KR20110139386A - 스퍼터링 타겟용 탄탈륨 판재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 용해 주조된 탄탈륨 잉고트 또는 빌렛트에 대해, 냉간 단조 및 냉간 압연을 차례로 수행한 후 1173K ~ 1573K에서 재결정 소둔을 수행하여, 결정립의 평균 입경이 50㎛ 이하가 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 탄탈륨 판재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 의하면, 결정립 미세화 및 결정입도의 균일도가 우수한 탄탈륨 판재를 제조할 수 있게 되고, 특히 탄탈륨 판재의 최종 결정립 크기가 50㎛ 이하가 되며, (111)배향이 우선적인 조직으로 이루어져서 고순도 스퍼터링 타겟으로 이용할 수 있게 된다.

Description

스퍼터링 타겟용 탄탈륨 판재 및 그 제조방법{SPUTTERING TARGET Ta SHEET AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 탄탈륨 판재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고순도의 탄탈륨(Ta) 원료를 전자 빔으로 용해하여 형성된 탄탈륨 잉곳트 또는 빌렛트에 대해 냉간 단조 및 냉간 압연 후 재결정 소둔을 실시함으로써, 결정립 크기가 50㎛이하이며 (111)배향이 우선적인 조직으로 이루어지도록 구성되는 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 스퍼터링 공정이 사용되고 있다.

이러한 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 탄탈륨(Ta) 소재는 융점이 2996, 밀도가 16.6g/cm³ 인 5A족의 금속으로써 높은 전하량과 낮은 저항온도 계수, 연성과 내식성 등 우수한 기계적, 물리적 특징으로 인해 전기, 전자를 비롯하여 기계, 화공, 의료 뿐만 아니라 우주, 군사 등 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 사용되고 있는 금속이다. 특히, 고순도 탄탈륨은 주로 TaC, TaN, Ta2O5 등의 화합물 박막형태로 응용분야가 급증하는 추세이며, 박막을 제조하기 위한 스퍼터링 타겟 재료로서의 사용도 급증하고 있다.

한편, 고순도의 스퍼터링 타겟용 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.

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.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전자 빔에 의해 용해 주조된 고순도의 탄탈륨 잉곳트 또는 빌렛트에 대해 냉간 단조 및 냉간 압연 후 재결정 소둔을 실시함으로써, 결정립 미세화 및 결정입도의 균일도가 우수한 탄탈륨 판재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 주요한 해결 과제로 한다.

상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 탄탈륨 판재의 제조방법은, 용해 주조된 탄탈륨 잉고트 또는 빌렛트에 대해, 냉간 단조 및 냉간 압연을 차례로 수행한 후 1173K ~ 1573K에서 재결정 소둔을 수행하여, 결정립의 평균 입경이 50㎛ 이하가 되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 냉간 단조 공정은, 70 ∼ 80%의 소성 가공율을 적용하여 단조 공정을 수행하는 단계; 탄탈륨의 재결정 온도 이하에서 가공능 향상을 위해 중간 소둔을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 단조 공정과 중간 소둔 공정이 적어도 2회 반복되는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 중간 소둔 공정은 873K ~ 1173K에서 20 ~ 40분 동안 수행되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 냉간 압연 공정은 40% 이상의 압하율(Reduction Ratio)로 실시되는 것이 바람직하다.

또한 상기 재결정 소둔은 20분 ~ 60분 동안 진행되는 것이 바람직하다.

이러한 탄탈륨 판재는 (111)면의 집합조직의 우선적으로 성장하도록 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따라 제조되는 탄탈륨 판재는, 결정립의 평균 입경이 50㎛ 이하이고, (111)면의 분율이 가장 높게 분포되도록 구성되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 탄타륨 판재는 (111)면의 분율이 적어도 60% 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따르면, 결정립 미세화 및 결정입도의 균일도가 우수한 탄탈륨 판재를 제조할 수 있게 된다.

특히, 탄탈륨 판재의 최종 결정립 크기가 50㎛ 이하가 되고, (111)배향이 우선적인 조직으로 이루어져서 고순도 스퍼터링 타겟으로 이용할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 탄탈륨 판재의 미세조직을 나타내는 사진.
도 2는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 탄탈륨 판재의 이미지 맵핑 결과를 나타내는 사진.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 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 빌렛트에 대해 냉간 단조, 냉간 압연, 소둔, 마무리 가공 등 일련의 가공을 행하게 되는데, 다음의 순서로 가공 과정이 진행된다.

우선, 탄탈륨 잉곳트 또는 빌렛트에 대해 냉간 단조 공정을 수행하는데, 이때 50 ∼ 80%의 소성 가공율을 적용하여 2회 정도 반복적으로 단조 공정을 실시한다. 각 단조 공정 중에는 다음 단계의 소성가공 공정의 가공능 향상을 위해 873K ~ 1173K에서 20 ~ 40분간 중간 소둔을 실시한다. 이러한 냉간 단조 및 중간 소둔의 과정은 경우에 따라 2회 이상 반복 수행될 수도 있다.

여기서, 상기 단조 공정의 소성 가공율이 50% 미만으로 이루어지더라도 주조조직의 파괴 및 내부기공의 제거가 가능하지만, 본 발명의 목적인 50㎛ 이하의 결정립을 얻기 위한 단조 가공량으로 충분하지 않으며, 적어도 소성 가공율이 50% 이상 되어야 후공정인 압연, 열처리 공정에서 재결정 결정립의 제어가 가능하게 된다. 또한 80% 이상의 높은 가공율은 저온에서 실시되기 때문에 크랙 등의 결함을 발생시킬 가능성이 존재한다. 따라서 50 ∼ 80%의 소성 가공율을 적용하여 단조 공정을 수행하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 단조 공정 후에 수행되는 중간 소둔은 재결정 온도 이하인 873K ~ 1173K의 온도 범위 내에서 실시하도록 구성되는 것이 바람직하다. 873K 이하에서는 전체적으로 응력제거가 어려워질 수 있고, 1173K 이상에서는 응력제거뿐만 아니라 국부적인 부위에서 핵생성이 일어날 염려가 있기 때문에, 소재에 남아있는 잔류응력만을 균일하게 제거하기에 적절한 온도인 873K ~ 1173K의 범위에서 중간 소둔이 실시되는 것이 바람직하다.

또한 20분 미만의 중간 소둔으로는 충분한 중간 풀림이 일어나기 힘들고, 40분 이상의 중간 소둔에서는 열처리의 목적인 풀림 이외에 재결정 현상이 일어날 수 있으므로, 단조 공정 후에 수행되는 중간 소둔은 20 ~ 40분간 실시되는 것이 바람직하다.

이처럼 냉간 단조 공정을 통해 50 ∼ 80%의 두께로 감소된 단조품에 대해 냉간 압연 공정을 수행한다.

이러한 냉간 압연 공정은 5m/min의 속도로 Pass당 10 ~ 15%의 단면 감소율을 부여하여, 최종 단면 감소율이 40% 이상이 되도록 압하율(Reduction Ratio)을 제어하는 것이 바람직하다.

50%의 이상의 가공율로 단조 공정을 거친 탄탈륨 소재의 경우, 결정립 미세화를 위한 최소 가공량은 적어도 40%이상이 되어야 재결정 이후 50㎛ 이하의 결정립을 가질 수 있게 된다.

그리고 상기 냉간 압연 공정을 거친 압연품에 대해, 재결정 소둔 공정과 마무리 가공 공정을 수행함으로써 결정입도의 균일성이 우수한 탄탈륨 판재가 제작된다.

이처럼 압연공정 이후 실시되는 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, 적어도 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.

한편, 상기 재결정 소둔은 20분 ~ 60분 동안 진행되는 것이 바람직하다. 재결정 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 60분 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.

일반적으로 결정립 미세화를 이루기 위해서는 탄탈륨 잉고트 또는 빌렛트에 대해 매우 많은 소성가공이 가해져야 하는데, 소성가공 중간에 재결정 소둔을 하지 않고 한번에 가공률(단조, 압연)을 많이 주게 되면 스트레스를 받아서 응력집중이 매우 심하게 되어 내부 균열이나 크랙이 발생할 위험이 높다. 따라서 본 발명에서는, 냉간 단조 공정 중에 응력 제거를 위한 중간 소둔을 실시하고, 다시 냉간 압연 공정 후에는 재결정 소둔 공정을 거치게 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㎛ 이하가 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 50㎛ 이하의 결정립을 갖는 스퍼터링 타겟이 박막의 균일성이 우수하기 때문이다.

또한 BCC 금속인 탄탈륨의 경우, 원자 조밀면인 (111)면의 분율이 높을수록 스퍼터링 박막의 균일 증착성이 향상된다고 알려져 있기 때문에, 전술한 과정을 거쳐서 제작된 본 발명에 따른 탄탈륨 판재에서도 (111)면의 집합조직이 우선적으로 성장하도록 구성되는 것이 바람직하다.

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

[실험예 1]

4N(99.995%)의 고순도 탄탈륨 원료를 전자 빔 용해하여 탄탈륨 잉곳트를 제작하고, 상기 탄탈륨 잉곳트에 대해 70%의 소성 가공율을 적용하여 냉간 단조 공정을 수행한 후, 1173K에서 20분간 중간 소둔을 실시했다. 이러한 냉간 단조및 중간 소둔 공정을 2회 반복 수행하였다. 이후, 냉간 압연 공정을 거친 후, 1323K에서 20분간 재결정 소둔을 수행하였다.

상기와 같은 실험예 1의 공정을 통해 제작된 탄탈륨 판재는, 결정립도가 43±16㎛ 정도로 매우 미세한 조직을 가지고, 결정입도의 표준편차 역시 매우 우수한 균일성을 가지게 되었다. 도 1에 상기 실험예 1의 공정을 통해 제작된 탄탈륨 판재의 미세조직 사진이 도시되어 있다.

또한 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 실험예 1의 공정을 통해 제작된 탄탈륨 판재는 (111)면의 분율이 60.34%인 것으로 관찰되었다. 즉, (111)면의 집합조직의 우선적으로 성장한 이상적인 탄탈륨 판재가 제조되었다.

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.

Claims (9)

1. 용해 주조된 탄탈륨 잉고트 또는 빌렛트에 대해, 냉간 단조 및 냉간 압연을 차례로 수행한 후 1173K ~ 1573K에서 재결정 소둔을 수행하여, 결정립의 평균 입경이 50㎛ 이하가 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 탄탈륨 판재의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉간 단조 공정은,
   50 ∼ 80%의 소성 가공율을 적용하여 단조 공정을 수행하는 단계;
   탄탈륨의 재결정 온도 이하에서 가공능 향상을 위해 중간 소둔을 수행하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄탈륨 판재의 제조방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 단조 공정과 중간 소둔 공정이 적어도 2회 반복되는 것을 특징으로 하는 탄탈륨 판재의 제조방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 중간 소둔 공정은 873K ~ 1173K에서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄탈륨 판재의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 중간 소둔 공정은 20 ~ 40분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 탄탈륨 판재의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 냉간 압연 공정은 40% 이상의 압하율(Reduction Ratio)로 실시되는 것을 특징으로 하는 탄탈륨 판재의 제조방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 재결정 소둔은 20분 ~ 60분 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 탄탈륨 판재의 제조방법.
8. 제1항에 있어서,
   (111)면의 집합조직의 우선적으로 성장하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 탄탈륨 판재의 제조방법.
9. 상기 제1항 내지 제8항 중 어느 한 제조방법에 의해 제조되고, 결정립의 평균 입경이 50㎛ 이하이며, (111)면의 분율이 가장 높게 분포되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 탄탈륨 판재.

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