KR101500108B1 - 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟 및 이의 제조방법 - Google Patents

미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 미세 결정입자를 가지면서 가스 함량이 조절된 스퍼터링용 탄탈럼 타겟 및 이의 제조방법에 대한 것이다.

Description

미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟 및 이의 제조방법{TANTALUM SPUTTERING TARGET WITH A FINE GRAIN SIZE AND METHOD OF PREPARING THE SAME}
본 발명은 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 미세 결정입자를 가지면서 가스 함량이 조절된 스퍼터링용 탄탈럼 타겟 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 칩 내 트랜지스터, 축전지, 저항, 다이오드 등의 소자를 구동하기 위한 주배선은 구리(Cu)로 되어 있다. 그런데, 반도체 소자에 구리 배선을 형성할 때 반도체 소자에 직접 구리를 형성하면, 구리가 반도체 소자로 확산되어 반도체 특성이 저하된다. 이를 방지하기 위해, 반도체 소자에 확산 배리어막을 미리 형성하고 그 위에 구리 배선을 형성하고 있다.
반도체 소자의 확산 배리어막으로서, 탄탈륨(Ta), 질화 탄탈륨(TaN)이 사용되고 있다. Ta 또는 TaN은 융점이 높고, 열역학적으로 안정하기 때문에 고온에서 Cu와 반응을 잘 일으키지 않는다. 따라서, Ta 또는 TaN 확산 배리어막은 구리와 기판 사이에서 구리가 기판으로 확산되지 않도록 구리의 확산을 방지한다. 이러한 Ta 또는 TaN 확산 배리어막은 Ta 타겟을 이용하여 아르곤(Ar)과 질소(N2)의 혼합가스 분위기하에서 스퍼터링을 통해 형성된다.
일반적으로 Ta 타겟은 주조 후 압연이나 단조 공정을 통해 제조하는 주조법에 의해 제조된다. 다만, 이러한 방법을 통해 제조된 Ta 타겟의 경우, 결정입자가 조대(粗大)하고, 균일하지 못하였다. 게다가, 이러한 Ta 타겟은 다량의 불순물이나 가스를 함유하고 있다. 따라서, 종래 주조법을 통해 제조된 Ta 타겟을 이용할 경우, 장시간 성막시 플라즈마가 불안정한 상태가 되고, 다량의 파티클(particle)이 발생하여 성막하는 소자를 오염시켰다. 따라서, 결정입자의 크기, 순도 및 가스 함량을 제어할 수 있는 새로운 Ta 타겟 제조방법의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 타겟의 결정입자 크기, 순도 및 가스 함량을 제어할 수 있는 Ta 타겟의 제조방법과 이러한 방법에 의해 제조된 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼(Ta) 타겟을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 탄탈럼(Ta) 분말을 가압 성형하여 제1 성형체를 형성하는 단계; 상기 제1 성형체를 냉간 등방압 성형(cold isostatic pressing)하여 제2 성형체를 형성하는 단계; 상기 제2 성형체를 무가압 상태에서 소결하여 소결체를 형성하는 단계; 상기 소결체를 압연하여 압연재를 형성하는 단계; 상기 압연재를 진공 열처리하여 진공 열처리재를 형성하는 단계; 및 상기 진공 열처리재를 레벨링(leveling)하는 단계를 포함하는 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟의 제조방법을 제공한다.
상기 소결체 형성 단계에서, 상기 제2 성형체 하나 이상을 한번의 작업으로 동시에 소결할 수 있다.
또한, 본 발명은 평균 결정입자의 직경이 30 ~ 50 ㎛ 이고, 순도가 99.995 ~ 99.999 %이며, 산소 함량이 50 ppm 이하이고, 탄소 함량이 30 ppm 이하이며, 상대밀도가 99% 이상인 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟을 제공한다.
본 발명에 따른 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 Ta 타겟의 제조방법은 가압 성형 및 냉간 등방압 성형하여 얻은 성형체를 무가압 상태에서 소결함으로써, 결정입자의 크기를 균일하고 미세하게 제어하면서, 불순물 및 가스 함량을 낮출 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명은 하나 이상의 성형체를 한번의 작업으로 동시에 무가압 소결할 수 있기 때문에, 공정 시간 및 제조 원가를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 결정입자를 갖는 Ta 타겟의 제조방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 미세 결정입자를 갖는 Ta 타겟의 EBSD(Electron BackScattered Diffraction) 사진이다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명은 가압 성형 및 냉간 등방압 성형하여 얻은 성형체를 무가압 상태에서 소결함으로써, 결정입자의 크기가 균일하고 미세하게 제어되면서, 불순물 및 가스 함량이 낮은 스퍼터링용 Ta 타겟을 제조하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 의해 제조된 Ta 타겟은 균일한 미세 결정입자를 갖고, 가스 함량이 낮으며, 순도가 높기 때문에, 장시간 성막시 플라즈마 상태가 안정적이며, 파티클 발생량이 적어 소자의 오염을 최소화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 Ta 타겟의 제조방법을 개략적으로 도시한 순서도로서, 도 1을 참조하여 본 발명을 설명한다.
먼저, Ta 분말을 가압 성형하여 제1 성형체를 형성한다 (S100).
일례로, 상기 S100 단계에서는 Ta 분말을 성형 몰드에 장입한 다음, 장입된 Ta 분말이 일정한 높이를 갖도록 수평 작업하고, Ta 분말이 장입된 성형 몰드에 프레스기를 이용하여 가압 성형한다.
본 발명에서 사용되는 Ta 분말의 순도는 특별히 한정되지 않으나, 순도가 너무 낮으면, 최종 Ta 타겟을 이용하여 성막시 파티클이 발생할 수 있다. 따라서, 순도가 약 99.995 % 이상인 Ta 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 이에, 본 발명에서는 S100 단계 이전에 Ta 분말을 ICP(Inductively Coupled Plasma) 또는 GDMS(Glow Discharge Mass Spectrometry)로 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
또, 상기 Ta 분말의 입도는 특별히 한정되지 않으나, 입도가 너무 클 경우, 최종 타겟의 결정입자 크기가 조대화될 수 있고, 소결시 분말 간의 확산이 어려워져서 밀도가 낮아질 수 있다. 따라서, 입도가 20 ㎛ 이하, 바람직하게는 1 ~ 20 ㎛, 더 바람직하게는 5 ~ 20 ㎛, 보다 더 바람직하게는 10 ~ 20 ㎛인 Ta 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 Ta 분말의 가스 함량은 특별히 한정되지 않는다. 다만, Ta 분말의 가스 함량은 최종 Ta 타겟 내 가스 함량에 영향을 미친다. 특히, 전체 가스 중 산소 함량이 1500 ppm 초과이거나, 탄소 함량이 100 ppm 초과일 경우, 무가압 소결 및 진공 열처리를 실시하더라도 최종 Ta 타겟 내 산소 함량을 50 ppm 이하, 탄소 함량을 30 ppm 이하로 감소시키기 어렵다. 따라서, 가스 중에서 산소 함량이 1500 ppm 이하이고, 탄소 함량이 100 ppm 이하인 Ta 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 Ta 분말 내 질소는 50 ppm 이하, 수소는 50 ppm 이하, 황은 50 ppm 이하인 것이 바람직하다.
이러한 Ta 분말은 성형 몰드에 장입된 후 가압 성형된다. 이때, 제1 성형체가 성형 몰드에서 용이하게 분리될 수 있도록, 상기 성형 몰드의 표면에 이형제(Release agent)를 그리스와 함께 도포한 후 Ta 분말을 장입한 다음에 가압 성형하는 것이 바람직하다. 상기 이형제 및 그리스는 유흡착제(예컨대, 유한킴벌리사의 와이프올)에 의해 용이하게 제거될 수 있다. 다만, 이형제를 너무 많이 도포하면, Ta 분말의 장입시 이형제가 Ta 분말과 반응하는 오염원으로 작용할 수 있고, 한편 이형제를 너무 적게 도포하면, 가압 성형 후 성형 몰드에서 제1 성형체를 분리할 때 제1 성형체가 잘 분리되지 않아 제1 성형체에 크랙(crack)이 발생할 수 있다. 따라서, 이형제의 도포 두께를 약 10 내지 100 ㎛ 정도로 조절하여 이형제와 Ta 분말의 반응을 억제하면서 제1 성형체에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
상기 가압 성형시 인가되는 압력은 특별히 한정되지 않으나, 약 100 내지 200 MPa일 경우, 제1 성형체의 상대밀도가 약 50 % 이상, 바람직하게는 약 50 내지 60 %로 조절되어, 성형 몰드의 손상없이 성형 몰드에서 제1 성형체를 용이하게 분리할 수 있을 뿐만 아니라, 분리시 제1 성형체에 크랙 발생을 최소화시킬 수 있다.
선택적으로, 하기 S200 단계 이전에, 상기 S100 단계에서 얻은 제1 성형체의 크랙 유무를 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 성형체의 크랙 유무는 당 업계에 알려진 표면의 크랙 유무를 측정할 수 있는 기기를 이용하여 분석할 수 있다. 상기 표면 크랙 유무를 측정하는 기기의 비제한적인 예로는 저배율 현미경 등이 있다.
이후, 상기 S100 단계에서 형성된 제1 성형체를 냉간 등방압 성형(cold isostatic pressing, CIP)하여 제2 성형체를 형성한다(S200). 상기 S200 단계를 포함함으로써, 상기 제1 성형체보다 상대밀도가 높으면서, 균질한 등방성을 갖는 제2 성형체를 얻을 수 있다. 이로써, 하기 S300 단계에서 소결시 제2 성형체 내 입자간의 결합력이 향상되어 99% 이상의 고밀도인 소결체를 얻을 수 있다.
일례로, 상기 S200 단계는 S100 단계에서 얻은 제1 성형체를 진공 포장한 다음, 진공 포장된 제1 성형체에 균일한 정수압을 가한다. 상기 S200 단계를 거치면, 상기 제1 성형체보다 상대밀도가 높으면서, 균질한 등방성을 갖는 제2 성형체가 제조된다.
상기 S200 단계에서 제1 성형체에 인가되는 압력은 특별히 한정되지 않으나, 1000 내지 2500 bar일 경우, 제2 성형체의 상대밀도가 약 65 % 이상, 바람직하게는 약 67 내지 72 %로 조절되어 성형체의 형성시 휨 증가로 인한 크랙이 발생하지 않을 뿐만 아니라, 제2 성형체의 이송시 크랙이 발생하거나 손상되지 않을 수 있다.
다음으로, 상기 S200 단계에서 얻은 제2 성형체를 무가압 상태에서 소결하여 소결체를 형성한다(S300). 상기 S300 단계를 통해 제2 성형체 내 입자 간에 서로 단단히 밀착되고 고결됨으로써 고밀도화된 소결체가 형성될 수 있다. 또한, 상기 S200 단계는 무가압 상태에서 행해지기 때문에, 제2 성형체 다수를 한번의 작업으로 동시에 소결시킬 수 있어 공정 시간을 단축할 수 있고, 제조 원가를 절감할 수 있다. 여기서, 무가압 상태에서의 소결이란, 가압없이 진공 상태에서 소결하는 것을 의미한다.
상기 S300 단계에서는 당 업계에 알려진 소결 장치를 이용할 수 있으며, 예를 들어 진공 열처리로를 이용할 수 있다. 이때, 탄소의 혼입을 방지하기 위해서, 제2 성형체를 Ta 벌크(Bulk) 또는 Ta 호일(Foil) 위에서 소결하는 것이 바람직하다.
상기 소결 온도 및 시간은 특별히 한정되지 않으나, 약 1800 내지 2100 ℃에서 약 5 ~ 10 시간 동안 소결할 경우, 소결체의 상대밀도가 85 % 이상의 고밀도로 조절되어 압연시 소결체에 크랙 발생을 억제시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 조건으로 소결할 경우, 소결체 내 탄소 함량 증가 없이 전체 가스의 함량이 감소되어, 소결체 내 산소 함량은 약 300 ppm 이하, 탄소 함량은 약 50 ppm 이하, 질소, 수소 및 황의 함량은 각각 약 30 ppm 이하로 조절될 수 있고, 이에 따라 후속 공정을 통해 최종 Ta 타겟 내 산소 함량이 약 50 ppm 이하, 탄소 함량이 약 30 ppm 이하, 질소, 수소 및 황의 함량이 각각 약 20 ppm 이하로 용이하게 조절될 수 있다.
선택적으로, 상기 S300 단계에서 얻은 소결체의 상대밀도가 85 % 미만이거나, 또는 소결체 내 산소 함량이 300 ppm 초과하거나, 혹은 탄소 함량이 50 ppm 초과할 경우, 상기 S300 단계에서 얻은 소결체를 다시 무가압 성형한다. 이때, 소결체 내 가스 함량은 ONH 분석기, CS 분석기 등을 통해 측정할 수 있다.
이어서, 상기 S300 단계에서 얻은 소결체를 압연하여 압연재를 형성한다(S400). 상기 S400 단계를 통해 상기 소결체는 연신 및 소정의 모양으로 소성(塑性) 변형될 수 있다. 여기서, 압연재란, 압연되어 소성 변형된 소결체를 지칭한다.
상기 S400 단계에서는 2단 압연기 등과 같이 당 업계에 알려진 압연기를 이용할 수 있으며, 압연 속도를 제어할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 압연 속도는 특별히 한정되지 않으나, 10 내지 30 m/min일 경우, 크랙의 발생 없이 소결체가 소성 변형되어, 상대밀도를 95 % 이상으로 조절할 수 있고, 이로 인해 최종 Ta 타겟의 상대밀도를 99 % 이상으로 용이하게 조절할 수 있다.
또, 상기 소결체의 압하율(압연율)은 특별히 한정되지 않으나, 약 10 내지 20 %일 경우, 크랙의 발생 없이 소결체의 결정입자 크기를 제어하여 상대밀도를 95 % 이상으로 조절할 수 있다.
또한, 상기 압연 방향은 크랙이 발생되지 않도록 일 방향으로 진행하는 것이 바람직하다.
선택적으로, 상기 S400 단계에서 얻은 압연재의 상대밀도가 95 % 미만일 경우, 상대밀도가 95 % 이상이 되도록 압연재를 다시 압연하는 것이 적절하다. 다만, 압연시 압연재에 발생한 응력을 제거하지 않고 상기 S400 단계에서 얻은 압연재를 그대로 압연할 경우, 크랙 변경율이 높아 크랙이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 S400 단계에서 얻은 압연재의 상대밀도가 95 % 미만일 경우, 상기 압연재를 진공하에서 열처리한 다음 20 % 미만의 압하율로 압연하는 것이 바람직하다. 이로써, 크랙의 발생 없이 압연재의 상대밀도를 95 % 이상으로 조절될 수 있다. 이때, 상기 열처리 온도는 하기 S500 단계의 열처리 온도와 동일하다.
이후, 상기 S400 단계에서 얻은 압연재를 진공하에서 열처리한다(S500). 상기 S500 단계를 통해 Ta의 산화 없이 압연에 의해 물질 내 생성된 응력이 제거될 수 있고, 이로 인해 응력으로 인한 크랙 발생을 억제할 수 있고, 가스 함량도 감소시킬 수 있다. 이때, 진공 열처리된 압연재를 진공 열처리재라 지칭한다.
이러한 S500 단계는 당 업계에 알려진 열처리 장치를 이용할 수 있으며, 예를 들어 진공 열처리로를 이용할 수 있다. 이때, 탄소의 혼입을 방지하기 위해서, 상기 압연재를 Ta 벌크 또는 Ta 호일 위에서 열처리하는 것이 바람직하다.
상기 진공 압력은 특별히 한정되지 않으나, 약 1.0 X 10-5 내지 1.0 X 10-3 torr 일 수 있다.
상기 열처리 온도 및 시간은 특별히 한정되지 않으나, 약 1800 내지 2100 ℃에서 약 5 ~ 10 시간 동안 열처리할 경우, 진공 열처리재의 상대밀도를 99 % 이상으로 조절할 수 있고, 또한 탄소 함량의 증가 없이 전체 가스의 함량을 감소시킬 수 있다. 특히, 진공 열처리재 내 산소 함량을 약 50 ppm 이하, 탄소 함량을 약 30 ppm 이하, 질소, 수소 및 황의 함량을 각각 약 20 ppm 이하로 조절할 수 있다.
만약, 상기 S500 단계에서 얻은 진공 열처리재 내 산소 함량이 50 ppm 초과하거나, 또는 탄소 함량이 30 ppm 초과할 경우, 상기 S500에서 얻은 진공 열처리재를 다시 진공 열처리한다. 이로써, 진공 열처리재 내 산소 함량이 50 ppm 이하, 탄소 함량이 30 ppm 이하로 조절될 수 있다. 상기 진공 열처리재 내 가스 함량은 ONH 분석기, CS 분석기 등을 통해 측정할 수 있다.
다음으로, 상기 S500 단계에서 얻은 진공 열처리재를 레벨링(leveling)한다(S600). 상기 S600 단계를 통해 요철 등이 없는 평탄한 Ta 타겟을 얻을 수 있다.
상기 S600 단계에서는 당 업계에 알려진 압연기 또는 레벨링기라면 특별히 한정없이 사용될 수 있다.
상기 S600 단계에서 진공 열처리재의 압하율은 특별히 한정되지 않으나, 5 % 초과할 경우 압연 방향으로 조직이 길게 변형되는 가공 조직이 발생하여 성막시 박막의 면저항 및 박막 두께가 불균일할 수 있다. 따라서, 약 1 내지 5 %의 압하율로 진공 열처리재를 레벨링하는 것이 바람직하다.
또, 상기 레벨링시 휨은 1 ㎜ 미만으로 제어되는 것이 바람직하다. 만약, 휨이 1 ㎜ 이상이면 Ta 타겟의 본딩시 본딩율 저하로 사용하기 어려울 수 있다.
선택적으로, 상기 S600 단계 이후, 상기 S600 단계에서 얻은 Ta 타겟을 본딩 크기에 맞게 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 와이어 가공법이나 레이저 가공법을 이용하여 Ta 타겟을 가공할 수 있는데, 레이저 가공법의 경우 높은 온도로 인해 타겟이 뒤틀리거나 용융되어 가스 함량이 증가될 수 있기 때문에 와이어 가공법을 이용하는 것이 바람직하다.
이와 같은 제조방법을 통해 얻은 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 Ta 타겟은 평균 결정입자의 직경이 약 30 ~ 50 ㎛이고, 순도가 약 99.995 ~ 99.999 %이며, 산소 함량이 약 50 ppm 이하이고, 탄소 함량이 약 30 ppm 이하이며, 상대밀도가 약 99 % 이상이다. 이러한 Ta 타겟은 HDD, 반도체 메모리(RAM, MRAM, FeRAM), 헤드(MR, TMR), 캐패시터(Capacitor) 등에 사용될 수 있다. 상기 Ta 타겟을 이용하여 스퍼터링할 경우, 장시간 성막하더라도 플라즈마의 상태가 안정적이며, 파티클의 발생없이 Ta 또는 TaN의 막을 형성할 수 있어 소자를 오염시키지 않는다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 이들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
1-1. 제1 성형체 제조
이형재가 도포된 성형 몰드(직경: 130mm, 높이: 60mm)에 2,200 g의 Ta 분말(순도: 99.995 %. 산소 함량: 1200 ppm, 카본 함량: 50 ppm, 질소 함량: 10 ppm, 수소 함량: 15 ppm, 황 함량: 5 ppm, 분말 입도(D): 18 ㎛)을 충진한 다음, 200 MPa의 압력을 가하여 성형하였다. 이때 얻은 제1 성형체의 상대밀도는 50 %이었다.
1-2. 제2 성형체 제조
상기 실시예 1-1에서 얻은 제1 성형체를 진공 포장기로 2중 포장한 다음, 2500 bar의 압력으로 냉간 등방압 성형하였다. 이때 얻은 제2 성형체의 상대밀도는 72 %이었다.
1-3. 소결체 제조
상기 실시예 1-2에서 얻은 제2 성형체를 2000 ℃에서 7 시간 동안 무가압 상태로 소결하였다. 이때 얻은 소결체는 상대밀도가 90 %이었고, 전체 가스 중에서 산소의 함량이 280 ppm이고, 카본의 함량이 50 ppm이며, 질소, 수소 및 황의 함량이 각각 30 ppm 미만이었다.
1-4. 압연재 제조
2단 압연기를 이용하여 상기 실시예 1-3에서 얻은 소결체를 20 m/min의 압연속도 및 20 %의 압하율로 압연하였다. 이때 얻은 압연재의 상대밀도는 97%이고, 압연재에는 크랙(crack) 발생이 없었다.
1-5. 진공 열처리재의 제조
상기 실시예 1-4에서 얻은 압연재를 2000 ℃에서 7 시간 동안 진공 열처리하여 진공 열처리재를 얻었다. 이때 얻은 진공 열처리재는 상대밀도가 99 %이었고, 전체 가스 중에서 산소의 함량이 45 ppm이고, 카본의 함량이 25 ppm이며, 질소, 수소 및 황의 함량이 각각 20 ppm 미만이었다.
1-6. 스퍼터링용 Ta 타겟의 제조
상기 실시예 1-5에서 얻은 진공 열처리재의 휨이 1 ㎜ 미만이 되도록 레벨링기를 이용하여 상기 진공 열처리재를 5 %의 압하율로 레벨링하여 Ta 타겟을 얻었다. 이때 최종적으로 얻은 스퍼터링용 Ta 타겟은 순도가 99.996 %, 결정입자의 평균 직경이 50 ㎛ 이하이었으며, 상대밀도가 99.5 %이었고, 전체 가스 중에서 산소의 함량이 45 ppm이고, 카본의 함량이 25 ppm이며, 질소, 수소 및 황의 함량이 각각 20 ppm 미만이었다. 상기 Ta 타겟의 결정입자 방위를 나타내는 EBSD 사진을 도 2에 나타내었다.
[실험예 1] - 가압 성형 조건에 따른 제1 성형체의 크랙 발생 여부
본 발명에 따라 Ta 타겟 제조시, 가압 성형 조건에 따른 제1 성형체의 크랙 발생 여부 및 상대밀도 변화를 다음과 같이 측정하였다. 측정 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
이형재가 도포된 성형 몰드(직경: 130mm, 높이: 60mm)에 2,200 g의 Ta 분말(순도: 99.995 %. 산소 함량: 1200 ppm, 카본 함량: 50 ppm, 질소 함량: 10 ppm, 수소 함량: 15 ppm, 황 함량: 5 ppm, 분말 입도(D): 18 ㎛)을 충진한 다음, 가압 성형하였다. 이때, 압력을 각각 50 MPa, 100 MPa, 150 MPa 및 200 MPa로 각각 변화시켜 대조시편 1, 및 시편 1 ~ 3을 얻었다.
1) 크랙 유무
시편 1 ~ 3, 및 대조시편 1에 대해 저배율 현미경을 이용하여 크랙 유무를 확인하였다.
2) 상대밀도
시편 1 ~ 3, 및 대조시편 1에 대해 비중계를 이용하여 비중을 측정한 다음 하기 수학식 1에 따라 상대밀도를 계산하였다.
Figure 112013066435710-pat00001
(상기 수학식 1에서,
이론밀도는 16.6 g/㎤임)
시편 1 시편 2 시편 3 대조시편 1
상대밀도(%) 50 56 60 48
크랙 발생 여부 X X X ○
측정결과, 대조시편 1의 경우, 시편의 분리시 크랙이 발생하여 시편의 에지부(edge part)가 손상된 반면, 시편 1 내지 3의 경우, 시편의 분리시 크랙이 발생하지 않았고, 손상도 없었다. 또한, 시편 1 내지 3의 경우, 시편을 몰드의 손상없이 용이하게 취출할 수 있었다. 게다가, 시편 1 내지 3의 경우, 대조시편 1에 비해 상대밀도가 50 % 이상으로 높았으며, 인가 압력의 증가될수록 시편의 상대밀도도 50 % 이상으로 증가하였다.
이로써, 본 발명에 따라 Ta 분말을 가압 성형시 인가 압력이 100 내지 200 MPa로 조절할 경우, 크랙 발생 및 몰드 손상 없이 상대밀도가 50 % 이상인 제1 성형체를 얻을 수 있다는 것을 알았다.
[실험예 2] - CIP의 압력에 따른 제2 성형체의 상대밀도 변화
본 발명에 따라 Ta 타겟 제조시, CIP 압력 조건에 따른 제2 성형체의 상대밀도 변화를 다음과 같이 측정하였다. 측정 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
상기 실험예 1에서 시편 3(상대밀도: 60 %)을 진공 포장기로 2중 포장한 다음, 일정 압력으로 냉간 등방압 성형하였다. 이때 압력을 각각 500, 1000, 1500, 2000, 2500 bar로 변화시켜 대조시편 2, 및 시편 4 ~ 7을 얻었다.
각 시편에 대하여 실험예 1에서와 같이 상대밀도를 측정하였다.
시편 4 시편 5 시편 6 시편 7 대조시편 2
상대밀도(%) 67 68 70 72 62
측정결과, CIP의 압력이 증가할수록 시편의 상대밀도가 증가하였고, 특히 시편 4 ~ 7의 경우, 상대밀도가 67 % 이상이었다. 또한, 시편 4 ~ 7의 경우, 진공포장지의 제거시 손상되지 않은 반면, 대조시편 2의 경우, 진공포장지를 제거할 때 분말이 묻어나오며, 작은 충격에도 시편의 표면부가 손상되었다.
[실험예 3] - 무가압 소결 온도에 따른 소결체의 가스 함량 및 상대밀도 변화
본 발명에 따라 Ta 타겟 제조시, 무가압 소결 온도에 따른 소결체의 가스 함량 및 상대밀도 변화를 다음과 같이 측정하였다. 측정 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
상기 실험예 2에서 얻은 시편 7(상대밀도: 72)을 일정 온도에서 7 시간 동안 무가압 상태로 소결하였다. 이때, 온도를 각각 1600, 1800, 2000, 2200 ℃로 변화시켜 시편 8 내지 10, 및 대조시편 3을 얻었다.
1) 상대밀도
각 시편에 대하여 실험예 1에서와 같이 상대밀도를 측정하였다.
2) 가스 성분 측정
시편 8 내지 10, 및 대조시편 3에 대하여 ONH 분석기(HORIBA사의 EMGA-930) 및 CS분석기(HORIBA사의 EMIA-820V)를 이용하여 5회 가스 성분을 측정한 다음, 각 가스의 최대값 및 최소값을 제외한 나머지의 평균값으로 나타내었다.
시편 8 시편 9 시편 10 대조시편 3
상대밀도 82 84 90 92
가스 함량 산소 함량(ppm) 350 315 280 200
탄소 함량(ppm) 35 38 50 230
질소의 함량(ppm) 8 8 11 12
수소의 함량(ppm) 9 10 13 16
황의 함량(ppm) 5 4 6 6
측정결과, 무가압 소결 온도가 1800에서 2100 ℃로 증가될수록 상대밀도가 82 % 이상으로 증가하였고, 전체 가스 중에서 산소 함량이 350 ppm에서 200 ppm으로 감소하였으며, 질소, 수소 및 황의 함량도 각각 30 ppm 미만으로 감소하였다. 다만, 시편 8 내지 10과 달리, 대조시편 3의 경우, 카본 함량이 230 ppm으로 증가하였다.
[실험예 4] - 압하율에 따른 압연재의 크랙 발생 여부 및 상대밀도 변화
본 발명에 따라 Ta 타겟 제조시, 압연시 압하율에 따른 압연재의 크랙 발생 여부 및 상대밀도 변화를 다음과 같이 측정하였다. 측정 결과는 하기 표 4에 나타내었다.
2단 압연기를 이용하여 상기 실험예 3에서 얻은 시편 10(상대밀도: 90 %)을 20 m/min의 압연속도로 압연하였다. 이때 소결체의 압하율을 각각 5, 10, 15, 20 및 25 %로 변화시켜 대조시편 4, 시편 11 ~ 14, 및 대조시편 5를 얻었다.
각 시편에 대하여 실험예 1에서와 같이 상대밀도 및 크랙 발생 여부를 측정하였다.
대조시편 4 시편 11 시편 12 시편 13 대조시편 5
상대밀도(%) 92 93 95 96 98
크랙 발생 여부 X X X X ○
측정결과, 시편 11 ~ 시편 13의 경우, 상대밀도가 97 % 이상으로 높기 때문에 대조시편 4와 달리, 추가적인 진공 열처리 공정 및 압연 공정을 수행할 필요가 없었으며, 또한 대조시편 5와 달리 크랙도 발생하지 않았다.

Claims (11)

  1. 순도가 99.995% 이상이고, 분말 입도가 20 ㎛ 이하이며, 산소(O) 함량이 1500 ppm 이하이고, 탄소(C) 함량이 100 ppm 이하인 탄탈럼(Ta) 분말을 성형몰드에 장입한 후, 100 내지 200 MPa 범위의 압력 인가를 통해 가압 성형하여 상대밀도가 50% 이상인 제1 성형체를 형성하는 단계;
    상기 제1 성형체를 냉간 등방압 성형(cold isostatic pressing)하여 상대밀도가 65% 이상인 제2 성형체를 형성하는 단계;
    상기 제2 성형체를 무가압 상태에서 소결하여 상대밀도가 85% 이상의 소결체를 형성하는 단계;
    상기 소결체를 압연하여 상대밀도가 95% 이상의 압연재를 형성하는 단계;
    상기 압연재를 진공 열처리하여 상대밀도가 99% 이상의 진공 열처리재를 형성하는 단계; 및
    상기 진공 열처리재를 레벨링(leveling)하는 단계
    를 포함하며, 평균 결정입자의 직경이 30 ~ 50 ㎛이고, 순도가 99.995 ~ 99.999 %이며, 산소 함량이 50 ppm 이하이고, 탄소 함량이 30 ppm 이하이며, 상대밀도가 99 % 이상인 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소결체 형성 단계에서, 상기 제2 성형체 하나 이상을 한번의 작업으로 동시에 소결할 수 있는 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 성형체 형성 단계에서 인가되는 압력은 1000 내지 2500 bar 범위인 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소결체 형성 단계는 1800 내지 2100 ℃의 온도에서 5 내지 10 시간 동안 수행되는 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압연재 형성 단계에서 소결체의 압하율은 10 내지 20 %인 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 진공 열처리재 형성 단계는 1800 내지 2100 ℃의 온도에서 5 내지 10 시간 동안 수행되는 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 레벨링 단계에서 진공 열처리재의 압하율은 5 % 이하인 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 미세 결정입자를 갖는 스퍼터링용 탄탈럼 타겟은 HDD, 반도체 메모리, 헤드 및 캐패시터(Capacitor)로 이루어진 군에서 선택된 것에 사용되는 것이 특징인 스퍼터링용 탄탈럼 타겟의 제조방법.
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