JPH11350051A - チタンインゴットの製造方法 - Google Patents

チタンインゴットの製造方法

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JPH11350051A
JPH11350051A JP15457498A JP15457498A JPH11350051A JP H11350051 A JPH11350051 A JP H11350051A JP 15457498 A JP15457498 A JP 15457498A JP 15457498 A JP15457498 A JP 15457498A JP H11350051 A JPH11350051 A JP H11350051A
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JP
Japan
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molten metal
titanium
hearth
vibration
mold
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JP15457498A
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English (en)
Inventor
Takashi Onishi
隆 大西
Yasutoku Yoshimura
泰徳 吉村
Hiroaki Shiraishi
博章 白石
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Osaka Titanium Technologies Co Ltd
Original Assignee
Osaka Titanium Technologies Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高純度のチタンを経済的に製造する。 【解決手段】 電子ビーム溶解において、ハース3を振
動装置9により振動させることにより、溶湯6からの不
純物の放出を促進する。ハース3内の溶湯6をモールド
4内に注入し凝固させて、高純度のチタンインゴットと
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の配線
用材料等に使用される高純度チタンの製造に適したチタ
ンインゴットの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体素子の配線用材料として高
純度チタンが使用されている。チタンを半導体素子の配
線用材料として使用する場合、チタン中の不純物が半導
体素子の性能を低下させる原因になるので、そのチタン
は不純物の少ない高純度チタンであることが必要であ
る。
【0003】例えばNa,K等のアルカリ金属はシリコ
ン中を容易に移動し、素子特性を劣化させる原因にな
る。U等の放射性元素はα線によって素子のソフトエラ
ーの原因となる。Fe等の重金属も又、界面接合部のト
ラブルの原因となる。酸素については薄膜の電気抵抗を
増加させる原因になる。このようなことから、半導体素
子の配線用材料には不純物の少ない高純度チタンが必要
となる。
【0004】そして現在、半導体素子の配線用材料に一
般的に使用されている高純度チタンの純度は4N5(9
9.995%)程度であり、Na,K等のアルカリ金属
は0.1ppm以下、U等の放射性元素は1ppb以
下、Fe等の重金属は10ppm以下、酸素は300p
pm以下程度に制限されている。
【0005】しかしながら、半導体素子の高集積化が進
むにつれ、配線用材料に使用される高純度チタンにおい
ては更なる高純度化の要望が大きくなっている。そして
高純度チタンの製造方法として、電子ビーム溶解法が特
開平4−358030号公報、特開平3−130339
号公報及び特開昭62−280335号公報等に開示さ
れている。また、チタン等の高融点金属を電子ビーム溶
解する場合は、特開平6−287661に開示されてい
るように、ハースを用いる方法が一般的である。
【0006】この電子ビーム溶解法では、電子ビームの
照射によりハース内に生成された溶湯が無底のモールド
に連続的に注入され、これがモールド内で凝固して下方
に連続的に引き抜かれることにより、チタンインゴット
が製造される。電子ビーム溶解法によると、溶湯の状態
のときにNa、K等の揮発性の高い元素は0.1ppm
以下まで容易に低減される。また、Fe、Cr、Al等
のTiより蒸気圧が高く蒸発されやすい元素についても
低減が可能である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】電子ビーム溶解法にお
いて溶湯から不純物の放出を促進するためには、溶湯の
温度を高くする方法が考えられる。また、溶湯の蒸発時
間を長くしたり、溶湯の蒸発面積を大きくする等の方法
も有効と考えられる。しかし、溶湯の温度を高くするた
めに電子ビームの溶解出力を大きくした場合や、溶湯の
蒸発時間を長くするために溶解速度を遅くした場合、溶
湯の蒸発面積を大きくするために溶解鋳型を大きくした
場合等には、いずれも母材であるチタンの蒸発量が増加
し、溶解のコストの増大等の問題が発生してしまう。
【0008】本発明の目的は、電子ビーム溶解法におい
て溶湯から不純物の放出を促進する場合に問題となるチ
タンの蒸発を抑制し、これにより、不純物の少ない高純
度チタンを製造することができるチタンインゴットの製
造方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者らの調査による
と、溶湯に振動を付与し、その表面を波立たせて表面積
を大きくする方法は、溶湯中の不純物の放出を促進する
のに非常に有効であり、しかも、チタンの蒸発量を効果
的に抑制することが可能であることが確認された。しか
し、特開平6−287661号公報に記載されているよ
うな、モールド内の溶湯に振動を付与する方法は、結晶
粒径の微細化を目的としているため、溶湯中の不純物の
放出除去には殆ど効果がないことが判明した。
【0010】即ち、特開平6−287661号公報に
は、モールド内の溶湯に振動を付与する方法として、モ
ールドを振動させる方法と、モールドから下方に連続的
に引き出される凝固金属を振動させる方法の2つが具体
的に記載されているが、モールド内の凝固金属はモール
ドの内面には殆ど接触していないため、モールドを振動
させても、その振動はモールド内の凝固金属には殆ど伝
わらず、従って、その凝固金属上に保持される溶湯は殆
ど振動しない。
【0011】加えて、本発明者らの調査によると、溶湯
の表面を効果的に波立たせるためには、溶湯の表面に直
角な方向の振動、特に超音波振動を付与することが効果
的であることが確認されたが、特開平6−287661
号公報に記載されているモールドには底がなく、その内
部を凝固金属が貫通する構造のため、モールドを上下方
向に振動させた場合は、その振動は凝固金属には一層伝
わり難い。いずれにしても、モールドを振動させる方法
の場合には、モールド内の凝固金属上に保持された溶湯
を効果的に振動させること自体が不可能である。
【0012】一方、モールドから下方に連続的に引き出
される凝固金属を振動させる方法の場合には、凝固金属
を下方から支持するスターティングブロック等に引き抜
き方向の振動を付与することにより、一応は凝固金属及
び凝固核に振動を付与することができる。しかし、溶湯
中の不純物を効果的に放出するためには、溶湯に垂直な
方向の超音波振動を付与する必要がある。超音波振動は
チタン中での減衰が顕著なため、スターティングブロッ
ク等に溶湯に垂直な方向の振動を付与する場合、凝固金
属の引き抜き量が小さい鋳造初期においては溶湯の表面
に直角な方向の振動が付与されるが、凝固金属の引き抜
き量が増える鋳造途中からは溶湯に直角な方向の振動が
減衰により効果的に付与されなくなる。従って、この方
法の場合は、効果的に超音波振動が付与できないという
問題がある。
【0013】そこで本発明者らは、電子ビーム溶解法に
おいて溶湯に垂直な方向の超音波振動を効果的に付与で
きる方法について検討を行った。その結果、モールドの
手前のハースに振動を付与するのがよいことが判明し
た。即ち、ハースは底の浅い皿であり、溶湯はその浅底
の皿内に収容されているため、ハースの底面に超音波振
動機を取り付ければ、ハースに超音波振動が付与され、
ハース内の溶湯に垂直な方向の超音波振動が効果的に付
与される。
【0014】本発明のチタンインゴットの製造方法は、
上記知見に基づいて開発されたものであり、電子ビーム
溶解法により原料チタンをハース内で溶解した後、ハー
ス内の溶湯をモールドに流し込むことによりチタンイン
ゴットを製造する方法において、前記ハースに振動を付
与することを特徴とする。
【0015】前記ハースに付与する振動としては、ハー
ス内の溶湯に垂直な方向の成分を主体とする振動が好ま
しい。この振動は又、周波数が20kHz以上の超音波
振動であることが好ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図1は本発明の実施形態にかかるチ
タンインゴットの製造方法を実施するために使用される
電子ビーム溶解炉の構成図である。
【0017】電子ビーム溶解炉は、その炉内に電子ビー
ムを下方に照射する電子銃1,2と、電子銃1,2の各
下方に配置されたハース3及びモールド4と、ハース3
の底面に取り付けられた振動装置9とを備えている。底
の浅い皿であるハース3及び無底構造のモールド4は、
いずれも水冷銅からなる。
【0018】一方の電子銃1は、その下方に供給される
溶解材料5に電子ビームを照射して、下方のハース3内
にチタンの溶湯6を生成する。ハース3内に生成された
溶湯6は、モールド4内に流入し急冷されて凝固チタン
7となる。他方の電子銃2は、凝固チタン7の上に所定
量の溶湯6を形成するために、モールド4内に流入する
溶湯6に電子ビームを照射する。
【0019】凝固チタン7はスターティングブロック8
の上に保持されており、モールド4内への溶湯6の流入
量に対応してスターティングブロック8が下げられるこ
とにより、凝固チタン7はその成長に合わせて下方へ徐
々に引き抜かれ、所定長のチタンインゴットとなる。
【0020】ハース3の底面に取り付けられた振動装置
9は、鉛直方向を主体とした超音波を発生し、これをハ
ース3に付与する。これにより、ハース3内の溶湯6に
は、その溶湯に垂直な方向の超音波振動が付与される。
【0021】溶解材料5としては、例えばクロール法に
よって製造され押し固められた棒状のチタンコンパクト
が使用される。
【0022】本発明の実施形態にかかるチタンインゴッ
トの製造方法では、電子ビーム溶解炉内を所定の真空度
に吸引排気した状態で、電子銃1からの電子ビームの照
射により、ハース3内にチタンの溶湯6を生成し、その
溶湯6がハース3内からモールド4内に注入されること
により、チタンインゴットが製造される。
【0023】このとき、ハース3では溶湯6中の不純物
が外部に放出されるが、その底面に取り付けられた振動
装置9の作動により、ハース3に溶湯6に垂直な方向の
超音波振動が付与され、溶湯6の溶湯に垂直な方向に超
音波振動が付与されているために、溶湯6の表面が波立
つ。これにより、溶湯6からのチタンの蒸発が抑制され
つつ、不純物の放出が促進される。この理由は次のよう
に考えられる。
【0024】電子ビーム溶解法におけるチタンの溶湯表
面からの不純物の放出量は、溶解条件が同じであれば各
元素毎で一定である。これは、溶湯をそのまま滞留させ
ている場合、まず溶湯表面の不純物が放出され、その後
拡散により溶湯表面に移行した不純物が放出されるから
である。しかし、溶湯に垂直な方向から振動を付与した
場合には、溶湯表面の波立ちによる表面積の増大と溶湯
内での不純物の拡散の促進の二つの相乗効果により不純
物の放出が促進されたと考えられる。
【0025】なお、電子ビーム溶解では、振動装置9を
ハース3の底面に取り付けることができ、これにより、
ハース3が溶湯6の湯面に直角な方向に効率的に超音波
振動し、且つその振動が効率的にハース3内の溶湯6に
伝わることも重要である。
【0026】以上により、本発明の実施形態にかかるチ
タンインゴットの製造方法では、電子ビーム溶解過程で
不純物が効率的に低減される。製造されたチタンインゴ
ットをヨウ化物熱分解法等により更に高純度に精製する
ことも可能である。また、ヨウ化物熱分解法等により精
製された高純度チタンをこのチタンインゴットの製造方
法によって精製することも可能である。
【0027】上記実施形態では、ハース3に超音波振動
を付与したが、振動装置9を変えることにより、超音波
より周波数の低い振動を付与することも可能である。ま
た、20Hz以下というような低周波数の振動を付与す
場合は、ハース3を傾動自在に片持ち支持し、反支持側
を振動装置によって上下方向に往復移動させるようなこ
とも可能である。
【0028】
【実施例】次に本発明の実施例を示し、従来例と対比す
ることにより、本発明の効果を明らかにする。
【0029】図1に示す電子ビーム溶解炉を使用し、ク
ロール法にて製造された外径が50mmの高純度チタン
棒材を溶解材料として電子ビーム溶解を行った。ハース
は水冷銅からなる有効容積が300,000mm3 、溶
湯表面積が10,000mm 2 の皿である。モールドは
水冷銅からなる内径が100mmの筒体である。
【0030】ハースに付与する振動の周波数は20kH
z、100Hz、5Hzの3種類とした。20kHzの
振動は、ハースの底面に取り付けた超音波振動装置によ
り付与した。100Hz及び5Hzの振動は、ハースを
傾動自在に片持ち支持し、反支持側に取り付けた電動振
動装置により付与した。いずれの振動の方向も鉛直方
向、即ち溶湯に垂直な方向である。
【0031】なお、20kHzの振動については、ハー
スの側面に取り付けた超音波振動装置により水平方向、
即ち溶湯に平行な方向の振動も付与した。
【0032】ハース内及びモールド内の溶湯への電子ビ
ームの照射出力は、それぞれ20kW、25kWとし
た。この出力は、溶湯からのチタンの蒸発量が5%以下
となる条件である。炉内の真空度は1.0×10-2
a、溶解速度は10kg/時間とした。
【0033】比較のために、ハースに振動を付与せずに
溶解を行った。ハースに振動を付与する代わりに、スタ
ーティングブロックを鉛直方向に超音波振動させた。真
空度及び溶解速度は同じ条件とした。
【0034】製造されたチタンインゴット及び溶解材料
の不純物分析を行った結果を表1に示す。
【0035】
【表1】
【0036】ハースに振動を付与することにより、溶湯
中の不純物が除去される。また、酸素のピックアップは
発生しない。この効果は振動数が増大するにつれて増大
し、超音波振動で特に顕著な効果が得られる。振動の方
向は、溶湯に垂直な方向が効果的である。
【0037】スターティングブロックの振動による凝固
チタンの振動は 溶解初期に鋳造されたインゴットのボ
トム部に対しては有効な場合もあるが、その他の部分に
対しては、振動の減衰により効力を示さない。
【0038】
【発明の効果】以上に説明した通り、本発明のチタンイ
ンゴットの製造方法は、電子ビーム溶解法においてハー
スに振動を付与することにより、チタン中の不純物を効
果的に低減できる。また、半導体素子の配線用材料に使
用されるような高純度のチタンも生産性よく製造でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るチタンインゴットの製
造方法に使用される電子ビーム溶解炉の構成図である。
【符号の説明】
1 2 電子ビーム 3 ハース 4 モールド 5 溶解材料 6 溶湯 7 凝固チタン 8 スターティングブロック 9 振動装置

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電子ビーム溶解法により原料チタンをハ
    ース内で溶解した後、ハース内の溶湯をモールドに流し
    込むことによりチタンインゴットを製造する方法におい
    て、前記ハースに振動を付与することを特徴とするチタ
    ンインゴットの製造方法。
  2. 【請求項2】 前記ハースに付与する振動は、ハース内
    の溶湯に垂直方向の成分を主体とする振動であることを
    特徴とする請求項1に記載のチタンインゴットの製造方
    法。
  3. 【請求項3】 前記ハースに付与する振動は、周波数が
    20kHz以上の超音波振動であることを特徴とする請
    求項1又は2に記載のチタンインゴットの製造方法。
JP15457498A 1998-06-03 1998-06-03 チタンインゴットの製造方法 Pending JPH11350051A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009136418A (ja) * 2007-12-05 2009-06-25 Nippon Roki Kogyo Kk 石化遺骨灰の製造方法
JP2020121332A (ja) * 2019-01-31 2020-08-13 日本製鉄株式会社 チタン鋳塊
JP2020121331A (ja) * 2019-01-31 2020-08-13 日本製鉄株式会社 チタン鋳塊の製造方法および製造装置
JP2021123748A (ja) * 2020-02-05 2021-08-30 日本製鉄株式会社 チタン合金の溶解鋳造方法

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