專利名稱：一種高純鈦的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金、化工領(lǐng)域，尤其是集成電路(IC)行業(yè)用的高純金屬鈦靶材的生
產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
金屬鈦具有特殊優(yōu)異的性能而廣泛應(yīng)用到各個行業(yè)中。目前生產(chǎn)金屬鈦的主要方 法是克勞爾(Kroll)法，即TiC14的金屬鎂還原法。其核心過程是將金屬鎂放入反應(yīng)器中 并充入惰性氣體，加熱到800 900°C，以一定速度放入TiC14使之與熔融的金屬鎂反應(yīng)而 得到海綿狀金屬鈦。生產(chǎn)的海綿鈦純度為99. 7%左右。克勞爾法生產(chǎn)海綿鈦的工藝為間歇式生產(chǎn)，導(dǎo)致方法的生產(chǎn)效率低、能耗高。隨著微電子工業(yè)的不斷發(fā)展，對金屬鈦的純度要求越來越高。高純鈦在微電子行 業(yè)主要做為布線材料，以磁控濺射靶材的形式被使用。做為磁控濺射靶材，要求高純鈦中的 雜質(zhì)越少越好，而且要求制備靶材的原料氧含量在200ppm之內(nèi)，同時要求金屬雜質(zhì)含量低 于 IOppm0克勞爾法生產(chǎn)海綿鈦是在800 900°C的高溫下進(jìn)行的，高溫的TiC14氣體與鋼制 反應(yīng)器接觸，不可避免的使鋼中Fe、Ni、Cr、Al、Si等雜質(zhì)部分進(jìn)入產(chǎn)品海綿鈦中而使得克 勞爾法的海綿鈦質(zhì)量不能滿足微電子的要求。日本專利特許第2863469號公報公開了一種中心選擇法，即將克勞爾法海綿鈦從 反應(yīng)器中取出后，去掉上部、下部及四周部分，僅取中心附近部位的海綿鈦?zhàn)鳛楫a(chǎn)品。特許 第2921790號公報公開了一種方法，將海綿鈦在低濕度的氣氛中切割粉碎的低濕粉碎法， 解決海綿鈦的氧含量偏高的問題。CN1633511A公開了一種通過控制反應(yīng)器升溫速度、中心取樣的方法得到低雜質(zhì)、 低氧含量的方法。CN101003861A公開了一種將海綿鈦通過碘化法提純生產(chǎn)高純鈦的方法。日本專利特許第2863469號公報、特許第2921790號公報、CN1633511A所公布的 方法均是針對克勞爾法在中心及其附近部位提取部分海綿鈦?zhàn)鳛楫a(chǎn)品，其它部位的海綿鈦 不能作為靶材制備的原料，因此成本高、材料利用率低。CN101003861A公開的方法采用碘化法制備。是在克勞爾法的基礎(chǔ)上又增加了一步 提純工藝，因此，成本必然增加。本發(fā)明提供一種生產(chǎn)方法，所生產(chǎn)的產(chǎn)品全部可以達(dá)到微電子用高純鈦靶材的要 求，而且生產(chǎn)過程可以連續(xù)進(jìn)行。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以連續(xù)生產(chǎn)滿足微電子用高純鈦靶材要求的高純 度金屬鈦的生產(chǎn)方法。針對克勞爾法生產(chǎn)海綿鈦過程的不足，本發(fā)明對克勞爾法進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的內(nèi)容體現(xiàn)在(1)本發(fā)行仍然是采用鎂還原金屬鈦，但是與克勞爾法的不同在于，采用的是金屬 鎂蒸氣還原TiCl4氣體，因此反應(yīng)屬于氣相反應(yīng)過程。優(yōu)勢在于金屬鎂中的Fe、Al、Si等 在所選擇的工藝條件下不能進(jìn)入氣相，因此，金屬鎂原料中的不揮發(fā)性雜質(zhì)不能進(jìn)入產(chǎn)品 鈦中，因此，鈦的純度更高；(2)本發(fā)明所述過程可以連續(xù)生產(chǎn)，當(dāng)然也可以間歇操作。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種高純鈦的生產(chǎn)方法，包括如下步驟(1)將經(jīng)過提純的TiCl4液體加熱到30 600°C，并以氬氣控制TiCl4的流量；(2)將氬氣攜帶的TiCl4加熱到400 IOOO0C ；(3)將金屬鎂(經(jīng)過真空升華或者不經(jīng)過真空升華，視需要產(chǎn)品的純度要求而定) 加熱到600 1200°C，并以氬氣控制金屬鎂蒸氣的流量；(4)將步驟(1 3)的經(jīng)過計(jì)量的TiCl4氣體和鎂蒸氣送入加熱到600 1200°C 的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，得到金屬鈦和氯化鎂；(5)將氯化鎂及金屬鈦從反應(yīng)器的底部及中間部位分別取出；(6)氯化鎂進(jìn)行熔鹽電解得到金屬鎂和氯氣；(7)金屬鎂返回還原過程，氯氣用于生產(chǎn)TiCl4從而實(shí)現(xiàn)工藝過程的閉路循環(huán)；(8)將金屬鈦用的鹽酸、去離子水反復(fù)清洗、干燥、包裝，得到高純鈦。所述反應(yīng)器采用石英、耐熱鋼、鎢、鉬、鉭中的一種或幾種制作。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于金屬鎂是以氣相的形式參與反應(yīng)，原料鎂含有的雜質(zhì)不會進(jìn) 入產(chǎn)品中去，因此產(chǎn)品的純度更高；本發(fā)明所述方法可以連續(xù)生產(chǎn)，因此生產(chǎn)成本更低。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1將500ml光譜純TiCl4用氬氣攜帶氣化，加熱到400°C送入石英反應(yīng)器；金屬鎂加 熱到800°C并用加熱的氬氣攜帶進(jìn)入石英反應(yīng)器，石英反應(yīng)器控制溫度為800°C。收集固體 產(chǎn)物，將得到的氯化鎂進(jìn)行熔鹽電解得到金屬鎂和氯氣；再將制得的金屬鎂返回還原過程， 氯氣用于生產(chǎn)TiCl4W而實(shí)現(xiàn)工藝過程的閉路循環(huán)；將制得的金屬鈦用鹽酸清洗后用 去離子水反復(fù)清洗，得到固體產(chǎn)物70. 15克。產(chǎn)品用ICP分析，純度為99. 99%，其中金屬雜 質(zhì) IOppm,氧含量 155ppm。實(shí)施例2將光譜純TiCl4經(jīng)過精餾，取500ml，用氬氣攜帶，加熱到400°C收入反應(yīng)器；金 屬鎂經(jīng)過真空升華提純后加熱到80(TC并用加熱的氬氣攜帶進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)器控制溫度 為750°C。收集固體產(chǎn)物，將得到的氯化鎂進(jìn)行熔鹽電解得到金屬鎂和氯氣；再將制得的 金屬鎂返回還原過程，氯氣用于生產(chǎn)TiCl4W而實(shí)現(xiàn)工藝過程的閉路循環(huán)；將制得的金屬 鈦用鹽酸清洗后用去離子水反復(fù)清洗，得到固體產(chǎn)物68克。產(chǎn)品用ICP分析，純度為 99. 995%，其中金屬雜質(zhì)5ppm，氧含量150ppm。實(shí)施例3將光譜純TiCl4經(jīng)過二次精餾，取500ml，用氬氣攜帶，加熱到400°C收入反應(yīng)器； 金屬鎂經(jīng)過二次真空升華提純后加熱到80(TC并用加熱的氬氣攜帶進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)器控 制溫度為700°C。收集固體產(chǎn)物，將得到的氯化鎂進(jìn)行熔鹽電解得到金屬鎂和氯氣；再將制 得的金屬鎂返回還原過程，氯氣用于生產(chǎn)TiCl4W而實(shí)現(xiàn)工藝過程的閉路循環(huán)；將制得的金屬鈦用鹽酸清洗后用去離子水反復(fù)清洗，得到固體產(chǎn)物65克。產(chǎn)品用ICP分析，純度為 99. 999%，其中金屬雜質(zhì)小于lppm，氧含量120ppm。
權(quán)利要求
一種高純鈦的生產(chǎn)方法，其特征在于包括如下步驟(1)將經(jīng)過提純的TiCl4液體加熱到30～600℃，并以氬氣控制TiCl4的流量；(2)將氬氣攜帶的TiCl4加熱到400～1000℃；(3)將金屬鎂加熱到600～1200℃，并以氬氣控制金屬鎂蒸氣的流量；(4)將所述步驟(1～3)制得的經(jīng)過計(jì)量的TiCl4氣體和金屬鎂蒸氣送入加熱到600～1200℃的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，得到金屬鈦和氯化鎂；(5)將氯化鎂及金屬鈦從反應(yīng)器的底部及中間部位分別取出；(6)將得到的氯化鎂進(jìn)行熔鹽電解得到金屬鎂和氯氣；(7)將步驟(6)制得的金屬鎂返回還原過程，氯氣用于生產(chǎn)TiCl4從而實(shí)現(xiàn)工藝過程的閉路循環(huán)；(8)將金屬鈦用1％的鹽酸、去離子水反復(fù)清洗、干燥、包裝，得到高純鈦。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高純鈦的生產(chǎn)方法，其特征在于所述反應(yīng)器采用石英、 耐熱鋼、鎢、鉬、鉭中的一種或幾種制作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高純鈦的生產(chǎn)方法，其特征在于所述步驟(3)中的金 屬鎂經(jīng)過或者不經(jīng)過真空升華后以氣相的形式參與反應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明是一種高純鈦的生產(chǎn)方法，涉及冶金、化工領(lǐng)域，包括以下步驟將經(jīng)過提純的TiCl4液體加熱并以氬氣控制TiCl4的流量，將金屬鎂加熱并以氬氣控制金屬鎂蒸氣的流量；將經(jīng)過計(jì)量的TiCl4氣體和鎂蒸氣送入加熱到600～1200℃的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，得到金屬鈦和氯化鎂；將氯化鎂及金屬鈦從反應(yīng)器的底部及中間部位分別取出；氯化鎂進(jìn)行熔鹽電解得到金屬鎂和氯氣；金屬鎂返回還原過程，氯氣用于生產(chǎn)TiCl4從而實(shí)現(xiàn)工藝過程的閉路循環(huán)；將金屬鈦用1％的鹽酸、去離子水反復(fù)清洗、干燥、包裝，得到高純鈦。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于金屬鎂是以氣相的形式參與反應(yīng)，原料鎂含有的雜質(zhì)不會進(jìn)入產(chǎn)品中去，因此產(chǎn)品的純度更高；本發(fā)明所述方法可以連續(xù)生產(chǎn)，因此生產(chǎn)成本更低。
文檔編號C22B34/12GK101984101SQ20101056254
公開日2011年3月9日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者李士娜, 焦樹強(qiáng), 王維, 馬瑞新, 黃凱 申請人:北京科技大學(xué)