JP3236293U - メタルマスク - Google Patents

Abstract

【課題】溶射によりワークの表面に被膜を形成する際に、簡便にマスキングを行うことができ、ワークに堆積された被膜にダメージを与えないメタルマスクを提供する。【解決手段】メタルマスク１００は、ワークの表面に接する第１面Ｓ１１と第１面の反対側の第２面Ｓ１２と第１面と前記第２面との間の第３面Ｓ１３とを有する本体部１０２と、本体部から連続し、第１面より外側に突出する庇部１０４とを有し、庇部がワークの表面から離れて配置されている。メタルマスクの本体部に係る第３面（側面）は、庇部を形成するように設けられた段差部１０６を有している。また、本体部に係る第３面（側面）は、第１面側から第２面側に向けて広がる傾斜面を有し、庇部が傾斜面の上方に配置される構造を有していてもよい。【選択図】図１

Description

本開示は、ワークに溶射を行う際に用いることのできるメタルマスクの構造に関する。

高い耐電圧と耐熱性を備えるために、金属製のワーク（「基材」、「部品」とも呼ばれる）にセラミックの絶縁膜を溶射する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４－０１３８７４号公報

溶射による被膜の形成は、熱源を用いて金属やセラミックスなどの材料を溶融させ、その溶融粒子をワークへ噴射することで被膜を形成するため、被膜を堆積する箇所と、被膜を堆積しない箇所とを精密に作り分けるのが困難である。そのため、ワークに被膜を堆積させたくない箇所に対しては、あらかじめマスキングをしておく必要がある。

例えば、ワークの表面の一部分に溶射被膜を堆積させないようにする場合、マスキングテープなどのマスキング部材を設けることが行われている。しかし、溶射処理により堆積される被膜はワークの表面のみでなくマスキング部材の上にまで連続的に堆積されるので、マスキング部材を外すとき被膜にクラックが入り、また、マスクとの境界部分で剥離することが問題となる。

このような問題に鑑み、本開示は、溶射によりワークの表面に被膜を形成する際に、簡便にマスキングを行うことができ、ワークに堆積された被膜にダメージを与えない治具を提供することを目的とする。

本開示の一実施形態に係るメタルマスクは、ワークの表面に接する第１面と第１面の反対側の第２面と第１面と前記第２面との間の第３面とを有する本体部と、本体部から連続し、第１面より外側に突出する庇部とを有し、庇部がワークの表面から離れて配置されている。

本開示の一実施形態において、メタルマスクの本体部に係る第３面（側面）は、庇部を形成するように設けられた段差部を有していてもよい。また、本体部に係る第３面（側面）は、第１面側から第２面側に向けて広がる傾斜面を有し、庇部が傾斜面の上方に配置される構造を有していてもよい。

本開示の一実施形態に係るメタルマスクは、本体部及び庇部が金属製、本体部及び庇部が樹脂製、又は本体部及び庇部が金属製で表面が樹脂で覆われていてもよい。

本開示の一実施形態によれば、メタルマスクに、ワークの表面から離れて配置され、直接的に接触しない庇部を設けることで、メタルマスクをワークから取り外す際に溶射によって形成された被膜にダメージを与えないようにすることができる。

本開示の一実施形態に係るメタルマスクの構造を説明する図であり、（Ａ）は平面図を示し、（Ｂ）は断面図を示す。 本開示の一実施形態に係るメタルマスクがワークに取り付けられた状態を説明する図であり、（Ａ）は断面図を示し、（Ｂ）は（Ａ）に示す領域Ｘ１の拡大図を示す。 本開示の一実施形態に係るメタルマスクの構造を示し、（Ａ）乃至（Ｆ）は本体部と庇部の断面構造を示す。

以下、本開示の各実施形態について、図面などを参照しつつ説明する。ただし、本開示は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状などについて模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本開示の解釈を限定するものではない。本明細書と各図面において、既出の図面を参照して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付し、重複する説明を省略することがある。

図１は、本開示の一実施形態に係るメタルマスク１００の構造を示す。図１において、（Ａ）はメタルマスク１００の平面図を示し、（Ｂ）は平面図に示すＡ－Ｂ間に対応する断面図を示す。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すメタルマスク１００は、溶射によってワークの表面に被膜を形成するとき、被膜を形成しない部分を覆い、被膜が形成されないようにする溶射処理に用いられる治具である。

メタルマスク１００は平板状（又は円盤状）の外観を有し、ワークに接する第１面Ｓ１１と、第１面Ｓ１１とは反対側の第２面Ｓ１２と、第１面Ｓ１１及び第２面Ｓ１２との間の第３面Ｓ１３を有する。メタルマスク１００の第１面Ｓ１１は底面に相当し、第２面Ｓ１２は上面に相当し、第３面Ｓ１３は側面に相当する。

このようなメタルマスク１００を構成要素に分けると、主として第１面Ｓ１１及び第２面Ｓ１２、並びに第３面Ｓ１３（側面）を形成する本体部１０２と、本体部１０２の上部に配置され幅方向に突出する庇部１０４とに分けることができる。本体部１０２は第１面Ｓ１１がワークに直接接触する部分となる。本体部１０２の上方に配置される庇部１０４は、本体部１０２の側面から突出するように設けられる。

図１（Ｂ）に示すように、メタルマスク１００を断面視すると、第３面Ｓ１３（側面）には段差部１０６が設けられ、段差部１０６によって庇部１０４が形成されているとみなすこともできる。図１（Ｂ）は１段の段差形状を示すが、段差部１０６は複数の段差によって形成されていてもよい。

このような外観を有するメタルマスク１００は、一体成形品として提供される。また、メタルマスク１００は、本体部１０２と庇部１０４を形成する分部が別部品で提供され、両者が一体化するように組み立てられた構造を有していてもよい。

メタルマスク１００を構成する本体部１０２と庇部１０４は、それぞれ異なる機能を有する。本体部１０２はワークに直接接する部分であり、また、溶射時に被膜が形成されないようにワークを面で覆う主要な部分である。メタルマスク１００がワークに安定して取り付けることができるように、本体部１０２の第１面Ｓ１１は略全面がワークに当接することのできる形状を有する。例えば、ワークの被マスキング面が平面である場合、本体部１０２の第１面Ｓ１１も平面形状を有する。また、ワークの被マスキング面に段差部が含まれる場合、本体部１０２の第１面Ｓ１１に、被マスキング面の段差部に嵌合するよう形成された段差構造を有する。

庇部１０４は、本体部１０２の側面に直接被膜が形成されないように、被膜の堆積範囲を調整する機能を有する。したがって、庇部１０４は、本体部１０２の全周に亘って設けられていることが好ましい。また、庇部１０４は、作業者がメタルマスク１００をワークに取り付け、又は取り外し、若しくは手に持って運ぶとき、取っ手としての機能を有する。メタルマスク１００に庇部１０４が設けられることで、メタルマスク１００の着脱が容易となり、ワークの表面及び堆積された被膜を直接触らないようにすることができる。

図１（Ａ）及び（Ｂ）は、メタルマスク１００を構成する本体部１０２と庇部１０４が異なる外径を有することを示す。具体的に、本体部１０２の外径Ｄ１に対し庇部１０４の外径Ｄ２の方が大きくなっている。このような寸法関係により、メタルマスク１００は庇部１０４が本体部１０２から突出する形状を有する。庇部１０４が本体部１０２から突出する長さＰ１は、全周に亘って一定であってもよいし、部分的に異なっていてもよい。

本体部１０２の外径Ｄ１及び庇部１０４の外径Ｄ２は、マスキングの対象物であるワークの大きさに適合するように適宜設定される。本体部１０２に対して庇部１０４は外側に突出するように設けられるので、外径Ｄ１と外径Ｄ２は、Ｄ１＜Ｄ２の関係を有する。一方、本体部１０２の高さＨ１及び庇部１０４が突出する長さＰ１は、堆積する被膜の厚さ、ワークの形状及び被膜を形成する領域、溶射の条件などを考慮して適宜調整される。

溶射時に噴霧される溶融又は軟化した材料は、理想的にはメタルマスク１００の表面に対し略垂直の方向から噴霧される。メタルマスク１００がワークに取り付けられると、庇部１０４の下は陰となり溶融又は軟化した材料が噴霧されても被膜が堆積しないように作用するが、噴霧された溶射材料の回り込みがあることにより、庇部１０４の陰となる部分にもある程度の厚さで被膜が形成される。庇部１０４が突出する長さＰ１が十分長いとき、すなわち、噴霧された溶射材料が庇部１０４のしたに回り込む距離より庇部１０４の突出する長さＰ１が長いとき、本体部１０２の側面に被膜が堆積しないようにすることができる。別言すれば、溶射処理によって、庇部１０４の下方にどの程度の厚さで被膜を形成するかは、庇部１０４が突出する長さＰ１と本体部１０２の高さＨ１とにより調整することができる。例えば、庇部１０４の長さＰ１を一定として、本体部１０２の高さＨ１を変更した場合、高さＨ１を大きくすると溶射材料の回り込む深さを長くすることができ、高さＨ１を小さくすると溶射材料が回り込む深さを相対的に短くすることができる。また、本体部１０２の高さＨ１は、溶射処理で堆積される被膜で埋め込まれないように、被膜の膜厚より大きくする必要がある。具体的に、本体部１０２の高さは堆積する被膜の膜厚に対し０．５ｍｍ～１．０ｍｍ程度厚くすることが好ましい。また、庇部１０４が突出する長さＰ１は、溶射材料の回り込みを考慮して、０．５ｍｍ～１０ｍｍ、好ましくは１ｍｍ～３ｍｍ程度にすることが好ましい。

ここで、庇部１０４が本体部１０２から突出する長さＰ１は、Ｐ１＝１／２（Ｄ２－Ｄ１）の関係を有する。庇部１０４の外径Ｄ２の大きさは本体部１０２の外径Ｄ１に依存せずに変更できるので、庇部１０４が突出する長さＰ１は自由に調整することができる。また、図１（Ｂ）に示される構造から明らかなように、本体部１０２の高さＨ１も独立して設定することができる。

メタルマスク１００は、さまざまな形状のワークに合わせて寸法及び形状を変更することができる。図１（Ａ）及び（Ｂ）は、メタルマスク１００が円盤状の形状を有しているので、ワークをマスキングする部分が円形である場合に適用することができる。ワークをマスキングする部分が矩形である場合には、それに合わせてメタルマスク１００の平面視における形状を変更すればよい。

メタルマスク１００は、さまざまな溶射材料に適用することができる。溶射材料としては、金属、合金、サーメット、セラミックスなどが例示される。溶射処理ではメタルマスク１００が取り付けられた領域を含めてワークに溶射材料が噴霧される。溶射処理によってワークの表面に形成される被膜は強固に付着することが好ましいが、メタルマスク１００の表面には溶射材料が付着しない（付着しにくい）か、付着しても簡単に除去できることが好ましい。また、メタルマスク１００は溶射時の温度に耐えることのできる耐熱温度を有している必要がある。

このような条件を満たすため、メタルマスク１００は、本体部１０２及び庇部１０４が金属製であるか、本体部１０２及び庇部１０４が樹脂材料で形成されているか、本体部１０２及び庇部１０４が金属製であり表面が樹脂材料でコーティングされていることが好ましい。樹脂材料としては、耐熱性及び溶射処理により形成される被膜の取り除き易さからフッ素樹脂であることが好ましく、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン：polytetrafluoroethylene）であることが好ましい。

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、メタルマスク１００がワーク２００に取り付けられた状態を示す。図２において、（Ａ）はメタルマスク１００及びワーク２００の断面図を示し、（Ｂ）は（Ａ）に示す領域Ｘ１の拡大図を示す。図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すワーク２００は、半導体製造装置において半導体基板やガラス基板を支持する基板ステージを示し、ワーク２００の第２面Ｓ２２にメタルマスク１００が設置され、第１面Ｓ２１、第３面Ｓ２３、及び第２面Ｓ２２の周縁部に溶射で形成された被膜３００ａが被覆される状態を点線で示す。

なお、図示されるワーク２００の形状は一例であり、本開示に係るメタルマスク１００が適用されるワークはこの形状に限定されない。ワーク２００は、溶射により被膜が形成される領域にメタルマスク１００が取り付けられるものであれば形状に特段の限定はない。

図２（Ａ）に示すように、溶射によって被膜が形成されるワーク２００の第２面Ｓ２２に、メタルマスク１００が設置される。メタルマスク１００は図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す形状と同じ形状を有し、ワーク２００の第２面Ｓ２２の内側部分を覆い周縁部が露出するように配置される。ワーク２００は回転機にセットされ、回転させながら溶射処理が行われる。メタルマスク１００は、ワーク２００の構造を利用して真空チャックによって固定されてもよいし、ネジなどの部品によって留められていてもよい。また、メタルマスク１００は、ワーク２００の上にセットされた状態で、上部から中心部を押さえる回転取付治具によってセットされてもよい。

図２（Ｂ）の拡大図に示すように、溶射処理が行われたときに形成される被膜３００ａは、点線で示すように、ワーク２００の第３面Ｓ２３から第２面Ｓ２２の周縁部にかけて形成される。また、メタルマスク１００の上面にも被膜３００ａが形成される。メタルマスク１００はワーク２００の第２面Ｓ２２に接するように設けられ、本体部１０２から庇部１０４がワーク２００の周縁部の方向にＰ１の長さで突出している。庇部１０４の下側は陰となるため溶射処理で噴霧される溶融又は軟化した溶射材料は直接的に堆積されないが、回り込み成分により庇部１０４の内側まで被膜３００ａが形成される。また、メタルマスク１００の上面（第２面Ｓ１２）にも被膜３００ｂが堆積される。しかし、メタルマスク１００の本体部１０２の高さＨ１によって庇部１０４がワーク２００から浮いているため、ワーク２００側の被膜３００ａとメタルマスク１００側の被膜３００ｂとは不連続になる。また、庇部１０４が長さＰ１で突出していることにより、被膜３００ａと被膜３００ｂは不連続に形成される。

庇部１０４の下に形成される被膜３００ａは、庇部１０４の端部と重なる部分から庇部３００の下側の領域にまで広がって形成されるが、被膜３００ａが本体部１０２に達しないように庇部１０４の長さが設定されていることが好ましい。庇部１０４の下に堆積される被膜３００ａは一定の膜厚を有していてもよいが、図２（Ａ）及び（Ｂ）に模式的に示すように、庇部１０４の端部と重なる領域から内側に向かうに従い徐々に膜厚が薄くなることが好ましい。被膜３００ａの膜厚が端部において徐々に薄くなることで、マスキングの境界部分で剥離することを防止することができる。

溶射処理により形成される被膜３００ａの膜厚は１００μｍ～1５００μｍ程度である。ワーク２００の表面に取り付けられるメタルマスク１００は、被膜３００（３００ａ、３００ｂ）により埋め込まれてしまうと取り外しが困難になるので、被膜３００の膜厚より十分に厚いことが好ましい。

メタルマスク１００の庇部１０４の形状は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示される形状に限定されない。例えば、図３（Ａ）に示すように、メタルマスク１００の第３面Ｓ１３（本体部１０２の側面）が第１面Ｓ１１側から第２面Ｓ１２側にかけて広がる傾斜面（テーパー形状）を有していてもよい。本体部１０２の傾斜面が不連続に庇部１０４と接続されることで段差部１０６が形成され、庇部１０４が突出する構造を形成することができる。本体部１０２が傾斜面を有することで、庇部１０４の形状を安定化することができ、変形を防ぐことができる。また、図３（Ｂ）に示すように、本体部１０２の傾斜面は曲面で形成されていてもよい。

さらに、図３（Ｃ）に示すように、本体部１０２の第３面Ｓ１３の傾斜面が第１面Ｓ１１から第２面Ｓ１２にかけて連続するように形成されていてもよい。第１面Ｓ１１の端部に対して第２面Ｓ１２の端部が外側に突出することで庇部１０４が形成されてもよい。図３（Ｄ）に示すように、傾斜面は曲面形状を有してしてもよい。

図３（Ｅ）及び（Ｆ）は、図３（Ａ）及び（Ｂ）と同様の形状を有するが、庇部１０４の側面が、内側に傾くようなテーパー形状を有している点で相違する。庇部１０４の端部がこのようなテーパー形状を有することで、溶射処理のときにメタルマスク１００の強度を保ちつつ、庇部１０４の側面に溶射された被膜が堆積することを防ぐことができる。溶射処理ではメタルマスク１００の上方からのみでなく、ワーク２００の側方からも溶射ガンが向けられて溶射が行われる。このような場合において、メタルマスク１００の庇部１０４がテーパー形状を有していることにより、側面に被膜が堆積するのを防ぐことができ、また側面への堆積があったとしてもその量を減らすことができる。

図３（Ａ）乃至（Ｆ）に示す形状のメタルマスク１００は、本体部１０２に傾斜部を有し、この傾斜部の上方に庇部１０４を有することで、ワーク２００に堆積される被膜３００ｂとメタルマスク１００の上に堆積される被膜３００ａを不連続にすることができる。

以上説明したように、本開示に係るメタルマスク１００は庇部１０４を有することで、溶射処理によってワーク２００に堆積される被膜３００ａとメタルマスク１００に堆積される被膜３００ｂとを不連続にすることができるので、溶射処理の後でメタルマスク１００を取り外す際に被膜３００ａにダメージを与えないようにすることができる。そのため、ワーク２００に形成された被膜３００ａにクラックが入ったり、メタルマスク１００との境界部で剥離が生じたりすることを防止することができる。これにより、溶射処理が施されるワーク２００の品質向上を図ることができる。

１００：メタルマスク、１０２：本体部、１０４：庇部、１０６：段差部、２００：ワーク、３００：被膜、

Claims (4)

1. ワーク（２００）の表面に接する第１面（Ｓ１１）と、前記第１面の反対側の第２面（Ｓ１２）と、前記第１面と前記第２面との間の第３面（Ｓ１３）と、を有する本体部（１０２）と、
   前記本体部から連続し、前記第１面より外側に突出する庇部（１０４）と、を有し、
   前記庇部が前記ワークの表面から離れて配置されている、
   ことを特徴とするメタルマスク。
2. 前記第３面が、前記庇部を形成するように設けられた段差部（１０６）を含む、請求項１に記載のメタルマスク。
3. 前記第３面が、前記第１面側から前記第２面側に向けて広がる傾斜面を含み、前記庇部が前記傾斜面の上方に配置される、請求項１に記載のメタルマスク。
4. 前記本体部及び前記庇部が金属製、前記本体部及び前記庇部が樹脂製、又は前記本体部及び前記庇部が金属製であり表面が樹脂で覆われている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のメタルマスク。
   

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