JP3471507B2 - 金属表面の処理法 - Google Patents

金属表面の処理法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、金属表面、特に、半
導体や液晶等の真空蒸着装置室の金属表面および電子ス
トーレッジリングのビームダクトの内壁金属表面等の高
真空関連装置の金属表面の処理法に関する。
【0002】
【従来の技術】金属表面に汚染物、例えば、水分や各種
の有機物等が存在すると、該汚染物はその後の金属表面
の試験や処理工程または該金属表面を構成要素とする各
種の装置、特に高真空関連装置の性能等に多大な影響を
及ぼす。例えば、半導体や液晶作動パネル等の製造の
際、または電子ストーレッジリングのビームダクトの運
転の際に、高真空系の構成部材の金属表面に汚染物が存
在すると、該汚染物が蒸発して高真空度の達成を阻害す
る。このため、この種の金属表面に存在する汚染物を効
果的に除去することが重要な問題となっている。
【0003】この種の金属表面の一般的な処理法は、該
金属表面を脱脂洗浄後、化学薬品(例えば、塩酸や硝フ
ッ酸等の酸類、水酸化ナトリウムおよび水酸化カリウム
等)を用いるエッチング処理または電解洗浄処理等に付
すことによって該表面の表層部を溶解除去し、次いで、
純水を用いて洗浄した後、乾燥する方法である。
【0004】しかしながら、このような処理法の場合に
は、表層部が溶解除去された金属表面がエッチング処理
等の直後から、空気中の酸素、水分、炭酸ガス、硫黄酸
化物、窒素酸化物等と反応し、経時的に酸化物、水酸化
物、炭酸化物および硫酸化物等が不均質で粗雑な構造を
有する比較的厚い表面被覆層として形成され、該表面被
覆層がその後の金属表面の特性や機能等に悪影響を及ぼ
すという問題がある。例えば、特に高い真空度を必要と
する装置においては、該表面被覆層が高真空下でのガス
発生源となるために、必要な高真空を安定して得ること
が困難となる。
【0005】なお、比較的単純な形態を有する小型の金
属製部品等(例えば、加速器等)の表面処理法としては、
化学薬品処理や電解洗浄処理に付した後、純水を用いて
洗浄し、次いで真空中(約10-2〜10-5torr)でドライ
エッチング処理をおこなった後、酸素雰囲気下(酸素圧:
約0.1〜100torr)で酸化皮膜を形成させる方法が知
られているが、該処理法には、真空系内での処理を必要
とするために処理コストが高くなるだけでなく、汎用性
がなく、複雑な形態を有する大型の金属製品や装置類の
表面処理に適用することは実用上困難であるという難点
がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、従来の金
属表面処理法の上記問題点を解消し、汎用的に金属表
面、特に、高真空関連装置の金属表面を清浄に処理する
方法を提供するためになされたものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】即ち本発明は、脱脂を含
む前処理に付した金属表面を、大気と接触させない閉鎖
系内において、下記の工程(i)〜(iv)に付すことを特徴
とする金属表面の処理法に関する: (i)該金属表面をエッチング処理に付し、(ii)エッチン
グ処理後の金属表面を純水を用いて洗浄し、(iii)純水
洗浄後の金属表面を窒素ガスまたは不活性ガスの雰囲気
下で乾燥させ、次いで(iv)乾燥後の金属表面上に酸化皮
膜を形成させる。
【0008】被処理金属表面は、まず第一に、脱脂を含
む前処理に付される。被処理金属としては、アルミニウ
ム、チタン、ステンレス、鉄、ニッケルおよび各種の合
金類が例示される。脱脂処理は被処理金属の種類や汚染
度、汚染物の種類および被処理物の大きさ等に応じて、
既知の溶剤脱脂法、アルカリ脱脂法、界面活性剤脱脂法
および電解脱脂法等のいずれの方法によっておこなって
もよい。脱脂後は、水洗処理をおこなって、溶剤やアル
カリ等を十分に除去するのが好ましい。本発明による金
属表面の処理法の特徴は、上記の前処理に付した金属表
面を、大気と接触させない閉鎖系内においても、上記の
工程(i)〜(iv)に付すことである。
【0009】エッチング処理液は、被処理金属の種類等
に応じて適宜選定すればよい。金属の種類に応じた好適
なエッチング処理液を表1に示す。エッチング処理は一
般的には5〜35℃でおこない、また、エッチング処理
液を閉鎖系内において循環させることによって、エッチ
ング効率を高めてもよい。
【0010】
【表1】
【0011】エッチング処理後の金属表面は、閉鎖処理
容器内のエッチング処理液を置換した純水、好ましくは
超純水を用いて十分に洗浄する。純水洗浄は通常は5〜
35℃でおこなう。
【0012】純水洗浄後の金属表面は、閉鎖処理容器内
で窒素ガスまたはアルゴン等の不活性ガスの雰囲気下で
乾燥させる。この乾燥処理は、通常は常温〜105℃で
おこなう。
【0013】乾燥後の金属表面上には、大気と接触させ
ない条件下において酸化皮膜を形成させる。酸化皮膜
は、例えば、該乾燥金属表面に、窒素ガスまたはアルゴ
ン等の不活性ガス中に酸素を0.1〜20%、好ましく
は0.2〜5%含有する混合ガスを50〜105℃にお
いて接触させることによって形成させるのが好ましい。
このような条件下において形成される酸化皮膜は、厚さ
が5〜100Aの均質で緻密な皮膜である。なお、酸化
皮膜の代りに窒化皮膜を形成させてもよい。
【0014】酸化皮膜を形成させる別の方法としては、
例えば、オゾン酸化、酸素、プラズマ酸化等が挙げられ
る。
【0015】
【実施例】以下、本発明を実施例によって説明する。実施例1 押出し加工したアルミニウム材(A6063T−5)を
「ネオパワーチャレンジャー」((株)ネオス製脱脂剤)の5
%水溶液(50℃)に10分間浸漬した後、水道水を用い
て流水洗浄し、これを図1に模式的に示す密閉容器内へ
入れ、該容器内を0.5規定の水酸化ナトリウム水溶液
(25℃)で充満させ、該水溶液を10分間循環させるこ
とによってアルミニウム材のエッチング処理をおこなっ
た。図1において、(1)は密閉容器を示し、(2)はエッ
チング液または純水の循環用ポンプを示し、(3)および
(4)はエッチング液または純水の導入用バルブを示し、
(5)および(6)はエッチング液または純水の排出用バル
ブを示し、(7)はエッチング液または純水の循環用バル
ブを示し、(8)はガス導入用バルブを示し、(9)はガス
排出用バルブを示し、(10)はヒーターを示す。エッチ
ング処理後のアルミニウム材に空気を接触させない状態
で、密閉容器内の水酸化ナトリウム水溶液を純水(比抵
抗17.2MΩ・cm)で置換させた後、純水を用いる流
水洗浄処理を10分間おこなった。密閉容器内の純水を
高純度窒素ガス(純度99.999%以上)で置換させた
後、アルミニウム材を該高純度窒素ガスを用いるブロー
乾燥処理に60分間付した。次いで、密閉容器内の高純
度窒素ガスをN2(純度99.999%以上)−O2(純度
99.999%以上)混合ガス(N2:O2=99:1)で置換
した後、50℃で1時間保持したところ、アルミニウム
材の表面には緻密で均一な酸化皮膜(厚さ:約15A)が
形成された。
【0016】上記の表面処理に付したアルミニウム材の
ESCA(化学分析用電子分光法)による分析結果を図2
に示す。図2の(A)、(B)および(C)は、酸素、炭素お
よびアルミニウムについてのESCAの分析結果をそれ
ぞれ示す。ESCAの測定条件は次の通りである: 図2に示す分析結果から明らかなように、本発明による
処理法によれば、従来法に比べ酸素、炭素の汚染がごく
表層だけにとどまっていることが確認できる。
【0017】また、上記の表面処理に付したアルミニウ
ム材を昇温加熱処理に付したときに放出されるガス(H
2O、COおよびCO2)の質量分析の結果を図3に示
す。図3において、(a)、(b)および(c)はCO、H2Oお
よびCO2をそれぞれ示す。図3から明らかなように、
金属表面からのガス放出量が比較例に比べ大幅に少な
い。これはアルミニウム表面が薄く緻密な酸化膜におお
われ、H2OやCO2等も内部まで浸透していないことを
示している。
【0018】比較例1 開放容器を使用する以外は実施例1の手順に準拠して、
押出し加工したアルミニウム材を脱脂処理、水洗処理、
エッチング処理、純水洗浄処理および窒素ガスを用いる
ブロー乾燥処理に付した。上記の表面処理に付したアル
ミニウム材のESCAによる分析結果を図4に示す。図
4の(A)、(B)および(C)は図2の場合と同意義であ
る。図4に示す分析結果から明らかなように、本発明品
の場合、酸素元素に於いては約20分スパッタ後、炭素
元素の場合約10分後には認められないのに対し、比較
例の場合45分後においても確認できる。又、アルミの
場合本発明品の場合、約5分後に純元素だけを確認す
る、比較例の場合45分後もわずかにアルミニウム化合
物が確認できる。この様に本発明品で得られる表面の汚
染はごく表層部だけにとどまっていることがわかる。ま
た、上記の表面処理に付したアルミニウム材を昇温加熱
処理に付したときに放出されるガスの質量分析の結果を
図5に示す。図5の(a)、(b)および(c)は図3の場合と
同意義である。図5から明らかなように、H2OとCO2
の金属表面からの放出量は、図3の場合に比べて非常に
多い。
【0019】比較例2 アルゴン93%と酸素7%から成る混合ガス雰囲気下に
おいて押出し加工したアルミニウム材をアセトンを用い
て洗浄した後、高純度窒素ガスを用いてブロー乾燥し
た。上記の表面処理に付したアルミニウム材のESCA
による分析結果および昇温加熱処理に付したときに放出
されるガスの質量分析の結果を図6および図7にそれぞ
れ示す。図6および図7における(A)等および(a)等は
それぞれ図2および図3における(A)等および(a)等と
同意義である。図6および図7の分析結果から明らかな
ように、EX加工と呼ばれる調整されたガス雰囲気で加
工されたアルミニウムの表面に比べても本発明品は表面
汚染の深さと真空特性共に優れていることがわかる。
【0020】
【発明の効果】本発明によって処理される金属表面に
は、均質で緻密な酸化皮膜が形成されるため、大気に曝
しても、大気中に含まれるH2O、CO2、SO2等の腐
食性成分は金属表面と反応し難く、金属表面の経時的な
腐食の進行は有意に抑制される。また、一旦付着したこ
の種の腐食性成分は真空化過程において容易に除去さ
れ、該皮膜は高真空下でのガス発生源になり難いため、
本発明によれば高真空関連装置において必要な高真空度
を安定して得ることができる。さらに、金属表面が真空
下でのスパッター処理に付される装置(例えば、イオン
スパッター装置およびシンクロトロン光スパッター装置
等)の場合には、本発明によって金属表面からの不純物
の放出量を少なくさせることができるので、該装置内は
清浄な状態に維持される。本発明は、装置内部の金属表
面の効果的な清浄化処理が困難な大型で複雑な形態を有
する高真空関連装置類の清浄化に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1において使用した金属表面処理装置
の模式的構成図である。
【図2】 実施例1において処理したアルミニウム材の
ESCAによるチャートである。
【図3】 実施例1において処理したアルミニウム材を
昇温加熱処理に付したときに放出されるガスの質量分析
の結果を示すグラフである。
【図4】 比較例1において処理したアルミニウム材の
ESCAによるチャートである。
【図5】 比較例1において処理したアルミニウム材を
昇温加熱処理に付したときに放出されるガスの質量分析
の結果を示すグラフである。
【図6】 比較例2において処理したアルミニウム材の
ESCAによるチャートである。
【図7】 比較例2において処理したアルミニウム材を
昇温加熱処理に付したときに放出されるガスの質量分析
の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1 密閉容器 2 エッチング液または純水の循環用ポンプ 10 ヒーター A 酸素に関するESCAチャート B 炭素に関するESCAチャート C アルミニウムに関するESCAチャート a COに関するグラフ b H2Oに関するグラフ c CO2に関するグラフ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−128259(JP,A) 特開 昭60−128258(JP,A) 特開 平7−157885(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 8/12 C23F 1/00 C23C 8/02

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 脱脂を含む前処理に付した金属表面を、
    大気と接触させない閉鎖系内において、下記の工程(i)
    〜(iv)に付すことを特徴とする金属表面の処理法: (i)該金属表面をエッチング処理に付し、 (ii)エッチング処理後の金属表面を純水を用いて洗浄
    し、 (iii)純水洗浄後の金属表面を窒素ガスまたは不活性ガ
    スの雰囲気下で乾燥させ、次いで (iv)乾燥後の金属表面上に酸化皮膜を形成させる。
  2. 【請求項2】 金属がアルミニウム、チタン、ステンレ
    ス、鉄またはニッケルである請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 工程(iv)を、窒素ガスまたは不活性ガス
    中に酸素を0.1〜20%含有する混合ガスを常温〜1
    05℃において金属表面と接触させることによっておこ
    なう請求項1または2記載の方法。
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