가하기 위하여 다중 필라멘트를 사용하는 것이 가능하다. 필라멘트는 외부 전원 공급장치에 의해서 저항성으로 가열된다. 필라멘트의 온도가 분해 속도에 영향을 주기 때문에, 전류는 필라멘트 온도가 1000에서 1500℃ 사이를 유지하도록 조절되어야 한다. 이후, 탄탈륨 결정은 필라멘트에서 생성된다.
원통형의 몰리브덴 스크린이 1에서 3인치의 폭을 갖는 환형 공간을 제공하기 위하여 셀 내에 놓여진다. 탄탈륨 피드 물질로 채워지면, 그 환형 공간은 칩, 천크(chunk) 또는 작은 펠렛의 형태로 된다. 이러한 형태의 구성은 셀 내에서 피드 물질과 요오드 가스 사이의 반응을 위한 높은 표면적을 제공한다. 또한, 정제하지 않은 탄탈륨은 도넛 형태로 컴팩트되어서 반응기 내에 놓여질 수 있다. 피드 물질은 셀 내로 충전되기 전에 클리닝제로 세정된다.
좋은 진공 시스템은 낮은 불순물을 갖는 탄탈륨을 생성하는 데에 유용하다. 따라서, 셀은 1 마이크론 이하의 압력을 생성하는 진공 시스템에 연결되어 있다. 셀은 상온에서 진공상태로 되고, 요오드를 첨가하기 전에 진공하에서 800 - 1000℃ 온도로 가열되어 휘발성의 모든 불순물들을 제거한다.
합성 영역 내에서의 온도는 반응 속도에 영향을 준다. 합성 영역 내에서의 온도는 균일해야 하고 TaI5의 끓는 점보다 더 높게 유지되어야 한다. 셀의 뚜껑에 설치되는 특별한 가열기는 350 - 500℃에서 온도를 유지하며, 이것은 뚜껑 아래에서 요오드의 응축을 방지한다. 이러한 가열기 없으면 요오드는 연속적으로 시스템에 공급되어야만 한다.
탄탈륨 내의 산소는 여러가지의 소스로부터 발생되는 것이며, 전구체에서 또는 전자 빔 멜팅을 통하여 시작한다. 산소는 증착된 탄탈륨 박막의 비저항에 영향을 주기 때문에 높은 농도에서 바람직하지 않다. 현재 유용한 방법들은 산소 레벨을 30ppm 이하로 쉽게 감소할 수 없다. 실험적인 결과 뿐만아니라, 열역학 계산은 피드 물질에 형성되거나 존재하는 금속 산화물들이 요오드와 반응되지 않고 분해 영역으로 이동되지 않는다는 것을 나타낸다. 따라서, 이러한 공정은 매우 낮은 산소를 갖는 고 순도의 탄탈륨을 생성할 수 있다. 셀 분위기 내에 잔류하는 산소의 양은 아르곤 플러싱(flushing) 및 진공의 조합에 의해서 감소되어 진다. 피드 물질 내의 질소는 산소와 같은 동작을 수행하고, 따라서, 탄탈륨 결정 바의 질소 량은 매우 낮다.
전자 빔 멜팅은 탄탈륨을 정제하는 데에 종종 사용되는 방법이다. 그러나, 전자 빔 멜팅은 텅스텐 및 몰리브덴과 같은 원소를 제거할 수 없으며, 이것은 이러한 원소들의 증기압이 탄탈륨의 용해 온도에서 매우 낮기 때문이다. 현재의 공정은 텅스텐 및 몰리브덴과 같은 원소들을 매우 낮은 레벨로 일관되게 제거할 수 있다. 또한, 상기 공정은 우라늄 및 토륨을 제거할 수 있으며, 이는 전자 빔 멜팅에 의해서는 제거할 수 없는 것이다.
상기에서 기술한 요오드 공정은 상당한 양의 니오븀을 제거할 수는 없다. 따라서, 현제의 공정은 니오븀을 포함하는 매우 낮은 금속의 불순물을 갖는 순수한 탄탈륨을 얻기 위하여 개선된다. 개선된 공정에서, 탄탈륨 스크랩 또는 크루드 탄탈륨은 요오드 가스와 반응하여 가스 형태의 TaI5및 NbI5를 형성하고, 이들 가스들은 분별 증류에 의해서 분리되어 지며, 이는 이러한 두 화합물의 끓는 점이 서로 다르기 때문이다. 장치의 도식적인 것을 도 3에 도시한다.
크루드 탄탈륨 또는 스크랩은 인코넬 및 몰리브덴, 텅스텐 및 이들의 합금을 구비한 클래드로 구성된 수직 튜브에 안치된다. 튜브는 400 - 700℃로 가열되는 노내에 놓여진다. 클린 아르곤 또는 헬륨과 같은 캐리어 가스는 요오드 용기로 전달된다. 용기의 온도는 특정 I2의 분압을 얻기 위하여 조절된다. 요오드 가스는 탄탈륨 스크랩과 반응하여 가스 형태의 탄탈륨 및 니오븀 요오드를 생성한다. 피드 반응기로부터의 가스는 증류 컬럼을 통과한다. 제 1 컬럼의 온도는 TaI5를 농축하기 위하여 TaI5의 끓는 점 바로 아래를 유지한다. 제 2 컬럼은 NbI5를 농축하기 위한 충분히 낮은 온도, 그러나 I2의 끓는 점 위에서 유지된다. 상기 요오드 가스는 재생 공정을 통하여 순환된다. 제 1 컬럼 및 노 사이의 모든 가스 라인은 몰리브덴으로 형성되며 약 600℃에서 유지되고, 다른 것들은 더 낮은 온도에서 유지된다.
분별증류 유니트에서 얻은 순수한 액상 또는 고상의 TaI5는 증착 반응기로 흘러가고, TaI5는 고온의 표면 근처에서 분해되어 순수한 탄탈륨 결정을 생성한다. 이러한 공정에서 얻은 탄탈륨은 순도가 매우 높고, 기존의 공정에 의해서 제거할 수 없는 모든 불순물을 제거할 수 있다. 개선된 요오드 공정에 의해서 얻은 순수한 탄탈륨은 고 순도 탄탈륨 잉곳을 생성하기 위하여 전자 빔 멜팅이 수행된다.
3. 전자 빔 멜팅
전자 빔 멜팅은 일반적으로 고융점(refractory) 재료들을 용해하고 정제하기 위하여 사용된다.
상기 공정은 고 에너지 파티클 스트림이 물질에 충돌할 때 생성되는 강렬한 열, 즉 역학 에너지가 열 에너지로 변환될 때의 열의 사용에 기초로 한다. 에너지를 분배하기 위한 가요성은 버톤(button), 드립(drip), 허스(hearth), 존(zone) 멜팅 등과 같은 많은 수의 전자 빔 멜팅 기법을 가져온다. 전자 빔 허스 멜팅은 티타늄 및 슈퍼 합금을 위하여 설치된다. 전자 빔 드립 멜팅은 고융점 재료들을 위하여 사용될 수 있다. 전자 빔 드립 멜팅 노는 주요한 피드스톡(feedstock)을 위하여 수평 바 피더(horizontal bar feeder)를 포함한다. 바 피더는 이전에 컴팩트된 물질의 계속적인 피딩 및 멜팅을 허용하는 진공 밸브를 장착하고 있다. 고융점 금속들의 정제는 아산화물의 증기 요법, 가스의 방출 및 제거, 산화 탄소 반응 및 금속 불순물의 기화를 통하여 발생된다. 대부분의 원소는 상기의 기법 중 한 개에 의해서 멜팅되는 과정에서 탄탈륨으로부터 제거될 수 있다. 그러나, 전자 빔 멜팅은 W, Mo, Nb, U, Th 등을 제거할 수 없으며, 이는 용융 온도에서 이들 원소들의 낮은 증기압 때문이다. 반복적인 멜팅이 매우 높은 순도의 물질을 얻기 위하여 필요하다.
전기 분해 또는 K2TaF7의 환원으로부터 얻은 스크랩, 불순물이 섞인 탄탈륨, 탄탈륨 파우더는 고 순도의 탄탈륨 잉곳을 생성하기 위하여 전자 빔 드립 멜팅 노에서 컴팩트되고 멜팅된다.
4. 타겟 제조
전자 빔 멜팅으로부터 얻은 잉곳은 빌렛으로 단조되고 표면가공된다. 표면 가공 후, 단조된 빌렛은 단편들로 분할되며, 이것은 블랭크로 냉간 압연된다. 상기 블랭크는 바람직한 마이크로구조를 얻기 위하여 불활성 기체 분위기에서 어닐링된다. 이후, 블랭크는 최종 제품을 얻기 위하여 기계가공되며, 구리 또는 알루미늄 후면판들에 본딩될 수도 있다. 생성된 타겟의 도식적인 것을 도 4A 및 도 4B에 도시한다.
그레인 크기 및 텍스처를 측정함으로서 화학적인 분석 및 타겟의 특성을 수행하는 것이 바람직하다. 여기에서의 화학적인 기술을 유도하기 위하여 사용된 화학 분석법은 금속 원소를 위한 글로우 디스차지 매스 스펙트로스코프(GDMS) 및 비금속 원소를 위한 LECO 가스 분석기로 알려진 방법이다. 라인 교차 방법은 그레인 크기 결정을 위하여 사용되고 XRD 및 EBSP는 텍스처 데이터를 얻기 위하여 사용된다.
예 제 1
약 350g의 K2TaF7를 테플론 비이커내의 595cc HF(49%)에 첨가한다. 혼합물은 90℃에서 가열되고, 연속적으로 휘젓는다. 비이커는 용액의 증발을 방지하기 위하여 테플론 플레이트로 덮여있다. 상기 용해 공정을 약 1 시간동안 유지한다. 약 140g의 KCl 용액을 700cc의 증류수에 용해시키고 60℃로 가열한 후 이를 K2TaF7용액에 첨가하고 최종 용액을 수분간 휘젓는다. 상기 용액은 상온에서 냉각되고 상기 용액 내의 탄탈륨이 K2TaF7로 석출된다. 이는 이러한 화합물의 용해도가 상온에서 매우 낮기 때문이다. 상기 석출물은 필터되며 KF 용액 (100gr/liter H20) 및 증류수에서 세척된다. 파우더는 진공 노에서 160℃의 온도로 건조된 후, 화합물을 분석한다. X 레이 회절 검토가 석출물에 대하여 수행된다.
여러 개의 예제를 상기에서 기술한 과정에 따라서 수행하고 샘플을 분석한다. K2TaF7의 니오븀 양은 제 1 처리 후 50% 감소되었다. 결과는 표 1에 도시한다. 도 1에 도시된 데이터는 탄탈륨의 니오븀 양을 이러한 방법에 의해서 감소할 수 있다는 것을 보인다. 정제된 K2TaF7은 나트륨에 의해서 감소될 수 있다.
원소 원래 K2TaF7 최초 세척후 K2TaF7 제 2 세척후 K2TaF7
Nb 4.6 < 2.2 < 1
Mo 0.2 0.1 0.1
W 4.8 1.1 < 1
Zr 0.52 0.14 < 0.1
Th < 0.01 < 0.01 < 0.01
U < 0.01 < 0.01 < 0.01
Na 1100 130 50
Fe 4.8 1.2 < 1
Al 2.5 1.2
S 8.7 1.1
표 1에서의 데이터는 Nb, Mo 및 W의 양이 이러한 방법에 의해서 상당량 감소된 것을 알 수 있다. 이러한 원소들은 전자 빔 멜팅에 의해서 Ta 금속으로부터 제거할 수 없다는 것은 잘 알려져 있다. 따라서, K2TaF7로부터 이러한 세개의 원소의 제거는 매우 순도가 높은 탄탈륨을 생성하는 데에 장점이 된다. K2TaF7내에서 모든 Nb, Mo 및 W가 나트륨 환원 단계에서 Ta 와 함께 감소되고 표 1에 나열된 다른 모든 원소들의 존재를 무시한다고 가정하면, 간단한 계산이 금속 순도에서 K2TaF7정제의 영향을 보여 줄 수 있다. 원래의 K2TaF7의 1000g의 완전한 나트륨 환원이 9.6mg의 Nb, Mo 및 W을 포함하는 461.7g의 Ta을 생성하면 99.9979%의 금속 순도를 발생한다. 두번 세척한 1000g의 K2TaF7를 사용할 때, 나트륨 환원에 의해서 생성된 461.7g의 Ta는 2.1mg 이하의 Nb, Mo 및 W를 포함한다. 따라서, 금속 순도는 99.9995%가 된다.
예 제 2
요오드 셀을 시장에서 구입가능한 스크랩으로부터 순도의 탄탈륨을 생성하기 위하여 사용한다. 셀은 인코넬 합금으로 만들어지며 예비 실험을 위하여 몰리브덴과 정렬한다. 몰리브덴 스크린을 셀 내부에 놓고 Ta 스크랩은 스크린 및 셀 벽 간의 갭을 채우기 위하여 사용된다. 셀의 누설이 검사되고 10 마이크론 이하로 진공이 만들어진다. 셀을 진공하에서 850℃의 온도로 가열하여 유기물질 및 다른 휘발성의 화합물을 증발시킨다. 이후, 셀은 상온에서 냉각되고 리드 위의 석출물은 세정된다. 순수한 Ta로 구성된 필라멘트는 셀 리드 상에 설치된다. 셀은 밀폐되고, 다시 10 마이크론 이하로 진공상태로 만들어진다. 피드는 약 500 - 600℃에서 가열되고 필라멘트는 1000 - 1200℃에서 가열된다. 피드 및 필라멘트 온도가 안정화될 때, 요오드 결정의 측정된 양이 반응 챔버에 첨가된다. 필라멘트에 공급되는 전류 및 전압은 연속적으로 측정된다. 이러한 값으로부터, 전도도를 계산하는 것이 가능하며, 이는 바의 지름과 관련되어 있다. 용기 압력, 그리고 필라멘트 및 피드 물질 온도는 제어된다. 탄탈륨 바는 이러한 방법에 의해서 성공적으로 성장한다.
압력 뿐만 아니라 필라멘트 및 피드의 온도가 석출율에 현저하게 영향을 끼지는 것을 확인하였다. Ta 바의 성장 속도는 Ta 바의 전도도와 관련있다. 전도도(Mho)의 관점에서의 성장률이 도 5에 도시된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 매우 높은 석출율이 이러한 방법에 의해서 얻어진다. 여러번 수행한 후의 결과적인 탄탈륨 바의 화학적인 분석이 도 2에 제공된다. 실험에 사용된 스크랩은 성분적으로 등질이 아니라는 것이 지적되어야만 한다. 탄탈륨 피드 물질의 원래의 성분을 표 2에 도시한다.
수행 1 수행 2 수행 3 수행 4
시간 (hrs) 79 45 62 45
무게 (gr) 5925 5043 7829 5969
원소(ppm) 피드1&2 수행 1 수행 2 피드 3&4 수행 3 수행 4
Nb 1200 900 505 90 185 230
Mo 6 1.2 1.7 1.3 1.2
W 30,000 0.28 0.19 0.2 0.25
O 100 90 308 100 60 176
N 100 < 10 3 100 6 4
예 제 3
여러번 수행으로부터의 탄탈륨 결정 바는 전자 빔 노에서 용해된다. 탄탈륨 피드 스톡 및 용융된 탄탈륨 잉곳의 분석적인 결과는 표 3에 도시된다.
원소 피드재료농도(평균 ppm) 멜팅 후 농도(평균 ppm)
Fe 344 1
Ni 223 0.13
Cr 205 0.19
Nb 463 270
O 221 < 25
예 제 4
전자 빔 멜팅으로부터 얻어진 잉곳은 냉간 가공되고 타겟 블랭크를 생성하기 위하여 어닐링된다. 초기 잉곳 브레이크다운은 측면 및 업셋의 단조물의 조합을 통하여 수행된다. 표면 가공후, 단조된 잉곳은 단편들로 잘라지며, 이것은 블랭크내에서 더욱 냉각 압연된다. 두 개의 롤링 온도는 상온 및 액화 질소 온도를 고려한다. 전자는 냉간 압연이며, 반면에 후자는 극저온 압연으로 간주한다. 압연에서의 감소는 70에서 90% 범위이다. 압연된 블랭크는 바람직한 마이크로구조 및 텍스터를 얻기 위하여 불활성 기체 분위기 또는 서로 다른 환경하에서의 진공에서 어닐링된다.
예 제 5
양질의 그레인 및 바람직한 텍스처를 갖는 블랭크는 최종 제품을 얻기 위하여 가공되고 구리 또는 알루미늄 후면판들에 본딩된다. 생성된 타겟의 도식적인 것이 도 4A 및 4B에 도시된다.
상기의 기술에서, 다양한 변경 및 변형이 본 발명의 범위내에서 구성될 수 있는 것은 명백하다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해서 단지 제한받을 수 있다.

Claims (42)

  1. 용해 공정에 의해서 K2TaF7를 정제하고;
    정제된 K2TaF7를 환원제와 반응시켜 탄탈륨 분말를 제조하고;
    상기 탄탈륨 분말을 요오드와 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 순도 탄탈륨 제조 방법.
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  10. 피드 물질을 콘테이너 내에서 요오드 가스와 반응시키는 단계로서, 상기 피드 물질은 탄탈륨 및 불순물을 포함하며, 상기 불순물은 텅스텐 또는 몰리브덴 중 적어도 하나를 포함하고,
    탄탈륨 요오드를 포함하는 반응 생성물을 형성하는 단계;
    필라멘트 상에서 상기 탄탈륨 요오드를 분해하고, 상기 피드 물질에 비하여 텅스텐 또는 몰리브덴 중 그 양이 감소된 적어도 하나를 포함하는 고 순도 탄탈륨을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 순도 탄탈륨 제조방법.
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  15. 전체 금속 불순물이 중량으로 500ppm 미만이고, 니오븀이 중량으로 50ppm미만이며, 텅스텐이나 몰리브덴이 중량으로 50ppm미만인 고순도 탄탈륨을 함유하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 블랭크.
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  31. 탄탈륨 및 적어도 하나의 불순물을 포함하는 물질을 요오드 가스와 반응시키는 단계;
    탄탈륨 요오드 및 상기 적어도 하나의 불순물 요오드를 포함하는 반응 생성뭍을 형성하는 단계;
    분별 증류에 의하여 상기 반응 생성물로부터 상기 탄탈륨 요오드의 적어도 소정 부분을 분리하는 단계; 및
    필라멘트 상에서 분리된 탄탈륨 요오드를 분해하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 순도 탄탈륨을 제조하는 방법.
  32. 금속 불순물이 중량으로 총 500ppm 미만이고, 텅스텐과 몰리브덴이 중량으로 총 5ppm미만, 산소가 중량으로 100ppm미만이며, 우라늄과 토륨 각각이 중량으로 10ppm미만인 고순도 탄탈륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 블랭크.
  33. 금속 불순물이 중량으로 총 500ppm 미만이고, 텅스텐과 몰리브덴이 중량으로 총 2ppm미만, 산소가 중량으로 25ppm미만인 탄탈륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 블랭크.
  34. 금속 불순물이 중량으로 총 500ppm 미만이고, 니오븀이 중량으로 50ppm미만이며, 텅스텐 또는 몰리브덴이 중량으로 50ppm미만인 탄탈륨을 함유하는 것을 특징으로 하는 탄탈륨 재료.
  35. 제 34항의 탄탈륨 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  36. 탄탈륨과, 중량으로 5ppm 미만의 텅스텐 또는 몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  37. 알루미늄을 포함하는 모든 금속 불순물들이 중량으로 500ppm 미만이고, 니오븀이 중량으로 50ppm미만이며, 텅스텐이나 몰리브덴이 중량으로 50ppm미만인 고 순도 탄탈륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 블랭크.
  38. 제 15항 또는 제 37항에 있어서, 중량으로 1ppm미만인 황을 포함하는 것을 특징으로 하는 블랭크.
  39. 제 15항 또는 제 37항에 있어서, 상기 모든 금속 불순물들은 칼슘과 주석을 포함하는 고순도 탄탈륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 블랭크.
  40. 제 15항 또는 제 37항에 있어서, 상기 모든 금속 불순물들은 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 블랭크.
  41. 탄탈륨, 중량으로 500ppm 미만인 모든 금속 불순물들, 중량으로 50ppm 미만인 니오븀, 및 중량으로 50ppm미만인 텅스텐이나 몰리브덴을 포함하는 고 순도 탄탈륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉곳 또는 분말.
  42. 탄탈륨, 중량으로 500ppm 미만인 모든 금속 불순물들, 중량으로 5ppm 미만인 텅스텐이나 몰리브덴을 포함하는 잉곳 또는 분말.
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