JP3659921B2

JP3659921B2 - ターゲット用チタン材の製造方法

Info

Publication number: JP3659921B2
Application number: JP2002006307A
Authority: JP
Inventors: 勝一高橋; 隆夫岩淵; 健介牛島
Original assignee: Toho Titanium Co Ltd
Current assignee: Toho Titanium Co Ltd
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: US20030132108A1; JP2003213389A; US6984272B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターゲット用チタン材の製造方法に係り、特に、ＶＡＲ溶解またはＥＢ溶解後の高純度チタン材からターゲット用チタン材にするための加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年における電子部品の発展に伴い、それに用いるバリア材としてのチタン材が脚光をあびつつある。この分野に用いられるチタン材は、不純物の混入が極端に嫌われるので、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒは勿論のこと酸素や窒素等のガス成分までｐｐｍオーダーで規定されている。
【０００３】
しかしながら、ターゲット材に電子線を照射してチタンを基盤に蒸着させる工程においては、ターゲットから離脱したチタンの大部分は基盤に達するものの、残りはスパッタリング装置の内面に付着する。また、上記の工程においては、パーティクルと呼ばれるチタン粒子が生成し、基盤上に達して付着する場合がある。このようなパーティクルの発生は、細線化が進んでいる基盤上の回路の短絡等を招くため、好ましくないとされている。そのため、前記したように基盤上へのチタン歩留まりの改善やパーティクルの発生防止等が望まれている。
【０００４】
これらの問題点を解決する試みとしては、例えば、特開平９−２４１８４２号公報では、ターゲットに達するチタン歩留まりの向上を狙い、ターゲットを構成する結晶粒を特定の方位に揃える技術が開示されている。また、特開平１１−２０００２４号公報では、表面粗さをある範囲以下に抑えることにより、ターゲット表面の凹凸によって生じるパーティクルの発生を抑制するという技術が開示されている。
【０００５】
また、ターゲットの元材であるチタン材は、ターゲットのマクロ組織が均一であることだけでは不十分であり、ミクロ組織についても微細でかつ均一であることが必要となる。具体的には、ＶＡＲ溶解またはＥＢ溶解したチタンインゴットには鋳造組織が残っており、そのままではターゲットとして用いることは難しく、鍛造や焼鈍等を組み合せて、ターゲット用としての材料に造り込むことが必要である。
【０００６】
この点を解消すべく特開平６−０１０１０７号公報においては、チタンの鋳造材を熱間鍛造加工後、４００℃以下の温度範囲で圧延加工し、その後、５００〜６５０℃の温度範囲にて熱処理を施すことで薄膜の膜厚を均一にすることができるターゲット用チタン材の製造方法が開示されている。しかし、ここに開示されている技術は、最終的には圧延加工によってターゲット材を得ようとするものであり、これは比較的厚みの薄い原材料を加工する場合には適しているが、厚いチタンブロックあるいはインゴットの加工には圧延加工は適しておらず、この場合における好ましい態様である、鍛造等の手段による態様は開示されていない。また、この公報では、鋳造材の熱間鍛造後の圧延加工方法についての記載はあるものの、熱間鍛造の温度規定の開示が十分されていない。
【０００７】
さらに、近年ではターゲット用チタン材のマクロ組織やミクロ組織に対する要求が年々厳しさを増しており、これらの要求に見合うターゲット用チタン材の製造方法が望まれている。従来のチタン材の製造方法においては、チタンインゴットをβ変態点以上の温度で鍛造し、次いで、低温鍛造および焼鈍を行うことにより、結晶粒度が微細で均一なチタンビレットを得ている。しかしながら、この方法では、チタンインゴットをβ変態点以上の温度により鍛造を行うため、得られるチタンビレットのマクロ組織の表面に、図２（ａ）に示すような、結晶組織の配向に起因すると考えられる輪状や十字状の模様が現れてしまう場合がある。この模様は、その後の温間鍛造後にチタンビレットの表面を研磨加工しても、図２（ｂ）に示すように依然として残存してしまう場合がある。そのため、この方法によると、ミクロ組織については、図２（ｃ）に示すように、結晶粒度が微細で均一なターゲット用チタン材を製造することができるが、マクロ組織においては、輪状あるいは十字状の模様が表面に残存してターゲットとしての性状を損なうといった問題を有していた。このような課題について合理的に解決する条件はまだ見出されておらず、具体的な条件の確立が望まれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
よって、本発明は、前記したような現状を踏まえ、特定温度域での鍛造と焼鈍とを組み合わせて、ＥＢ溶解またはＶＡＲ溶解されたチタンインゴットから、結晶粒度が微細で均一なミクロ組織と、チタン材の表面が無模様で表面性状に優れたマクロ組織とを兼ね備えたターゲット用チタン素材を製造する方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の課題を解決すべく鋭意検討してきたところ、ＶＡＲ溶解またはＥＢ溶解して得られた高純度チタンインゴットを、β変態点（８８０℃）未満の温度域で鍛造した後、室温から３５０℃の温度域で鍛造し、次いで、焼鈍を行うことにより、マクロ組織が均一で、またミクロ組織も均一になることを見出し本願発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明のターゲット用チタン材の製造方法は、ＶＡＲ溶解またはＥＢ溶解で溶製されたチタンインゴットを７００℃〜β変態点未満の温度域で鍛造比１〜１０で粗鍛造した後、室温〜３５０℃にて鍛造比２〜１０で仕上げ鍛造し、次いで第１の焼鈍を行い、引き続き前記第１の焼鈍温度よりも高温域で第２の焼鈍を行うことを特徴としている。なお、本発明においては、焼鈍の温度を４００〜６００℃とすることが好ましい形態である。
【００１２】
このような構成とすることで、ＶＡＲ溶解またはＥＢ溶解で得られた高純度チタンインゴットからターゲットに好適なチタン材を提供することができる。なお、本発明でいう高純度チタンとは、純度が４Ｎ５またはそれ以上の純度を有するものを指す。具体的には、Ｆｅが１５ｐｐｍ以下、Ｎｉが１０ｐｐｍ以下、Ｃｒ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｕがそれぞれ５ｐｐｍ以下、Ｏが５００ｐｐｍ以下、好ましくは２５０ｐｐｍ以下である。このように、特に低酸素であることが要求されるため、溶解方法としては、処理工程での大気暴露による汚染が少ないＥＢ溶解が好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（チタンインゴットの原料）
チタンインゴットの原料としては、クロール法により製造されたスポンジチタン塊のうち、ターゲットとして要求される品質特性を満足するＦｅ，Ｎｉ，Ｃｒのみならず酸素や窒素等の低い材料を溶解原料とする。
【００１４】
（粗鍛造）
粗鍛造で扱うインゴットは、通常、その直径が大きいため、まずは高温に加熱して材料を軟化させた後、鍛造によりターゲットに要求される素材とほぼ同等の大きさのビレットに加工する。この粗鍛造は、加工の容易なβ変態点よりも高温域で行われるのが通例であるが、本発明においては、加熱温度が７００℃〜β変態点未満の温度範囲で粗鍛造することを特徴としている。この温度範囲での粗鍛造により、得られたチタンビレットの表面に輪状や十字状の模様が形成されるのを防ぐことができ、優れたマクロ組織が得られる。また、本願発明で扱う高純度チタンインゴットは合金等に比べて強度が低いため、比較的低温でも鍛造を行うことが可能である。さらに、低温で行った方が加工歪みも蓄積されやすいので、後の工程の焼鈍工程においての再結晶を助長して結晶粒微細化を促進するという効果も奏する。
【００１５】
粗鍛造に供されるインゴットは、鍛造比が１〜１０で加工することが好ましく、さらには、２〜３とすることがより好ましい。粗鍛造時の鍛造比がこの値よりも小さい場合には、チタンインゴットの鋳造組織が残留し、後の仕上げ鍛造を入念に行う必要が出てくる。また逆に、この値以上の鍛造比まで加工することも可能であるが経済的でない。
【００１６】
なお、鍛造雰囲気は、酸化物の発生を抑えるためにアルゴンガス雰囲気が好ましいが、製造コストを考慮すると、大気中で手際よく鍛造を行うことでスケールの発生を最小限に抑えることができる。また、必要に応じて、鍛造後のビレットの表面を切削してスケールを除去しても良い。
【００１７】
（仕上げ鍛造）
次に、粗鍛造で得られたビレットは、室温から３５０℃の温度範囲に保持した後、ターゲット用チタン材に要求される径に近いところまで仕上げ鍛造する。仕上げ鍛造前のインゴットは、特別に加熱する必要はないが、３５０℃を越えない温度域まで加熱すると、仕上げ鍛造をより円滑に進めることができる。しかし、仕上げ鍛造温度が３５０℃を越える場合には、その後の焼鈍工程における再結晶が十分でない場合がある。すなわち、仕上げ鍛造を前記した比較的低温域で行うことで材料に加工歪を蓄積させ、その後の焼鈍にて加工歪を開放して結晶粒を微細化することができる。
【００１８】
仕上げ鍛造では、鍛造比が２〜１０で加工することが好ましく、さらには３〜５とすることがより好ましい。仕上げ鍛造時の鍛造比がこの値よりも小さいと、後の焼鈍において結晶粒の微細化を進めることができない。一方、仕上げ鍛造時の鍛造比がこの値よりも大きい場合には、チタン材に割れが発生する場合もあり好ましくない。
【００１９】
（焼鈍）
前記したように、仕上げ鍛造のままでは材料内部に歪が蓄積した状態になっており、仕上げ鍛造に次いで焼鈍を行うことが必要である。焼鈍温度は、４００〜６００℃の温度範囲で行うことが好ましい。この温度以下では、材料内部に蓄積された歪が十分に開放されず、一方、この温度以上では、再結晶した後に、結晶粒同士が合体して結晶粒の粗大化を招き好ましくない。
【００２０】
さらに、本発明においては、焼鈍温度を２段階に昇温することがより好ましい場合もある。例えば、５００℃まで昇温した後、同温度で所定時間維持し、次いで、５５０℃まで昇温して所定時間保持しても良い。このように段階的な焼鈍を行うことで、より均一な結晶粒を有するターゲット用チタン材を得ることができる。なお、焼鈍を行う際のターゲット用チタン材の直径は、焼鈍可能であるならば特に制限はないが、加熱焼鈍の容易さを考えると２００〜４００ｍｍ程度の大きさが好ましい。
【００２１】
【実施例】
次に、下記の実施例により本発明の効果を明らかにする。
＜実施例１＞
ＶＡＲ溶解した直径５２０ｍｍの円筒形の高純度チタンインゴット（表１に組成を示す）を、８５０℃で粗鍛造して、一辺３００ｍｍの正方形断面を有するチタンビレットにした。次いで、３００℃で仕上げ鍛造して、直径１６５ｍｍの円筒形のチタンビレットにした。その後、５００℃で２時間、５２５℃で４時間の焼鈍を加えて、実施例１のターゲット用チタン材を得た。なお、粗鍛造時の鍛造比は２．４であり、仕上げ鍛造時の鍛造比は４．２であった。
【００２２】
【表１】

【００２３】
上記の製造方法においては、粗鍛造後の一辺３００ｍｍの正方形断面を有するチタンビレットを図１（ａ）に、仕上げ鍛造後にさらに研磨を行った直径１６５ｍｍの円筒形のチタンビレットを図１（ｂ）に、および焼鈍後のターゲット用チタン材の結晶組織を図１（ｃ）に示した。図から明らかなように、実施例１のターゲット用チタン材は、β変態点未満の温度域で粗鍛造を行うことにより、仕上げ鍛造後においてもマクロ組織の表面に輪状または十字状の模様が形成されることなく均一であり、さらに、最終製品であるターゲット用チタン材におけるミクロ組織では、結晶粒度が２７μmと、微細でかつ均一であった。
【００２４】
＜比較例１＞
実施例１と同様のＶＡＲ溶解した直径５２０ｍｍの円筒形の高純度チタンインゴットを、９５０℃で粗鍛造して、一辺３００ｍｍの正方形断面を有するチタンビレットにした。次いで、３００℃で仕上げ鍛造して、直径１６５ｍｍの円筒形のチタンビレットにした。その後、５００℃で２時間、５２５℃で４時間の焼鈍を加えて、比較例１のターゲット用チタン材を得た。なお、粗鍛造時の鍛造比は２．４であり、仕上げ鍛造時の鍛造比は４．２であった。
【００２５】
上記の製造方法においては、粗鍛造後の一辺３００ｍｍの正方形断面を有するチタンビレットを図２（ａ）に、仕上げ鍛造後にさらに研磨を行った直径１６５ｍｍの円筒形のチタンビレットを図２（ｂ）に、および焼鈍後のターゲット用チタン材の結晶組織を図２（ｃ）に示した。比較例１のターゲット用チタン材は、図２（ｃ）に示すように、最終製品であるターゲット用チタン材のミクロ組織が微細（結晶粒度：２７μm）でかつ均一であったが、β変態点以上の温度域で粗鍛造を行なったため、図２（ａ）に示すように、粗鍛造後の一辺３００ｍｍの正方形断面を有するチタンビレットのマクロ組織の表面に模様が形成され、さらに、図２（ｂ）に示すように、仕上げ鍛造後においても模様が消えることはなかった。
【００２６】
したがって、比較例１のターゲット用チタン材は、ミクロ組織における結晶粒度を好適な範囲とすることはできたが、マクロ組織においては、結晶の配向に起因すると考えられる輪状や十字状の模様が表面に形成されており、ターゲット素材としての品質特性が不十分であった。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＶＡＲ溶解またはＥＢ溶解で溶製されたチタンインゴットを７００℃〜β変態点未満の温度域で粗鍛造した後、室温〜３５０℃にて仕上げ鍛造し、次いで焼鈍を行うことにより、粗鍛造後のビレット表面に図３（ａ）に示すような模様が形成されることなく、結晶粒度が微細で均一なミクロ組織と、図３（ｂ）に示すように、チタン材の表面が無模様で表面性状に優れたマクロ組織とを兼ね備えたターゲット用チタン素材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のターゲット用チタン材の製造方法において、（ａ）はβ変態点以上の温度域で粗鍛造を行った一辺３００ｍｍの正方形断面を有するチタンビレットのマクロ組織、（ｂ）はその後に温間鍛造を行った直径１６５ｍｍの円筒形のチタンビレットのマクロ組織、および、（ｃ）は本発明により得られたターゲット用チタン材の結晶組織を示す写真である。
【図２】比較例１の従来のターゲット用チタン材の製造方法において、（ａ）はβ変態点以上の温度域で粗鍛造を行った一辺３００ｍｍの正方形断面を有するチタンビレットのマクロ組織、（ｂ）はその後に温間鍛造を行った直径１６５ｍｍの円筒形のチタンビレットのマクロ組織、および、（ｃ）は従来の方法により得られたターゲット用チタン材の結晶組織を示す写真である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は図２（ｂ）および図１（ｂ）をそれぞれ拡大した写真である。

Claims

ＶＡＲ溶解またはＥＢ溶解で溶製されたチタンインゴットを７００℃〜β変態点未満の温度域で鍛造比１〜１０で粗鍛造した後、室温〜３５０℃にて鍛造比２〜１０で仕上げ鍛造し、次いで第１の焼鈍を行い、引き続き前記第１の焼鈍温度よりも高温域で第２の焼鈍を行うことを特徴とするターゲット用チタン材の製造方法。
前記第１および第２の焼鈍の温度を４００〜６００℃の範囲とし、かつ、前記第２の焼鈍の温度を前記第１の焼鈍の温度よりも２５℃以上高い温度とすることを特徴とする請求項１に記載のターゲット用チタン材の製造方法。
前記チタンインゴットは、Ｆｅが１５ｐｐｍ以下、Ｎｉが１０ｐｐｍ以下、Ｃｒ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｕがそれぞれ５ｐｐｍ以下、Ｏが２５０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のターゲット用チタン材の製造方法。