JP2023079783A - Thermal spray member, semiconductor manufacturing apparatus component including the same, method for manufacturing thermal spray member and method for manufacturing semiconductor manufacturing apparatus component including thermal spray member - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、溶射部材、溶射部材を備える半導体製造装置部品、溶射部材の製造方法、及び溶射部材を備える半導体製造装置部品の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thermal spraying member, a semiconductor manufacturing apparatus component including the thermal spraying member, a method for manufacturing the thermal spraying member, and a method for manufacturing a semiconductor manufacturing device component including the thermal spraying member.
特許文献1には、金属基板又は非金属基板の上に形成される溶射複合コーティングが開示されている。特許文献1に記載の溶射複合コーティングは、第1のセラミック材料相と第2のセラミック材料相を有する。第1のセラミック材料相は、ジルコニア、部分ジルコニア及び完全ジルコニアから選択されるジルコニア系コーティングを含み、セラミック複合コーティングに耐腐食性を提供するのに十分な量で存在する。第2のセラミック材料相は、セラミック複合コーティングに耐プラズマ浸食性を提供するのに十分な量で存在する。 US Pat. No. 6,300,001 discloses a thermally sprayed composite coating formed on a metallic or non-metallic substrate. The thermally sprayed composite coating described in US Pat. No. 5,800,002 has a first ceramic material phase and a second ceramic material phase. The first ceramic material phase comprises a zirconia-based coating selected from zirconia, partial zirconia and full zirconia and is present in an amount sufficient to provide corrosion resistance to the ceramic composite coating. The second ceramic material phase is present in an amount sufficient to provide plasma erosion resistance to the ceramic composite coating.
特許文献1に記載の溶射複合コーティングにおいて、金属基板上に溶射複合コーティングを形成する場合、金属基板の被溶射面を粗面にし、その上にジルコニア系コーティングを形成していた。一般に金属基板上にジルコニア溶射膜等のセラミック溶射膜を形成するには、金属基板の被溶射面の表面粗さを大きくする必要がある。金属基板の表面粗さ相当の狭隘部に溶融粒子を侵入させて、狭隘部に進入した溶融粒子が固化することによるアンカー効果によって、溶射膜を被溶射面に固定化させるためである。金属基板の被溶射面の表面粗さが小さい場合(例えば、表面粗さRaが0.001μm~0.2μmである場合)には、上述のアンカー効果の影響が小さくなるため、金属基板の被溶射面にジルコニア溶射膜を直接形成することは非常に困難であった。また、溶射膜の厚みが金属基板の被溶射面の表面の粗さに対して相対的に小さい場合には、上述のアンカー効果の影響が小さくなり、溶射膜の機能を発揮させることが困難である場合が想定された。
In the thermal sprayed composite coating described in
本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、アルミニウム又はアルミニウム合金の基材の被溶射面に設けられたジルコニア溶射膜を含む溶射部材であって、ジルコニア溶射膜の厚みがアルミニウム基材の被溶射面の表面粗さに比べて相対的に薄い場合であっても、十分な密着力および絶縁機能を発揮しうる溶射部材及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a thermal spray member including a zirconia thermal spray coating provided on a thermal spray surface of an aluminum or aluminum alloy substrate, wherein the thickness of the zirconia thermal spray coating is the aluminum substrate. It is an object of the present invention to provide a thermal spraying member capable of exhibiting sufficient adhesion and insulating function even when the thickness is relatively thin compared to the surface roughness of the surface to be thermally sprayed, and to provide a method for manufacturing the thermal spraying member.
本発明の態様に従えば、アルミニウム又はアルミニウム合金の基材と、
前記基材の被溶射面を覆う溶射膜であって、イットリウムを含有する酸化ジルコニウムであるイットリウム含有ジルコニアの溶射膜と、を備え、
前記溶射膜に覆われた前記基材の、前記基材の前記被溶射面と前記溶射膜との界面と直交する面の断面において、前記界面を挟む平行な2つの直線の間の距離を前記界面の平面度としたとき、
前記界面は、10μm以上の長さにわたって0.2μm以下の平面度を有することを特徴とする溶射部材が提供される。
According to an aspect of the present invention, a substrate of aluminum or an aluminum alloy;
a thermally sprayed film covering the surface to be thermally sprayed of the base material, the thermally sprayed film of yttrium-containing zirconia, which is zirconium oxide containing yttrium;
In the cross section of the surface of the substrate covered with the thermal sprayed film perpendicular to the interface between the thermal sprayed surface of the substrate and the thermal sprayed film, the distance between two parallel straight lines sandwiching the interface is When the flatness of the interface is
A thermal spray member is provided, wherein the interface has a flatness of 0.2 μm or less over a length of 10 μm or more.
上記構成において、溶射部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金の基材と、イットリウム含有ジルコニアの溶射膜とを備えている。そして、基材の、被溶射面と溶射膜との界面に対して直交する面の断面において、界面を挟んだ平行な2直線の距離(平面度H)は、10μm以上の長さにわたって0.2μm以下である。上記構成の溶射部材においては、被溶射面と溶射膜との界面が平滑であり、被溶射面と溶射膜との間に中間層を設ける必要がない。また、溶射膜の厚みが基材の被溶射面の表面粗さに比べ相対的に薄い場合であっても、十分な密着力および絶縁機能を発揮させることができる。 In the above configuration, the thermal spray member includes an aluminum or aluminum alloy base material and a thermal spray film of yttrium-containing zirconia. In the cross section of the surface of the substrate perpendicular to the interface between the surface to be thermally sprayed and the thermal sprayed film, the distance (flatness H) between two parallel straight lines sandwiching the interface is 0.00 for a length of 10 μm or more. 2 μm or less. In the thermal sprayed member having the above structure, the interface between the surface to be thermally sprayed and the thermally sprayed film is smooth, and it is not necessary to provide an intermediate layer between the surface to be thermally sprayed and the thermally sprayed film. In addition, even when the thickness of the thermal sprayed film is relatively thin compared to the surface roughness of the thermally sprayed surface of the base material, sufficient adhesion and insulating function can be exhibited.
本発明の別の態様に従えば、溶射部材の製造方法であって、
前記溶射部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金の基材と、前記基材の被溶射面を覆う溶射膜であって、イットリウムを含有する酸化ジルコニウムであるイットリウム含有ジルコニアの溶射膜と、を備え、
前記製造方法は、
前記被溶射面の表面粗さRaが0.001μm~0.2μmである前記基材を加熱することと、
メジアン径が0.5μm~6μmの範囲に含まれる前記イットリウム含有ジルコニアの原料粉末及び水系の溶媒から調整されたスラリー(ジルコニアスラリー)を前記基材の前記被溶射面にプラズマ溶射して、厚さ3μm~350μmの前記溶射膜を形成することと、を備えることを特徴とする、溶射部材の製造方法が提供される。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a thermal spray member, comprising:
The thermal spraying member comprises a substrate made of aluminum or an aluminum alloy, and a thermally sprayed film covering the surface of the substrate to be thermally sprayed, the thermally sprayed film being yttrium-containing zirconia, which is zirconium oxide containing yttrium.
The manufacturing method is
heating the substrate having a surface roughness Ra of 0.001 μm to 0.2 μm on the surface to be thermally sprayed;
A slurry (zirconia slurry) prepared from the yttrium-containing zirconia raw material powder having a median diameter in the range of 0.5 μm to 6 μm and an aqueous solvent is plasma sprayed onto the surface to be thermally sprayed of the base material to obtain a thickness and forming the sprayed film having a thickness of 3 μm to 350 μm.
上記の構成において、溶射部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金の基材と、イットリウム含有ジルコニアの溶射膜とを備えている。被溶射面における表面粗さRaが0.001μm~0.2μmの範囲に含まれている基材を加熱する第1工程を有することで、溶射部材の被溶射面を平滑にすることができる。また、基材の被溶射面に対して、粒子径D50(メジアン径)が0.5μm~6μmの範囲に含まれるイットリウム含有ジルコニアの原料粉末および水系の溶媒から調整されたスラリーを、プラズマ溶射することにより、厚さ3μm~350μmの溶射膜を形成する第2工程を有している。これにより、アルミニウムの基材にイットリウム含有ジルコニアの溶射膜を製膜することができ、かつ溶射面の界面を平滑にすることができる。 In the above configuration, the thermal spray member includes an aluminum or aluminum alloy base material and a thermal spray film of yttrium-containing zirconia. By including the first step of heating the substrate whose surface roughness Ra on the surface to be sprayed is in the range of 0.001 μm to 0.2 μm, the surface to be sprayed of the thermal sprayed member can be made smooth. In addition, a slurry prepared from raw powder of yttrium-containing zirconia having a particle diameter D50 (median diameter) in the range of 0.5 μm to 6 μm and an aqueous solvent is plasma sprayed onto the surface of the substrate to be thermally sprayed. Thus, it has a second step of forming a sprayed film with a thickness of 3 μm to 350 μm. As a result, a thermally sprayed film of yttrium-containing zirconia can be formed on an aluminum substrate, and the interface of the thermally sprayed surface can be made smooth.
ここで、第1工程および第2工程によりスラリーに含まれる水分が基材に含まれるアルミニウムと反応して、Al-またはAl-O-の結合手が生じ、これにイットリウム含有ジルコニアに含有されるイットリウム(Y)が化学結合して、更にOやZrが結合することでイットリウム含有ジルコニアの溶射膜が成膜されていると考えられる。そのため、例えば表面粗さRaが0.001μm~0.2μmであるような、平滑な基材の上であってもイットリウム含有ジルコニアの溶射膜を製膜することができる。 Here, the water contained in the slurry reacts with the aluminum contained in the base material in the first step and the second step to generate Al- or Al-O-bonds, which are contained in the yttrium-containing zirconia. It is considered that the yttrium-containing zirconia thermal spray film is formed by the chemical bonding of yttrium (Y) and the further bonding of O and Zr. Therefore, a thermally sprayed film of yttrium-containing zirconia can be formed even on a smooth substrate having a surface roughness Ra of 0.001 μm to 0.2 μm.
本発明の実施形態に係る溶射部材の一例として、溶射部材1について説明する。図1に示されるように、溶射部材1は、板状の基材10と、基材10の周面の1つである被溶射面100に設けられた、イットリウムを含有する酸化ジルコニウムの溶射膜12とを備える。以下の説明において、イットリウムを含有する酸化ジルコニウムを、イットリウム含有ジルコニア、又は、単にジルコニアと呼ぶ。本実施形態において、基材10はアルミニウム又はアルミニウム合金(Al合金)で形成された板状の部材である。Al合金としては、例えば、1000番台、2000番台、5000番台、6000番のものが挙げられる。被溶射面100の表面粗さRaは0.001μm~0.2μmであることが好ましい。なお、被溶射面100の表面粗さRaは0.001μm~0.1μmであることがさらに好ましい。溶射膜12の厚さは5μm~350μmであることが好ましい。
A
以下の説明において、被溶射面100と溶射膜12との界面を、単に界面と呼ぶ。なお、被溶射面100と溶射膜12との間に空間が生じている箇所は、被溶射面100及び溶射膜12の表面の両方を界面とする。本明細書において、界面の平面度を、基材10の、界面に対して直交する面の断面において、界面を挟んだ平行な2直線の距離として定義する。ここで、「直交する」とは、被溶射面100が平面または曲面である場合は、被溶射面100の法線方向と断面の法線方向が90°±10°で交差することをいう。本実施形態の溶射部材1においては、界面の平面度H(図2参照)は、10μm以上の長さにわたって0.2μm以下になっている。
In the following description, the interface between the thermal sprayed
次に、溶射部材1の製造方法について図3~5を参照しつつ説明する。図3に示されるように、アルミニウム(Al)またはアルミニウム合金で形成された板状の基材10を準備する(S11)。上述のようにAl合金として、1000番台、2000番台、5000番台、6000番のAl合金を用いることができる。板状の基材10の少なくとも一方の主面が被溶射面100である。被溶射面100の表面粗さRaは0.001μm~0.2μmである。なお、被溶射面100の表面粗さRaが0.001μm~0.2μmとなるように基材1の溶射面10に対して表面処理を施してもよい。表面処理としては、サンドブラストのような粗面化処理は必要とせず、研削加工やその後に研磨加工することが好ましい。
Next, a method for manufacturing the
次に、第1工程として、基材10の被溶射面100の活性化処理を行う(S12)。活性化処理において、まず基材10が加熱される。具体的には、図4に示されているように、第1非酸化性ガス供給装置211から第1プラズマ溶射装置210に対して第1非酸化性ガスが供給され、第1プラズマ溶射装置210またはこれを構成するノズルから基材10の被溶射面100に第1非酸化性ガスのプラズマP1が照射される。第1非酸化性ガスとして、例えば、Arガス、H2ガス又はN2ガスを用いることができる。あるいは、第1非酸化性ガスとして、Arガス、H2ガス、N2ガスの任意の組み合わせの混合ガスを用いることができる。
Next, as a first step, an activation process is performed on the thermal sprayed
活性化処理を行うことにより、基材10の被溶射面100が活性化される。被溶射面100を活性化するとは、被溶射面100に酸化層を形成することを含む。なお、活性化処理において、第1非酸化性プラズマガスP1を照射することに代えて、大気雰囲気または非酸化性雰囲気でホットプレート等の加熱装置を用いて基材10を加熱してもよい。
By performing the activation treatment, the thermal sprayed
次に、第2工程として、基材10の溶射面にイットリウム含有ジルコニアの溶射膜12を成膜する(S13)。具体的には、先ず、イットリウムを含有し、粒子径D50(メジアン径)が0.5μm~6μmであるジルコニア(イットリウム含有ジルコニア)の原料粉末と、水系の溶媒とを調整して、ジルコニアスラリー(以下、単にスラリーという)を作製する。図5に示されるように、作製したスラリーを、スラリー供給装置222から第2プラズマ溶射装置220またはこれを構成するノズルに対して供給する。第2非酸化性ガス供給装置221から第2プラズマ照射装置220に対して第2非酸化性ガスが供給され、第2非酸化性ガスまたはそのプラズマP2を用いて第2プラズマ溶射装置220またはこれを構成するノズルから基材10の被溶射面100に当該スラリーがプラズマ溶射される。なお、イットリウム含有ジルコニアに含まれるイットリウムはY2O3換算で2mol%~8mol%であるのが好ましい。
Next, as a second step, a thermally sprayed
第2非酸化性ガスは、第1非酸化性ガスと同一であってもよく、相違していてもよい。第1プラズマ溶射装置210および第2プラズマ溶射装置220として共通のプラズマ溶射装置が用いられる場合、第1工程および第2工程が、当該共通のプラズマ溶射装置において基材10を搬送する必要なく連続的に実施されうる。この場合には、溶射部材1の製造コストの低減を図ることができる。第1プラズマ溶射装置210および第2プラズマ溶射装置220は別個のプラズマ溶射装置であってもよい。
The second non-oxidizing gas may be the same as or different from the first non-oxidizing gas. When a common plasma spray apparatus is used as first
これらの結果、図1に示されているように、基材10の被溶射面100を覆うように、イットリウム含有ジルコニアの溶射膜12が形成される。溶射膜12の厚さは5μm~350μmに調節されることが好ましい。溶射膜12の厚さが3μm未満であると当該溶射膜12の絶縁性が低下する恐れがある。また、溶射膜12の厚さが350μmを超えると当該溶射膜12の内部応力が大きくなり密着力の低下または剥離が生じる恐れがある。溶射膜12の気孔率は0.1~5%に調節されることが好ましい。
As a result, as shown in FIG. 1, a thermally sprayed
また、第2工程が複数回にわたり繰り返されてもよい。例えば、1回目の第2工程により基材10の被溶射面100を被覆する第1溶射膜が形成された後、2回目の第2工程により当該第1溶射膜をさらに被覆する第2溶射膜が形成されてもよい。
Also, the second step may be repeated multiple times. For example, after the first sprayed film that covers the
以下、本発明について実施例1~6を用いて更に説明する。但し、本発明は、以下に説明する実施例に限定されない。なお、下に示される表1、2には、実施例1~6及び比較例1~5の結果をまとめた表が示されている。 The present invention will be further described below using Examples 1 to 6. However, the present invention is not limited to the examples described below. Tables 1 and 2 shown below summarize the results of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 5.
[実施例1]
<第1工程>
基材10として、被溶射面100の表面粗さRaが0.2μmであり、縦横寸法20mm×30mm、厚み3mmの矩形の板状のアルミニウム基材が準備された。被溶射面100は研削加工の後に研磨されて調整された。第1プラズマ溶射装置210(高速プラズマ溶射装置)を用いることにより、第1非酸化性ガスのプラズマP1が基材10の被溶射面100に対して照射された(図3参照)。第1非酸化性ガスとして、Arガス、N2ガスおよびH2ガスの混合ガスが用いられた。溶射装置を構成するノズルに対するArガスの供給量が100l/minに制御され、N2ガスの供給量70l/minに制御され、かつ、H2ガスの供給量が60l/minに制御された。
[Example 1]
<First step>
As the
第1プラズマ溶射装置210を構成するノズルに対する印加電流が250Aに制御されることにより、当該ノズルへの供給電力が65kWに調節された。ノズルの先端と基材10の被溶射面100との間隔が75mmに調節された。基材10に対するノズルの走査速度または変位速度が850mm/sに調節された。そして、Arガス、N2ガスおよびH2ガスの混合ガスのプラズマP1が生成され、当該プラズマP1がノズルの先端から基材10の被溶射面100に対して照射または噴射された。これにより、基材10の被溶射面100が活性化された(図4参照)。
By controlling the current applied to the nozzles constituting the first
<第2工程>
第1プラズマ溶射装置210がそのまま第2プラズマ溶射装置220として用いられた。ジルコニアを含むスラリーが第2非酸化性ガスのプラズマP2を用いて基材10の被溶射面100に対してプラズマ溶射された(図5参照)。スラリーは、イットリウムをY2O3換算で3mol%含み、粒子径D50(メジアン径)が3μmである純度99.9%以上のジルコニア原料粉末300gと、水700gと、により調整された。第2非酸化性ガスとして、Arガス、N2ガスおよびH2ガスの混合ガスが用いられた。第2プラズマ溶射装置220を構成するノズルに対するArガスの供給量が100l/minに制御され、N2ガスの供給量70l/minに制御され、かつ、H2ガスの供給量が60l/minに制御された。これにより、溶射速度が600~700mm/sに制御された。
<Second step>
The first
第2プラズマ溶射装置220を構成するノズルに対する印加電流が250Aに制御されることにより、当該ノズルへの供給電力が65kWに調節された。ノズルの先端と基材10の被被溶射面100との間隔が75mmに調節された。基材10に対するノズルの走査速度または変位速度が850mm/sに調節された。そして、Arガス、N2ガスおよびH2ガスの混合ガスのプラズマP2が生成され、当該プラズマP2により溶融された原料粉末がノズルの先端から基材10の被溶射面100に対して噴射された。これにより、基材10の溶射面10に厚さ150μmの溶射膜12を形成した(図1参照)。これにより、実施例1の溶射部材1が作製された。なお、溶射膜12の厚さは、渦電流膜厚計により測定された。
By controlling the current applied to the nozzles constituting the second
<実施例2>
被溶射面100の表面粗さRaが0.005μmの基材10が準備されたことを除いて、実施例1と同一条件にしたがって、実施例2の溶射部材1が作製された。
<Example 2>
A
<実施例3>
第1工程(図3、S12参照)において、基材10が非酸化性ガスプラズマの溶射ではなく、ホットプレートに載置された状態で加熱されることにより、基材10の被溶射面100を活性化したことを除いて、実施例1と同一条件にしたがって、実施例3の溶射部材が作製された。
<Example 3>
In the first step (see FIG. 3, S12), the
<実施例4>
第2工程(図3、S13参照)において、粒径D50が0.5μmのジルコニア原料粉末が用いられてスラリーが調整されたことを除いて、実施例1と同一条件にしたがって、実施例4の溶射部材が作製された。
<Example 4>
In the second step (see FIG. 3, S13), the zirconia raw material powder having a particle size D50 of 0.5 μm was used to prepare the slurry of Example 4 according to the same conditions as in Example 1. A thermal spray member was produced.
<実施例5>
第2工程(図3、S13参照)において、粒径D50が6μmのジルコニア原料粉末が用いられてスラリーが調整されたことを除いて、実施例1と同一条件にしたがって、実施例5の溶射部材が作製された。
<Example 5>
In the second step (see FIG. 3, S13), the thermal spraying member of Example 5 was prepared under the same conditions as in Example 1, except that the zirconia raw material powder having a particle size D50 of 6 μm was used to prepare the slurry. was made.
<実施例6>
第2工程(図3、S12参照)において、基材10の被溶射面100に厚さ3μmの溶射膜12が形成された。これ以外は、実施例1と同一条件にしたがって、実施例6の溶射部材が作製された。
<Example 6>
In the second step (see FIG. 3, S12), a thermal sprayed
<実施例7>
第1工程(図3、S12参照)において、基材10の被溶射面100に研磨加工が施されることにより、被溶射面100の表面粗さRaが0.2μmの基材10が準備されたことと、被溶射面100が研削加工により調整されたこととを除いて、実施例1と同一条件にしたがって、実施例7の溶射部材が作製された。
<Example 7>
In the first step (see FIG. 3, S12), the thermal sprayed
<比較例1>
第1工程(図3、S12参照)において、基材10の被溶射面100にサンドブラスト加工が施されることにより、被溶射面100の表面粗さRaが2μmの基材10が準備されたことを除いて、実施例1と同一条件にしたがって、比較例1の溶射部材が作製された。
<Comparative Example 1>
In the first step (see FIG. 3, S12), the
<比較例2>
第2工程(図3、S13参照)において、湿式溶射ではなく乾式溶射が採用された。粒径D50が30μmのジルコニア原料からなる顆粒が用いられ、キャリアガスとしてArガス、N2ガスおよびH2ガスの混合ガスが用いられた。第2プラズマ溶射装置220を構成するノズルに対するArガスの供給量が100l/minに制御され、N2ガスの供給量70l/minに制御され、かつ、H2ガスの供給量が70l/minに制御された。これにより、溶射速度が600~700mm/sに制御された。
<Comparative Example 2>
In the second step (see FIG. 3, S13), dry thermal spraying was employed instead of wet thermal spraying. Granules made of zirconia raw material with a particle diameter D50 of 30 μm were used, and a mixed gas of Ar gas, N 2 gas and H 2 gas was used as a carrier gas. The supply amount of Ar gas to the nozzles constituting the second
第2プラズマ溶射装置220を構成するノズルに対する印加電流が100~110Aの範囲で制御されることにより、当該ノズルへの供給電力が50~60kWに調節された。ノズルの先端と基材1の被溶射面10との間隔が80mmに調節された。基材1に対するノズルの走査速度または変位速度が100~1000mm/sの範囲に含まれるように調節された。
By controlling the current applied to the nozzles constituting the second
これら以外は、実施例1と同一条件にしたがって、比較例2の溶射部材が作製された。 A sprayed member of Comparative Example 2 was produced under the same conditions as in Example 1 except for these.
<比較例3>
第2工程(図3、S13参照)において、水ではなくエタノールを溶媒としてスラリーが調整された。これ以外は、実施例1と同一条件にしたがって、比較例3の溶射部材が作製された。
<Comparative Example 3>
In the second step (see FIG. 3, S13), a slurry was prepared using ethanol instead of water as the solvent. A sprayed member of Comparative Example 3 was produced under the same conditions as in Example 1 except for this.
<比較例4>
第2工程(図3、S13参照)において、基材10の被溶射面100に厚さ400μmの溶射膜12が形成された。これ以外は、実施例1と同一条件にしたがって、比較例4の溶射部材が作製された。
<Comparative Example 4>
In the second step (see FIG. 3, S13), a thermal sprayed
<比較例5>
第2工程(図3、S13参照)において粒径D50が9μmのジルコニア原料粉末が用いられてスラリーが調整されたことを除いて、実施例1と同一条件にしたがって、比較例5の溶射部材が作製された。
<Comparative Example 5>
The thermal sprayed member of Comparative Example 5 was prepared under the same conditions as in Example 1, except that in the second step (see FIG. 3, S13), zirconia raw material powder having a particle size D50 of 9 μm was used to prepare slurry. made.
なお、以下に示される表1の基材加熱方法の欄において、「1」はプラズマ照射を意味し、「2」はホットプレートによる加熱を意味する。 In addition, in the column of substrate heating method in Table 1 shown below, "1" means plasma irradiation, and "2" means heating with a hot plate.
<剥離の有無の評価>
実施例1~7および比較例1~5の溶射部材において、基材10に対する溶射膜12の剥離の有無(および溶射膜12の形成有無)を目視で確認した。表2に示されているように、実施例1~7の溶射部材1においては、溶射膜12の剥離は確認されなかった。また、比較例1~5の溶射部材1においては、溶射膜12が基材10から一部剥離していること、または、溶射膜12にクラックが生じていることが確認された。
<Evaluation of presence or absence of peeling>
In the thermal sprayed members of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5, the presence or absence of separation of the
<電気絶縁性の評価>
耐電圧試験において、溶射膜12に15×10mmのAg電極を形成し、溶射部材1が絶縁油中に浸された状態で、Ag電極と基材10との間にAC60Hzの電圧(1000V/mm)が印加され、ブレークダウンの有無が評価された。表2において、1000V/mm以上確保できたものを○とし、1000V/mm未満でブレークダウンしたものを×とした。表2に示されているように、実施例1~7の溶射部材1においては、ブレークダウンは発生しなかった。これに対して、比較例1~5の溶射部材1においては、ブレークダウンの発生が確認された。
<Evaluation of electrical insulation>
In the withstand voltage test, a 15 × 10 mm Ag electrode was formed on the
<剥離強度の測定>
実施例1~7および比較例1~5の溶射部材において、基材10に対する溶射膜12の剥離強度を測定した。剥離強度試験において、溶射膜12に直径15mmの円板状の金属板を有機接着材で接着し、溶射部材の周囲を固定したうえで接着した金属板を垂直に引っ張り上げ剥離したときの強度を測定した。表2に示されるように、実施例1~7の溶射部材1においては、いずれも、剥離強度が100MPa以上であることが分かった。これに対して、比較例1~5の溶射部材1においては、剥離強度が100MPa未満(剥離強度が65MPa以下)であることが分かった。
<Measurement of peel strength>
In the thermal sprayed members of Examples 1-7 and Comparative Examples 1-5, the peel strength of the thermally sprayed
<平面度Hの測定>
実施例1~7および比較例1~5の溶射部材において、基材10と溶射膜12との界面の平面度Hを測定した。5000倍のSEM断面画像において、界面を挟んだ平行な2直線の距離が10μm以上の長さにわたって0.2μm以下のものを○とし、10μm以上の長さにわたって0.2μmを超えるものを×とした。表2に示されるように、実施例1~6の溶射部材1においては、いずれも、平面度Hが10μm以上の長さにわたって0.2μm以下であることが分かった。これに対して、比較例1~5の溶射部材1においては、平面度Hが10μm以上の長さにわたって0.2μmを超えていることが分かった。
<Measurement of Flatness H>
In the thermal sprayed members of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5, the flatness H of the interface between the
以上の結果から、実施例1~7の溶射膜12は、比較例1~5の溶射膜12よりも、基板10に対する密着性に優れていることがわかった。実施例1~7の溶射膜12は、比較例1~5の溶射膜12よりも、耐電圧性に優れていることがわかった。実施例1~7の溶射膜12は、比較例1~5の溶射膜12よりも、耐剥離性に優れていることがわかった。実施例1~7の溶射膜12における基材10と溶射膜12との界面は、比較例1~5の溶射膜12における基材10と溶射膜12との界面よりも、凹凸が小さく平面度Hが小さいことが分かった。実施例1~7に示す通り本発明により基材の表面粗さが小さくても良好な密着性、絶縁性を有する溶射部材ができることが確かめられた。特に実施例2では、基材の表面粗さが非常に小さくても平面度の高い溶射部材が作製でき、表面精度の高い溶射部材に適用できることがわかった。また実施例6では、基材の表面粗さが小さいため溶射膜の厚みが3μmと非常に薄くても、良好な密着性、絶縁性を有する溶射部材ができることが確かめられた。
From the above results, it was found that the thermal sprayed
比較例1では、ジルコニアの粒径に鑑みて基材10の被溶射面100の表面粗さRaが過度に大きい。そのため、被溶射面100の表面の微細構造における狭隘部にジルコニアの溶融粒子が侵入することによる溶射膜12の基材10に対するアンカー効果が十分に発現しなかったと推察される。また被溶射面100の表面粗さRaが過度に大きいため平面度Hが0.2 μmより大きくなったと推察される。
In Comparative Example 1, the surface roughness Ra of the thermal sprayed
比較例2では、ジルコニアの粒径が基材10の被被溶射面100の表面粗さRaよりも過度に大きい。そのため、被溶射面100の表面の微細構造における狭隘部にジルコニアの溶融粒子が侵入することによる溶射膜12の基材10に対するアンカー効果が十分に発現しなかったと推察される。また、被溶射面100の表面の微細構造における狭隘部にジルコニアの溶融粒子が侵入することができないため界面に一部剥離が生じ、平面度Hが0.2μmより大きくなったと推察される。
In Comparative Example 2, the grain size of zirconia is excessively larger than the surface roughness Ra of the thermal sprayed
比較例3では、スラリーの溶媒であるエタノールがアルミニウム基材との反応性に乏しいため、後述のような化学結合が発現せず、基材10および溶射膜12の密着性が発現しなかったと推察される。そのため界面に一部剥離が生じ、平面度Hが0.2μmより大きくなったと推察される。
In Comparative Example 3, ethanol, which is the solvent for the slurry, has poor reactivity with the aluminum substrate, so it is speculated that the chemical bond described below did not develop, and the adhesion between the
比較例4では、溶射膜12が過度に厚いため、膜応力が緩和されず、基材10との熱膨張係数の差に由来する熱応力が溶射膜12と基材10との界面(被被溶射面100)に集中して剥離が生じたと推察される。そのため界面に一部剥離が生じ、平面度Hが0.2μmより大きくなったと推察される。
In Comparative Example 4, since the
比較例5では、酸化イットリウム原料粉末の粒径が大きすぎるため、流動性のあるスラリーが調整できなかったと推察される。そのため、被溶射面100の表面に溶射膜の形成が十分になされず、微細構造における狭隘部にジルコニアの溶融粒子が侵入することができない組織となり、界面に一部剥離が生じ、平面度Hが0.2μmより大きくなったと推察される。
In Comparative Example 5, it is presumed that a fluid slurry could not be prepared because the particle size of the yttrium oxide raw material powder was too large. As a result, the thermal spray coating is not sufficiently formed on the
<実施形態の作用効果> <Action and effect of the embodiment>
実施例1~7の溶射部材1は、アルミニウムの基材10と、イットリウム含有ジルコニアの溶射膜12を備えている。被溶射面100における表面粗さRaが0.001μm~0.2μmの範囲に含まれている基材10を加熱する第1工程を有することで、溶射部材1の被溶射面100を平滑にすることができる。また、基材10の被溶射面100に対して、粒子径D50(メジアン径)が0.5μm~6μmの範囲に含まれるイットリウム含有ジルコニアの原料粉末および水系の溶媒から調整されたスラリーを、プラズマ溶射することにより、厚さ3μm~350μmの溶射膜を形成する第2工程を有している。これにより、アルミニウムの基材10にイットリウム含有ジルコニアの溶射膜を製膜することができ、かつ溶射面の界面を平滑にすることができる。
The thermal sprayed
ここで、第1工程および第2工程によりスラリーに含まれる水分がアルミニウムの基材10と反応してAl-またはAl-O-の結合手が生じ、これにジルコニアに含有されるイットリウム(Y)が化学結合して、更にOやZrが結合することでジルコニアの溶射膜が成膜されていると考えられる。そのため、例えば表面粗さRaが0.001μm~0.2μmであるような、平滑なアルミニウムの基材10の上であってもジルコニアの溶射膜を製膜することができたものと推察される。
Here, the moisture contained in the slurry reacts with the
なお、従来のジルコニアの溶射膜の成膜方法においては、上述のように、基材の表面粗さ相当の狭隘部に溶融粒子が侵入し、進入した溶融粒子が固化することによるアンカー効果によって堆積するメカニズムを利用していた。これに対して、本発明においては、基材10の被溶射面100に非酸化性ガスプラズマを照射したり、基材10をホットプレートにより加熱したりすることにより、基材10の被溶射面100を加熱して活性化している。その後に水系の溶媒を含むスラリーがプラズマ溶射されることにより、アルミニウムの基材10とジルコニアの溶射膜12との境界(界面)において化学的な反応が作用して、アルミニウムの表面にジルコニアの溶射膜が強固に結合し、成膜されることが主たる製膜の効果であると推定した。この化学反応にジルコニアに含まれるイットリウムが寄与しているものと推定される。また境界を例えば×100000倍の視野で拡大してSEM観察しても明確には判別できない。このためこのような化学結合による製膜が主たる製膜メカニズムであると推定される。
In the conventional method of forming a zirconia thermal spray film, as described above, molten particles enter a narrow space corresponding to the surface roughness of the base material, and the entering molten particles solidify and deposit due to the anchor effect. It used a mechanism to On the other hand, in the present invention, the surface to be sprayed 100 of the
上述のように、実施例1~7の溶射部材1は、アルミニウムの基材10と、イットリウム含有ジルコニアの溶射膜12を備えている。基材10の、被溶射面100と溶射膜12との界面に対して直交する面の断面において、界面を挟んだ平行な2直線の距離は、10μm以上の長さにわたって0.2μm以下である。このように、溶射部材1においては、被溶射面100と溶射膜12との界面が平滑であり、被溶射面100と溶射膜12との間に中間層を設ける必要がない。また、溶射膜12の厚みが基材10の被溶射面100の表面粗さに比べ相対的に薄い場合であっても、十分な密着力および絶縁機能を発揮させることができる。
As described above, the thermal sprayed
<変更形態>
上述の実施形態及び実施例1~7は、あくまで例示に過ぎず、適宜変更しうる。例えば、基材10の形状、寸法は上記実施例1~7には限られず、適宜変更しうる。また、実施例1、2、4、6、7の第1工程において、第1非酸化性ガスのプラズマP1と、第2非酸化性ガスのプラズマP2とを基材10の被溶射面100に照射していた。本発明はそのような態様には限られず、プラズマを生成するためのガスは適宜変更しうる。
<Change form>
The above-described embodiment and Examples 1 to 7 are merely examples, and can be changed as appropriate. For example, the shape and dimensions of the
上記実施形態及び実施例1~7においては、溶射部材1として、板状の基材10の被溶射面100にイットリウム含有ジルコニウムの溶射膜12を成膜した部材を例に挙げて説明したが、本発明の溶射部材はこのような部材には限られない。例えば、半導体製造装置部品に含まれる溶射部材に、本発明に係る溶射部材を用いてもよい。例えば、半導体製造装置部品としての静電チャックに、本発明に係る溶射部材を用いてもよい。図6に示されるように、静電チャック300は、溶射部材1としてのアルミニウム合金により形成された基材10と、基材10の被溶射面に溶射された厚み30μmの溶射膜12とを備えている。この静電チャック300において、基材10は高周波電力用の電極としてまたは直流電極として用いられる。これにより、静電チャック300は、溶射膜12の上に載置されるシリコンウェハなどの基板との間に電位差を生じせしめてシリコンウェハなどの基板を静電吸着させることができる。静電チャック300を製造する場合において、溶射部材1を上記の製造方法で製造できる。
In the above embodiment and Examples 1 to 7, as the
以上、発明の実施形態及びその変更形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記の記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に多様な変更または改良を加えることが当業者に明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが請求の範囲の記載からも明らかである。 Although the embodiments of the invention and their modifications have been described above, the technical scope of the invention is not limited to the scope of the above description. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements may be made to the above embodiments. It is also clear from the description of the scope of claims that forms with such modifications or improvements can also be included in the technical scope of the present invention.
明細書、及び図面中において示した製造方法における各処理の実行順序は、特段に順序が明記されておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるので無い限り、任意の順序で実行しうる。便宜上、「まず、」「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するわけではない。 The execution order of each process in the manufacturing method shown in the specification and drawings is not specified in particular, and unless the output of the previous process is used in the subsequent process, in any order can be executed. For the sake of convenience, "first", "next", etc. are used for explanation, but it does not mean that it is essential to carry out in this order.
1 溶射部材
10 基材
12 溶射膜
100 被溶射面
210 第1プラズマ溶射装置
211 第1非酸化性ガス供給装置
220 第2プラズマ溶射装置
221 第2非酸化性ガス供給装置
222 スラリー供給装置
300 静電チャック
REFERENCE SIGNS
211 first non-oxidizing
Claims (4)
前記基材の被溶射面を覆う溶射膜であって、イットリウムを含有する酸化ジルコニウムであるイットリウム含有ジルコニアの溶射膜と、を備え、
前記溶射膜に覆われた前記基材の、前記基材の前記被溶射面と前記溶射膜との界面と直交する面の断面において、前記界面を挟む平行な2つの直線の間の距離を前記界面の平面度Hとしたとき、
前記界面は、10μm以上の長さにわたって0.2μm以下の平面度Hを有することを特徴とする溶射部材。 a substrate of aluminum or an aluminum alloy;
a thermally sprayed film covering the surface to be thermally sprayed of the base material, the thermally sprayed film of yttrium-containing zirconia, which is zirconium oxide containing yttrium;
In the cross section of the surface of the substrate covered with the thermal sprayed film perpendicular to the interface between the thermal sprayed surface of the substrate and the thermal sprayed film, the distance between two parallel straight lines sandwiching the interface is When the flatness of the interface is H,
A thermal spray member, wherein the interface has a flatness H of 0.2 μm or less over a length of 10 μm or more.
前記溶射部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金の基材と、前記基材の被溶射面を覆う溶射膜であって、イットリウムを含有する酸化ジルコニウムであるイットリウム含有ジルコニアの溶射膜と、を備え、
前記製造方法は、
前記被溶射面の表面粗さRaが0.001μm~0.2μmである前記基材を加熱することと、
メジアン径が0.5μm~6μmの範囲に含まれる前記イットリウム含有ジルコニアの原料粉末及び水系の溶媒から調整されたスラリーを前記基材の前記被溶射面にプラズマ溶射して、厚さ3μm~350μmの前記溶射膜を形成することと、を備えることを特徴とする、溶射部材の製造方法。 A method for manufacturing a thermal spray member,
The thermal spraying member comprises a substrate made of aluminum or an aluminum alloy, and a thermally sprayed film covering the surface of the substrate to be thermally sprayed, the thermally sprayed film being yttrium-containing zirconia, which is zirconium oxide containing yttrium.
The manufacturing method is
heating the substrate having a surface roughness Ra of 0.001 μm to 0.2 μm on the surface to be thermally sprayed;
A slurry prepared from the yttrium-containing zirconia raw material powder having a median diameter in the range of 0.5 μm to 6 μm and an aqueous solvent is plasma sprayed onto the surface to be thermally sprayed of the base material to a thickness of 3 μm to 350 μm. A method of manufacturing a thermal spray member, comprising: forming the thermal spray film.
前記ベースプレートは溶射部材であり、
前記製造方法は、請求項3に記載の溶射部材の製造方法により、前記ベースプレートとしての溶射部材を製造することを含む、半導体製造装置部品の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor manufacturing equipment component comprising a base plate, comprising:
The base plate is a thermal spray member,
A method of manufacturing a component of a semiconductor manufacturing apparatus, wherein the manufacturing method includes manufacturing a thermal sprayed member as the base plate by the thermal sprayed member manufacturing method according to claim 3 .
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