KR101133029B1 - 고순도 탄탈륨 판재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 용해 주조된 탄탈륨 잉고트 또는 빌렛트에 대해 최종 냉간 압연 후 재결정 소둔을 실시하기 전에, 내부의 국부적인 잔류응력을 제거하기 위해 재결정 온도 이하에서 일정 시간 동안 회복 소둔을 실시하는 것을 특징으로 하는 고순도 탄탈륨 판재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 의하면, 재결정 소둔 온도 이하에서 일정 시간 동안 회복 소둔 과정을 거침으로써, 근상의 모양 발생을 방지하고, 또한 재결정 개시시간이 균일해짐에 따라 결정립의 표준편차가 줄어들게 되어, 탄탈륨 판재의 결정입도가 균일하게 되는 효과가 있다. 예를 들어, 탄탈륨 판재를 스퍼터 타겟으로 이용할 경우, 탄탈륨 판재의 결정립 미세화 및 결정입도의 균일성으로 인해, 아킹이나 파티클의 발생을 억제할 수 있고, 그로 인해 스퍼터 성막의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

고순도 탄탈륨 판재 및 그 제조방법{HIGH PURITY Ta SHEET AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 고순도 탄탈륨 판재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고순도의 탄탈륨(Ta) 원료를 전자 빔으로 용해하여 형성된 탄탈륨 잉곳트 또는 빌렛트에 대해 재결정 소둔을 실시하기 전에, 재결정 온도 이하에서 일정 시간 동안 회복 소둔을 실시함으로써, 탄탈륨 잉곳트 또는 빌렛트의 전 부분에 걸쳐 재결정 개시 시간을 최대한 동일하게 하고, 그로 인해 결정립 미세화 및 결정입도의 균일성을 향상시킬 수 있는 고순도 탄탈륨 판재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근, 일렉트로닉스 분야, 내식성 재료나 장식의 분야, 촉매분야, 절삭?연마재나 내마모성 재료의 제작 등 많은 분야에 금속이나 세라믹스 재료 등의 피막을 형성하는 스퍼터링이 사용되고 있다.

스퍼터링 공정 자체는 상기의 분야에서 잘 알려진 방법이지만, 최근에는 특히 일렉트로닉스의 분야에 있어서, 복잡한 형상의 피막이나 회로의 형성에 적합한 고순도의 탄탈륨(Ta) 스퍼터링 타겟용 판재가 요구되고 있다.

이러한 탄탈륨은, 첨단산업, 재료과학, 신기능성 소재 등의 관점에서 매우 중요한 희귀 금속으로서, 선팽창계수가 작고, 열전도도는 구리와 유사할 정도로 양호하며, 기계적 특성 및 전연성도 우수하고, 또한 금속 중 가장 안정된 양극 산화 피막을 형성하기 때문에, 콘덴서의 재료로서도 매우 적합한 소재이다.

한편, 고순도의 탄탈륨 판재 제조방법은 크게 분말 소결법과 주조 가공법으로 나눌 수 있는데, 분말 소결법은 비교적 형상의 제한이 적고, 주조 공정 대비 낮은 온도에서도 제작이 가능한 반면, 분말의 입도 제어가 어렵다는 단점이 있다.

그리고 일반적인 주조 가공법에 의해 제조되는 탄탈륨 판재는, 탄탈륨 원료를 전자 빔으로 용해한 후 주조한 잉곳트(ingot) 또는 빌렛트에 대해 단조 및 소둔(Annealing) 과정을 행하고, 다시 압연 및 마무리(기계, 연마 등) 가공 공정을 거쳐서 제작되고 있다.

이러한 주조 가공법에 의한 탄탈륨 판재의 제조공정에 있어서, 잉곳트 또는 빌렛트에 대한 열간 단조는 주조 조직을 파괴하고, 기공(氣孔)이나 편석(偏析)을 확산 또는 소실시키게 되며, 이후 행해지는 소둔 과정에 의해 재결정화되면서 조직의 치밀화와 강도를 높일 수 있게 된다.

한편, 용해 주조된 잉곳트 또는 빌렛트는 통상 5mm 정도의 결정 입경을 갖고 있다. 그러나 잉곳트 또는 빌렛트에 대한 단조 및 재결정 소둔 과정을 거치면서, 주조 조직이 파괴되고, 대체로 균일하고 미세한 결정립을 얻을 수 있다.

일반적으로, 탄탈륨 판재를 이용하여 스퍼터링을 실시함에 있어서, 판재의 결정이 미세하고 균일할수록 균일한 성막이 가능하고, 안정된 특성을 갖는 박막을 얻을 수 있게 된다. 따라서 용해 주조된 잉곳트 또는 빌렛트에 대한 종래의 단조, 압연 및 그 후의 소둔 공정을 거치면서 발생되는 타겟의 불균일하고 조대한 결정립 존재는, 스퍼터 레이트(rate)를 변화시키기 때문에 막의 균일성(uniformity)에 영향을 주며, 결국 스퍼터 성막의 품질을 저하시킨다는 문제가 발생하게 된다.

즉, 종래의 일반적인 제조방법에 따라 단조, 압연 및 소둔 공정을 거쳐서 제조된 탄탈륨 판재는 결정립이 너무 조대하고, 또한 소둔 공정에서 완전히 제거되지 못하고 남아있는 잔류응력으로 인해 재결정 개시 시간이 서로 달라지면서 결정입도가 불균일하게 되는 문제가 발생하고 있다. 또한 내부응력이 잔존하는 단조품을 그대로 사용하는 경우에는 품질의 저하를 일으킬 염려도 높아진다.

일반적으로 단조, 압연과 같은 소성가공으로 인해 응력이 발생되고, 국부적으로 응력이 집중된 부위에서 전위 셀의 형성으로 인해 핵 생성의 발생속도가 다른 부위에 비해 좀 더 빨라지게 된다. 이처럼 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 소둔(Annealing) 방식은 회복 구간에서의 지속적인 온도 상승으로 인해 전체적으로 내부응력은 제거될 수 있으나, 응력 분포의 균일성은 떨어지게 된다. 이러한 불균일한 응력 분포로 인해 한쪽 부위에서 응력이 제거되는 동안에도 다른 한쪽에서는 이미 재결정이 시작되어, 최종적으로는 불균일한 조직이 형성될 가능성이 높아진다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 용해 주조된 고순도의 탄탈륨 잉곳트 또는 빌렛트에 단조, 소둔, 압연 등의 공정을 통해 탄탈륨 판재를 제조함에 있어서, 결정립 미세화 및 결정입도의 균일도가 우수한 고순도 탄탈륨 판재 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 고순도 탄탈륨 판재의 제조방법은, 용해 주조된 탄탈륨 잉고트 또는 빌렛트에 대해 최종 냉간 압연 후 재결정 소둔을 실시하기 전에, 내부의 국부적인 잔류응력을 제거하기 위해 재결정 온도 이하에서 일정 시간 동안 회복 소둔을 실시하는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에서, 상기 회복 소둔은 873K ~ 1073K의 온도에서 20분 ~ 40분 동안 실시되는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에서, 상기 최종 냉간 압연 후 실시되는 재결정 소둔은 1173K ~ 1573K의 온도에서 실시되는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명은 상기 회복 소둔을 실시하기 전에, 탄탈륨 잉고트 또는 빌렛트를 냉간 단조 후 재결정 소둔 하는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 탄탈륨 판재는, 평균 결정 입경이 50㎛ 이하이고, 결정립의 표준편차가 15 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 고순도 탄탈륨 판재 및 그 제조방법에 의하면, 재결정 소둔 온도 이하에서 일정 시간 동안 회복 소둔 과정을 거침으로써, 근상의 모양 발생을 방지하고, 또한 재결정 개시시간이 균일해짐에 따라 결정립의 표준편차가 줄어들게 되어, 탄탈륨 판재의 결정입도가 균일하게 되는 효과가 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고순도 탄탈륨 판재 및 그 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 탄탈륨 판재의 제조방법은 다음과 같은 공정으로 진행된다.

우선, 재활용 스크랩을 정련하여 4N ~ 5N급 이상의 고순도 탄탈륨(Ta) 원료를 제작하고, 상기 탄탈륨 원료를 전자 빔 등으로 용해?주조하여, 잉곳트나 빌렛트의 형태로 만든다. 상기와 같은 방식으로 제작된 탄탈륨 잉곳트 또는 빌렛트를 냉간 단조, 냉간 압연, 소둔, 마무리 가공 등 일련의 가공을 행하게 되는데, 다음의 순서로 가공 과정이 진행된다.

탄탈륨 잉곳트 또는 빌렛트에 대해 냉간 단조 공정을 거친 후, 1173K ~ 1573K의 온도에서 재결정 소둔을 행한다.

그리고 다시 냉간 단조 공정을 거친 후, 1173K ~ 1573K의 온도에서 재결정 소둔을 행한다.

이후, 냉간 압연 공정을 거친 후, 873K~ 1073K의 온도에서 회복 소둔 공정을 거친다.

그리고 마지막으로 1173K ~ 1573K의 온도에서 재결정 소둔 공정과 마무리 가공 공정을 통해 탄탈륨 판재가 제작된다.

일반적으로 결정립 미세화를 이루기 위해서는 탄탈륨 잉고트 또는 빌렛트에 대해 매우 많은 소성 가공이 가해져야 하는데, 소성가공 중간에 재결정 소둔을 하지 않고 한번에 가공률(단조, 압연)을 많이 주게 되면 응력집중에 의해 내부 균열이나 크랙이 발생할 위험성이 높다. 따라서 본 발명에서는, 일정량 단조 가공을 통해 결정립을 작게 한 다음, 응력 제거 및 재결정 처리를 위한 재결정 소둔을 실시하고, 다시 2차적인 단조 가공을 통해 결정립을 더 미세화 시킨 후 재결정 소둔을 실시하는 과정을 반복한다. 다만, 냉간 단조 후 재결정 소둔을 반복할수록 더욱 미세한 결정립을 얻을 수 있을 것이나, 그에 따른 시간 및 비용 증가가 따르게 될 것이다.

따라서 본 발명에서는 상기 회복 소둔을 실시하기 전에, 더욱 상세하게는 냉간 압연 공정을 거치기 전에, 결정립 미세화를 위해 탄탈륨 잉고트 또는 빌렛트에 대해 냉간 단조 후 재결정 소둔 하는 공정을 적어도 2회 반복 실시되도록 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 회복 소둔 전에 실시되는 재결정 소둔 및 회복 소둔 후에 실시되는 마지막 재결정 소둔은, 1173K ~ 1573K의 온도 범위내에서 실시되는 것이 바람직하다. 1173K 이하의 온도에서는 재결정이 일어나지 않고 단지 응력제거를 통해 기계적 성질의 회복만을 가져올 수 있을 뿐이고, 최소한 1173K 이상의 온도에서 재결정을 위한 핵생성이 시작이 되기 때문이다. 또한 1573K 이상의 온도에서 재결정 소둔이 실시되면 재결정 조직이 너무 조대해질 염려가 있다.

이처럼 재결정 소둔은 1173K ~ 1573K의 온도 범위내에서 실시되는 것이 바람직하고, 특히 열처리를 하기 전 시편의 응력 분포 상태와 가공률(단조, 압연)에 따라 적절한 재결정 소둔의 온도가 달라질 수 있다.

그리고 이러한 마지막 재결정 소둔을 진행하기 전에 행해지는 회복 소둔은 재결정 온도 이하인 873K ~ 1073K의 온도 범위내에서 실시되는 것이 바람직하다. 873K ~ 1073K의 온도가 소재에 남아있는 잔류응력만을 균일하게 제거하기에 적절한 온도이고, 873K 이하에서는 전체적으로 응력제거가 어려워질 수 있으며, 1073K 이상에서는 응력제거뿐만 아니라 국부적인 부위에서 핵생성이 일어날 염려가 있기 때문이다.

한편, 상기 회복 소둔은 20분 ~ 40분 동안 진행되는 것이 바람직하다. 회복 소둔 시간이 20분 이하일 경우에는 분포되어 있는 잔류응력을 제거하는 데 있어서 충분한 시간이 되지 않기 때문에 균일한 잔류응력 제거의 효과를 보기가 어렵다. 그리고 회복 소둔 시간이 40분 이상이 되면 잔류응력은 어느 정도 균일하게 제거가 되지만, 너무 장시간 유지로 인해 소재 일부의 국부적인 부위에서 핵생성이 발생할 가능성이 높아지게 되어, 이후 실시되는 마지막 재결정 소둔 시 이러한 핵생성이 일어난 부위에서 재결정이 다른 부위보다 더 빨리 진행될 수 있고, 결국 재결정 생성시간이 달라지게 되어 입도의 균일성이 나빠질 수 있게 된다.

상기와 같이 마지막 재결정 소둔을 행하기 전에 873K ~ 1073K의 온도에서 20분 ~ 40분 동안 회복 소둔을 실시하게 되면, 도 2에 도시된 바와 같이, 재결정 온 도 이하의 영역에서 일정 시간 유지를 함으로써 국부적인 응력 제거를 위한 회복 과정을 거치게 되어, 재결정(핵생성)되는 개시 시간을 최대한 동일하게 할 수 있고, 그로 인해 보다 균일한 조직의 형성을 가능하게 할 수 있게 된다.

한편, 탄탈륨 판재를 스퍼터링 타겟으로 응용할 경우, 요구되는 입도 사이즈 범위가 달라지게 되고, 스퍼터링이 주로 적용되는 반도체 공정에서 반도체 소자들이 갈수록 소형화 되고 있는 만큼 그에 대응하여 스퍼터링 타겟에서도 미세하고 균일한 결정립이 형성될 필요가 있다.

예를 들어, 스퍼터링 타겟이 Cu 배선 소자의 확산방지막으로 사용되는 경우, 반도체 소자의 소형화에 따라 더욱 미세한 두께의 확산방지막이 요구되고 있다. 확산방지막이 조밀하고 치밀하지 않으면, 일렉트로 마이그레이션이 발생하여 결국 누설현상으로 제품에 오작동을 발생시키기 때문에, 최대한 미세한 입도가 요구되고, 더욱더 치밀한 막의 형성을 위해 입도의 균일성이 좋아야 한다. 따라서 전술한 과정을 거쳐서 제작된 본 발명에 따른 탄탈륨 판재는, 그 평균 결정 입경이 50㎛ 이하이고, 결정립의 표준편차가 15 ㎛ 이하가 되도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 진행되는 본 발명에 따른 고순도 탄탈륨 판재의 제조방법에 의하면, 단조 및 소둔의 반복을 통해 불균일한 주조 조직을 제거하고, 기공이나 편석을 확산 혹은 소실시키는 것이 가능하며, 다시 이것을 압연하여 재결정 소둔을 통해 재결정화시키게 되고, 이러한 냉간 단조와 재결정 소둔에 의해 조직의 치밀화와 기계적 특성을 높일 수 있을 뿐만아니라, 추가적으로 재결정 소둔 온도 이하에서 회복 소둔 공정을 통해, 종래 기술에서 발생한 근상의 모양을 완전하게 소실시키는 것이 가능하고, 재결정(핵생성)의 개시시간이 균일해짐에 따라 결정립의 표준편차도 줄일 수 있게 된다.

따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 결정립의 표준편차가 12㎛ 이하인 균일한 조직을 갖는 탄탈륨 판재를 얻을 수 있게 된다. 또한 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 고순도 탄탈륨 판재는, 조대한 결정립의 발생을 방지할 수 있고, 막의 균일성을 양호하게 하는 것이 가능하게 된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 고순도 탄탈륨 판재의 제조방법에 관한 실험예를 설명한다.

[실험예 1]

4N(99.995%)의 고순도 탄탈륨 원료를 전자 빔 용해하여, 직경이 60mm이고 두께가 80mm인 탄탈륨 잉곳트를 제작하였다. 그리고 상기 탄탈륨 잉곳트를 냉간 단조한 후, 1373K의 온도에서 약 60분 동안 재결정 소둔을 실시하였다. 이어서 다시 냉간 단조 후, 1373K의 온도에서 약 60분 동안 재결정 소둔을 실시하여 더욱 더 치밀한 조직을 얻을 수 있었다.

다음으로 상기 탄탈륨 잉곳트에 냉간 압연을 실시하여 두께 6mm로 가공하였다. 이어서 1273K의 온도에서 재결정 소둔을 실시함에 있어서, 한번에 재결정 온도까지 올리지 않고, 973K의 온도에서 약 20분 동안 회복 소둔을 실시한 후, 마지막으로 1273K에서 약 60분 동안 재결정 소둔을 실시하였다.

상기와 같은 실험예 1의 공정을 통해 제작된 고순도 탄탈륨 판재는, 결정립 의 크기가 45㎛ 이하로 매우 미세한 조직을 가지고, 또한 결정입도의 표준편차 역시 12㎛ 정도로 우수한 균일성을 가지게 되었다. 도 3에 상기 실험예 1의 공정을 통해 제작된 탄탈륨 판재의 조직 사진이 도시되어 있다.

[실험예 2]

4N(99.995%)의 고순도 탄탈륨 원료를 전자 빔 용해하여, 직경이 60mm이고 두께가 80mm인 탄탈륨 잉곳트를 제작하였다. 그리고 상기 탄탈륨 잉곳트를 냉간 단조한 후, 1373K의 온도에서 약 60분 동안 재결정 소둔을 실시하였다. 이어서 다시 냉간 단조 후, 1373K의 온도에서 약 60분 동안 재결정 소둔을 실시하여 더욱 더 치밀한 조직을 얻을 수 있었다.

다음으로 상기 탄탈륨 잉곳트에 냉간 압연을 실시하여 두께 6mm로 가공하였다. 이어서 1273K의 온도에서 재결정 소둔을 실시함에 있어서, 한번에 재결정 온도까지 올리지 않고, 973K의 온도에서 약 40분 동안 회복 소둔을 실시한 후, 마지막으로 1273K에서 약 60분 동안 재결정 소둔을 실시하였다. 즉, 본 실험예 2는 상기 실험예 1의 조건에서 회복 소둔의 시간만 40분으로 변경하였고, 나머지 조건은 모두 동일하게 진행하였다.

상기와 같은 실험예 2의 공정을 통해 제작된 고순도 탄탈륨 판재는, 결정립의 크기가 55㎛ 이하로 미세한 조직을 가지고, 또한 결정입도의 표준편차 역시 15㎛ 정도로 우수한 균일성을 가지게 되었다.

[비교 실험예]

상기 실험예 1 및 실험예 2는 본 발명에 따른 고순도 탄탈륨 판재의 제조방 법에 따라 마지막 재결정 소둔 전에 회복 소둔을 시간을 달리하여 시행한 실험예인데 반해, 본 비교 실험예는 상기 실험예 1 및 실험예 2와 대조를 하기 위해 실시한 실험예로서 회복 소둔 공정을 거치지 않은 것이 특징이다.

4N(99.995%)의 고순도 탄탈륨 원료를 전자 빔 용해하여, 직경이 60mm이고 두께가 80mm인 탄탈륨 잉곳트를 제작하였다. 그리고 상기 탄탈륨 잉곳트를 냉간 단조한 후, 1373K의 온도에서 약 60분 동안 재결정 소둔을 실시하였다. 이어서 다시 냉간 단조 후, 1373K의 온도에서 약 60분 동안 재결정 소둔을 실시하여 더욱 더 치밀한 조직을 얻을 수 있었다.

다음으로 상기 탄탈륨 잉곳트에 냉간 압연을 실시하여 두께 6mm로 가공하였다. 이어서 마지막으로 1273K에서 약 60분 동안 재결정 소둔을 실시하였다.

이상의 공정에 의해, 평균입도가 60㎛ 정도로 상대적으로 조대한 결정립이 생성되었고, 결정입도의 표준편차 역시 20㎛ 정도로 상대적으로 불균일한 조직이 관찰되었다.

상기 실험예 1 및 실험예 2, 그리고 비교 실험예에 의해 제작된 고순도 탄탈륨 판재의 평균입도 및 표준편차 데이터를 아래의 표 1에 정리하였다.

	실험예 1	실험예 2	비교 실험예
평균입도	45㎛	55㎛	60㎛
표준편차	12㎛	15㎛	20㎛

상기 표 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 다른 모든 조건을 동일하더라도 회복 소둔 공정의 실시 여부에 따라 탄탈륨 판재의 결정립 크기 및 결정입도의 표준편차에 큰 차이가 발생함을 알 수 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 일반적인 고순도 탄탈륨 판재의 제조방법에 따른 소둔 과정을 나타내는 그래프.

도 2는 본 발명의 고순도 탄탈륨 판재 제조방법에 따른 소둔 과정을 나타내는 그래프.

도 3은 본 발명의 고순도 탄탈륨 판재 제조방법에 따라 최종 압연 가공을 거친 후, 회복 소둔(20분)과 열처리 소둔을 실시하여 얻은 4N(9.9995%)급 탄탈륨 판재를 나타내는 전자현미경(SEM) 조직사진(x600).

Claims (14)

1. 4N ~ 5N급의 고순도 탄탈륨 원료를 전자 빔으로 용해 및 주조하여 탄탈륨 잉고트 또는 빌렛트를 제조하는 제1 단계;

   상기 제1 단계에서 제조된 탄탈륨 잉고트 또는 빌렛트에 대해 냉간 단조 후 1173K ~ 1573K의 온도에서 재결정 소둔 공정을 적어도 2회 반복하는 제2 단계;

   상기 제2 단계에서 재결정 소둔 공정을 반복한 탄탈륨 잉고트 또는 빌렛트에 대해 최종 냉간 압연을 거치는 제3 단계;

   상기 제3 단계에서 최종 냉간 압연을 거친 탄탈륨 잉고트 또는 빌렛트에 대해 873K ~ 1073K의 재결정 온도 이하에서 20분 ~ 40분 동안 회복 소둔을 실시하여 내부의 국부적인 잔류응력을 제거하는 제4 단계; 및

   상기 제4 단계에서 회복 소둔을 실시한 탄탈륨 잉고트 또는 빌렛트에 대해 1173K ~ 1573K의 온도에서 재결정 소둔을 실시하는 제5 단계;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고순도 탄탈륨 판재의 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제

Images