JP2010070803A - Surface treatment method of metallic material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface treatment method of metallic material capable of forming a coating film having sufficient corrosion resistance against fluorine-based corrosive gas on a surface of the metallic material containing at least iron. <P>SOLUTION: In the surface treatment method of the metallic material, a magnesium source is dispersed in the dispersion liquid of fluorine-based compound, the dispersion liquid is applied on the surface of the metallic material containing at least iron, and then, the metallic material is heated in the atmosphere or in the oxygen atmosphere to form a fluoride passive film on the surface of the metallic material. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に、フッ化不動態膜を形成することにより、この金属材料をフッ素系の腐食性の雰囲気中にて用いても、耐食性を示し、その金属材料の表面にフッ化物が形成されるのを防止することができるバリアー膜を兼ねる被膜を形成する金属材料の表面処理法に関するものである。   The present invention shows a corrosion resistance even when this metal material is used in a fluorine-based corrosive atmosphere by forming a fluorinated passive film on the surface of a metal material containing at least iron. The present invention relates to a surface treatment method of a metal material that forms a film that also serves as a barrier film that can prevent the formation of fluoride on the surface of the metal.

従来、液晶ディスプレイの製造過程や半導体製造プロセスに用いられるプラズマCVD装置などにおいて、アルミニウム合金が非常に多く用いられてきた。
プラズマCVD装置は、その表面が強力な腐食性の塩素ガス、フッ化水素ガス、あるいは、フッ素ラジカルなどに晒される。そこで、このような装置に用いられるアルミニウム合金は、耐食性を向上し、長寿命化を図るために、その表面にアルマイト処理により、アルマイト被膜が形成されていた。
Conventionally, aluminum alloys have been used very often in plasma CVD apparatuses and the like used in liquid crystal display manufacturing processes and semiconductor manufacturing processes.
The surface of the plasma CVD apparatus is exposed to strong corrosive chlorine gas, hydrogen fluoride gas, or fluorine radical. Therefore, in order to improve the corrosion resistance and extend the life of the aluminum alloy used in such an apparatus, an alumite film is formed on the surface by anodizing.

プラズマCVD装置は、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などの薄膜を半導体装置に成膜するための装置として広く用いられているが、その反応室の壁には、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜が徐々に堆積する。
その反応室の壁に堆積した膜が剥離して、半導体装置の表面に再付着すると、半導体装置の製造歩留まりや品質に影響するため、反応室の壁から堆積膜を除去(クリーニング)する必要がある。一般的に、プラズマCVD装置の反応室の壁をクリーニングする方法としては、プラズマCVD装置にクリーニング装置を接続し、活性化したクリーニング用ガス(フッ素ラジカル)を反応室に導入して、反応室の壁の堆積膜をエッチングする方法が用いられている。
A plasma CVD apparatus is widely used as an apparatus for forming a thin film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film on a semiconductor device. A silicon oxide film or a silicon nitride film is gradually formed on the walls of the reaction chamber. To deposit.
If the film deposited on the reaction chamber wall peels off and reattaches to the surface of the semiconductor device, it affects the manufacturing yield and quality of the semiconductor device. Therefore, it is necessary to remove (clean) the deposited film from the reaction chamber wall. is there. In general, as a method of cleaning the walls of the reaction chamber of the plasma CVD apparatus, a cleaning apparatus is connected to the plasma CVD apparatus, and an activated cleaning gas (fluorine radical) is introduced into the reaction chamber. A method of etching a deposited film on a wall is used.

しかしながら、アルミニウム合金の表面に形成されたアルマイト被膜は、長期間の使用により、上記のクリーニング工程におけるフッ素ラジカルによってエッチングされ、消失するという問題があった。   However, the alumite film formed on the surface of the aluminum alloy has a problem in that it is etched by the fluorine radicals in the above-described cleaning process and disappears after long-term use.

また、上記の装置の構成部材によっては、強度を確保するためなどの都合上、合金を用いざるを得ないことがある。装置の主要部の材料は、アルマイト処理を施したアルミニウム合金で十分であるが、強度を確保するためには、装置には部分的に、アルミニウム合金以外のステンレス鋼などの鉄を主成分とする金属材料を用いる必要がある。
アルミニウム合金はアルマイト処理により腐食性雰囲気中においてもある程度の使用が可能であるが、ステンレス鋼などについては、耐食性を付与する処理方法がなかった。
そのため、例えば、ステンレス鋼をプラズマCVD装置に用いると、上記のクリーニング工程によってステンレス鋼がフッ素系のガスによりフッ化されてフッ化物が生じ、その表面にはフッ化物が粉を吹いたような状態で存在し、結果的にステンレス鋼がぼろぼろとなり、パーティクルの発生源となって、半導体製造プロセスにおいて深刻な障害となる。このようなステンレス鋼の表面におけるフッ化現象は、上記の装置の構成部材の中でも、高温になる部分において顕著に現れる。
Further, depending on the constituent members of the above apparatus, an alloy may be inevitably used for the purpose of ensuring strength. The material of the main part of the device is sufficient to be an anodized aluminum alloy, but in order to ensure strength, the device is mainly composed of iron such as stainless steel other than aluminum alloy as a main component. It is necessary to use a metal material.
Aluminum alloy can be used to some extent even in a corrosive atmosphere by anodizing, but stainless steel and the like have no processing method for imparting corrosion resistance.
Therefore, for example, when stainless steel is used in a plasma CVD apparatus, the above cleaning process causes the stainless steel to be fluorinated by a fluorine-based gas to produce fluoride, and the surface is such that fluoride is blown on the surface. As a result, stainless steel becomes shabby, becomes a source of particles, and becomes a serious obstacle in the semiconductor manufacturing process. Such a fluorination phenomenon on the surface of stainless steel remarkably appears in the high temperature portion of the constituent members of the apparatus.

本発明等は、アルミニウム合金表面に対するアルマイト処理よりもさらに優れた耐食性表面処理として、マグネシウムを含むA5052やA6061などのアルミニウム合金に対して、合金中のマグネシウムを表面に拡散させるとともに、そのマグネシウムをフッ化させることにより、アルミニウム合金の表面に、腐食性ガスに対する耐食性に優れたフッ化不動態膜を形成する表面処理方法を考案した(例えば、特許文献1参照)。
特願2006−271115号公報
In the present invention and the like, magnesium in the alloy is diffused to the surface of the aluminum alloy such as A5052 or A6061 containing magnesium as a corrosion-resistant surface treatment that is further superior to the alumite treatment on the aluminum alloy surface. A surface treatment method has been devised for forming a fluorinated passive film having excellent corrosion resistance against corrosive gas on the surface of an aluminum alloy (see, for example, Patent Document 1).
Japanese Patent Application No. 2006-271115

しかしながら、特許文献1の表面処理方法は、処理可能な物質がマグネシウムを含む合金のみに限られていた。
また、フッ素系の腐食性ガスに対する耐食性を改善にするためには、上記の装置の主要部の材料として、インコネル鋼やハステロイ鋼を用いる方法も考えられる。しかし、これは上述のような金属材料のフッ化現象が発生するのを引き延ばすことに過ぎず、長期的に見れば、インコネル鋼やハステロイ鋼にも同様のフッ化現象が発生するため、結果的にこのフッ化現象を抑制することはできない。
However, the surface treatment method of Patent Document 1 is limited only to alloys in which the treatable substance contains magnesium.
In order to improve the corrosion resistance against the fluorine-based corrosive gas, a method using Inconel steel or Hastelloy steel as a material of the main part of the above-described apparatus can be considered. However, this only extends the occurrence of the fluorination phenomenon of the metal material as described above, and in the long term, the same fluorination phenomenon occurs in Inconel steel and Hastelloy steel. Furthermore, this fluorination phenomenon cannot be suppressed.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に、フッ素系の腐食性ガスに対する十分な耐食性を有する被膜を設けることができる金属材料の表面処理法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a metal material that can be provided with a coating having sufficient corrosion resistance against a fluorine-based corrosive gas on the surface of a metal material containing at least iron. The object is to provide a surface treatment method.

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、マグネシウム源とフッ化炭素系化合物を含む分散液を、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に塗布した後、大気中もしくは酸素雰囲気中にて加熱することにより、その金属材料の表面に膜厚が数μmのフッ化マグネシウム不動態膜を形成でき、このフッ化マグネシウム不動態膜が形成された少なくとも鉄を含む金属材料は、腐食性ガス雰囲気に対する耐食性を示すことを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of earnest research to solve the above problems, the present inventors applied a dispersion containing a magnesium source and a fluorocarbon-based compound to the surface of a metal material containing at least iron, and then in the atmosphere or By heating in an oxygen atmosphere, a magnesium fluoride passivation film having a thickness of several μm can be formed on the surface of the metal material, and the metal material containing at least iron on which the magnesium fluoride passivation film is formed is The present inventors have found that it exhibits corrosion resistance against a corrosive gas atmosphere and has completed the present invention.

すなわち、本発明の金属材料の表面処理法は、マグネシウム源をフッ化炭素系化合物分散液に分散させ、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に、前記分散液を塗布した後、大気中もしくは酸素雰囲気中にて加熱することにより、前記金属材料の表面に、フッ化不動態膜を形成することを特徴とする。   That is, the surface treatment method for a metal material according to the present invention comprises dispersing a magnesium source in a fluorocarbon compound dispersion and applying the dispersion on the surface of a metal material containing at least iron, and then in the atmosphere or an oxygen atmosphere. A fluorinated passive film is formed on the surface of the metal material by heating inside.

本発明の金属材料の表面処理法は、マグネシウム源をフッ化炭素系化合物分散液に分散させ、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に、前記分散液を塗布した後、大気中もしくは酸素雰囲気中にて加熱することにより、前記金属材料の表面に、フッ化不動態膜を形成するので、一般的なフッ化物膜の形成法に用いられるフッ素系のガスを用いることなく、少なくとも鉄を含む金属材料の表面にフッ化不働態膜を形成することができる。また、本発明の金属材料の表面処理法では、フッ化炭素系化合物が分散された分散液に、マグネシウム源としてのマグネシウム化合物を分散させた後、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に塗布して、大気中もしくは酸素雰囲気中にて加熱され、反応が行われるので、フッ化炭素系化合物中の炭素は酸化した後、離脱して、フッ化不働態膜中には残留しない。したがって、得られたフッ化不動態膜は、マグネシウムおよびフッ素を含む金属化合物となり、耐食性に優れる膜となる。   In the surface treatment method for a metal material according to the present invention, a magnesium source is dispersed in a fluorocarbon compound dispersion, and the dispersion is applied to the surface of a metal material containing at least iron, and then in the atmosphere or in an oxygen atmosphere. By heating and heating, a fluoride passivation film is formed on the surface of the metal material. Therefore, a metal material containing at least iron is used without using a fluorine-based gas used in a general method for forming a fluoride film. A fluorinated passive film can be formed on the surface. In the metal material surface treatment method of the present invention, a magnesium compound as a magnesium source is dispersed in a dispersion in which a fluorocarbon compound is dispersed, and then applied to the surface of a metal material containing at least iron. Since the reaction is carried out by heating in the air or in an oxygen atmosphere, the carbon in the fluorinated carbon-based compound is oxidized and then detached and does not remain in the fluorinated passive film. Therefore, the obtained fluorinated passive film becomes a metal compound containing magnesium and fluorine, and becomes a film having excellent corrosion resistance.

本発明の金属材料の表面処理法の最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
The best mode of the metal material surface treatment method of the present invention will be described.
This embodiment is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified.

本実施形態では、金属材料として、ステンレス鋼を例示して、このステンレス鋼の表面処理法について説明する。
液晶フラットパネルディスプレイの制御回路に用いられる材料の成膜法としては、プラズマCVD法が挙げられる。プラズマCVD法によるa−Si膜の成膜プロセスにおいては、一定のプロセスを重ねる毎に、プラズマCVD装置のヒーター周辺や反応ガス導入用のシャワープレートに析出したケイ素(Si)を取り除く必要がある。そこで、三フッ化窒素(NF)ガスを用いて、高周波(RF)またはマイクロ波によって分解励起されたフッ素ラジカルにより、ヒーター周辺やシャワープレートの周辺に析出したケイ素の膜をエッチングして取り除いていた。
In this embodiment, stainless steel is exemplified as the metal material, and the surface treatment method for this stainless steel will be described.
As a film formation method of a material used for a control circuit of a liquid crystal flat panel display, a plasma CVD method can be given. In the a-Si film forming process by the plasma CVD method, it is necessary to remove silicon (Si) deposited on the periphery of the heater of the plasma CVD apparatus and the shower plate for introducing a reactive gas every time a certain process is repeated. Therefore, using silicon trifluoride (NF 3 ) gas, the silicon film deposited around the heater and shower plate is removed by etching with fluorine radicals decomposed and excited by radio frequency (RF) or microwave. It was.

プラズマCVD装置では、ヒーターやシャワープレートなどの周辺機器はアルミニウム合金を主材料として構成されている。このアルミニウム合金からなる材料は、フッ素ラジカルに対する耐食性を向上するために、その表面にアルマイト処理を施し、アルマイト被膜で覆うのが一般的である。
しかしながら、上記の装置において、高強度を必要とする部位には、材料の機械的特性からアルミニウム合金からなる材料は十分な強度を示さないため、ステンレス鋼のように機械的強度を有する材料を使用する必要がある。ところが、ステンレス鋼は、アルミニウム合金と同様にフッ素ラジカルに対する耐性が、合金成分のフッ化物により損なわれてしまう。このような金属材料のフッ化現象を防ぐために、ステンレス鋼の代わりにインコネル鋼や高価なハステロイ鋼が用いられることがある。しかし、これは上述のような金属材料のフッ化現象が発生するのを引き延ばすことに過ぎず、やがてこれらの材料の表面はフッ化により破壊される。このようなステンレス鋼の表面におけるフッ化現象は、上記の装置の構成部材の中でも、高温になる部分において顕著に現れる。
このステンレス鋼の表面におけるフッ化現象を利用して、その表面をフッ素系の腐食性ガスに対する耐食性を有するフッ化マグネシウム不動態膜で被覆することにより、ステンレス鋼の表面をフッ素ラジカルなどに対して不動態化することができる。
In the plasma CVD apparatus, peripheral devices such as a heater and a shower plate are mainly composed of an aluminum alloy. In order to improve the corrosion resistance against fluorine radicals, a material made of this aluminum alloy is generally subjected to an alumite treatment on the surface and covered with an alumite coating.
However, in the above devices, materials that have high mechanical strength, such as stainless steel, are used for parts that require high strength because materials made of aluminum alloys do not show sufficient strength due to the mechanical properties of the materials. There is a need to. However, stainless steel, like an aluminum alloy, is resistant to fluorine radicals by the fluoride of the alloy component. In order to prevent such a fluorination phenomenon of the metal material, Inconel steel or expensive Hastelloy steel may be used instead of stainless steel. However, this only extends the occurrence of the fluorination phenomenon of the metal materials as described above, and the surface of these materials is eventually destroyed by fluorination. Such a fluorination phenomenon on the surface of stainless steel remarkably appears in the high temperature portion of the constituent members of the apparatus.
Utilizing this fluorination phenomenon on the surface of stainless steel, the surface of stainless steel is coated against fluorine radicals, etc. by coating the surface with a magnesium fluoride passive film that has corrosion resistance against fluorine-based corrosive gases. Can be passivated.

本発明の金属材料の表面処理法は、上記の問題を解決するために、以下の方法にて、ステンレス鋼の表面に、耐食性のフッ化マグネシウムからなる被膜を形成できる方法であって、本実施形態ではプラズマCVD装置で用いられるステンレス鋼の表面へのフッ化マグネシウムの被覆法として、以下に示すような方法を用いる。   In order to solve the above problems, the metal material surface treatment method of the present invention is a method capable of forming a coating made of corrosion-resistant magnesium fluoride on the surface of stainless steel by the following method. In the embodiment, the following method is used as a method of coating magnesium fluoride on the surface of stainless steel used in the plasma CVD apparatus.

「金属材料の表面処理法」
本発明の金属材料の表面処理法は、マグネシウム源をフッ化炭素系化合物分散液に分散させ、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に、この分散液を塗布した後、大気中もしくは酸素雰囲気中にて加熱することにより、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に、厚み1μm以上のフッ化不動態膜を形成する方法である。
"Surface treatment of metal materials"
In the surface treatment method for a metal material of the present invention, a magnesium source is dispersed in a fluorocarbon-based compound dispersion, and the dispersion is applied to the surface of a metal material containing at least iron, and then in the atmosphere or in an oxygen atmosphere. Is heated to form a fluorinated passive film having a thickness of 1 μm or more on the surface of a metal material containing at least iron.

本発明の金属材料の表面処理法では、フッ化炭素系化合物が分散された分散液を調製し(分散液Aを調製する工程)、次いで、調製された分散液にマグネシウム源を添加し、充分に攪拌、混合した(分散液Bを調製する工程)後、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に、マグネシウム源およびフッ化炭素系化合物が分散された分散液を塗布した(分散液を塗布する工程)後、少なくとも鉄を含む金属材料を大気中もしくは酸素雰囲気中にて加熱する(金属材料を加熱する工程)ことにより、少なくとも鉄を含む金属材料の表面にフッ化不動態膜を形成する。   In the surface treatment method for a metal material of the present invention, a dispersion in which a fluorocarbon compound is dispersed is prepared (step of preparing dispersion A), and then a magnesium source is added to the prepared dispersion. After stirring and mixing (step of preparing dispersion B), a dispersion in which a magnesium source and a fluorocarbon compound are dispersed is applied to the surface of a metal material containing at least iron (step of applying dispersion) ) After that, a metal material containing at least iron is heated in the air or in an oxygen atmosphere (step of heating the metal material), thereby forming a fluorinated passive film on the surface of the metal material containing at least iron.

本発明の金属材料の表面処理法では、表面の処理の対象となる、少なくとも鉄を含む金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、インコネル鋼、ハステロイ鋼などが挙げられる。   In the surface treatment method for a metal material according to the present invention, examples of the metal material containing at least iron that is a surface treatment target include stainless steel, inconel steel, and hastelloy steel.

フッ化炭素化合物が分散された分散液を調製する工程では、各種溶媒に、フッ化炭素系化合物を添加して、攪拌することなどにより、フッ化炭素系化合物が均一に分散された分散液を調製する。   In the step of preparing the dispersion liquid in which the fluorocarbon compound is dispersed, the dispersion liquid in which the fluorocarbon compound is uniformly dispersed is obtained by adding the fluorocarbon compound to various solvents and stirring. Prepare.

フッ化炭素系化合物としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシ−エチレン共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリビニルフルオライド(PVF)などが用いられる。   Fluorocarbon compounds include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxy-ethylene copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and ethylene-tetrafluoro. Ethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF) and the like are used.

上記のフッ化炭素系化合物を分散させる溶媒としては、アルキルエーテル、酢酸エチル、酢酸ブチルなどが用いられる。   Alkyl ether, ethyl acetate, butyl acetate, or the like is used as a solvent for dispersing the above fluorocarbon compound.

このフッ化炭素系化合物が分散された分散液における、フッ化炭素系化合物の含有率は30重量%以上かつ50重量%以下であることが好ましく、30重量%以上かつ40重量%以下であることがより好ましい。
フッ化炭素系化合物の含有率を30重量%以上かつ50重量%以下とした理由は、フッ化炭素系化合物の含有率が30重量%未満では、十分に均一な分散液の塗布量が得られないからであり、一方、フッ化炭素系化合物の含有率が50重量%を超えると、液留まりを起こしやすいからである。
なお、本発明では、このフッ化炭素系化合物が分散された分散液を、純水により希釈して用いてもよい。
The content of the fluorocarbon compound in the dispersion in which the fluorocarbon compound is dispersed is preferably 30% by weight or more and 50% by weight or less, and 30% by weight or more and 40% by weight or less. Is more preferable.
The reason why the content of the fluorocarbon compound is 30% by weight or more and 50% by weight or less is that when the content of the fluorocarbon compound is less than 30% by weight, a sufficiently uniform dispersion amount can be obtained. On the other hand, if the content of the fluorocarbon compound exceeds 50% by weight, liquid retention is likely to occur.
In the present invention, a dispersion in which the fluorocarbon compound is dispersed may be diluted with pure water.

マグネシウム源およびフッ化炭素系化合物が分散された分散液を調製する工程では、上記のフッ化炭素化合物が分散された分散液に、マグネシウム源を添加して、攪拌、混合することなどにより、マグネシウム源が均一に分散された分散液を調製する。   In the step of preparing the dispersion in which the magnesium source and the fluorocarbon compound are dispersed, the magnesium source is added to the dispersion in which the fluorocarbon compound is dispersed, and the mixture is stirred and mixed. A dispersion in which the source is uniformly dispersed is prepared.

マグネシウム源としては、酸化マグネシウム粉末、水酸化マグネシウム粉末、炭酸マグネシウム粉末などが用いられる。マグネシウム源として、酸化マグネシウム粉末を用いる場合、その粒子径はミクロンオーダーであることが好ましく、より好ましくは1μm以下である。   As the magnesium source, magnesium oxide powder, magnesium hydroxide powder, magnesium carbonate powder and the like are used. When magnesium oxide powder is used as the magnesium source, the particle diameter is preferably on the order of microns, more preferably 1 μm or less.

上記のマグネシウム源およびフッ化炭素系化合物が分散された分散液におけるマグネシウム源の含有率は、この分散液に含まれるフッ化炭素系化合物の質量の2.0分の1以上かつ1.3分の以下であることが好ましく、1.5分の1以上かつ1.3分の以下であることがより好ましい。例えば、フッ化炭素系化合物としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を用い、マグネシウム源として酸化マグネシウムを用いた場合、上記の分散液における酸化マグネシウムの含有率は、この分散液に含まれるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の質量の1.3分の1とする。
マグネシウム源の含有率を、フッ化炭素系化合物の質量の1.5分の1以上かつ1.3分の1以下とした理由は、マグネシウム源の含有率をこの範囲内とすれば、フッ化マグネシウムの化学量論組成の膜からなるフッ化不動態膜が得られるからである。
The content rate of the magnesium source in the dispersion in which the magnesium source and the fluorocarbon compound are dispersed is not less than 2.0 / 1.3 and 1.3 minutes of the mass of the fluorocarbon compound contained in the dispersion. It is preferable that it is below 1.5, and it is more preferable that it is 1.5 times or more and 1.3 minutes or less. For example, when polytetrafluoroethylene (PTFE) is used as the fluorocarbon compound and magnesium oxide is used as the magnesium source, the content of magnesium oxide in the above dispersion is determined by the polytetrafluoroethylene contained in this dispersion. It is set to 1 / 1.3 of the mass of (PTFE).
The reason why the content of the magnesium source is 1 / 1.5 and 1 / 1.3 or less of the mass of the fluorocarbon-based compound is that if the content of the magnesium source is within this range, the fluorination This is because a fluorinated passive film made of a film having a stoichiometric composition of magnesium can be obtained.

マグネシウム源およびフッ化炭素系化合物が分散された分散液を塗布する工程では、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に、この分散液を塗布する方法としては、金属材料の表面にこの分散液を噴霧する方法、金属材料の表面に分散液を刷毛などにより塗る方法、この分散液に金属材料を浸漬する方法などが用いられる。   In the step of applying the dispersion liquid in which the magnesium source and the fluorocarbon compound are dispersed, as a method of applying the dispersion liquid to the surface of the metal material containing at least iron, the dispersion liquid is sprayed on the surface of the metal material. And a method of applying a dispersion liquid to the surface of the metal material with a brush or the like, a method of immersing the metal material in the dispersion liquid, and the like.

上記のマグネシウム源およびフッ化炭素系化合物が分散された分散液を塗布した金属材料を、大気中もしくは酸素雰囲気中にて加熱する工程では、まず、上記の分散液を塗布した金属材料を、室温以上かつ100℃以下にて、0.5時間以上かつ2時間以下乾燥する。   In the step of heating the metal material coated with the dispersion liquid in which the magnesium source and the fluorocarbon-based compound are dispersed in the air or in an oxygen atmosphere, first, the metal material coated with the dispersion liquid is heated to room temperature. It is dried at 100 ° C. or lower for 0.5 hour or more and 2 hours or less.

その後、図1に示すような構成の加熱装置を用いて、分散液が塗布された金属材料を加熱する。
この加熱装置10は、加熱炉11と、加熱炉11内に空気もしくは酸素を供給するための流路12と、流路12の途中に設けられた流量計13とから概略構成されている。
Thereafter, the metal material to which the dispersion liquid is applied is heated using a heating apparatus configured as shown in FIG.
The heating device 10 is schematically configured from a heating furnace 11, a flow path 12 for supplying air or oxygen into the heating furnace 11, and a flow meter 13 provided in the middle of the flow path 12.

この加熱工程では、まず、加熱炉11内に分散液が塗布された金属材料を配置した後、流量計13により流量を調節しながら、流路12を介して、加熱炉11内に空気もしくは酸素を供給し、加熱炉11内を大気雰囲気または酸素雰囲気とする。
次いで、加熱炉11内に配置した金属材料を、大気中もしくは酸素雰囲気中にて、350℃以上かつ500℃以下にて、8時間以上加熱する。加熱時間は、必要とされるフッ化不動態膜の厚み(分散液の塗布量)によって異なるが、概ね24時間以下である。
In this heating step, first, after a metal material coated with a dispersion liquid is placed in the heating furnace 11, air or oxygen is introduced into the heating furnace 11 through the flow path 12 while adjusting the flow rate with the flow meter 13. And the inside of the heating furnace 11 is set to an air atmosphere or an oxygen atmosphere.
Next, the metal material disposed in the heating furnace 11 is heated at 350 ° C. or more and 500 ° C. or less for 8 hours or more in the air or in an oxygen atmosphere. Although the heating time varies depending on the required thickness of the fluorinated passive film (amount of dispersion applied), it is generally 24 hours or less.

この加熱により、分散液中に含まれるマグネシウム源のマグネシウムとフッ化炭素系化合物のフッ素が反応して、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に、密着性が高く、強固なフッ化マグネシウム不動態膜を形成する。   By this heating, magnesium of the magnesium source contained in the dispersion and fluorine of the fluorocarbon-based compound react to form a strong magnesium fluoride passivation film having high adhesion to the surface of the metal material containing at least iron. Form.

上記の分散液を塗布した金属材料を、大気中もしくは酸素雰囲気中にて加熱する温度を350℃以上かつ500℃以下とした理由は、加熱する温度が350℃未満では、未反応分散液成分の残存や反応後のカーボンが酸化脱離せずに残留するからであり、一方、加熱する温度が500℃を超えると、マグネシウム源のマグネシウムとフッ化炭素系化合物のフッ素が優先的に反応して、フッ化マグネシウム不動態膜を形成しなくなるからである。
なお、本発明の表面処理法では、酸素雰囲気中においても処理を行うため、少なくとも鉄を含む金属材料の種類によって異なる発火点に配慮し、フッ化不働態膜の形成温度を設定する必要がある。
The reason why the temperature at which the metal material coated with the above dispersion is heated in the air or in an oxygen atmosphere is 350 ° C. or more and 500 ° C. or less is that if the heating temperature is less than 350 ° C., the unreacted dispersion component This is because the remaining carbon after the reaction or the reaction remains without oxidative desorption. On the other hand, when the heating temperature exceeds 500 ° C., the magnesium of the magnesium source and the fluorine of the fluorocarbon compound react preferentially, This is because a magnesium fluoride passive film is not formed.
In addition, in the surface treatment method of the present invention, since the treatment is performed even in an oxygen atmosphere, it is necessary to set the formation temperature of the fluorinated passive film in consideration of different ignition points depending on the type of metal material containing at least iron. .

このようにして、本発明の金属材料の表面処理方法によって、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に形成されたフッ化不動態膜は、マグネシウムおよびフッ素を含む金属化合物からなる膜となる。このマグネシウムおよびフッ素を含む金属化合物からなる膜は、フッ素ラジカルが存在し、非常に強い腐食性のある雰囲気においても、強い耐食性を示す。   In this way, the fluorinated passive film formed on the surface of the metal material containing at least iron by the surface treatment method of the metal material of the present invention becomes a film made of a metal compound containing magnesium and fluorine. This film made of a metal compound containing magnesium and fluorine exhibits strong corrosion resistance even in an atmosphere having fluorine radicals and having very strong corrosiveness.

本発明の金属材料の表面処理方法は、マグネシウム源を分散したフッ化炭素系化合物分散液を用いて、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に、大気中もしくは酸素雰囲気中にてフッ化マグネシウム不動態膜を形成するので、一般的なフッ化物膜の形成法に用いられるフッ素系ガスを用いることなく、金属材料の表面にフッ化不動態膜を形成することができる。また、本発明の金属材料の表面処理方法は、マグネシウムを含むアルミニウム合金の表面に、フッ化炭素系化合物が分散された溶液を塗布した後、大気中もしくは酸素雰囲気中にて加熱することにより、アルミニウム合金の表面にフッ化不動態膜を形成する表面処理法とは異なり、その数10倍の膜厚のフッ化不動態膜を、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に形成できる。
特に、少なくとも鉄を含む金属材料としてステンレス鋼を用い、その表面にフッ化不動態膜を形成した場合、そのステンレス鋼をフッ素系の腐食性ガスを含む高温の雰囲気に晒しても、そのステンレス鋼はフッ化不動態膜によって腐食しなくなる。
The metal material surface treatment method of the present invention uses a fluorocarbon-based compound dispersion liquid in which a magnesium source is dispersed, and at least the surface of the metal material containing iron is inactivated in the atmosphere or in an oxygen atmosphere. Since the film is formed, the fluorinated passivated film can be formed on the surface of the metal material without using a fluorine-based gas used in a general method for forming a fluoride film. Further, in the surface treatment method of the metal material of the present invention, after applying a solution in which a fluorocarbon compound is dispersed on the surface of an aluminum alloy containing magnesium, heating in the atmosphere or in an oxygen atmosphere, Unlike the surface treatment method in which a fluorinated passive film is formed on the surface of an aluminum alloy, a fluorinated passive film having a film thickness of several tens of times can be formed on the surface of a metal material containing at least iron.
In particular, when stainless steel is used as a metal material containing at least iron and a fluorinated passive film is formed on the surface thereof, the stainless steel is exposed to a high-temperature atmosphere containing a fluorine-based corrosive gas. Will not be corroded by the fluorinated passive film.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited to a following example.

「実施例」
金属材料としてステンレス鋼を用意した。
ポリテトラフルオロエチレン(三井・デュポンフロロケミカル社製)を分散してなる分散液に、粒子径が3μm程度の酸化マグネシウム粉末を添加し、十分に攪拌、混合して、ポリテトラフルオロエチレンおよび酸化マグネシウム粉末を分散した分散液を調製した。
次いで、ステンレス鋼の表面に、この分散液を噴霧することにより塗布した後、この合金を大気中にて、500℃にて24時間加熱し、表面処理を行った。
なお、分散液に混合する酸化マグネシウム粉末の比率は、質量割合として、酸化マグネシウムを1とした場合、分散液中のポリテトラフルオロエチレン原料そのものを1.3の割合で混合した。
"Example"
Stainless steel was prepared as a metal material.
To a dispersion obtained by dispersing polytetrafluoroethylene (manufactured by Mitsui & DuPont Fluorochemical Co., Ltd.), a magnesium oxide powder having a particle size of about 3 μm is added, and the mixture is sufficiently stirred and mixed to obtain polytetrafluoroethylene and magnesium oxide. A dispersion in which the powder was dispersed was prepared.
Next, after the dispersion was applied to the surface of stainless steel by spraying, the alloy was heated in the atmosphere at 500 ° C. for 24 hours for surface treatment.
In addition, the ratio of the magnesium oxide powder mixed with a dispersion liquid mixed the polytetrafluoroethylene raw material itself in a dispersion liquid in the ratio of 1.3, when a magnesium oxide is set to 1 as a mass ratio.

表面処理を施したステンレス鋼の表面を、電子線プローブマイクロアナライザー(EPMA)により、元素番号6番の炭素(C)〜元素番号92番のウラン(U)について定性分析を行った。
結果を図2に示す。また、検出された各元素の重量%とmol%を表1に示す。
The surface of the stainless steel subjected to the surface treatment was subjected to qualitative analysis with respect to carbon (C) having an element number of 6 to uranium (U) having an element number of 92 using an electron probe microanalyzer (EPMA).
The results are shown in FIG. In addition, Table 1 shows the weight% and mol% of each element detected.

Figure 2010070803
Figure 2010070803

図2の結果では、ステンレス鋼には存在しないマグネシウム(Mg)とフッ素(F)が検出されている。
なお、この元素分析において、表面層の分析の深さは数μmであるため、母材であるステンレス鋼の構成元素も同時に検出されている。
In the result of FIG. 2, magnesium (Mg) and fluorine (F) which are not present in stainless steel are detected.
In this elemental analysis, since the depth of analysis of the surface layer is several μm, the constituent elements of stainless steel as the base material are also detected at the same time.

また、ポリテトラフルオロエチレンを起源とする残留炭素は検出されなかった。
表面処理を施したステンレス鋼の表面を、電子線プローブマイクロアナライザー(EPMA)により一定のライン上おいて元素分析を行った。
この元素分析の条件を、マグネシウム(Mg)、フッ素(F)および母材成分の鉄(Fe)を中心にライン分析幅3mmとした。
結果を図3に示す。
Residual carbon originating from polytetrafluoroethylene was not detected.
The surface of the stainless steel subjected to the surface treatment was subjected to elemental analysis on a certain line by an electron beam probe microanalyzer (EPMA).
The conditions for this elemental analysis were a line analysis width of 3 mm centering on magnesium (Mg), fluorine (F), and iron (Fe) as a base material component.
The results are shown in FIG.

図3の結果から、本発明の金属材料の表面処理法を施したステンレス鋼の表面上にはマグネシウムとフッ素がほぼ一様に、かつ、表面フッ化層を通して母材の鉄とともに検出されることから、ステンレス鋼の構成元素ではないマグネシウムおよびフッ素が鉄の強度に反比例して検出されることが確認された。すなわち、ステンレス鋼の表面が、フッ化マグネシウムに覆われていることが確認された。   From the results of FIG. 3, magnesium and fluorine are detected almost uniformly on the surface of the stainless steel subjected to the surface treatment method of the metal material of the present invention and together with the base material iron through the surface fluoride layer. From these results, it was confirmed that magnesium and fluorine, which are not constituent elements of stainless steel, are detected in inverse proportion to the strength of iron. That is, it was confirmed that the surface of stainless steel was covered with magnesium fluoride.

本発明の金属材料の表面処理法は、一般的なフッ化物膜の形成法に用いられるフッ素系のガスを用いる方法とは異なり、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に、十分な厚みのフッ化不動態膜を形成することができるので、このフッ化不動態膜が設けられた金属材料をプラズマCVD装置の基板加熱ヒーターに用いても、基板との接触においても傷付き難くなる。したがって、本発明の金属材料の表面処理法は、基板加熱ヒート表面処理としても用いることができる。また、プラズマCVD以外の真空装置を構成する真空容器内の部材となるステンレス鋼などの表面処理にも適用できる。   The surface treatment method for a metal material of the present invention is different from the method using a fluorine-based gas used in a general method for forming a fluoride film, and at least the surface of a metal material containing iron has a sufficient thickness of fluoride. Since a passive film can be formed, even if the metal material provided with the fluorinated passive film is used for a substrate heater of a plasma CVD apparatus, it is difficult to be damaged even in contact with the substrate. Therefore, the surface treatment method for a metal material of the present invention can also be used as a substrate heating heat surface treatment. It can also be applied to surface treatment of stainless steel or the like that is a member in a vacuum vessel constituting a vacuum apparatus other than plasma CVD.

本発明の金属材料の表面処理法の加熱工程において用いられる加熱装置を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the heating apparatus used in the heating process of the surface treatment method of the metal material of this invention. 実施例で作製したフッ化不働態膜付きのステンレス鋼の表面を電子線プローブマイクロアナライザーにより定性分析を行った結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having conducted the qualitative analysis on the surface of the stainless steel with the fluorinated passive film produced in the Example by the electron beam probe microanalyzer. 実施例で作製したフッ化不働態膜付きのステンレス鋼の表面上を電子線プローブマイクロアナライザーにより元素マグネシウム(Mg)、フッ素(F)および母材成分の鉄(Fe)についてライン分析を行った結果を示すグラフである。Results of line analysis of elemental magnesium (Mg), fluorine (F), and iron (Fe) as a base material component on the surface of a stainless steel with a fluorinated passivated film produced in the examples by an electron beam probe microanalyzer It is a graph which shows.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・加熱装置、11・・・加熱炉、12・・・流路、13・・・流量計。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Heating device, 11 ... Heating furnace, 12 ... Flow path, 13 ... Flowmeter.

Claims (1)

マグネシウム源をフッ化炭素系化合物分散液に分散させ、少なくとも鉄を含む金属材料の表面に、前記分散液を塗布した後、大気中もしくは酸素雰囲気中にて加熱することにより、前記金属材料の表面に、フッ化不動態膜を形成することを特徴とする金属材料の表面処理法。
A magnesium source is dispersed in a fluorocarbon-based compound dispersion, and after applying the dispersion to the surface of a metal material containing at least iron, the surface of the metal material is heated in the air or in an oxygen atmosphere. And a surface treatment method of a metal material, characterized by forming a fluorinated passive film.
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