JP3434857B2 - 超真空用材料及びその製造方法 - Google Patents

超真空用材料及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超真空雰囲気を維持す
る真空容器や配管,バルブ等の付帯機器として使用され
る超真空材料及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】エレクトロニクス技術の発展に伴って、
半導体デバイスの小型化,高密度化が急速に進んでい
る。高機能の半導体デバイスを得るためには、製造工程
で不純物の混入を極度に抑えた高清浄雰囲気が必要とさ
れる。最近では、10-10 〜10-11 Paの超真空が求
められている。このような超真空雰囲気では、真空容器
等の材料内部から放出されるガスが問題にされる。真空
装置用材料としては、靭性に優れ溶接が容易で且つ金属
シールに対応できることから、SUS304,SUS3
16L等のステンレス鋼が従来から使用されている。ま
た、最近では、ガス放出率が約10-10 Pa・m3 /秒
・m2 と少ないことから、Al系合金も超真空用材料と
して使用され始めている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ステンレス鋼は、Al
系合金に比較してガス放出率が一桁近く大きい。一部の
ステンレス鋼は、Al系合金と同程度に低いガス放出性
を示す。しかし、低いガス放出性を呈するまでには、ス
テンレス鋼自体を250℃以上の高温に数日間加熱する
真空ベーキング処理を含む長期間にわたった排気が必要
とされる。これに比較して、Al系合金では、短時間の
排気によって低いガス放出率を示すようになる。この優
れた真空特性にも拘らず、溶接が困難で靭性も低いた
め、金属シールに使用した場合にナイフエッジが傷つき
易い欠点がある。本発明は、このような問題を解消すべ
く案出されたものであり、Al含有ステンレス鋼の表面
に欠陥部のない連続したAl酸化物層を形成することに
より、ステンレス鋼とAl系合金の欠点を補い合い、超
真空容器及び配管等の付帯機器に適した材料を提供する
ことを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の超真空用材料
は、その目的を達成するため、1〜6重量%のAlを含
有するステンレス鋼を基材とし、該基材の表面に膜厚1
0〜150Åの緻密なAl酸化物皮膜が形成されている
ことを特徴とする。酸素分圧が0.1Pa以下の不活性
雰囲気又は真空雰囲気で1〜6重量%のAlを含有する
ステンレス鋼を熱処理し、ステンレス鋼内部から拡散し
てきたAlを供給源として膜厚10〜150Åの緻密な
Al酸化物皮膜がステンレス鋼の表面に形成される。或
いは、熱処理によってAl含有ステンレス鋼の表面にA
l酸化物皮膜を形成した後、Al酸化物皮膜を膜厚10
〜150Åまで電解研磨しても良い。更には、Al含有
ステンレス鋼を電解研磨した後、酸素分圧が0.1Pa
以下の不活性雰囲気又は真空雰囲気で熱処理し、ステン
レス鋼内部から拡散してきたAlを供給源として膜厚1
0〜150Åに成長させることもできる。
【0005】
【作用】Al系合金が良好な真空特性を呈する理由は、
次のように考えられている。 水を主成分とする吸着分子は、Al表面に対する吸
着エネルギーが低く、脱ガス時に容易に離脱する。 Al系合金の表面には、緻密なAl酸化物皮膜が形
成されている。この酸化物皮膜により、金属内部から表
面に拡散したガス成分の放出が抑制される。 超真空雰囲気においては、残留ガスのほとんどはH2
ある。H2 は、水と異なり、雰囲気から表面に吸着され
る分よりも、材料内部から表面に拡散してくる分を考慮
しなければならない。この点、超真空領域において真空
度を上げるためには、前掲のように材料のガス放出率
を低く抑えることが重要である。
【0006】本発明者等は、以上の点を踏まえ、材料表
面でAl系合金の高い真空特性が維持され、材料自体は
ステンレス鋼の良好な加工性をもった材料を開発すべ
く、種々の材料や処理に関し調査・研究した。そして、
熱処理で表面にAl酸化物層が形成される高Al含有ス
テンレス鋼に着目し、このステンレス鋼に対する処理を
検討した。その結果、微量のO2 を含む不活性ガス雰囲
気又は大気中でAl含有ステンレス鋼を800〜110
0℃に1〜2分間加熱する熱処理を施すとき、ガス放出
率が低い表面層をもった材料が得られることを見い出し
た。また、必要に応じ電解研磨を表面層に施すと、ガス
放出率が一層低下することを解明した。
【0007】熱処理によって、ステンレス鋼表面にAl
酸化物皮膜が形成される。この酸化物皮膜を電解研磨に
より平滑化し、厚みを調整するとき、ガス放出率が極め
て低い表面層をもった材料が得られる。低ガス放出率の
表面層を真空側表面として用いて真空装置を構成すると
き、Al系合金を構成部品材料として使用した真空装置
と同様な超真空度が得られる。本発明においては、ステ
ンレス鋼表面にAl酸化物層を形成することから、1〜
6重量%のAlを含有するステンレス鋼を使用する。A
l含有量が1重量%未満であると、拡散によって表面に
補給されるAl量が少なく、十分な真空特性をもつAl
酸化物皮膜が形成されない。しかし、Al含有量が6重
量%を超えるステンレス鋼では、溶接性,加工性等が低
いことから、構造材又は部品に成形することが困難にな
る。Al含有ステンレス鋼は、フェライト系又はオース
テナイト系の何れであっても良い。しかし、Al酸化物
層を容易に形成する上から、Cr:13〜20重量%及
びAl:1〜6重量%を含むフェライト系ステンレス鋼
が好ましい。
【0008】Al含有ステンレス鋼は、Al層がめっき
又は蒸着されたステンレス鋼と異なり、加工性及び溶接
性に優れている。ステンレス鋼表面に形成されるAl酸
化物皮膜は、めっき,蒸着等のように外部から供給され
たAlではなく、材料内部から拡散してきたAlを供給
源として成長する。そのため、基材に対する酸化物皮膜
の密着性が優れ、複雑な形状をもつ部品等であっても基
材表面に均一に形成され、めっき,蒸着等に起因した欠
陥もない。ステンレス鋼の成分元素であるAlは、熱処
理によって基材内部から表面に拡散する。拡散してきた
Alを酸化させ、Al酸化物皮膜を形成するためには、
熱処理雰囲気にO2 が存在することが必要である。しか
し、過剰にO2 が含まれると、厚いAl酸化物皮膜が形
成され、良好な真空特性が得られない。最も低いガス放
出率を得る上で、コストをも勘案し、0.1Pa以下の
2 を含有したAr等の不活性ガスを熱処理雰囲気に使
用することが必要である。
【0009】熱処理によって形成されるAl酸化物皮膜
は、10〜150Åの膜厚をもっている。膜厚がこの範
囲にあるAl酸化物皮膜は、皮膜欠陥がなく緻密で平滑
なため、ガス放出特性が吸着分子に起因して劣化するこ
とがない。膜厚10Å未満のAl酸化物皮膜では、ステ
ンレス鋼の表面を完全に被覆することができないため、
真空装置の稼動時に材料内部から拡散してきたHが雰囲
気中に放出される傾向がみられる。逆に、150Åを超
える厚いAl酸化物皮膜では、凹凸の発生により表面積
が増大し、雰囲気中のガス成分を吸着する傾向が強くな
る。Al酸化物皮膜は、熱処理雰囲気中の酸素分圧との
関連で1〜2分の範囲で熱処理時間を調整することによ
り、膜厚10〜150Åの範囲に制御される。酸素分圧
0.1Pa以下の不活性雰囲気中で1〜2分間熱処理さ
れたAl含有ステンレス鋼は、そのままの状態で真空装
置の構成材料として使用しても、良好な真空特性を呈す
る。しかし、熱処理後のステンレス鋼を電解研磨すると
き、更に優れた真空特性をもつ材料が得られる。
【0010】熱処理によって形成されたAl酸化物皮膜
は、多孔質の表層部をもっていることがある。多孔質表
層部は、高いガス吸着性を呈し、真空特性を劣化させ
る。そこで、必要に応じて電解研磨を施し、多孔質表層
部を除去する。電解処理は、Al酸化物皮膜の表面平滑
度を向上させる作用も呈し、この点でも材料のガス放出
率を低下させる。電解研磨は、ステンレス鋼表面を平滑
化してガス吸着性を低下させることから、熱処理に先立
って行うことも可能である。この場合には、酸素分圧
0.1Pa以下の不活性雰囲気又は真空雰囲気で熱処理
を施す。ステンレス鋼表面にあるAl酸化物皮膜を平滑
化する電解研磨によるとき、不活性雰囲気中における熱
処理を省略すること、或いは大気雰囲気中での熱処理も
可能である。電解研磨によって、ステンレス鋼表面から
Al酸化物皮膜が部分的に溶出し、Al酸化物皮膜の膜
厚が調整される。この場合も、電解処理後のAl酸化物
皮膜は、10〜150Åの膜厚をもつことが必要であ
る。
【0011】
【実施例】C:0.008重量%,Si:0.32重量
%,Mn:0.28重量%,Ni:0.23重量%,C
r:19.90重量%及びAl:4.92重量%を含む
フェライト系ステンレス鋼を#2000ペーパーで研磨
し、バフ研磨後に表1に示す条件下で熱処理及び電解研
磨を施した。熱処理は、微量の酸素を含むArガスを雰
囲気とし、840℃でステンレス鋼を1分間加熱した。
電解研磨には、リン酸及びフッ酸を容量比2:3の割合
で調合した電解液を使用した。本実施例においては、こ
の電解液に浸漬したステンレス鋼に、電流密度0.5〜
1.0A/dm2 で5分間通電した。
【0012】
【表1】
【0013】処理後の各試験片についてTDS測定し、
2 に関する結果を図1に、H2 Oに関する結果を図2
に示す。酸素分圧0.02Paの不活性雰囲気で熱処理
された試料番号1の試験片は、100Åの適正な膜厚を
もったAl酸化物皮膜が形成されており、図1及び図2
に示すように極めて低いガス放出率を呈している。これ
に対し、大気雰囲気で熱処理した試料番号5の試験片
は、1000Åと厚いAl酸化物皮膜で表面が覆われて
おり、ガス放出率が高くなっている。また、純水素雰囲
気で熱処理された試料番号6の試験片では、表面にAl
酸化物皮膜が形成されておらず、ガス放出率が高くなっ
ている。試料番号5及び6の試験片は、このままでは真
空特性は悪いが、電解研磨を施すことにより試料番号3
に示されているようにガス放出率が低下し、真空特性が
改善される。
【0014】熱処理後に電解研磨した試験片、すなわち
試料番号1の試験片を電解研磨した試料番号2の試験片
は、特にH2 Oに関するガス放出率が低下している。こ
のことから、電解研磨により、熱処理材のガス放出率が
更に低下することが判る。しかし、熱処理を行わずに電
解研磨のみを施した試料番号7の試験片では、ステンレ
ス鋼表面に熱処理によるAl酸化物皮膜が形成されてい
ないことから、ガス放出率が高くなっている。また、試
料番号2と3との対比から、熱処理と電解研磨との順番
は何れが先であっても、良好な真空特性を呈する材料が
得られることが判る。
【0015】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、熱処理によって膜厚10〜150ÅのAl酸化物皮
膜が形成されたAl含有ステンレス鋼を超真空用材料と
している。Al酸化物皮膜は、ステンレス鋼の内部から
拡散したAlを供給源として成長するので、複雑な形状
をもつ部品でも表面全域に均一に形成される。この材料
は、Al系合金に匹敵する低いガス放出率を呈する。し
かも、基材がステンレス鋼であることから、溶接が容易
で靭性に優れ、各種の形状に成形することも可能であ
る。この材料を使用して構築した真空装置では、従来必
要であった高温ベーキング処理を含む排気作業が不要に
なり、短時間で高真空雰囲気が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 H2 分圧に関するTDS測定結果
【図2】 H2 O分圧に関するTDS測定結果
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 末光 眞希 宮城県仙台市青葉区片平2−1−1 東 北大学電気通信研究所内 (56)参考文献 特開 平5−247634(JP,A) 特開 平5−132789(JP,A) 特開 平4−263049(JP,A) 特開 平2−19449(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01J 3/00 - 3/04

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1〜6重量%のAlを含有するステンレ
    ス鋼を基材とし、該基材の表面に膜厚10〜150Åの
    緻密なAl酸化物皮膜が形成されている超真空用材料。
  2. 【請求項2】 酸素分圧が0.1Pa以下の不活性雰囲
    気又は真空雰囲気で1〜6重量%のAlを含有するステ
    ンレス鋼を熱処理し、ステンレス鋼内部から拡散してき
    たAlを供給源として膜厚10〜150Åの緻密なAl
    酸化物皮膜を前記ステンレス鋼の表面に形成することを
    特徴とする超真空用材料の製造方法。
  3. 【請求項3】 熱処理によって1〜6重量%のAlを含
    有するステンレス鋼の表面にAl酸化物皮膜を形成した
    後、該Al酸化物皮膜を膜厚10〜150Åまで電解研
    磨することを特徴とする超真空用材料の製造方法。
  4. 【請求項4】 1〜6重量%のAlを含有するステンレ
    ス鋼を電解研磨した後、酸素分圧が0.1Pa以下の不
    活性雰囲気又は真空雰囲気で熱処理し、ステンレス鋼内
    部から拡散してきたAlを供給源として膜厚10〜15
    0Åの緻密なAl酸化物皮膜を前記ステンレス鋼の表面
    に形成することを特徴とする超真空用材料の製造方法。
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JP3864585B2 (ja) * 1998-11-04 2007-01-10 住友金属工業株式会社 ステンレス鋼管内面の酸化処理方法
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