KR102117404B1 - 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속 회수방법 및 공정 부산물 재활용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스퍼터링 폐타겟으로부터 스퍼터링 타겟으로 사용된 유가금속을 회수하는 방법을 제공하며, 본 발명에 따르면 스퍼터링 타겟으로 사용된 금속과 배킹 플레이트에 사용된 금속의 연신률 차이를 이용해 스퍼터링 타겟의 원료인 금속을 회수할 수 있고, 이를 자원화할 수 있다.

Description

스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속 회수방법 및 공정 부산물 재활용 방법{A METHOD FOR RECOVERY OF VALUABLE METAL FROM WASTE SPUTTERING TARGET AND METHOD FOR RECYCLING BYPRODUCT}

본 발명은 스퍼터링 폐타겟으로부터 스퍼터링 타겟의 원료인 금속을 회수하여 자원화하는 방법 및 상기 방법의 공정 중에 발생된 공정 부산물을 재활용하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 스퍼터링 공정은 금속박막, 산화박막, 질화박막 등을 원하는 물체에 코팅시킴으로써 반도체 부품, 전자부품, 광학부품 등을 제조하기 위한 주요 공정 중 하나인데, 상기 스퍼터링 타겟은 반도체 메모리(RAM, MRAM, FeRAM), 자기헤드(MR, TMR) 및 캐패시터(Capacitor) 제조를 위한 웨이퍼(Wafer) 또는 글라스(Glass), 대상물질(Substrate) 상의 전극층 또는 시드층 형성을 위해 사용된다.

상기 스퍼터링은 플라즈마에 의해 가속된 이온들이 타겟에 충돌하면 타겟 표면으로부터 원자가 튕겨져 나오고, 이러한 원자가 기판 표면에 증착됨으로써 박막층이 형성되는 원리이다.

스퍼터링 타겟은 공정 조건이나 타겟의 원료마다 차이가 있다. 상기 스퍼터링 타겟의 모재(母材)는 고순도 탄탈륨(Tantalum, Ta), 몰리브데늄(Molybdenum, Mo), 타이타늄(Titanium, Ti), 알루미늄(Aluminum, Al), 니켈(Nickel, Ni), 주석(Tin, Sn), 구리(Copper, Cu), 텅스텐(Tungsten, W), 금(Gold, Au) 등이 자체적으로 사용되거나 또는 다른 금속과 합금형태(예: Al-Ta 합금, Al-Si 합금, Ti-W 합금, Mo-Si 합금 등)와 같은 재질로 제작되어 사용되는 것이 일반적이다. 또한 제조된 스퍼터링 타겟은 구리 또는 구리합금(예: Cu-Zn 합금 등)과 같은 배킹 플레이트(Backing plate)에 접합되어 스퍼터링 타겟 공정에 사용된다.

이때 일반적인 스퍼터링 공정에서는 스퍼터링 타겟이 대체적으로 30 내지 40% 정도만 사용되는 등, 스퍼터링 공정에서의 스퍼터링 타겟의 소모량은 50% 미만으로서, 스퍼터링 타겟의 대부분이 사용되지 못하고 남는다.

반도체 공정에서 발생하는 다양한 형태의 사용후 스퍼터링 타겟을 이용하여 재활용 공정을 거쳐 직접 스퍼터링 타겟으로 재자원화하거나 또는 합금소재를 제조할 수 있는 원료물질로 재자원화함으로써 산업에 필요한 자원수급의 안정화와 더불어 부가가치 창출을 통하여 업계의 수익성 향상을 동시에 도모할 수 있다.

이와 같은 사용이 완료된 스퍼터링 폐타겟(사용후 스퍼터링 타겟, End-of-life sputtering target)의 재활용을 위해서는 상기 스퍼터링 폐타겟을 수거하여 재활용 단계를 거치게 되는데, 재활용을 하기 위하여 접합된 배킹 플레이트를 가장 먼저 제거한다.

스퍼터링 폐타겟의 재활용과 관련한 기술로는 대한민국 특허공개 제2016-0067490호, 제2017-0044343호 및 제2017-0016090호 등을 들 수 있다. 이들 선행문헌에는 상기 스퍼터링 폐타겟으로부터 배킹 플레이트를 제거하는 방법으로, 선반 및 가공기계(CNC, MCT, 연마기 등)를 이용하는 등의 물리적인 방법으로 배킹 플레이트를 제거하고, 이후에 산, 알코올 및/또는 증류수를 이용한 세정, 초음파 세정, 플라즈마 세정 등과 같은 화학적 세정을 수행하여 불순물을 제거하여 폐타겟을 재생하는 방법을 개시하고 있다.

이와 같이 종래에는 산업 현장에서 발생하는 스퍼터링 폐타겟의 경우 1) 육안으로 불순물을 제거하는 물리적 제거방법(선반 및 가공 기계 등)을 이용하여 배킹 플레이트의 일부를 제거하고, 제거되지 않고 모재에 잔존하는 배킹 플레이트 성분을 화학적 세정공정을 통하여 제거하여 물리적 및 화학적 방법으로 폐타겟으로부터 배킹 플레이트를 분리하거나, 2) 물리적 방법만으로 배킹 플레이트를 완전히 제거하는 방법을 사용하였다.

그런데 이와 같은 종래의 방법들은 모두 물리적 제거 방법을 적용함으로써 공정시간이 길고, 제거 비용이 높은 문제가 있었다. 또한, 상기 1) 방법의 경우에는 제거되지 않은 배킹 플레이트를 세정하기 위하여 다량의 산을 사용할 필요성이 있으며, 이로 인해 환경적인 문제를 야기할 수 있다. 한편, 상기 2) 방법의 경우에는 회수하고자 하는 소재인 스퍼터링 타겟의 모재에 손실이 발생하고, 배킹 플레이트 스크랩 내에 모재 스크랩이 혼입됨으로써 배킹 플레이트만을 분리 회수하는데 어려움을 초래하여 재활용율을 떨어뜨리는 문제가 있다.

따라서 상기와 같은 문제점을 개선하고 스퍼터링 타겟 모재 및 배킹 플레이트를 회수하여 재활용율을 향상시키기 위한 공정 개선이 시급한 실정이다.

이에 본 발명의 한 측면은 보다 공정이 단순하고 저렴한 비용으로 사용후 스퍼터링 타겟을 재자원화할 수 있는 스퍼터링 폐타겟 자원화 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 견지에 따르면, 스퍼터링 타겟 모재 및 배킹 플레이트가 접합된 사용후 스퍼터링 타겟을 연신하여 상기 스퍼터링 타겟 모재로부터 배킹 플레이트를 분리하는 단계를 포함하고, 상기 스퍼터링 타겟 모재와 배킹 플레이트는 연신률이 상이한 금속으로 된 것인, 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속 회수방법을 제공한다.

상기 스퍼터링 타겟 모재와 배킹 플레이트는 연신율 차이가 5 내지 30%인 것이 바람직하다.

상기 스퍼터링 폐타겟 모재는 탄탈륨, 몰리브데늄, 타이타늄, 알루미늄, 니켈, 주석, 구리, 텅스텐 및 금으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속이거나, 또는 알루미늄-탄탈륨 합금, 알루미늄-규소 합금, 타이타늄-텅스텐 합금 및 몰리브데늄-규소 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 합금일 수 있다.

상기 배킹 플레이트는 동, 인듐 및 황동으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속일 수 있다.

상기 연신은 냉간압연, 열간압연 및 단조로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 방법으로 수행할 수 있다.

상기 연신은 1 내지 5%의 압하율로 압력을 가하여 수행할 수 있다.

상기 연신은 20 내지 30ton의 압연하중을 가하여 수행할 수 있다.

상기 사용후 스퍼터링 타겟으로부터 이물질을 제거하는 단계를 수행한 후에 연신하는 것이 바람직하다.

상기 이물질을 제거하는 단계는 상기 스퍼터링 폐타겟을 가열하여 유분 및 수분을 제거하는 단계 및 유분 및 수분이 제거된 스퍼터링 폐타겟을 세척액에 침지하고, 초음파 세척하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 가열은 상기 스퍼터링 폐타겟의 온도가 105 내지 300℃가 되도록 가열하는 것일 수 있다.

상기 배킹 플레이트를 분리한 스퍼터링 폐타겟 모재를 산 용액으로 세정하여 상기 스퍼터링 폐타겟 모재에 잔류하는 배킹 플레이트 접합층을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 산 용액은 산: 증류수를 5:5 내지 8:2의 부피비로 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 산 용액은 상기 배킹 플레이트 성분 제거 단계에 2 내지 6번 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 스퍼터링 폐타겟을 재생하는 과정에서 스퍼터링 타겟 모재의 손실이 발생하는 것을 줄일 수 있으며, 또한, 스퍼터링 폐타겟으로부터 제거된 유가금속의 재활용율을 높일 수 있다.

도 1은 종축 방향으로 1/2 등분으로 절단한 탄탈륨 스퍼터링 폐타겟을 촬영한 사진이다.
도 2는 도 1의 탄탈륨 스퍼터링 폐타겟의 절단면을 나타내는 도면으로서, (a)는 도 1의 탄탈륨 스퍼터링 폐타겟의 절단면을 촬영한 사진이고, (b)는 그 절단면의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 탄탈륨 모재와 황동의 배킹플레이트로 구성된 일 예를 나타낸다.
도 3은 실시예 1 에 의해 스퍼터링 폐타겟으로부터 분리된 타겟 모재와 배킹 플레이트를 촬영한 사진이다.
도 4는 실시예 2 및 3에 의해 얻어진 타겟 모재 표면을 촬영한 사진으로서, 타겟 모재 표면에 배킹 플레이트가 잔류하는 것을 보여주는 사진이다.
도 5는 실시예 3의 타겟 모재에 잔존하는 배킹플레이트의 두께를 글로우 분광분석기로 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예 3의 타겟 모재에 잔존하는 배킹 플레이트의 두께를 주사형 오제전자 현미경을 이용하여 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 3의 타겟 모재에 배킹 플레이트가 잔존함으로 보여주는 전자현미경 이미지(TEM 사진)이다.
도 8은 실시예 4 내지 7에 의해 얻어진 스퍼터링 타겟 모재의 표면을 촬영한 사진이다.

본 발명은 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속을 회수하는 방법에 관한 것으로서, 스퍼터링 폐타겟을 연신하여 상기 스퍼터링 폐타겟에 포함된 스퍼터링 폐타겟 모재와 배킹 플레이트를 분리하는 단계를 포함하고, 상기 스퍼터링 폐타겟은 연신률 차이가 나는 스퍼터링 폐타겟 모재와 배킹 플레이트가 접합된 것인 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속 회수방법을 제공한다.

보다 상세하게 본 발명의 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속을 회수하기 위해 스퍼터링 폐타겟에 포함된 스퍼터링 폐타겟 모재 및 배킹 플레이트를 구성하는 금속의 연신률 차이를 이용할 수 있다.

본 발명에서 사용하는 금속의 연신률(Elongation)이란, 금속의 고유한 기계적 성질 중 하나인 연성(Ductility)을 정의하는 특성이다. 예를 들어, 길이 l0인 봉(棒)의 양 끝을 크기 F인 힘으로 잡아당겨 늘렸을 때에 봉의 길이가 l로 되었다고 하면, Δl＝l－l0은 봉이 늘어난 길이이다. 이 늘어난 길이를 퍼센트로 나타낸 양, 즉 (Δl/l0)×100이 연신률이 된다. 즉 금속재료를 인장시험 했을 때 재료가 늘어나는 비율을 의미한다.

상기 금속의 연신률은 금속의 고유한 기계적 성질인바 금속의 순도, 합금 성분, 종류 및 함량에 따라 연신률은 상이할 수 있다. 따라서 본 발명이 적용되는 스퍼터링 폐타겟의 타겟 모재와 배킹 플레이트는 연신률이 상이한 두 개 이상 금속을 접합 가공하여 이루어진 것으로서, 타겟 모재와 배킹 플레이트로 사용된 금속의 고유한 연신률 및 그 차이를 이용하여 접합된 두 종류의 금속을 용이하게 분리하고, 이를 재활용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 스퍼터링 폐타겟으로서, 도 2를 통해 연신률이 상이한 금속으로 제조된 스퍼터링 폐타겟 모재 및 배킹 플레이트를 확인할 수 있다.

스퍼터링 타겟은 스퍼터링 타겟 모재와 배킹 플레이트를 접합하여 제조된다. 구체적으로, 상기 스퍼터링 타겟 모재와 배킹 플레이트를 기계적 고착, 접착, 솔더링, 브레이징, 용접, 확산접합 등의 가공으로 접합할 수 있고, 상기 접합을 위한 가공 시 연신률이 상이한 이종 이상의 금속을 접합할 수 있다.

상기와 같은 접합 가공에 의해 제조된 스퍼터링 타겟을 사용한 후, 스퍼터링 폐타겟으로부터 스퍼터링 타겟으로 사용된 유가금속을 회수하기 위해 스퍼터링 폐타겟 모재와 배킹 플레이트가 접합되어 있는 상태에서 스퍼터링 폐타겟을 연신하여 스퍼터링 폐타겟 모재 및 스퍼터링 폐타겟 모재에 접합된 배킹 플레이트의 상당 부분을 간단히 분리할 수 있다.

상기 스퍼터링 폐타겟 모재와 배킹 플레이트를 구성하는 각각의 금속은, 연신에 의해 분리하기 위해, 5% 이상인 것이 바람직하다. 상기 연신률의 차이가 5% 미만인 경우에는 연신률 차이를 이용하기 위한 공정비용이 높아지는 문제가 있다. 연신율 차이가 클수록 보다 쉽고 경제적인 방법으로 분리가 가능하므로 본 발명을 적용할 필요가 없는바, 본 발명의 적용에 의한 타겟 모재와 배킹플레이트의 분리의 효과를 얻기에는 두 금속의 연신율 차이는 30%를 초과하지 않는 것이 보다 바람직하다.

상기 스퍼터링 폐타겟 모재는 통상적으로 사용되는 것이라면 본 발명에도 적합하게 사용될 수 있으며, 예를 들어, 이에 한정하는 것은 아니지만, 탄탈륨(Tantalum, Ta), 몰리브데늄(Molybdenum, Mo), 타이타늄(Titanium, Ti), 알루미늄(Alumium, Al), 니켈(Nickel, Ni), 주석(Tin, Sn), 구리(Copper, Cu), 텅스텐(Tungsten, W) 및 금(Gold, Au)들을 들 수 있다. 이들 금속은 어느 하나를 단독으로 사용할 수 있음은 물론, 이들 금속의 2종 이상으로 된 합금일 수 있다. 상기 합금으로는 예를 들어, Al-Ta 합금, Al-Si 합금, Ti-W 합금 및 Mo-Si 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 합금을 들 수 있다.

한편, 상기 배킹 플레이트는 상기 스퍼터링 타겟 모재와 연신율 차이가 나는 것으로서, 스퍼터링 타겟의 배킹플레이트로 일반적으로 사용되는 것이라면 본 발명에서도 적합하게 사용될 수 있다. 배킹 플레이트로 사용될 수 있는 금속으로는 예를 들어, 구리, 인듐 및 황동으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속일 수 있다.

상기와 같이 연신률 차이가 나는 금속을 스퍼터링 폐타겟 모재 및 배킹 플레이트로 사용되는 경우에 배킹플레이트의 연신에 의해 타겟 모재와 배킹플레이트를 분리할 수 있다. 이때, 상기 스퍼터링 폐타겟 모재와 배킹 플레이트의 분리를 위하여 연신하는 방법으로는 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어 상기 폐타겟에 압력을 가하여 연신할 수 있으며, 구체적으로는 냉간 압연기를 사용한 냉간압연 등을 들 수 있으며, 또한, 필요에 따라 열간압연 및 단조 등을 적용할 수 있다. 이들 방법은 어느 하나를 단독으로 적용할 수 있음은 물론, 2 이상의 방법을 조합하여 적용할 수 있다. 상기 압연을 위해, 스퍼터링 폐타겟은 압연기의 폭 등을 고려하여 적절하게 절단할 수 있다.

상기 연신함에 있어서, 압력을 가하는 경우에는 압하율을 1 내지 5%의 범위로 압력을 가하는 것이 바람직하다. 상기 압하율이 1% 미만인 경우에는 공정 운영 횟수가 증가하여 생산성이 감소할 수 있는 점에서 바람직하지 않고, 5%를 초과하는 경우에는 압력을 가하는 설비에 고장을 유발할 수 있는바 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는 상기 압하율은 2 내지 4%의 범위일 수 있다.

나아가 상기 연신이 압력을 가하여 수행하는 경우에는 20 내지 30톤의 압연하중을 가하는 것이 바람직하다. 상기 압연하중이 20톤 미만인 경우에는 공정 운영 횟수가 증가하여 생산성이 감소할 수 있는 점에서 바람직하지 않고, 30톤을 초과하는 경우에는 압력을 가하는 설비에 고장을 유발할 수 있는바 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는 23 내지 27톤의 압연하중을 가할 수 있다.

한편, 상기 연신에 의해 스퍼터링 폐타겟 모재와 상기 스퍼터링 폐타겟 모재에 접합된 배킹 플레이트를 연신에 의해 분리하기 전에 상기 스퍼터링 폐타겟 상의 이물질을 제거하는 전처리 단계를 수행할 수 있다.

상기 이물질은 스퍼터링 폐타겟의 절단 및 가공 과정에서 사용된 절삭유와 같은 유분 및 수분 등을 들 수 있다. 상기 이물질은 상기 스퍼터링 폐타겟을 가열함으로써 용이하게 제거할 수 있다.

상기 가열은 스퍼터링 폐타겟의 온도를 105 내지 300℃의 범위로 되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 스퍼터링 폐타겟의 온도가 105℃ 미만인 경우에는 스퍼터링 폐타겟 상에 부착된 유분이 충분히 제거되지 않으며, 300℃를 초과하는 경우에는 과도한 온도 상승으로 인한 제조원가를 상승시키는 점에서 바람직하지 않다. 더욱 바람직하게는 상기 스퍼터링 폐타겟의 온도를 105 내지 250℃의 범위로 되도록 가열할 수 있다.

다만, 유분 없이 수분만 존재하는 경우에는 상기 스퍼터링 폐타겟의 온도를 90 내지 110℃의 범위로 가열할 수 있다. 상기 스퍼터링 폐타겟의 온도가 90℃ 미만으로 될 경우에는 수분을 충분히 제거할 수 없고, 110℃를 초과하는 경우에는 에너지 비용 증가에 따른 제조원가 상승이라는 점에서 바람직하지 않다.

나아가 상기 유분 및/또는 수분을 제거한 상기 스퍼터링 폐타겟 상에 물리적으로 흡착된 이물질을 제거하기 위해 추가적으로 초음파 세척을 할 수 있다. 상기 초음파 세척은 상기 스퍼터링 폐타겟을 세척액에 침지하고, 초음파를 가하여 수행할 수 있다. 상기 초음파를 가함으로써 액압이 충격적으로 변동하면서 스퍼터링 폐타겟 표면에 부착된 이물질들을 침식시켜 스퍼터링 폐타겟으로부터 탈락시킬 수 있으며, 이에 의해 스퍼터링 폐타겟 상의 좁은 홈에 존재하는 이물질까지 간단히 제거할 수 있다.

상기 세척액으로는 스퍼터링 폐타겟 상에 물리적으로 흡착된 유기물 등의 이물질을 제거할 수 있는 것이면 특히 제한하지 않으나, 예를 들면, 에탄올, 아세톤 등의 알코올 등을 들 수 있다.

상기 초음파 세척은 상기 세척액에 침지한 후 3분 내지 15분, 보다 바람직하게는 5분 내지 10분 동안 초음파를 가해 스퍼터링 폐타겟 상의 유기물을 제거할 수 있다.

상기 스퍼터링 폐타겟 모재 및 이에 접합된 배킹 플레이트를 연신에 의해 분리하여 회수할 수 있다. 다만, 상기 타겟 모재와 배킹 플레이트의 접합으로 인해 상기 스퍼터링 폐타겟 모재에 배킹 플레이트 성분이 잔존할 수 있다. 이러한 배킹 플레이트 성분이 잔존하는 경우에는 타겟 모재의 순도가 저하되어 타겟 모재의 재활용성을 떨어뜨리바, 배킹플레이트 성분을 제거하는 것이 바람직하다.

상기 스퍼터링 폐타겟 모재 상에 잔류하는 배킹 플레이트 성분은 스퍼터링 타겟 제조 시 고온고압의 방법으로 스퍼터링 타겟 모재와 배킹 플레이트를 접합하는 과정에서 생긴 것으로써 일반적인 물리적인 방법에 의해서는 제거하기가 어렵다.

따라서 상기 분리한 스퍼터링 폐타겟 모재로부터 화학적인 방법, 구체적으로, 산 용액으로 세정하여 스퍼터링 폐타겟 모재에 잔류하는 배킹 플레이트 성분을 제거할 수 있다.

상기 산 용액은 산 및 증류수를 혼합하여 제조할 수 있는 것으로서, 예를 들어, 상기 산, 보다 바람직하게는 농도 60% 이상의 산과 증류수를 혼합하여 사용할 수 있다. 이때, 상기 산은 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 질산, 황산, 염산 등을 들 수 있으며, 보다 바람직하게는 질산을 사용할 수 있다.

상기 산, 보다 바람직하게는 농도 60% 이상의 산과 증류수를 5:5 이상의 부피비로 산을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 산 용액에서 산의 부피비가 증류수에 대하여 5 이하인 경우에는 상기 산 용액의 재사용 회수가 감소하며, 산 용액의 재사용 회수가 증가할수록 타겟 모재에 부착된 배킹플레이트 금속 성분을 충분히 제거할 수 없어, 잔존하는 문제가 발생할 수 있다. 다만, 지나치게 산을 과량으로 사용하는 경우에는 산 용액의 보관 안정성이 저하하고, 용액이 기화되어 흄이 발생할 수 있는바, 산과 증류수의 부피비가 8:2를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

상기 산 용액은 스퍼터링 폐타겟 모재 상의 접합층을 제거하기 위해 수 차례 재활용하여 사용할 수 있고, 상기 산 용액을 재활용할 경우 산 용액을 이용해 스퍼터링 폐타겟에 포함된 배킹 플레이트를 분리하는 종래의 화학적 방법에 비해 사용하는 산 용액의 양이 현저히 줄어들어 환경오염을 최소화할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 방법에 의해 스퍼터링 폐타겟으로부터 타겟 모재 및 배킹 플레이트를 용이하게 분리할 수 있으며, 이에 의해 회수한 타겟 모재는 유가금속으로 재사용할 수 있고, 배킹플레이트를 재사용할 수 있다. 예를 들어, 사용처에 따라 일정한 크기로 절단하여 전자빔 용해 또는 진공아크 재용해로 등의 용해 공정의 소재로 직접 활용될 수 있다. 구체적으로, 상기 타겟 모재를 구성하는 유가금속의 분말을 제조하기 위하여 수소화-탈수소화 공정 등의 원자재로 활용할 수 있다.

이와 같이 연신률이 상이한 금속으로 된 타겟 모재와 배킹플레이트로 된 스퍼터링 폐타겟을 연신하여 이종 이상의 금속으로 분리하는 경우 종래에 분리 방법으로 사용된 선반 밀링 등의 가공 방법에 비하여 공정시간이 단축될 뿐 아니라 분리 과정이 간단하다.

또, 스퍼터링 폐타겟의 불균일한 모양으로 인해 제거할 수 있는 배킹 플레이트 양이 한정적이었던 종래 방식에 비하여 폐타겟 모재에 접합된 배킹 플레이트 접합층의 상당량을 제거할 수 있어서 불순물 함유량이 낮은 순도 높은 유가금속을 회수할 수 있다. 또한, 회수한 유가금속으로 스퍼터링 타겟으로 재활용할 수 있을 뿐 아니라, 유가금속을 원료로 하는 공정에서 재자원화할 수 있다.

나아가, 상기와 같은 냉간압연 공정에 의한 타겟 모재와 배킹플레이트의 분리 및 산 용액을 재활용하는 공정을 적용함으로써 탄탈륨 스퍼터링 타겟 스크랩 모재를 저비용으로 환경적인 문제를 최소화하고 생산성이 높게 회수할 수 있다.

본 발명의 방법에 의해 회수한 스퍼터링 타겟 모재는 일정 크기로 절단되어 고순도 잉곳을 만들기 위하여 전자빔용해(EBM, Electron Beam Melter) 또는 진공아크재용해로(VAR, Vacuum Arc Remelter) 등의 공정에 소재로 직접 활용되거나, 분말을 제조하기 위하여 수소화-탈수소화 공정 등의 원자재로 활용이 가능하며, 이는 등록특허 제1738067에 기재된 내용을 참조하여 수행할 수 있다.

실시예

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 내지 3: 스퍼터링 폐타겟의 세척 및 연신

반도체 공정에서 사용한 지름 44cm의 스퍼터링 폐타겟을 회수하였다. 상기 스퍼터링 폐타겟은 탄탈륨으로 된 타겟 모재와 구리 60% 및 아연 40%로 된 합금인 황동으로 된 배킹 플레이트가 상호 접합된 것이다. 상기 타겟 모재 금속인 탄탈륨은 연신률이 30%이고, 배킹 플레이트 금속인 황동은 연신률이 60%이었다.

상기 회수된 스퍼터링 폐타겟을 도 1과 같이 종축 방향으로 2등분하여 3개(실시예 1 내지 3)를 준비하였다. 이들의 단면 구조는 도 2에 나타낸 바와 같이, 배킹플레이트인 황동 위에 약 2 내지 5mm 두께의 탄탈륨이 접합된 구조를 갖는 것이었다.

상기 회수한 스퍼터링 폐타겟을 250℃로 가열하여 표면에 부착된 유분 및 수분 등의 이물질을 제거하였다.

이어서, 상기 스퍼터링 폐타겟을 유분 및 수분을 제거한 상기 각 폐타겟을 에탄올에 침지하고 5분 동안 초음파를 가하여 상기 각 폐타겟 상의 유기물 등의 이물질을 제거하였다.

상기와 같이, 타겟 모재와 배킹플레이트의 연신율 차이가 30%인 스퍼터링 폐타을 가압 연신하여 분리하였다.

상기 가압은 25톤의 압하력을 가하여 3%의 압하율로 냉간압연하여 수행하였다.

이에 의해 타겟 모재 금속인 탄탈륨과 배킹플레이트 금속인 황동을 각각 분리였다. 이중, 실시예 1에 의해 얻어진 타겟 모재(좌측)와 배킹 플레이트(우측)를 촬영하고, 도 3에 나타내었다.

상기 실시예 2 및 실시예 3에 의해 분리한 탄탈륨 스퍼터링 폐타겟 모재의 일부를 근접촬영하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 실시예 2(좌측) 및 실시예 3(우측)의 타겟 모재는 도 4와 같이, 타겟 모재의 표면에 배킹 플레이트 금속 성분이 존재하는 것을 확인할 수 있었다.

상기 타겟 모재 표면에 존재하는 것이 배킹 플레이트의 금속성분임을 확인하기 위해 실시예 3의 타겟 모재를 글로우 분광분석기(GDS, Glow Discharge Spectrometer, 미국 리코 사, 모델명: GDS-850A)를 이용하여 정성적으로 확인하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.

도 5로부터, 실시예 3의 폐타겟 모재에 존재하는 금속성분이 구리 및 아연 성분이 6:4의 비율로 이루어진 황동으로서, 배킹 플레이트 조성임을 확인할 수 있다. 나아가, 이러한 황동은 폐타겟 모재의 표면에서부터 약 2.5㎛의 소정 깊이까지 존재함을 확인하였다.

상기 실시예 3의 폐타겟 모재의 표면에서부터 내부에 존재하는 금속성분의 함량 및 두께를 보다 정밀하게 측정하기 위해 정밀도가 높은 주사형 오제전자 현미경 (SAM, Scanning Auger Microscope, 브이지 사이언티픽 사, 모델명: MICROLAB 310F)을 이용하여 측정하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.

도 6으로부터 상기 실시예 3의 폐타겟 모재의 표면에서부터 폐타겟 내부로 약 0.5㎛까지 구리 및 아연 성분이 존재하며, 이를 통해 폐타겟 모재의 표면에서부터 폐타겟 내부까지 존재하는 배킹 플레이트 접합층의 두께가 약 0.5㎛임을 알 수 있었다.

나아가 상기 실시예 3의 폐타겟 모재의 표면에서부터 폐타겟 내부까지 배킹 플레이트 접합층인 구리 및 아연의 존재를 확인하기 위해서 투과 전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscope, JEOL 2100F)을 이용하였다.

도 7과 같은 TEM 이미지로부터, 이미지 내의 1 내지 7 위치에서의 성분 분석을 수행하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

측정위치 No.	Cu(중량%)	Zn(중량%)	Ta(중량%)
1	55.30	41.44	-
2	54.88	25.91	-
3	16.57	9.58	58.5
4	28.94	20.28	44.14
5	12.24	5.95	68.42
6	41.12	30.32	25.43
7	-	-	99.06

상기 표 1로부터 1 및 2번 위치에는 구리 및 아연 성분만 분석되었는바, 상기 연신에 의한 분리 공정에서 타겟 모재 표면에 잔존하는 배킹플레이트임을 알 수 있다. 한편, 3 내지 6번 위치에는 타겟 모재 성분인 탄탈륨과 함께 구리 및 아연이 분석되었으며, 7번 위치에는 타겟 모재 성분인 탄탈륨만 분석된 결과를 나타내었다. 이러한 결과로부터, 스퍼터링 타겟 제조 중 접합공정에 의해 타겟 모재의 약 0.5㎛ 깊이까지 배킹 플레이트 금속이 존재함을 알 수 있다.

실시예 4 내지 7: 폐타겟 모재에 잔류하는 배킹 플레이트 접합층의 제거

실시예 3에서 얻어진 타겟 모재로부터 배킹플레이트 성분인 황동을 제거하기 위해 폐타겟 모재를 산 용액에 침지하였다.

상기 산 용액은 농도 60%의 질산 및 증류수를 아래 표 2에 나타낸 바와 같은 혼합비로 혼합한 용액을 사용하였으며, 실온에서 30분 동안 폐타겟 모재를 상기 산 용액에 침지하였다(실시예 4 내지 7).

상기 질산과 증류수가 혼합된 산 용액에 타겟 모재를 침지함으로써 타겟 모재로부터 잔존하는 배킹 플레이트 금속을 제거하였다. 이에 의해 얻어진 타겟 모재의 표면을 촬영하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 좌측 상단으로부터 시계방향으로 실시예 4 내지 7에 의해 얻어진 타겟 모재이다. 도 8로부터, 회수된 타겟 모재의 표면에는 배킹 플레이트의 성분이 존재하지 않음을 확인할 수 있었다.

배킹 플레이트 성분의 제거여부를 산 용액 중에 존재하는 금속의 함량(ppm)을 분석함으로써 확인하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

	질산:수용액	Fe	Cu	Zn	Zr	Ta	W
실시예 4	5:5	<5	42	27	<5	<5	<5
실시예 5	6:4	<5	38	24	<5	<5	<5
실시예 6	7:3	<5	30	19	<5	<5	<5
실시예 7	8:2	<5	28	18	<5	<5	<5

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 산 용액 중에는 구리 및 아연 성분을 포함하며, 이들의 함량비는 각각 약 6:4의 비율을 갖는 것으로서, 황동임을 알 수 있다. 이는 타겟 모재 표면에 잔존하는 배킹 플레이트 금속으로부터 유래된 것으로서, 이를 통해 폐타겟 모재에 잔류하는 배킹 플레이트 접합층을 산 용액을 이용하여 추가로 제거하였음을 확인할 수 있었다.

실시예 8: 산용액의 재사용

실시예 1과 동일한 방법으로 연신에 의해 폐타겟 모재와 배킹플레이트를 분리하여 얻어진 타겟 모재를 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 산용액에 침지시킨 후 상기 폐타겟 모재 스크랩을 제거하였다. 이와 같은 단계를 총 6회 반복 실시하였다.

최종 얻어진 산용액에 대하여 Cu와 Zn의 성분분석을 수행하고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.

스크랩 침지회수		1회	2회	3회	4회	5회	6회
함량 (ppm)	Cu	35	76	114	142	172	205
	Zn	22	51	72	88	115	135

상기 표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 사용한 산 용액을 재사용하였을 때 회수를 거듭하여도 Cu와 Zn 성분비가 일정하게 유지되며 증가하는 것으로 보아 타겟 모재에 잔존하는 배킹플레이트 금속 성분이 완전히 제거되는 것을 확인할 수 있다. 이는 접합층의 두께가 매우 작기 때문에 사용한 산 용액 재활용을 재활용하더라도 동등한 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있고, 이는 6회 이상 사용할 수 있을 것으로 판단된다.

한편, 상기와 같은 결과로부터 타겟 모재 표면에 잔존하는 배킹플레이트 금속을 제거하기 위해서는 산과 물의 혼합비가 5:5 이하, 예를 들어, 4:6, 3:7과 같이 산 함량이 감소하더라도 가능함을 알 수 있다, 그러나, 산 용액의 산과 물의 부피비가 5:5보다 적게 산을 포함하는 경우에는 그 재사용 회수가 감소하여 새로운 산 용액의 사용량 증대를 초래하며, 이로 인해 환경부하를 야기할 수 있다.

따라서, 전체 산 사용량 감소를 위해, 사용된 산 용액을 회수하여 재사용할필요가 있으며, 이를 위해서는 상기 산 용액의 산은 산과 물의 부피비가 우선 질산 60%와 증류수의 부피비 5:5 이상으로 산을 포함하는 것이 보다 바람직하다.

실시예 9 내지 11

사용후 탄탈륨 스퍼터링 타겟에 대하여 실시예 1과 동일한 방법으로 압연하여 타겟 모재와 배킹 플레이트를 분리하여 타겟 모재를 회수하였다. 다만, 상기 압연을 수행함에 있어서 압연하중은 타겟 모재의 두께가 표 4에 나타낸 설정 두께가 각각 1mm(실시예 9), 1.5mm(실시예 10) 및 2.0mm(실시예 11)이 되도록 설정하였다.

상기 얻어진 각각의 타겟 모재를 실시예 4와 동일한 방법으로 산 용액에 의한 세정 공정을 수행하여 잔존하는 배킹 플레이트 성분을 제거하였다.

이에 의해 얻어진 각 실시예의 시편에 대하여 표 4에 나타낸 바와 같이 두께(mm)를 분석하고, 그 결과를 표 4에 나타내었다.

실시예 No.	설정 두께	최소두께	최대두께	평균두께	표준편차	일일 전처리량
9	1.0	1.00	1.10	1.04	0.04	38kg
10	1.5	1.50	1.60	1.52	0.03	68kg
11	2.0	2.00	2.05	2.03	0.03	90kg

비교예 1 내지 3

사용후 탄탈륨 스퍼터링 타겟에 대하여 선삭공정을 통하여 배킹 플레이트를 제거하여 타겟 모재 분리 회수하였다.

상기 회수된 타겟 모재를 앨리게이터(Alligator)를 이용하여 표 5에 나타낸 바와 같은 설정 두께로 절단하였다.

상기 절단된 타겟 모재를 표면에 잔존하는 배킹 플레이트 성분을 추가적으로 제거하기 위해 60% 농도의 질산을 물과 1:1의 부피비로 혼합한 산 수용액에 침지하여 타겟 모재를 침출하였다.

이에 의해 얻어진 각 비교예의 시편에 대하여 표 5에 나타낸 바와 같이 두께(mm)를 분석하고, 그 결과를 표 5에 나타내었다.

비교예 No.	설정 두께	최소두께	최대두께	평균두께	표준편차	일일 전처리량
1	1.0	0.55	2.20	1.26	0.56	1.7kg
2	1.5	0.90	3.45	2.35	0.65	27kg
3	2.0	0.90	5.00	2.52	0.94	29kg

상기 표 4 및 표 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 9 내지 11에 의해 얻어진 시편은 두께 편차가 크지 않은 일정한 두께를 갖는 결과를 나타내었다. 반면, 비교예 1 내지 3에 의해 얻어진 시편은 시표별로 두께 편차가 큰 결과를 나타내었다. 이러한 결과로부터, 실시예 9 내지 11에 의해 얻어진 시편들은 이후의 분말화를 위하여 수행되는 수소화-탈수소화 공정에서 수소의 유입 및 유출을 원활하고, 일정하게 수행할 수 있어, 균일한 품질의 분말을 얻을 수 있다. 반면, 비교예 1 내지 3에 의해 얻어진 시편들은 시료별로 두께 편차가 커 수소화-탈수소화에 의한 분말화가 균일하게 얻어지지 않아 균일한 품질의 분말을 얻을 수 없으며, 분말화를 위하여 추가적인 공정을 수행해야 하는 결과를 초래할 것이다.

한편, 실시예 9 내지 11에 따르면 일일 처리량이 비교예 1 내지 3에 비하여 설정 두께별로 상이하지만, 생산성을 현저히 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 구체적으로, 두께 1.0mm의 경우인 실시예 9는 비교예 1에 비하여 22배, 두께 1.5mm의 경우인 실시예 10은 비교예 2에 비하여 2.5배, 그리고, 2.0mm의 경우인 실시예 11은 비교예 3에 비하여 3.1배의 일일 처리량 증가 효과를 얻을 수 있었다.

결과적으로, 본 발명에 따르면 타겟모재를 수소화-탈수소화 공정에 적합한 두께로 보다 용이하게 제조할 수 있으며, 스퍼터링 폐타겟의 처리량을 현저히 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

Claims (13)

1. 스퍼터링 폐타겟을 온도가 105 내지 300℃가 되도록 가열하여 유분 및 수분을 제거하는 단계;
   유분 및 수분이 제거된 스퍼터링 폐타겟을 세척액에 침지하고, 초음파 세척하는 단계; 및
   스퍼터링 타겟 모재 및 배킹 플레이트가 접합된 사용후 스퍼터링 폐타겟을 연신하여 상기 스퍼터링 타겟 모재로부터 배킹 플레이트를 분리하는 단계
   를 포함하고,
   상기 스퍼터링 타겟 모재와 배킹 플레이트는 연신률이 상이한 금속으로 된 것인, 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속 회수방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 스퍼터링 타겟 모재와 배킹 플레이트는 연신율 차이가 5 내지 30%인 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속 회수방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 스퍼터링 타겟 모재는 탄탈륨, 몰리브데늄, 타이타늄, 알루미늄, 니켈, 주석, 구리, 텅스텐 및 금으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속이거나, 또는 알루미늄-탄탈륨 합금, 알루미늄-규소 합금, 타이타늄-텅스텐 합금 및 몰리브데늄-규소 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 합금인 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속 회수방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 배킹 플레이트는 구리, 인듐 및 황동으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속인 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속 회수방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 연신은 냉간압연, 열간압연 및 단조로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 방법으로 수행하는 것인 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속 회수방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 연신은 1 내지 5%의 압하율로 압력을 가하여 수행하는 것인 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속 회수방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 연신은 20 내지 30ton의 압연하중을 가하여 수행하는 것인 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속 회수방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 제1항에 있어서, 상기 배킹 플레이트를 제거한 상기 스퍼터링 타겟 모재를 산 용액으로 세정하여 상기 스퍼터링 타겟 모재에 잔류하는 배킹 플레이트 성분을 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속 회수방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 산 용액은 산: 증류수를 5:5 내지 8:2의 부피비로 혼합한 것인, 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속 회수방법.
13. 제11항에 있어서, 상기 산 용액은 상기 배킹플레이트 성분 제거 단계에 2 내지 6번 사용하는 것인 스퍼터링 폐타겟으로부터 유가금속 회수방법.

Images