CN102027152B - 水反应性Al复合材料、水反应性Al膜、该Al膜的制造方法、及成膜室用构成部件 - Google Patents

水反应性Al复合材料、水反应性Al膜、该Al膜的制造方法、及成膜室用构成部件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种水反应性Al复合材料，其在4NAl或5NAl中，以Al基准计算，添加2～5wt％的In及以与杂质Si量的总和计成为0.04～0.6wt％的量的Si而成。使用该材料制造的Al喷镀膜及该Al膜的制造。在表面具备有该Al喷镀膜的成膜室用构成部件。

Description

水反应性Al复合材料、水反应性Al膜、该Al膜的制造方法、及成膜室用构成部件
技术领域
本发明涉及水反应性Al复合材料、水反应性Al膜、该Al膜的制造方法、及成膜室用构成部件，特别是涉及添加了In及Si的水反应性Al复合材料、由该水反应性Al复合材料形成的水反应性Al膜、该Al膜的制造方法、及用该Al膜覆盖了的成膜室用构成部件。
背景技术
在用于通过溅射法、真空蒸镀法、离子镀覆法、CVD法等形成薄膜的成膜装置中，设置于该装置内的成膜室用构成部件，在成膜工艺中不可避免地附着由成膜材料形成的金属或者金属化合物的膜。作为该成膜室用构成部件，可列举例如用于防止在基板以外的真空容器内部附着膜的防附着板(防着板)、开闭器(シヤツタ一)、用于仅在基板的规定位置进行成膜的掩模、基板传送用托盘等。在成膜工艺中，在这些部件上也附着与作为目标薄膜(应该在基板上形成的薄膜)相同组成的膜。这些部件通常在除去附着膜后反复进行使用。
在这些成膜室用构成部件上不可避免地附着的膜，根据成膜工艺的作业时间而变厚，这样的附着膜由于其内部应力、反复的热履历所引起的应力从成膜室用构成部件成为粒子而剥离，附着在基板上，成为膜缺陷的产生原因。因此，成膜室用构成部件在不产生附着膜的剥离的阶段，从成膜装置取下，洗净而除去附着膜，之后进行表面精加工，定期地进行称为再使用的再生。
作为成膜材料，在使用例如Al、Mo、Co、W、Pd、Nd、In、Ti、Re、Ta、Au、Pt、Se、Ag等的有价金属的情况下，要求确立不给予向基板上的膜形成，而用于回收附着在基板以外的构成部件上的金属、同时再生构成部件的处理技术。
例如，在成膜装置中在为了防止向基板以外的装置内壁、各成膜室用构成部件表面等的成膜材料的附着而使用的防附着板的情况下，现状是剥离在成膜时附带的附着物而进行再利用。作为该附着物的剥离法，一般进行喷沙法，利用酸、碱的湿蚀刻法，利用过氧化氢等的氢易碎性的剥离法，进而利用电分解的剥离法进行。该情况下，在实施附着物的剥离处理时，由于防附着板也较多地溶解而受到损伤，因此在再利用次数上存在限制。因此，期望开发尽量减少防附着板的损伤这样的膜剥离法。
如果在上述喷沙法中发生的喷镀屑、在酸及碱处理等的药液处理中生成的废液中的剥离了的附着膜的浓度低，则有价金属的回收费用变高，得不到收益。在这种情况下，现状是作为废弃物处理。
在上述药液处理中，另外，不仅药液自身的费用高，而且使用完的药液的处理费用也高，因此另外从防止环境污染的方面来看，具有尽量减少药液的使用量的期望。进而，如果进行如上所述的药液处理，则由于从防附着板剥离了的成膜材料变质为的新的化学物质，因此从被剥离了的附着物只回收成膜材料进一步增加费用。因此，现状是仅将与回收成本相抵的单价的成膜材料成为回收对象。
除如上所述的附着膜的剥离法以外，已知以下技术：在具备用Al膜覆盖了的构成部件的装置内实施成膜工艺，所述Al膜由具有在存在水分的氛围中发生反应而能溶解的性质的水反应性Al复合材料形成，通过Al膜的反应·溶解使成膜中附着的膜剥离·分离，从该被剥离了的附着膜回收成膜材料的有价金属(例如，参照专利文献1)。该水反应性Al复合材料由Al或Al合金和In、Sn、In及Sn、或者它们的合金构成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2005-256063号公报(权利要求)
发明内容
发明要解决的课题
本发明的课题在于解决所述的现有技术的问题点，在于提供添加了在存在水分的氛围中发生反应而能溶解的In及Si的Al复合材料、由该Al复合材料形成的Al膜、该Al膜的制造方法、以及用该Al膜覆盖了的成膜室用构成部件。
用于解决课题的手段
本发明的水反应性Al复合材料，其特征在于，在4NAl或5NAl中，以Al基准计，添加2～5wt％的In及以与Al中存在的杂质Si量的总和计成为0.04～0.6wt％、优选0.04～0.2wt％的量的Si而成。
Al复合材料具有这样的构成，由此由该材料得到的Al膜，在存在水分的氛围中容易发生反应、产生氢而溶解。
In不到2wt％时与水的反应性降低，超过5wt％时与水的反应性变得非常高，有时与大气中的水分反应。另外，Si不到0.04wt％时与水的反应性的控制效果降低，超过0.2wt％时与水的反应性开始降低，而且，Si超过0.6wt％时与水的反应性本身降低。
本发明的水反应性Al膜的制造方法，其特征在于，将在4NAl或5NAl中以Al基准计添加了2～5wt％的In及以与Al中存在的杂质Si量的总和计成为0.04～0.6wt％的量的Si的材料熔融，以使得组成变得均匀，将该熔融材料对于基材表面进行喷镀而使其急冷凝固，由此进行成膜。在该制造方法中，Si的添加量，以与杂质Si量的总和计，优选为成为0.04～0.2wt％的量。
本发明的水反应性Al膜，其特征在于，由上述水反应性Al复合材料形成。
本发明的成膜装置的成膜室用构成部件，其特征在于，表面具备有上述水反应性Al膜。
上述构成部件，其特征在于，为防附着板、开闭器或掩模。
发明的效果
由本发明的水反应性Al复合材料形成的Al喷镀膜，可通过简单的工艺以低成本容易地进行制造。另外，即使经过来自300～350℃左右的成膜工艺的热履历后、仍具有在存在水分的氛围中发生反应而能溶解的性质，同时通过规定量的Si的添加，实现能控制受到热履历前(膜的形成时)的活性度·溶解性这样的效果。
该Al膜，由于在水分的存在下发生反应而产生氢、同时高效地溶解，因此如果使用具备用该水反应性Al膜覆盖了的成膜室用构成部件(例如，防附着板、开闭器及掩模等)的成膜装置进行成膜，则通过该Al膜的反应·溶解使由在成膜工艺中在防附着板等的表面上附着的成膜材料形成的不可避免的附着膜剥离·分离，实现可容易地从该被剥离了的附着膜回收成膜材料的有价金属、以及构成部件的再使用次数增加这样的效果。
附图说明
图1是表示对于在比较例1中得到的由Al-In复合材料得到的Al喷镀膜的热处理温度(℃)与溶解电流密度(mA/cm2)的关系的图。
图2是表示对于在实施例1中得到的由Al-In-Si复合材料得到的Al喷镀膜的热处理温度(℃)与溶解电流密度(mA/cm2)的关系的图。
图3是表示在实施例1中得到的带Al喷镀膜基材上的附着的附着膜的剥离状态的照片。
具体实施方式
在使用成膜装置通过溅射法等的各种成膜方法制造薄膜的情况下，成膜室内受到反复的热履历。因此，在用本发明的Al膜涂覆了的防附着板等的成膜室内设置的构成部件的表面也受到反复的热履历。因此，受到热履历前的喷镀成膜时的膜容易稳定地进行处理，同时经过成膜工艺中的热履历后的附着不可避免的附着膜的Al膜，需要具有可容易地从基材连同附着膜剥离这样的溶解性(活性)，且是稳定的。在本发明的水反应性Al膜的情况下，充分满足这样的溶解性。
上述成膜室内的热履历的上限温度，例如在利用溅射法、真空蒸镀法、离子镀覆法、CVD法等的成膜的情况下，为300～350℃左右，因此一般如果经过了达到300℃的热履历的Al膜具有水反应性，则在实用上是充分的，优选的是如果经过了达到350℃的热履历的Al膜具有水反应性则更好。如以下说明，在本发明的水反应性Al膜的情况下，充分满足这样的溶解性。
对于上述溶解性，通过将用Al膜覆盖了的基材在规定的温度(40～130℃、优选80～100℃)的温水中浸渍时的液体中的电流密度(在本发明中，称为溶解电流密度(mA/cm2))进行评价。该测定方法测定样品的处理液浸渍前后的质量减少，由表面积、处理液浸渍时间等换算成电流密度的值的方法。通过该方法测定的溶解电流密度如果为50mA/cm2以上，则可以说经过在成膜工艺中的热履历后的附着不可避免的附着膜的Al膜具有可容易地从基材连同附着膜进行剥离的溶解性(活性)。
以下，对本发明的实施方式进行说明。
由本发明的水反应性Al复合材料形成的Al膜，由于在Al中In均匀高度地分散，因此容易在水、水蒸气、水溶液等这样的存在水分的氛围中发生反应而溶解。在本发明中使用的Al，纯度为4N(99.99％)及5N(99.999％)，例如将通过电解法得到的2N(99％)Al、3N(99.9％)Al进而通过3层电解法、或者通过利用部分凝固法(偏析法)所引起的凝固时的固相和液相的温度差的方法等而得到。4NAl及5NAl中的主要杂质为Fe、Si，此外含有Cu、Ni、C等。
一般而言，在Al-In类中，Al和In之间的电化学的电位差非常大，但如果存在Al的自然氧化膜，则Al的离子化不进行。但是，一旦自然氧化膜破裂、与In直接结合，则该电位差急剧地促进Al的离子化。此时，In不进行化学变化，在原样的状态下在Al晶粒中高度地分散而存在。In由于低熔点(157℃)、且与Al不发生固熔体化，因此在对Al与In的密度差加以注意、同时根据喷镀法对于基材喷镀将Al和In熔融以使得组成变得均匀的材料时，通过急冷凝固和其压缩效果而得到所期望的膜。
添加的In通过喷镀工艺在Al晶粒中高度地分散，保持与Al直接接触的状态。由于In没有与Al形成稳定层，因此Al/In界面保持有高的能量，在存在水分的氛围中在与水分的接触面激烈地发生反应。另外，作为添加元素的In处于高度的分散状态，而且由于产生的H2气泡的膨胀所引起的机械作用，以AlOOH为主体的反应产物在表面不进行皮膜化而发生微粉化向液体中扩散，溶解反应在不断更新的反应界面持续、爆发地进行。
上述的Al-In类的举动，Al纯度越高，即，与3N相比，在4N及5N的情况下越特别显著。
上述由4NAl-In复合材料形成的Al喷镀膜，在经过喷镀工艺而形成了的状态下活性高，在存在水分的氛围中的溶解性高而难以处理。但是，如果向该材料添加规定量的Si，则得到的Al喷镀膜的活性降低，容易变得处理，同时经过热履历后的Al喷镀膜变得具有活性，在存在水分的氛围中呈现高的溶解性(活性)。因此，根据In及Si的组成比例，在大气中，常温下有时发生粉化，在该情况下，为了防止与大气中的水分的反应优选在干燥氛围中(也可在真空氛围中)进行保管。
下面以由4NAl-In-Si形成的水反应性Al复合材料为例进行说明。
Al喷镀膜，通过使用In及Si在Al中一样地分散了的Al-In-Si复合材料、根据喷镀法在规定的氛围中在被处理基材的表面进行成膜而制造。得到的Al-In-Si喷镀膜，在Al的晶粒中In晶粒(粒径10nm以下)以均匀高度分散了的状态含有。
上述Al喷镀膜，例如如下进行制造。
可通过如下制造具备有所期望的水反应性Al喷镀膜的基材：准备4NAl、In及Si，相对于该Al，配合2～5wt％的In、及考虑4NAl中的杂质Si量以与杂质Si量的总和计成为0.04～0.6wt％、优选0.04～0.2wt％的量的Si，在Al中使In及Si均匀地溶解，将加工成杆或者线形状的物体作为喷镀材料使用，例如通过火焰喷镀法，向成膜装置的防附着板等的成膜室用构成部件这样的基材的表面喷涂而使其急冷凝固，进行被覆。这样得到的喷镀膜，如上所述，为在Al晶粒中In以均匀地高度分散了的状态存在的膜。
在如上所述在Al-In类中添加规定量的Si而得到的Al喷镀膜的情况下，由于可在通过喷镀形成了的状态下控制溶解性，因此可以防止与氛围中的水分反应而引起的喷镀膜的溶解，变得容易处理。另外，在成膜室内的热履历所引起的温度的上限为300℃左右的情况下，如果使用添加了0.04～0.6wt％、优选为0.05～0.5wt％的Si的Al复合材料来形成Al膜，则得到实用的溶解性，在热履历所引起的温度的上限为350℃左右这样高的情况下，如果使用添加了0.04～0.2wt％、优选0.05～0.1wt％的Si的Al复合材料来形成Al喷镀膜，则得到实用的溶解性。
在如上所述将由Al喷镀膜被覆了的基材在温水中浸渍、或者喷涂水蒸气时，例如在规定的温度的温水中浸渍了的情况下，刚刚浸渍后反应开始，产生氢气，进一步反应进行时，由于析出了的In等水变成黑色，最终，喷镀膜完全溶解，在温水中包含Al、In及Si等的沉淀物残留。该反应，水温越高就越激烈地进行。
上述喷镀膜，以通过使用了杆或者线形状的材料的火焰喷镀而形成的例子进行了说明，但使用粉末状的材料的火焰喷镀也可以，进而电弧喷镀、等离子喷镀也可以。在本发明中，根据这些喷镀法，以已知的工艺条件熔融上述的原材料，向基材表面喷涂而使其急冷凝固，形成喷镀膜。
如上所述，作为设置在成膜装置的成膜室内的防附着板、开闭器等的成膜室用构成部件，如果使用将其表面用上述水反应性Al膜覆盖了的结构，则在规定的次数的成膜工艺后，可简单地从不可避免地附着了成膜材料的成膜室用构成部件将该附着膜剥离、容易地回收有价金属。
该情况下，作为剥离液，由于不使用化学药品、而仅仅使用纯水等的水、水蒸气或水溶液，因此可避免防附着板等的成膜室用构成部件的溶解所产生的损伤，它们的再利用次数与使用药品的情况相比飞跃地增加。另外，由于不使用药品，因此也关系到处理成本的大幅削减、环境保护。进而，由于附着在防附着板等的成膜室用构成部件上的许多的成膜材料在水中不溶解，因此也存在可将与成膜材料相同组成的材料作为相同的形态下的固体进行回收的优点。此外，不仅回收成本惊人地降低，而且回收工序也简单化，因此也存在可回收材料的范围宽这样的优点。例如，在成膜材料为贵金属、稀有金属这样的高价的金属的情况下，如果将由本发明的水反应性Al复合材料形成的膜应用于防附着板等的成膜室用构成部件，则通过将具有在成膜中不可避免地附着了的膜的成膜室用构成部件浸渍在水中或喷涂水蒸气，可将由成膜材料形成的附着膜剥离，因此不会伴随有污染，可以回收贵金属、稀有金属等。回收成本低廉，同时可高品质地回收成膜材料。
以下，通过实施例对本发明进行详细地说明。
(比较例1)
作为Al，使用3NAl、4NAl及5NAl，比较研究以下的Al-In组成中的Al纯度、In浓度与得到的喷镀膜的溶解性的关系。In的添加量为Al重量基准。
·3NAl-2wt％In
·3NAl-3wt％In
·3NAl-4wt％In
·4NAl-2wt％In
·4NAl-3wt％In
·4NAl-5wt％In
·5NAl-1.5wt％In
·5NAl-2.5wt％In
·5NAl-3.5wt％In
使用以上述的比例配合Al及In、在Al中使In均匀地溶解而加工成杆形状了的喷镀材料，通过熔棒式火焰喷镀(热源：C2H2-O2气体，约3000℃)，在大气氛围中向由铝形成的基材的表面喷涂而形成喷镀膜。相对于这样得到的各喷镀膜，代替由成膜工艺受到的热履历而实施0～350℃的热处理(大气中、1小时、炉冷)。将受到热处理前的状态(0℃)的带喷镀膜基材及经过热处理后的带喷镀膜基材浸渍在80℃的纯水300ml中，测定浸渍液的电流密度来研究各喷镀膜的溶解性。得到的结果示于图1。在图1中，横轴为热处理温度(℃)，纵轴为溶解电流密度(mA/cm2)。
由图1可知，使用纯度4N及5N的Al的情况与使用3NAl的情况相比，显示出高的溶解性，同时发现在各纯度的Al中In的浓度高的一方(2wt％以上)显示高溶解性的倾向。因此，在使用纯度4N以上的Al、In添加量2wt％以上的Al-In的情况下，Al喷镀膜的溶解性良好。但是，在使用5NAl的情况下，得到的喷镀膜的活性过高，在常温下放置在大气中时发生粉化，存在难以处理的问题，因此，在实用上，需要控制其活性(溶解性)而容易进行处理。
实施例1
鉴于比较例1的结果，使用4NAl，研究了在添加了In及Si(与杂质Si量的总和量)的Al-In-Si组成中的Si添加量、与得到的喷镀膜的溶解性的关系。In及Si的添加量为Al重量基准。
·4NAl(杂质Si：100ppm)-3wt％In
·4NAl-3wt％In-0.05wt％Si(其中，杂质Si：90ppm)
·4NAl-3wt％In-0.1wt％Si(其中，杂质Si：100ppm)
·4NAl-3wt％In-0.2wt％Si(其中，杂质Si：100ppm)
·4NAl-2.6wt％In-0.5wt％Si(其中，杂质Si：100ppm)
使用以上述的比例配合Al、In及Si、在Al中使In及Si均匀地溶解而加工成杆形状的喷镀材料，通过熔棒式火焰喷镀(热源：C2H2-O2气体，约3000℃)，在大气氛围中，向铝制基材的表面喷涂而形成喷镀膜。相对于这样得到的各喷镀膜，代替由成膜工艺受到的热履历而实施0～400℃的热处理(大气中、1小时、炉冷)。将受到热处理之前的状态(0℃)的带喷镀膜基材及经过热处理后(经过热履历后)的带喷镀膜基材浸渍在80℃的纯水300ml中，测定浸渍液的电流密度来研究各喷镀膜的溶解性。得到的结果示于图2。在图2中，横轴为热处理温度(℃)，纵轴为溶解电流密度(mA/cm2)。
由图2可知，通过添加规定量的Si，在通过喷镀来形成的状态下，可控制受到热处理前的喷镀膜的活性度、即溶解性，因此可防止与大气氛围中的水分的反应所引起的喷镀膜的溶解。另外，在成膜室内的热履历所引起的温度的上限为300℃左右的情况下，如果使用添加了0.04～0.6wt％、优选0.05～0.5wt％的Si的Al复合材料来形成Al喷镀膜，则得到实用的溶解性，在热履历所引起的温度的上限为350℃左右这样高的情况下，如果使用添加了0.04～0.2wt％，优选0.05～0.1wt％的Si的Al复合材料来形成Al喷镀膜，则得到实用的溶解性。
在将经过了上述热处理后的、用溶解性良好的喷镀膜被覆了的基材浸渍在80℃的温水中的情况下，在刚刚浸渍之后开始反应，剧烈地产生氢气，进一步反应进行时，由于析出的In等水变成黑色，最终可知，该喷镀膜通过与水的反应而不能在基材上附着，一边溶解一边剥离。这样，本发明的Al复合材料可以说为水反应性。
实施例2
使用4NAl及5NAl，研究在添加了In及Si(与杂质Si量的总和量)的Al-In-Si组成中的Al纯度、Si添加量、与得到的喷镀膜的溶解性的关系。In及Si的添加量为Al重量基准。
·4NAl-2wt％In-0.05wt％Si(其中，杂质Si：90ppm)
·4NAl-3wt％In-0.1wt％Si(其中，杂质Si：100ppm)
·4NAl-4wt％In-0.5wt％Si(其中，杂质Si：100ppm)
·5NAl-1.5wt％In-0.05wt％Si(其中，杂质Si：100ppm)
·5NAl-2.6wt％In-0.1wt％Si(其中，杂质Si：100ppm)
·5NAl-3.5wt％In-0.5wt％Si(其中，杂质Si：100ppm)
将Al、In及Si以上述的比例配合，与实施例1同样地形成喷镀膜。相对于这样得到的各喷镀膜，与实施例1同样地实施热处理(大气中、1小时、炉冷)。将受到热处理前的状态(0℃)的带喷镀膜基材及经过热处理后(经过热履历后)的带喷镀膜基材浸渍在80℃的纯水300ml中，测定浸渍液的电流密度来研究各喷镀膜的溶解性。
其结果，得到与实施例1相同的倾向。通过添加规定量的Si，可在通过喷镀形成了的状态下控制受到热处理前的喷镀膜的活性度、即溶解性。另外可知，在热处理温度的上限为300℃左右的情况下，如果使用In添加量在2wt％以上、添加了0.04～0.6wt％、优选0.05～0.5wt％的Si的Al复合材料来形成Al喷镀膜，则得到实用的溶解性，在热处理温度的上限为350℃左右这样高的情况下，如果使用In添加量在2wt％以上、添加了0.04～0.2wt％、优选0.05～0.1wt％的Si的Al复合材料来形成Al喷镀膜，则得到实用的溶解性。
实施例3
使用设有用实施例1中得到的4NAl-3wt％In-0.1wt％Si喷镀膜(膜厚200μm)被覆了表面的防附着板的溅射装置，实施白金(Pt)成膜30个循环后，取下附着该Pt的防附着板，通过80℃的温水进行处理，结果在约30分时喷镀膜溶解，如图3所示，Pt的附着膜从防附着板剥离。因此，可容易地回收作为成膜材料的Pt。此时，温水中沉淀有AlOOH。
产业上的可利用性
如果通过由本发明的水反应性Al复合材料形成的Al膜被覆用于采用溅射法、真空蒸镀法、离子镀覆法、CVD法等形成金属或金属化合物的薄膜的真空成膜装置内的成膜室用构成部件的表面，可将在成膜工艺中附着在该成膜室用构成部件的表面上的不可避免的附着膜在存在水分的氛围中进行剥离、回收。因此，本发明，在使用这些成膜装置的领域、例如半导体元件、电子相关设备等的技术领域中，可以利用于使成膜室用构成部件的再利用次数增加、回收含有有价金属的成膜材料。

Claims (5)

1.一种水反应性Al复合材料，其特征在于，在4NAl或5NAl中，以Al基准计，添加2～5wt％的In及以与Al中存在的杂质Si量的总和计成为0.04～0.6wt％的量的Si而成。
2.一种水反应性Al膜的制造方法，其特征在于，将在4NAl或5NAl中以Al基准计添加了2～5wt％的In及以与Al中存在的杂质Si量的总和计成为0.04～0.6wt％的量的Si的材料熔融，以使得组成变得均匀，将该熔融材料对于基材表面进行喷镀而使其急冷凝固，由此进行成膜。
3.一种水反应性Al膜，其特征在于，由权利要求1所述的水反应性Al复合材料形成。
4.一种成膜装置的成膜室用构成部件，其特征在于，在表面具备有由权利要求1所述的水反应性Al复合材料形成的水反应性Al膜。
5.如权利要求4所述的成膜室用构成部件，其特征在于，所述构成部件为防附着板、开闭器或掩模。
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