KR100807525B1 - 규화철 분말 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

가스 성분인 산소가 1500 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 규화철 분말 및 산화철을 수소로 환원하여 철분말을 만들며, 이 철분말과 Si 분말을 비산화성 분위기 중에서 가열하여 주로 FeSi로 이루어진 합성 분말을 만들며, 또 다시 Si 분말을 첨가 혼합하여 비산화성 분위기에서 가열하여 주로 FeSi2로 이루어진 규화철 분말을 제조하는 방법. 규화철 분말에 포함되는 가스 성분인 산소가 적고 분쇄가 용이하며, 따라서 분쇄가 불량인 경우에 따른 불순물의 혼입이 적으며, 또한 규화철 분말의 비표면적이 크고, 소결하는 시에 밀도를 올리는 것이 가능한 규화철 분말을 얻는 것을 과제로 한다.
규화철 분말 제조방법

Description

규화철 분말 및 그 제조방법{IRON SILICIDE POWDER AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF}
이 발명은, 규화철(珪化鐵) 분말 및 규화철 분말의 제조방법에 관한 것이며, 특히 천이형(遷移型) 반도체 특성을 갖는 광통신용 소자나 태양 전지용 재료로서 사용되는 βFeSi2 박막의 형성에 사용하기 위한 스퍼터링 타겟트의 제조에 가장 적합한 규화철 분말 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래, LSI용 반도체 재료로서는, 실리콘이 가장 인기 있는 재료이지만, 광통신용(LE/LED)으로서는 인듐·인, 갈륨·비소 등의 화합물 반도체가 사용되고 있다.
그러나, 인듐은 자원 수명이 극히 적고, 20년 정도가 채굴 가능 년수로 전해지고 있으며, 또한 비소는 주지하는 바와 같이 독성이 강한 원소이다. 이러한 것으로부터, 현재 광범위하게 사용되고 있는 광통신용 반도체 재료는 사용상에 큰 문제가 있다고 말하지 않을 수 없다.
특히, 제품 수명이 짧은 휴대전화에 사용되고 있는 갈륨·비소의 반도체 소자는 강한 독성을 가지는 비소가 있기 때문에, 이들의 폐기 처리가 큰 문제로 되고 있다.
이러한 정황에 있어서, βFeSi2 가 천이형 반도체 특성을 가지는 것을 알았으며, 바람직한 광통신용 소자나 태양 전지용 재료이다 라고 하는 지적이 되고 있다. 이 βFeSi2 의 큰 이점은, 어느 것이나 지구상에서 대단히 풍부한 재료이라는 것, 또한 독성 등의 염려가 전혀 없다는 것이다. 이러한 것으로부터, 이들의 재료는 지구 환경에 좋은 재료로 불려지고 있는 것이다.
그러나, 이 βFeSi2 도 문제가 없는 것은 아니며, 그것은 현재의 시점에 있어서, 인듐·인, 갈륨·비소 등의 화합물 반도체에 필적될 만한 고품질의 재료로 제작하기 위한 기술이 확립되어 있지 않다는 것이다.
현재, FeSi2 박막을 형성하는 기술로서는, Fe 타겟트를 스퍼터링하여 Si 기판 상에 Fe막을 형성하며, 그 후 성막한 Si 기판을 가열하는 것에 의해 기판 재료인 Si와 Fe막과의 사이에서 시리사이드화 반응을 일으켜, βFeSi2를 형성하는 기술이 제안되고 있다.
그러나, 이 방법으로는 성막 시 및 아니링 시에 기판을 장시간, 고온으로 가열할 필요가 있기 때문에 디바이스 설계에 제한이 있으며, 또한 시리사이드화 반응이 기판으로 부터 Si의 확산에 의하기 때문에 두꺼운 βFeSi2 막을 형성하는 것이 곤란하다라는 문제가 있다.
이 방법에 유사한 방법으로서, 기판을 Fe와 Si가 반응하는 온도, 즉, 470℃로 유지하면서, Si 기판 상에 Fe를 퇴적해 가는 방법도 제안되고 있지만, 상기와 동일한 문제가 있다.
또한 기타의 방법으로서, Fe 타겟트와 Si 타겟트를 별개로 스퍼터링 하는 수법, 즉, 코 스퍼터법에 의해 Fe층과 Si층을 여러 층으로 적층시켜, 이것을 가열하는 것에 의해 시리사이드화 반응을 일으켜서 βFeSi2 막을 형성하는 것도 제안되고 있다.
그러나, 이 방법에서는 스퍼터 공정이 복잡하게 되며, 또한 막의 두꺼운 방향의 균일성을 콘트롤하는 것이 어렵다라는 문제가 있다.
상기의 방법은, 어느 것이나 Si 기판 상에 Fe를 성막한 후에 아니링 하는 것을 전제로 하고 있지만, 장시간의 고온에서 가열하는 이들의 방법에 있어서는, 막 상(膜狀)으로 형성되어 있던 것이, 아니링의 진행과 함께 βFeSi2가 도상(島狀)으로 응집한다는 문제도 지적되고 있다.
더욱이, 상기의 방법에서는, Fe 타겟트는 강자성체이므로, 마그네트론 스퍼터가 곤란하여, 큰 기판에 균일한 막을 형성하는 것이 곤란하다. 따라서, 그 후의 시리사이드화에 의해 조성의 격차가 적고, 균일한 βFeSi2 막을 얻는 것은 가능하지 않았다.
또한, Fe와 Si의 블록을 소정의 면적비로 배치한 타겟트(모자이크 타겟트)의 제안도 있었지만, Fe와 Si의 스퍼터 레이트가 크게 다르기 때문에 소정의 막 조성을 큰 기판에 성막하는 것은 곤란하며, 더욱이 Fe와 Si의 접합 계면에서의 아킹이나 파티클 발생을 피할 수 없었다.
종래, FeSi2를 사용하는 기술로서는, FeSi 입자의 핵입자에 소정의 중량비의 Si 입자를 피복시켜 캡슐 입자를 형성하며, 이 캡슐 입자의 분말 집합체를 통전(通電) 소결하여, FeSi2의 금속 간 화합물을 생성시키는 열전(熱電)재료의 제조방법에 관한 기술이 개시되어 있다(예를 들면, 일본국 특개평 5-283751호 공보 참조).
또한, Fe 분말과 Si분말을 포함하는 원료 분말을 분쇄 혼합하는 공정과, 분쇄 혼합된 분말을 성형하는 공정과, 성형된 재료를 소결하는 공정으로부터 이루어진 βFeSi2의 제조방법이 개시되어 있다(예를 들면, 일본국 특개평 6-81076호 공보 참조).
또한, 페로 실리콘과 철 분말을 혼합하여, 이어서 소결온도 900∼1100℃의 불활성 분위기에서 가압 소결하는 철 시리사이드 열전 재료의 제조방법이 개시되어 있다(예를 들면, 일본국 특개평 7-162041호 공보 참조).
또한, 불활성 가스에서 제트 밀 분쇄하여 얻은 미분쇄 분말에 소정량의 천이금속 분말을 혼합하는 것에 의해, 잔류 산소량이 적고 평균 입경 수 ㎛ 이하의 미 분말이 용이하게 얻어지며, 더욱이, 스프레이 드라이어 장치에 의해 스프레이 조립(造粒)한 후, 프레스, 소결하는 것에 의해 FeSi2계 열전 변환 소자용 원료 분말의 제조방법이 개시되어 있다(예를 들면, 일본국 특개평 10-12933호 공보 참조).
더욱이 또한, 입경이 나노 미터 오더의 금속 시리사이드 반도체 입자인 β- 철 시리사이드 반도체 소자가 다결정 실리콘 중에 입자 상으로 분산된 금속 시리사이드 발광 재료가 개시되어 있다(예를 들면, 일본국 특개 2000-160157호 공보 참 조).
(발명의 개시)
본 발명은, 상기의 문제를 해결하기 위해서, 규화철 분말에 포함되는 가스 성분인 산소가 적고 분쇄가 용이하며, 따라서, 분쇄가 불량인 경우에 따른 불순물의 혼입이 적고, 또한 규화철 분말의 비표면적이 크며, 소결 시에 밀도를 향상시키는 것이 가능하며, 더욱이 소결에 의해 얻어진 타겟트에 의한 스퍼터 성막 시에 있어서 βFeSi2의 후막화(厚膜化)가 가능하며, 또한, 스퍼터링 시의 파티클의 발생이 적으며, 유니포미티(uniformity)와 막 조성이 균일하며, 스퍼터 특성이 양호한 타겟트를 안정되게 제조할 수 있는 규화철 분말 및 그 방법을 얻는 것을 과제로 한다.
본 발명은,
1. 가스 성분인 산소가 1500 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 규화철 분말
2. 가스 성분인 산소가 1000 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 규화철 분말
3. 비표면적이 0.15 ㎡/g 이상인 것을 특징으로 하는 상기 1 또는 2 기재의 규화철
분말
4. 비표면적이 0.6 ㎡/g 이상인 것을 특징으로 하는 상기 1 또는 2 기재의 규화철
분말
5. 분말의 결정 구조가 실질적으로 ζα상(相)이거나 또는 주요상이 ζα상(相)인 것
을 특징으로 하는 상기 1∼4의 각각에 기재된 규화철 분말
6. 가스 성분을 제외한 불순물이 500 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 상기 1∼5의
각각에 기재된 규화철 분말
7. 가스 성분을 제외한 불순물이 50 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 상기 1∼5의
각각에 기재된 규화철 분말
8. 가스 성분을 제외한 불순물이 10 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 상기 1∼5의
각각에 기재된 규화철 분말
을 제공한다.
또한, 본 발명은,
9. 산화철을 수소로 환원하여 철 분말을 만들며, 이 철 분말과 Si 분말을 비산화성
분위기 중에서 가열하여 주로 FeSi로부터 이루어진 합성 분말을 만들며, 또 다
시 Si 분말을 첨가 혼합하여 비산화성 분위기에서 가열하는 것을 특징으로 하는
규화철 분말의 제조방법
10. 산화철을 수소로 환원하여 철 분말을 만들며, 이 철 분말과 Si 분말을 비산화
성 분위기 중에서 가열하여 주로 FeSi로부터 이루어진 합성 분말을 만들며, 또
다시 Si 분말을 첨가 혼합하여 비산화성 분위기에서 가열하는 것을 특징으로
하는 상기 1∼9의 각각에 기재된 규화철 분말의 제조방법
11. 산화철을 수소 환원 할 시에, 600℃ 이하의 수소 기류 중에서 환원하여 비표면
적 0.2 ㎡/g 이상의 철 분말을 만드는 것을 특징으로 하는 상기 9 또는 10 기
재의 규화철 분말의 제조방법
12. 산화철을 수소 환원할 시에, 500℃ 이하의 수소 기류 중에서 환원하여 비표면
적 0.2 ㎡/g 이상의 철 분말을 만드는 것을 특징으로 하는 상기 9 또는 10 기
재의 규화철 분말의 제조방법
을 제공한다.
(발명의 실시의 형태)
본 발명의 규화철 분말은, 특히 언급하지 않는 한 FeSi2의 분자식으로 표시하지만, 이것은, FeSx(x:1.5∼2.5)의 범위를 포함한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 사용하는 규화철 분말은 규화철 및 규화철을 주성분으로 하여 소량의 다른 첨가 원소를 포함하는 분말을 의미하며, 본 발명은 이들을 전부 포함한다.
본 발명의 규화철 분말은, 가스 성분인 산소가 1500 ppm이하, 바람직하게는 1000 ppm 이하이다. 이것에 의해, 규화철 스퍼터링 타겟트 중에 포함되는 산소량을 보다 저감할 수 있는 효과를 갖는다.
타겟트 중의 가스 성분인 산소를 저감시키는 것에 의해, 스퍼터링 시의 파티클의 발생을 억제하며, 유니포미티와 막 조성이 균일한 성막이 가능하게 된다. 가스 성분을 제외한 불순물은 500 ppm 이하, 바람직하게는 50 ppm 이하, 더욱이 바람직하게는 10 ppm 이하로 하며, 순도가 높은 규화철 분말을 얻을 수 있으며, 상기와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 가스 성분이라 함은 정량 분석을 행할 시에 가스 상태로 되어 검출되는 원소를 의미한다.
또한, 규화철 분말의 비표면적을 0.15 ㎡/g 이상, 바람직하게는 0.6 ㎡/g 이상으로 한다. 이것에 의해, 소결에 의해 제조하는 규화철 타겟트의 상대밀도는 90% 이상, 더 나아가 95% 이상으로 하는 것이 가능하다.
이상의 규화철 분말을 사용하는 것에 의해, 타겟트 조직의 평균 결정 입경을 300 ㎛ 이하로, 또는 150 ㎛ 이하로, 더욱이는 75 ㎛ 이하로 하는 것이 가능하게 된다. 이러한 결정 입경이 작은 규화철 타겟트는, 아킹이나 파티클의 발생을 억제하며, 안정된 특성을 갖는 βFeSi2 박막을 제조할 수 있다.
본 발명은, 다시 분말의 결정 구조가 실질적으로 ζα상이든지 또는 주요상이 ζα상인 규화철 분말인 것을 특징으로 한다. 이러한 조성의 규화철 분말을 사용하여 소결체 타겟트를 제조하면, 규화철 타겟트 조직도 동일하게 실질적으로 ζα상이든지 또는 주요상이 ζα상을 갖는 타겟트를 얻을 수 있다.
이와 같은 규화철 타겟트의 경우, 즉, β상(반도체상)에의 상 변태가 억제되어 ζα상이 잔존하는 경우에는, 타겟트에 안정된 바이어스 전압을 인가할 수 있기 때문에, 플라즈마 밀도가 오르기 쉽고 스퍼터 가스 압을 낮게 억제할 수 있으므로, 가스 손상이 적은 양호한 막을 얻을 수 있다는 우수한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 규화철 분말의 제조 시에서는, 일반적으로 제조되고 있는 순도 3N(가스 성분 제외 99.9%) 레벨의 철을, 예를 들면, 습식 정제 프로세스(예를 들면, 이온 교환막, 용매추출, 유기 금속 착체(錯體) 분해, 전해 정제 등의 조합)에서 불순물을 제거하여 5N(가스 성분을 제외) 레벨로 정제한 원료를 사용할 수 있다.
그 구체예를 나타내면, 예를 들면 순도 3N(가스 성분 제외) 레벨의 철을 염산으로 용해하여 이온 교환막·용리법에서 정제하고, 이 고순도 철염 용액을 건고·산화 배소(산소 기류 중에서 가열하는 것이 바람직하다)하여, 산화철(Fe2O3)로 한다. 이것에 의해 4∼5N(가스 성분을 제외) 레벨의 고순도 산화철을 얻을 수 있다. 이상의 고순도 산화철을 얻는 방법에 관해서는, 특히 제한은 없다.
본 발명은, 이러한 고순도 산화철(가스 성분을 제외한 고순도화 된) 원료를 사용하며, 이 산화철을 수소로 환원하여 철 분말을 만들며, 이 철 분말과 Si 분말을 비산화성 분위기 중에서 가열하여 주로 FeSi로 이루어진 합성 분말을 만들며, 더욱이 다시 Si분말을 첨가 혼합하여 비산화성 분위기에서 가열하여 주로 FeSi2로 이루어진 규화철 분말을 제조하는 것이다.
산화철을 수소 환원할 시에는 600℃ 이하, 바람직하게는 500℃ 이하의 수소 기류 중에서 환원하여 비표면적 0.2 ㎡/g 이상의 철 분말을 만들며, 이 철 분말을 사용하여 규화철 분말을 제조하는 것이 바람직하다. 또, 400℃ 이하에서는 환원 시간이 지나치게 걸리기 때문에, 그 이상이 바람직하다.
상기와 같이, 합성을 FeSi 및 다시 FeSi2 로의 2단계로 하는 것에 의해, 발열 반응을 억제하면서 고온(액상이 출현하지 않는 온도)까지 가열 할 수 있기 때문에, 비표면적이 크고(분쇄 양호로 분쇄 시의 불순물 혼입이 적게 된다), 저 산소의 규화철 분말을 용이하게 제조할 수 있다는 현저한 특징을 갖는다. 또, 이것에 의해 소결체 타겟트의 제조도 용이하게 된다.
이상에 의해, ζα(αFe2Si5상 또는 αFeSi2상이라고도 말한다) (금속상)의 잔존율이 높은 미분말이 얻어진다.
이와 같이 하여 얻어진 규화철 미분말은, 핫 프레스, 열간 정수압 프레스 또는 방전 플라즈마 소결법으로 소결하여 타겟트로 하는 것이 가능하다. 소결 시에는 특히 방전 플라즈마 소결법이 바람직하다. 이 방전 플라즈마 소결법에 의하면, 결정립 성장을 억제하며, 고밀도, 고강도의 타겟트를 소성하는 것이 가능하다.
또한, 단시간에 소결되고 급속히 냉각되므로, β상(반도체상)에의 상변태를 억제하며, ζα상(금속상)의 잔존율이 높은 타겟트를 만들 수 있다. 타겟트로서는, 다른 상이 존재하면 스퍼터 레이트가 다르기 때문에, 파티클의 원인으로 되어 바람직하지 않다.
주로, ζα상(금속상) 단상이면, 스퍼터링 시에 타겟트에 안정된 바이어스 전압을 인가할 수 있기 때문에, 플라즈마 밀도가 오르기 쉽고, 스퍼터 가스 압을 낮게 억제할 수 있으므로, 가스 손상이 적은 양호한 막을 얻을 수 있다.
본 발명의 규화철 미분말을 사용하는 것에 의해, 가스 성분을 제거하고, 파티클의 발생이 적고, 유니포미티와 막 조성이 균일하며, 스퍼터 특성이 양호한 스퍼터링 타겟트를 얻을 수 있다.
(실시예 및 비교예)
다음에, 실시예에 관해서 설명한다. 또, 본 실시예는 발명의 일례를 나타내기 위한 것이고, 본 발명은 이것들의 실시예에 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 기술 사상에 포함되는 다른 태양 및 변형을 포함하는 것이다.
(실시예1)
고순도 투명 석영의 관상로(管狀爐)에서 정제한 염화철을 배소하여, 이 산화철을 연속하여 수소 기류 중(수소 유량 20 리터/min), 500℃에서 약 3시간 수소 환원하여 철분말을 만들었다.
이 철분말의 비표면적(BET법에 의함)은 0.62 ㎡/g 이었다. 이 미분말과 순도 5N의 Si 분말(비표면적 1.6 ㎡/g)과를 Fe:Si=1:1의 혼합비로 혼합하여, 진공 중 1350℃(액상이 출현하는 1410℃ 이하)에서 FeSi를 합성하였다.
다음에, Fe:Si=1:2가 되도록 부족분의 Si 분말을 볼 밀에서 혼합 분쇄를 행하였다. 이 혼합 미분쇄 분말을 진공 중 1050℃에서 합성하였다. 이 합성 괴(塊)의 비표면적은 0.6 ㎡/g 이며, 볼 밀에서 극히 용이하게 분쇄 할 수 있었다. 가스 분석(LECO법)의 결과, 이 규화철(FeSi2) 분말의 산소량은 820 ppm이었다.
또, XRD 측정(CuKα선 회석 피크)으로부터 βFeSi2의 메인 피크(2θ=29°)는 관찰되지 않았다.
이 얻어진 규화철 분말을, 그래파이트(graphite)제 다이스에 충전하여 핫 프레스법으로 1150℃, 진공 분위기, 면압 275 kgf/㎠로 2시간 소결하였다. 얻어진 소 결체의 표면을 평면 연삭 선반으로 표면 오염층을 제거하여, φ300mm ×4mm의 규화철 타겟트를 만들었다. 얻어진 타겟트의 상대밀도는 98%의 고밀도가 얻어지며, 또한 소결체의 산소 함유량은 520 ppm으로 되었다.
실시예1의 수소 환원 온도, 원료 철 분말의 비표면적, 합성 공정(2단계), 분쇄성, 얻어진 규화철 분말의 비표면적, 산소 함유량, 소결체 타겟트의 상대밀도, 소결체의 산소 함유량을 각각 표1에 나타낸다.
Figure 112005012034784-pct00001
(실시예2)
고순도 투명 석영의 관상로(管狀爐)에서 정제한 염화철을 배소하여, 이 산화철을 연속하여 수소 기류 중(수소 유량 20 리터/min), 900℃에서 약 3시간 수소 환원하여 철분말을 만들었다.
이 철분말의 비표면적(BET법에 의함)은 0.21 ㎡/g 이었다. 이 미분말과 순도 5N의 Si 분말(비표면적 1.6 ㎡/g)과를 Fe:Si=1:1의 혼합비로 혼합하여, 진공 중 1350℃(액상이 출현하는 1410℃ 이하)에서 FeSi를 합성하였다.
다음에, Fe:Si=1:2가 되도록 부족분의 Si 분말을 볼 밀에서 혼합 분쇄를 행하였다. 이 혼합 미분쇄 분말을 진공 중 1050℃에서 합성하였다. 이 합성 괴의 비표면적은 0.15 ㎡/g 이며, 볼 밀로 용이하게 분쇄 할 수 있었다. 가스 분석(LECO법)의 결과, 이 규화철(FeSi2) 분말의 산소량은 690 ppm이었다.
또, XRD 측정(CuKα선 회석 피크)으로부터 βFeSi2의 메인 피크(2θ=29°)는 관찰되지 않았다.
이 얻어진 규화철 분말을, 그래파이트제 다이스에 충전하여 핫 프레스법으로 1150℃, 진공 분위기, 면압 275 kgf/㎠로 2시간 소결하였다. 얻어진 소결체의 표면을 평면 연삭 선반으로 표면 오염층을 제거하여, φ300mm ×4mm의 규화철 타겟트를 만들었다. 얻어진 타겟트의 상대밀도는 94%의 고밀도가 얻어지며, 또한 소결체의 산소 함유량은 390 ppm으로 되었다.
실시예2의 수소 환원 온도, 원료 철 분말의 비표면적, 합성 공정(2단계), 분쇄성, 얻어진 규화철 분말의 비표면적, 산소 함유량, 소결체 타겟트의 상대밀도, 소결체의 산소 함유량을 각각 표1에 나타낸다.
(실시예3)
고순도 투명 석영의 관상로에서 정제한 염화철을 배소하여, 이 산화철을 연속하여 수소 기류 중(수소 유량 20 리터/min), 650℃에서 약 3시간 수소 환원하여 철분말을 만들었다.
이 철분말의 비표면적(BET법에 의함)은 0.47 ㎡/g 이었다. 이 미분말과 순도 5N의 Si 분말(비표면적 1.6 ㎡/g)과를 Fe:Si=1:1의 혼합비로 혼합하여, 진공 중 1350℃(액상이 출현하는 1410℃ 이하)에서 FeSi를 합성하였다.
다음에, Fe:Si=1:2가 되도록 부족분의 Si 분말을 볼 밀에서 혼합 분쇄를 행하였다. 이 혼합 미분쇄 분말을 진공 중 1050℃에서 합성하였다. 이 합성 괴의 비표면적은 0.51 ㎡/g 이며, 볼 밀로 용이하게 분쇄 할 수 있었다. 가스 분석(LECO법)의 결과, 이 규화철(FeSi2) 분말의 산소량은 815 ppm이었다.
또, XRD 측정(CuKα선 회석 피크)으로부터 βFeSi2의 메인 피크(2θ=29°)는 관찰되지 않았다.
이 얻어진 규화철 분말을, 그래파이트제 다이스에 충전하여 핫 프레스법으로 1150℃, 진공 분위기, 면압 275 kgf/㎠로 2시간 소결하였다. 얻어진 소결체의 표면을 평면 연삭 선반으로 표면 오염층을 제거하여, φ300mm ×4mm의 규화철 타겟트를 만들었다. 얻어진 타겟트의 상대밀도는 99%의 고밀도가 얻어지며, 또한 소결체의 산소 함유량은 490 ppm으로 되었다.
실시예3의 수소 환원 온도, 원료 철 분말의 비표면적, 합성 공정(2단계), 분쇄성, 얻어진 규화철 분말의 비표면적, 산소 함유량, 소결체 타겟트의 상대밀도, 소결체의 산소 함유량을 각각 표1에 나타낸다.
(비교예1)
고순도 투명 석영의 관상로에서 정제한 염화철을 배소하여, 이 산화철을 연속하여 수소 기류 중(수소 유량 20 리터/min), 500℃에서 약 3시간 수소 환원하여 철분말을 만들었다.
이 철분말의 비표면적(BET법에 의함)은 0.6 ㎡/g 이었다. 이 미분말과 순도 5N의 Si 분말(비표면적 1.6 ㎡/g)과를 Fe:Si=1:2의 혼합비로 혼합하여, 진공 중 1050℃(액상이 출현하는 1410℃ 이하)에서 1단계에서 FeSi2를 합성하였다.
이 합성 괴의 비표면적은 0.6 ㎡/g 이며, 볼 밀에 의한 분쇄는 용이하지 않았다. 가스 분석(LECO법)의 결과, 이 규화철(FeSi2) 분말의 산소량은 2500 ppm으로 많았다.
이 얻어진 규화철 분말을, 그래파이트제 다이스에 충전하여 핫 프레스법으로 1150℃, 진공 분위기, 면압 275 kgf/㎠로 2시간 소결하였다. 얻어진 소결체의 표면을 평면 연삭 선반으로 표면 오염층을 제거하여, φ300mm ×4mm의 규화철 타겟트를 만들었다. 얻어진 타겟트의 상대밀도는 93%이며, 또한 소결체의 산소 함유량은 1900 ppm으로 많았다.
비교예1의 수소 환원 온도, 원료 철 분말의 비표면적, 합성 공정(2단계), 분쇄성, 얻어진 규화철 분말의 비표면적, 산소 함유량, 소결체 타겟트의 상대밀도, 소결체의 산소 함유량을 각각 표1에 나타낸다.
(비교예2)
고순도 투명 석영의 관상로에서 정제한 염화철을 배소하여, 이 산화철을 연속하여 수소 기류 중(수소 유량 20 리터/min), 1000℃에서 약 3시간 수소 환원하여 철분말을 만들었다.
이 철분말의 비표면적(BET법에 의함)은 0.08 ㎡/g 이었다. 이 미분말과 순도 5N의 Si 분말(비표면적 1.6 ㎡/g)과를 Fe:Si=1:1의 혼합비로 혼합하여, 진공 중 1350℃(액상이 출현하는 1410℃ 이하)에서 FeSi를 합성하였다.
다음에, Fe:Si=1:2가 되도록 부족분의 Si 분말을 볼 밀에서 혼합 분쇄를 행하였다. 이 혼합 미분쇄 분말을 진공 중 1050℃에서 합성하였다. 이 합성 괴의 비표면적은 0.03 ㎡/g 이며, 볼 밀에 의한 분쇄는 불량이었다. 가스 분석(LECO법)의 결과, 이 규화철(FeSi2) 분말의 산소량은 340 ppm으로 낮았다.
이 얻어진 규화철 분말을, 그래파이트제 다이스에 충전하여 핫 프레스법으로 1150℃, 진공 분위기, 면압 275 kgf/㎠로 2시간 소결하였다. 얻어진 소결체의 표면을 평면 연삭 선반으로 표면 오염층을 제거하여, φ300mm ×4mm의 규화철 타겟트를 만들었다. 얻어진 타겟트의 상대밀도는 89%의 저밀도이며, 또한 소결체의 산소 함유량은 370 ppm으로 낮았다.
비교예2의 수소 환원 온도, 원료 철 분말의 비표면적, 합성 공정(2단계), 분쇄성, 얻어진 규화철 분말의 비표면적, 산소 함유량, 소결체 타겟트의 상대밀도, 소결체의 산소 함유량을 각각 표1에 나타낸다.
(비교예3)
시판의 5N 레벨의 철분말을 사용하였다. 이 철분말의 비표면적(BET법에 의함)은 0.12 ㎡/g 이었다. 이 미분말과 순도 5N의 Si 분말(비표면적 1.6 ㎡/g)과를 Fe:Si=1:2의 혼합비로 혼합하여, 진공 중 1350℃(액상이 출현하는 1410℃ 이하)에서 1단계로 FeSi2를 합성하였다.
이 합성 괴의 비표면적은 0.11 ㎡/g 이며, 볼 밀에 의한 분쇄는 불량이었다. 가스 분석(LECO법)의 결과, 이 규화철(FeSi2) 분말의 산소량은 2300 ppm으로 극히 많았다.
이 얻어진 규화철 분말을, 그래파이트제 다이스에 충전하여 핫 프레스법으로 1150℃, 진공 분위기, 면압 275 kgf/㎠로 2시간 소결하였다. 얻어진 소결체의 표면을 평면 연삭 선반으로 표면 오염층을 제거하여, φ300mm ×4mm의 규화철 타겟트를 만들었다. 얻어진 타겟트의 상대밀도는 93%이며, 또한 소결체의 산소 함유량은 1200 ppm으로 많았다.
비교예3의 수소 환원 온도, 원료 철 분말의 비표면적, 합성 공정(2단계), 분쇄성, 얻어진 규화철 분말의 비표면적, 산소 함유량, 소결체 타겟트의 상대밀도, 소결체의 산소 함유량을 각각 표1에 나타낸다.
(비교예4)
시판의 5N 레벨의 철분말을 사용하였다. 이 철분말의 비표면적(BET법에 의함)은 0.55 ㎡/g 이었다. 이 미분말과 순도 5N의 Si 분말(비표면적 1.6 ㎡/g)과를 Fe:Si=1:2의 혼합비로 혼합하여, 진공 중 1350℃(액상이 출현하는 1410℃ 이하)에서 1단계로 FeSi2를 합성하였다.
이 합성 괴의 비표면적은 0.08 ㎡/g 이며, 볼 밀에 의한 분쇄는 불량이었다. 가스 분석(LECO법)의 결과, 이 규화철(FeSi2) 분말의 산소량은 3200 ppm으로 극히 많았다.
이 얻어진 규화철 분말을, 그래파이트제 다이스에 충전하여 핫 프레스법으로 1150℃, 진공 분위기, 면압 275 kgf/㎠로 2시간 소결하였다. 얻어진 소결체의 표면을 평면 연삭 선반으로 표면 오염층을 제거하여, φ300mm ×4mm의 규화철 타겟트를 만들었다. 얻어진 타겟트의 상대밀도는 91%이며, 또한 소결체의 산소 함유량은 950 ppm으로 많았다.
비교예4의 수소 환원 온도, 원료 철 분말의 비표면적, 합성 공정(2단계), 분쇄성, 얻어진 규화철 분말의 비표면적, 산소 함유량, 소결체 타겟트의 상대밀도, 소결체의 산소 함유량을 각각 표1에 나타낸다.
(비교예5)
시판의 5N 레벨의 철분말을 사용하였다. 이 철분말의 비표면적(BET법에 의함)은 0.58 ㎡/g 이었다. 이 미분말과 순도 5N의 Si 분말(비표면적 1.6 ㎡/g)과를 Fe:Si=1:1의 혼합비로 혼합하여, 진공 중 1350℃(액상이 출현하는 1410℃ 이하)에서 1단계로 FeSi를 합성하였다.
다음에, Fe:Si=1:2가 되도록 부족분의 Si 분말을 볼 밀에서 혼합 분쇄를 행하였다. 이 혼합 미분쇄 분말을 진공 중 1050℃에서 합성하였다.
이 합성 괴의 비표면적은 0.44 ㎡/g 이며, 볼 밀에 의한 분쇄는 양호하였다. 가스 분석(LECO법)의 결과, 이 규화철(FeSi2) 분말의 산소량은 4300 ppm으로 극히 많았다.
이 얻어진 규화철 분말을, 그래파이트제 다이스에 충전하여 핫 프레스법으로 1150℃, 진공 분위기, 면압 275 kgf/㎠로 2시간 소결하였다. 얻어진 소결체의 표면을 평면 연삭 선반으로 표면 오염층을 제거하여, φ300mm ×4mm의 규화철 타겟트를 만들었다. 얻어진 타겟트의 상대밀도는 96%이며, 또한 소결체의 산소 함유량은 3100 ppm으로 많았다.
비교예5의 수소 환원 온도, 원료 철 분말의 비표면적, 합성 공정(2단계), 분쇄성, 얻어진 규화철 분말의 비표면적, 산소 함유량, 소결체 타겟트의 상대밀도, 소결체의 산소 함유량을 각각 표1에 나타낸다.
표1에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 있어서는 규화철 분말 중의 불순물인 산소 함유량이 낮으며, 분쇄가 용이하다는 결과가 얻어졌다. 또한, 분쇄가 용이한 것이기 때문에 장시간의 분쇄를 필요로 하지 않으며, 가스 성분 이외의 불순물도 적다고 하는 우수한 효과를 갖는다. 또한, 비표면적이 크고, 소결에 의한 타겟트의 제조 시에 고밀도의 타겟트가 용이하게 얻어지고 있다는 효과를 갖는다. 이 결과 타겟트의 상대밀도는 어느 것이나 90% 이상, 평균 결정 입경은 300 ㎛ 이하, ζα의 면적율은 70% 이상, 막의 균일성(유니포미티, 3σ)가 양호, 파티클의 발생은 현저하게 낮고, 스퍼터성이 양호하다는 결과가 얻어졌다.
이에 대하여, 비교예는 어느 것이나 규화철 분말 중의 산소 함유량이 높고, 또한, βFeSi2의 비율이 높고, 이 규화철 분말을 사용하여 소결한 타겟트는 파티클의 발생이 현저하며, 박리되기 쉬운 막이 형성되었다. 그리고, 이들은 스퍼터 성막의 품질을 저하시키는 원인으로 되었다.
본 발명의 규화철 분말은, 가스 성분인 산소가 적고 분쇄가 용이하며, 따라서, 분쇄가 불량인 경우에 따른 불순물의 혼입이 적으며, 또한 규화철 분말의 비표면적이 크고, 소결 시에 밀도를 올리는 것이 가능하다는 우수한 효과가 얻어졌다. 또한, 본 발명의 규화철 분말을 사용하여 얻어진 소결체 타겟트를 사용하여 얻은 스퍼터 성막, 즉, βFeSi2의 후막화가 가능하며, 또한 스퍼터링 시의 파티클의 발생이 적고, 유니포미티와 막 조성이 균일하며, 스퍼터 특성이 양호하다는 특징을 가지며, 이와 같은 스퍼터링 타겟트를 안정되게 제조할 수 있는 규화철 분말 및 그 방법을 얻을 수 있다는 현저한 효과를 갖는다.

Claims (12)

  1. 가스 성분인 산소가 1500 ppm 이하, 690ppm 이상이며, 비표면적이 0.6㎡/g 이하, 0.15㎡/g 이상인 규화철 분말의 소결체로 이루어진 스퍼터링 타겟트.
  2. 제1항에 있어서, 천이형 반도체 특성을 가지는 βFeSi2 박막을 스퍼터링에 의해 형성하기 위한 타겟트인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 타겟트 조직의 평균결정 입경이 300㎛ 이하, 75㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟트.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 규화철 분말의 가스 성분을 제외한 불순물이 500ppm 이하, 10ppm 이상인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟트.
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 타겟트의 상대밀도가 90% 이상, 99% 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟트.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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