JP3554835B2 - バッキングプレートの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スパッタリング法に用いられるスパッタリングターゲットを構成するバッキングプレート及びその製造方法に関するものである。またこの発明は、上記バッキングプレート等に好適に用いられるチタン（以下、Ｔｉと略称する）系材料を高い信頼性でかつ高い強度で接合することができるＴｉ系材料の接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路等に用いられる薄膜を形成する方法としては、スパッタリング法が公知である。このスパッタリング法には、物理スパッタリング（ＰＶＤ）と反応性スパッタリングとがあるが、いずれの方法でも、スパッタリングターゲットを用いる。スパッタリングターゲットは、イオンの照射されるターゲット部材と、このターゲット部材をその背部から支持するバッキングプレートとから成るものである。具体的には、Ｔｉ系材料製のバッキングプレートに、所定の金属系材料製のターゲット部材をボンディング（ろう付）したものが知られている。例えば、バッキングプレートにＴｉ系材料を用いる点については、特開平６−２９３９６３号公報に開示されている。
【０００３】
図１２は、従来例であるバッキングプレートの構造を示す分解断面図である。バッキングプレートは、一方表面にターゲット部材が支持される基板２１と、基板２１の他方表面に接合されるカバー部材２２とから成る。カバー部材２２は、基板２１の他方表面に接合される接合面側に、予め機械加工によって刻設した溝部を有し、カバー部材２２と基板２１とを接合することによって溝部２３と基板２１の他方表面とで囲まれた空間が冷却水が流れる水路となる。このような構造は、水冷ジャケット構造と呼ばれる。水冷ジャケット構造のバッキングプレートについては、例えば特開平７−１９７２４８号公報に開示されており、水路を形成する溝部を予め機械加工により刻設している点については、例えば特開平５−１３２７７４号公報に開示されている。
【０００４】
カバー部材２２と基板２１との接合は、図１３に示すような銀ろう２４を用いた銀ろう付け（特開平５−１３２７７４号公報、特開平３−１４０４６４号公報参照）、ボルト止め（特開平７−１９７２４８号公報参照）、ＥＢＷ（電子ビーム溶接）やＬＢＷ（レーザビーム溶接）のような高エネルギビーム溶接などによって行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
銀ろう付けによってバッキングプレートを製造した場合は、その接合強度が母材より低いため、接合面積を大きくとらなければならず、これによってバッキングプレートが大型化するという問題が生じる。
【０００６】
また、ボルト止めによってバッキングプレートを製造した場合は、所定の接合強度を得るためにはある程度の長さのねじ部が必要であり、その分だけバッキングプレートの厚みが大きくなるという問題が生じる。
【０００７】
さらに、高エネルギビーム溶接によってバッキングプレートを製造した場合は、溶接部の強度は母材とほぼ同等ではあるものの、面接合ではないため、所定の接合強度を得るための構造にする必要があり、従ってバッキングプレートの構造や水路形状が制限されてしまう。
【０００８】
また、カバー部材２２に水路を形成する溝部２３を機械加工によって形成しているため、高価である。
【０００９】
この発明は上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、Ｔｉ系材料から成る複数の部品を高い信頼性で、かつ高い強度で接合することができると共に、薄型化及び構造の自由度の増大を図ることができるバッキングプレート及びその製造方法を提供することにある。また、この発明の他の目的は、上記バッキングプレートの製造などに好適に用いることができ、Ｔｉ系材料を高い信頼性で、かつ高い強度で接合することができるＴｉ系材料の接合方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段及び効果】
そこで請求項１のバッキングプレートの製造方法は、一方表面にターゲット部材が接合される基板と、当該基板の他方表面側に配置されるカバー部材と、上記基板とカバー部材との間に介在されて冷却水路を構成する区画部材とを有するバッキングプレートの製造方法において、上記各部品はＴｉ系材料から成り、上記部品の接合面に銅（以下、Ｃｕと略称する）系材料を介設し、両者によって形成される金属間化合物の分解温度以上、もしくは共晶反応温度に選ばれた接合温度まで加熱してＣｕ系材料の液相を発生させ、Ｃｕ系材料がＴｉ系材料に充分に拡散するまでの間、接合温度を維持することを特徴としている。
【００１１】
上記請求項１のバッキングプレートの製造方法では、接合面にＣｕ系材料を介設した状態で加熱し、Ｃｕ系材料を溶融させて液相を発生させ、Ｃｕ系材料がＴｉ系材料に拡散することを利用して接合を行ういわゆる液相拡散接合を用いてバッキングプレートが製造される。このときの接合温度は、Ｔｉ系材料とＣｕ系材料によって形成される金属間化合物の分解温度以上、もしくは共晶反応温度に選ばれており、液相を生成せしめ、かつＣｕ系材料が充分にＴｉ系材料に拡散するまでの間、接合温度を維持する。従って、Ｔｉ系材料よりも脆い金属間化合物が面状に接合面に残留することはなく、またＣｕ系材料は拡散してほぼ消失するため界面が存在せず、再加熱しても接合部が溶融することはないため、接合面の強度はＴｉ系材料とほぼ同等になる。これによって、銀ろう付けと比べて接合強度を向上することができ、また高エネルギビーム溶接に比べて接合率を向上することができ、ボルト止めと比べてバッキングプレートの接合部の薄肉化が可能となる。しかも請求項１のような３層構造の水冷ジャケット構造のバッキングプレートの場合、冷却水路を構成する区画部材の基板及びカバー部材への接合面積を小さくすることができ、その分だけ厚みを小さくすることによって、従来と同程度の冷却水量を確保しながら、水路部分の厚みを薄くすることができ、上述した接合部の薄肉化と相まってバッキングプレート全体の薄型化が可能となる。これに伴い、バッキングプレートの背部に配置される磁石からの磁場の高透過性を達成することができ、良好なスパッタリングを実現することができる。
【００１２】
上記において用いられるＴｉ系材料とは、工業用純Ｔｉ、工業用Ｔｉ合金を含むものであり、具体的には、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ（重量％で残部は不可避不純物及びＴｉ、以下同じ）、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｚｒ−１Ｖ、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖ、Ｔｉ−８Ａｌ−１２Ｚｒ、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ、Ｔｉ−８Ｍｎ、Ｔｉ−４Ａｌ−４Ｍｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−７Ａｌ−４Ｍｏ、Ｔｉ−３Ａｌ−１１Ｃｒ−１３Ｖ等を挙げることができる。またＣｕ系材料とは、工業用純Ｃｕ、工業用Ｃｕ合金を含むものである。
【００１３】
また、部品全体を加熱して接合するため、接合面近傍に応力が残留するのが防止でき、かつ、Ｔｉ系材料が軟化して最下面にならうので、バッキングプレートに否みが生じることはほとんどない。
【００１４】
上記製造方法は大気中で行うことも可能であるが、請求項２のように、真空、不活性ガス又は還元性ガス雰囲気中で行うことによって、バッキングプレートのクリーン度が向上する。特に真空中で行った場合には、スパッタリング法を実現するにあたってバッキングプレートを超高真空中で使用した場合に、バッキングプレートからのガス放出速度が低減し、良好なスパッタリングを実現することができる。具体的には、真空度１０−３Ｔｏｒｒ以下の雰囲気で行うのが好ましい。
【００１５】
上記製造方法に用いられるＣｕ系材料は、いかなる形態であってもよいが、請求項３のように、箔又は粉末のＣｕ系材料を用いるのが好ましく、これによって取扱い及び接合面への介設作業が容易になる。例えばＣｕ箔を用いる場合は、厚さが１０μｍ〜１００μｍの範囲内であれば良く、１８μｍ〜６０μｍの範囲内では接合強度に差がないことが確認された。尚、一般的には厚さが１８μｍ〜３０μｍのＣｕ箔の入手が容易である。また、Ｃｕ箔に代えてＣｕの粉末を用いる場合は、粒径が２５μｍ〜３０μｍのＣｕ粉を、１００μｍ程度の厚さにして用いるのが好ましい。尚、厚さを薄くすることも可能であるが介設作業に時間がかかる。逆に、厚さを厚くすることは比較的容易であり、最大１ｍｍまで許容できる。なおＣｕ系材料を接合面間に個別に介設することでＣｕ系材料の使用量を必要最小限とすることができるが、特定の部品が一平面上に複数の接合面を有するときは、上記一平面全体にＣｕ系材料を配設することによって、作業が容易になる。
【００１６】
また、箔を用いる場合、Ｔｉ材料の接合面及び箔の表面は、アルコールやアセトンのような有機溶剤によって脱脂・洗浄することが望ましく、また表面粗さは「▽」加工（３５ｓ〜１００ｓ）程度であれば良く、あるいはもう少し粗くても良い。このように高い表面精度を必要としないのは、箔が溶融して液相となり、Ｔｉ材料に拡散していくので、Ｔｉ材料の接合面と箔表面との密着度はあまり問題とならないからである。また、接合面どおしが近接する方向に圧力を加えた状態で接合するようにしてもよいが、接合装置の簡素化の観点からは加圧しない方が好ましい。但し、Ｔｉ材料に反りがある場合は、平面度が１．０ｍｍ以下程度になるように加圧するのが望ましい。
【００１７】
また、接合温度は、金属間化合物の分解温度以上、もしくは共晶反応温度であって、かつ、Ｔｉ系材料の融点以下であることが必要であり、請求項４のように約８８７℃〜１６７０℃の範囲内、特に約９９０℃〜１６７０℃の範囲内に選ぶのが好ましい。共晶反応温度（約８８７℃）においても、拡散時間を充分に確保すれば、良好な接合を行うことが可能であるが、実用上は約９９０℃以上の接合温度を採用するのが好ましい。その理由は、まず第１には、充分な拡散速度を確保することにより、実用上好ましい接合時間とするためには、純Ｔｉがβ相へと変態しているのが望ましいためである。純Ｔｉのα相からβ相への変態点は約８８５℃であるが、多少の不純物の含有が許容される工業用Ｔｉでは、変態点は約９３０℃〜９４０℃と推定される。また第２の理由は、金属間化合物の面状の残留を防止するため、金属間化合物の分解温度以上とするのが好ましいためである。金属間化合物であるＴｉＣｕの分解温度は約９７５℃、Ｔｉ２ Ｃｕの分解温度は約９９０℃である。これらのことから、接合温度を約９９０℃以上とするのが好ましい。なお上限を約１６７０℃としたのはＴｉの融点が約１６６８℃だからである。従って、上記温度範囲であれば、金属間化合物が生成しない状態でＣｕの液相を発生させて、Ｔｉ材料に拡散させることができる。このような液相拡散接合を用いることによって、接合部には界面がほとんど存在しないためＴｉ材料とほぼ同等の接合強度を得ることができる。また、接合率９０％以上の良好な接合を実現できる。尚、必ずしも一定温度で保持しなければならない訳ではなく、上記温度範囲内であれば多少の変動はかまわない。
【００１８】
また接合時間は、Ｃｕ系材料がＴｉ系材料に拡散して液相が消滅するまでに要する時間を確保する必要があり、介設するＣｕ系材料の厚さに応じて適宜選択されるが、請求項５のように６００秒以上とするのが好ましい。これは、１０μｍのＣｕ箔を用いた場合の接合時間が６００秒程度であることに基づくものである。
【００１９】
また請求項６のバッキングプレートの製造方法は、一方表面にターゲット部材が接合される基板と、当該基板の他方表面側に配置されるカバー部材と、上記基板とカバー部材との間に介在されて冷却水路を構成する区画部材とを有するバッキングプレートの製造方法において、上記各部品はＴｉ系材料から成り、上記部品の接合面にジルコニア（以下、Ｚｒと略称する）系材料を介設し、両者によって形成される金属間化合物の分解温度以上に選ばれた接合温度まで加熱してＺｒ系材料の液相を発生させ、Ｚｒ系材料がＴｉ系材料に充分に拡散するまでの間、接合温度を維持することを特徴としている。
【００２０】
上記請求項６のバッキングプレートの製造方法では、接合面にＺｒ系材料を介設して接合しており、上記Ｃｕ系材料を用いる場合と同様の効果を得られる。
【００２１】
上記請求項１〜請求項６のいずれかの製造方法によって製造されたバッキングプレートは、複数の部品をいわゆる液相拡散接合を用いて接合しているので、部品間の接合強度及び接合率が従来よりも向上している。また、Ｔｉ系材料から成る複数個の部品を、例えばＮｉ系材料を接合面に介設する等して面接合して成るバッキングプレートにおいても、部品間の接合強度及び接合率が従来よりも向上している。
【００２２】
請求項７のような３層構造の水冷ジャケット構造のバッキングプレートの場合、冷却水路を構成する区画部材の基板及びカバー部材への接合面積を小さくすることができ、その分だけ厚みを小さくすることによって、従来と同程度の冷却水量を確保しながら、水路部分の厚みを薄くすることができ、上述した接合部の薄肉化と相まってバッキングプレート全体の薄型化が可能となる。これに伴い、バッキングプレートの背部に配置される磁石からの磁場の高透過性を達成することができ、良好なスパッタリングを実現することができる。
【００２３】
また、３層構造にしたことによって、従来のようにカバー部材に機械加工による彫り込み加工を行う必要がなく、製造コストを低減できると共に、水路形成が容易になり、また水路設計の自由度が増大する。即ち、複雑な水路形状であっても、比較的単純な形状の部材を組合せて区画部材を構成することによって容易に実現することができる。また、複雑な水路形状にすることによって冷却水が乱流となり、水路内での冷却水の温度分布の差が小さくなり、冷却能力を向上させることができる。さらに、より多くの部品に分割することによって、部品の歩留まりを向上できる。
【００２４】
さらに請求項８のように、１本の板状体をプレス加工することによってカバー部材と区画部材とを一体的に形成することによって、水路の形状の自由度が増し、比較的複雑な形状であっても容易にかつ安価に実現することができる。また、カバー部材と区画部材との一体成形品の肉厚を薄くすることができ、軽量化及び磁場の高透過性を図ることができる。
【００３０】
【実施例】
図１に示すように、３００ｍｍ×３００ｍｍ×６ｍｍのＴｉ板（工業用純Ｔｉ）Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を３枚準備し、Ｔｉ板Ｐ１とＰ２の間には厚さ１８μｍのＣｕ箔（工業用純Ｃｕ）を介設し、Ｔｉ板Ｐ２とＰ３との間には厚さ３５μｍのＣｕ箔を介設して重ねたテストピース３１を用いて拡散接合テストを行った。Ｔｉ板Ｐ１〜Ｐ３は、イソプロピルアルコールで洗浄しており、単に自重で重ね合わせただけで、治具などを用いて押さえ付けたりはしていない。テストピース３１は、セラミック板３２を介在してカーボントレイ３３上に載置した。
【００３１】
熱処理は、図２に示す横型三室式真空炉を用いて行った。テストピース３１は、コンベア３４によって搬送して、加熱室３５、処理室３６、冷却室３７の順番で移動させた。熱処理条件は、加熱速度１５℃／分で約７０分間加熱して１０２０℃にした後、１時間保持してから、５００℃までは炉冷し、５００℃からはＮ２ 冷却を行った。尚、三室式真空炉を用いた関係で、５００℃でテストピース３１を移動させた。つまり、加熱時においては加熱室３５での温度が５００℃に達した時点でテストピース３１を処理室３６に移動させ、冷却時においては処理室３６での温度が５００℃に達した時点でテストピース３１を冷却室３７に移動させた。真空度は、加熱室３５及び冷却室３７は１０−２〜１０−３Ｔｏｒｒ程度、処理室３６は１０−３〜１０−４Ｔｏｒｒ程度とした。
【００３２】
図３は、接合温度１０２０℃まで加熱する拡散接合テストを行った際の接合面付近の金属組織を示す顕微鏡写真である。各部位における金属組成の定性分析（ＥＤＡＸ）の結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】
ＴｉとＣｕの重量％の割合が６０：４０程度である場合は、金属間化合物Ｔｉ２ Ｃｕが存在しているものと考えられるが、表１に示すように、Ｃｕの割合が比較的高い部位１−１、１−３においてもＴｉ：Ｃｕ≒７５：２５程度であり、ＣｕはＴｉに充分に拡散しており、強度を低下させる大きなＴｉ２ Ｃｕは存在していないことが確認された。尚、分析を行っていない部位にＴｉ２ Ｃｕが存在する可能性はあるが、この場合であっても、金属間化合物が接合面全面にわたって例えば層状に存在しているとは認められず、点在しているものと考えられるため、接合状態にはほとんど影響はない。
【００３５】
また、処理後のテストピースは、室温下で、剪断強度２５０Ｎ／ｍｍ２ 、引張強度３５０Ｎ／ｍｍ２ の接合強度を有していることが確認された。この接合強度は、母材であるＴｉ材料とほぼ同等である。ちなみに、銀ろう付けの場合の接合強度は、剪断強度１５９Ｎ／ｍｍ２ 、引張強度２３０Ｎ／ｍｍ２ であり、明らかに本発明の接合方法の方が接合強度が向上している。さらに、Ｔｉ板Ｐ１とＰ２の接合率は約９０％、Ｔｉ板Ｐ２とＰ３の接合率は９９％以上であることが確認された。さらにまた、平面度は、接合前が約１．５ｍｍであったのが、接合後は約０．５ｍｍと向上していることが確認された。
【００３６】
（比較例）
上述したテストピース３１を用いて、接合温度９５０℃まで加熱することを除けば上記拡散接合テストと同じ条件で、拡散接合テストを行った。図４は、９５０℃まで加熱する拡散接合テストを行った際の接合面付近の金属組織を示す顕微鏡写真である。各部位における金属組成の定性分析の結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】
【００３８】
部位２−２は拡散層であるが、部位２−１はＴｉ２ Ｃｕ層であると考えられる。従って、Ｔｉ２ Ｃｕ層が接合面全面にわたって層状に存在しており、接合部は非常に脆いことが確認された。なお接合温度９００℃では上記実施例と同様に良好な接合状態を得るためには、１６６時間の保持が必要であることを確認したし、また接合温度９５０℃では良好な接合状態が得られる場合と得られない場合の混在することを確認した。
【００３９】
次に上記接合方法を用いたバッキングプレートの製造方法を説明する。バッキングプレートは、図５に示すように、３段ジャケット構造であり、大略的に、基板１と、カバー部材２と、区画部材３とを接合して構成される。基板１は、その一方表面１ａにターゲット部材が接合され、他方表面１ｂ側にはカバー部材２と区画部材３とが接合されて、冷却水路が形成される。区画部材３は、図６に示すように、外枠部材４と仕切部材５、５、５とから成る。
【００４０】
これらの部材を、図５に示すように、基板１の他方表面１ｂと区画部材３との間及びカバー部材２の一方表面２ａと区画部材３との間に個別にＣｕ箔６、６・・・を介設して、上述した接合方法で接合した。これによって、接合強度及び接合率が向上した良好な接合が得られた。
【００４１】
このように接合強度及び接合率が向上したことによって、接合面の面積を小さくしても従来と同程度の強度を得ることができる。従って、区画部材３の基板１及びカバー部材２への接合面積を小さくすることができ、その分だけ厚みを小さくすることによって従来と同程度の冷却水量を確保しながら水路部分の厚みを薄くすることができる。また、ボルト止めの場合のように接合部の厚みを厚くする必要がなく、接合部も薄くすることができる。これによって、バッキングプレート全体の薄型化が可能となる。これに伴い、バッキングプレートの背部に配置される磁石からの磁力の高透過性を達成することができ、良好なスパッタリングを実現できる。
【００４２】
ところで、図５に示すように、基板１の他方表面１ｂ及びカバー部材２の一方表面２ａのように、一平面上に複数個の接合面が存在しているときは、図７に示すように、基板１の他方表面１ｂ全面を覆う大きさのＣｕ箔７及びカバー部材２の一方表面２ａの全体を覆う大きさのＣｕ箔８を配設すればよい。これは、接合に直接寄与しないＣｕはＴｉに拡散し、表面にＣｕ層として残留しないからである。これによって、図５に示すように個別に配設していく場合に比べて作業が簡単になる。
【００４３】
また、接合面を含む平面全体にＣｕ箔７、８を配設するようにしたことで、水路の形状の自由度が増し、より複雑なものを形成することができる。例えば、図８に示すように、冷却水入口９から冷却水出口１０までの間の４つの水路に、それぞれ複数の円柱状の突起１１、１１・・・を配置することができる。これによって、冷却水の流れが乱流になると共に、表面積を大きくすることができ、冷却効率を向上することができる。
【００４４】
さらに、図９に示すように、従来の構造である基板２１及びカバー部材２２から成るバッキングプレートの接合においても、Ｃｕ箔７を用いて接合することができる。
【００４５】
また、本発明のように液相拡散接合を用いたことで、バッキングプレートの構成部品をさらに分割して製造することも可能となる。例えば、図１０に示すように外枠部材４を、４つの分割された棒状部材１２、１３、１４、１５を４つの接合面１７ａ〜１７ｄで接合して製造することができる。これによって、部品の歩留りが向上する。
【００４６】
さらに他の実施例として、図１１に示すように、カバー部材と区画部材とをプレス加工によって一体的に形成したカバー・区画部材１６を基板１に接合しても良い。このような一体形成された部材１６を用いることで、複雑な形状の水路を安価にかつ容易に実現することができると共に、さらに薄型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】拡散接合テストに用いたテストピースの構成を示す側面図である。
【図２】拡散接合テストに用いた模型三室式真空炉の概略図である。
【図３】テストピースを１０２０℃に加熱して保持した際の接合面付近の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図４】テストピースを９５０℃に加熱して１時間保持した際の接合面付近の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図５】本発明の一実施例であるバッキングプレートを示す断面図である。
【図６】上記バッキングプレートの平面図である。
【図７】他の実施例を示す断面図である。
【図８】他の実施例を示す平面図である。
【図９】他の実施例を示す断面図である。
【図１０】他の実施例を示す平面図である。
【図１１】他の実施例を示す断面図である。
【図１２】従来例を示す断面図である。
【図１３】従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
１ａ 一方表面
１ｂ 他方表面
２ カバー部材
２ａ 一方表面
３ 区画部材
４ 外枠部材
５ 仕切部材
６ Ｃｕ箔
７ Ｃｕ箔
８ Ｃｕ箔
９ 冷却水入口
１０ 冷却水出口
１１ 突起
１２ 棒状部材
１３ 棒状部材
１４ 棒状部材
１５ 棒状部材
１６ カバー・区画部材
１７ａ 接合面
１７ｂ 接合面
１７ｃ 接合面
１７ｄ 接合面
２１ 基板
２２ カバー部材
２３ 溝部
２４ 銀ろう
３１ テストピース
３２ セラミック板
３３ カーボントレイ
３４ コンベア
３５ 加熱室
３６ 処理室
３７ 冷却室
Ｐ１ Ｔｉ板
Ｐ２ Ｔｉ板
Ｐ３ Ｔｉ板
【発明の属する技術分野】
この発明は、スパッタリング法に用いられるスパッタリングターゲットを構成するバッキングプレート及びその製造方法に関するものである。またこの発明は、上記バッキングプレート等に好適に用いられるチタン（以下、Ｔｉと略称する）系材料を高い信頼性でかつ高い強度で接合することができるＴｉ系材料の接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路等に用いられる薄膜を形成する方法としては、スパッタリング法が公知である。このスパッタリング法には、物理スパッタリング（ＰＶＤ）と反応性スパッタリングとがあるが、いずれの方法でも、スパッタリングターゲットを用いる。スパッタリングターゲットは、イオンの照射されるターゲット部材と、このターゲット部材をその背部から支持するバッキングプレートとから成るものである。具体的には、Ｔｉ系材料製のバッキングプレートに、所定の金属系材料製のターゲット部材をボンディング（ろう付）したものが知られている。例えば、バッキングプレートにＴｉ系材料を用いる点については、特開平６−２９３９６３号公報に開示されている。
【０００３】
図１２は、従来例であるバッキングプレートの構造を示す分解断面図である。バッキングプレートは、一方表面にターゲット部材が支持される基板２１と、基板２１の他方表面に接合されるカバー部材２２とから成る。カバー部材２２は、基板２１の他方表面に接合される接合面側に、予め機械加工によって刻設した溝部を有し、カバー部材２２と基板２１とを接合することによって溝部２３と基板２１の他方表面とで囲まれた空間が冷却水が流れる水路となる。このような構造は、水冷ジャケット構造と呼ばれる。水冷ジャケット構造のバッキングプレートについては、例えば特開平７−１９７２４８号公報に開示されており、水路を形成する溝部を予め機械加工により刻設している点については、例えば特開平５−１３２７７４号公報に開示されている。
【０００４】
カバー部材２２と基板２１との接合は、図１３に示すような銀ろう２４を用いた銀ろう付け（特開平５−１３２７７４号公報、特開平３−１４０４６４号公報参照）、ボルト止め（特開平７−１９７２４８号公報参照）、ＥＢＷ（電子ビーム溶接）やＬＢＷ（レーザビーム溶接）のような高エネルギビーム溶接などによって行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
銀ろう付けによってバッキングプレートを製造した場合は、その接合強度が母材より低いため、接合面積を大きくとらなければならず、これによってバッキングプレートが大型化するという問題が生じる。
【０００６】
また、ボルト止めによってバッキングプレートを製造した場合は、所定の接合強度を得るためにはある程度の長さのねじ部が必要であり、その分だけバッキングプレートの厚みが大きくなるという問題が生じる。
【０００７】
さらに、高エネルギビーム溶接によってバッキングプレートを製造した場合は、溶接部の強度は母材とほぼ同等ではあるものの、面接合ではないため、所定の接合強度を得るための構造にする必要があり、従ってバッキングプレートの構造や水路形状が制限されてしまう。
【０００８】
また、カバー部材２２に水路を形成する溝部２３を機械加工によって形成しているため、高価である。
【０００９】
この発明は上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、Ｔｉ系材料から成る複数の部品を高い信頼性で、かつ高い強度で接合することができると共に、薄型化及び構造の自由度の増大を図ることができるバッキングプレート及びその製造方法を提供することにある。また、この発明の他の目的は、上記バッキングプレートの製造などに好適に用いることができ、Ｔｉ系材料を高い信頼性で、かつ高い強度で接合することができるＴｉ系材料の接合方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段及び効果】
そこで請求項１のバッキングプレートの製造方法は、一方表面にターゲット部材が接合される基板と、当該基板の他方表面側に配置されるカバー部材と、上記基板とカバー部材との間に介在されて冷却水路を構成する区画部材とを有するバッキングプレートの製造方法において、上記各部品はＴｉ系材料から成り、上記部品の接合面に銅（以下、Ｃｕと略称する）系材料を介設し、両者によって形成される金属間化合物の分解温度以上、もしくは共晶反応温度に選ばれた接合温度まで加熱してＣｕ系材料の液相を発生させ、Ｃｕ系材料がＴｉ系材料に充分に拡散するまでの間、接合温度を維持することを特徴としている。
【００１１】
上記請求項１のバッキングプレートの製造方法では、接合面にＣｕ系材料を介設した状態で加熱し、Ｃｕ系材料を溶融させて液相を発生させ、Ｃｕ系材料がＴｉ系材料に拡散することを利用して接合を行ういわゆる液相拡散接合を用いてバッキングプレートが製造される。このときの接合温度は、Ｔｉ系材料とＣｕ系材料によって形成される金属間化合物の分解温度以上、もしくは共晶反応温度に選ばれており、液相を生成せしめ、かつＣｕ系材料が充分にＴｉ系材料に拡散するまでの間、接合温度を維持する。従って、Ｔｉ系材料よりも脆い金属間化合物が面状に接合面に残留することはなく、またＣｕ系材料は拡散してほぼ消失するため界面が存在せず、再加熱しても接合部が溶融することはないため、接合面の強度はＴｉ系材料とほぼ同等になる。これによって、銀ろう付けと比べて接合強度を向上することができ、また高エネルギビーム溶接に比べて接合率を向上することができ、ボルト止めと比べてバッキングプレートの接合部の薄肉化が可能となる。しかも請求項１のような３層構造の水冷ジャケット構造のバッキングプレートの場合、冷却水路を構成する区画部材の基板及びカバー部材への接合面積を小さくすることができ、その分だけ厚みを小さくすることによって、従来と同程度の冷却水量を確保しながら、水路部分の厚みを薄くすることができ、上述した接合部の薄肉化と相まってバッキングプレート全体の薄型化が可能となる。これに伴い、バッキングプレートの背部に配置される磁石からの磁場の高透過性を達成することができ、良好なスパッタリングを実現することができる。
【００１２】
上記において用いられるＴｉ系材料とは、工業用純Ｔｉ、工業用Ｔｉ合金を含むものであり、具体的には、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ（重量％で残部は不可避不純物及びＴｉ、以下同じ）、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｚｒ−１Ｖ、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖ、Ｔｉ−８Ａｌ−１２Ｚｒ、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ、Ｔｉ−８Ｍｎ、Ｔｉ−４Ａｌ−４Ｍｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−７Ａｌ−４Ｍｏ、Ｔｉ−３Ａｌ−１１Ｃｒ−１３Ｖ等を挙げることができる。またＣｕ系材料とは、工業用純Ｃｕ、工業用Ｃｕ合金を含むものである。
【００１３】
また、部品全体を加熱して接合するため、接合面近傍に応力が残留するのが防止でき、かつ、Ｔｉ系材料が軟化して最下面にならうので、バッキングプレートに否みが生じることはほとんどない。
【００１４】
上記製造方法は大気中で行うことも可能であるが、請求項２のように、真空、不活性ガス又は還元性ガス雰囲気中で行うことによって、バッキングプレートのクリーン度が向上する。特に真空中で行った場合には、スパッタリング法を実現するにあたってバッキングプレートを超高真空中で使用した場合に、バッキングプレートからのガス放出速度が低減し、良好なスパッタリングを実現することができる。具体的には、真空度１０−３Ｔｏｒｒ以下の雰囲気で行うのが好ましい。
【００１５】
上記製造方法に用いられるＣｕ系材料は、いかなる形態であってもよいが、請求項３のように、箔又は粉末のＣｕ系材料を用いるのが好ましく、これによって取扱い及び接合面への介設作業が容易になる。例えばＣｕ箔を用いる場合は、厚さが１０μｍ〜１００μｍの範囲内であれば良く、１８μｍ〜６０μｍの範囲内では接合強度に差がないことが確認された。尚、一般的には厚さが１８μｍ〜３０μｍのＣｕ箔の入手が容易である。また、Ｃｕ箔に代えてＣｕの粉末を用いる場合は、粒径が２５μｍ〜３０μｍのＣｕ粉を、１００μｍ程度の厚さにして用いるのが好ましい。尚、厚さを薄くすることも可能であるが介設作業に時間がかかる。逆に、厚さを厚くすることは比較的容易であり、最大１ｍｍまで許容できる。なおＣｕ系材料を接合面間に個別に介設することでＣｕ系材料の使用量を必要最小限とすることができるが、特定の部品が一平面上に複数の接合面を有するときは、上記一平面全体にＣｕ系材料を配設することによって、作業が容易になる。
【００１６】
また、箔を用いる場合、Ｔｉ材料の接合面及び箔の表面は、アルコールやアセトンのような有機溶剤によって脱脂・洗浄することが望ましく、また表面粗さは「▽」加工（３５ｓ〜１００ｓ）程度であれば良く、あるいはもう少し粗くても良い。このように高い表面精度を必要としないのは、箔が溶融して液相となり、Ｔｉ材料に拡散していくので、Ｔｉ材料の接合面と箔表面との密着度はあまり問題とならないからである。また、接合面どおしが近接する方向に圧力を加えた状態で接合するようにしてもよいが、接合装置の簡素化の観点からは加圧しない方が好ましい。但し、Ｔｉ材料に反りがある場合は、平面度が１．０ｍｍ以下程度になるように加圧するのが望ましい。
【００１７】
また、接合温度は、金属間化合物の分解温度以上、もしくは共晶反応温度であって、かつ、Ｔｉ系材料の融点以下であることが必要であり、請求項４のように約８８７℃〜１６７０℃の範囲内、特に約９９０℃〜１６７０℃の範囲内に選ぶのが好ましい。共晶反応温度（約８８７℃）においても、拡散時間を充分に確保すれば、良好な接合を行うことが可能であるが、実用上は約９９０℃以上の接合温度を採用するのが好ましい。その理由は、まず第１には、充分な拡散速度を確保することにより、実用上好ましい接合時間とするためには、純Ｔｉがβ相へと変態しているのが望ましいためである。純Ｔｉのα相からβ相への変態点は約８８５℃であるが、多少の不純物の含有が許容される工業用Ｔｉでは、変態点は約９３０℃〜９４０℃と推定される。また第２の理由は、金属間化合物の面状の残留を防止するため、金属間化合物の分解温度以上とするのが好ましいためである。金属間化合物であるＴｉＣｕの分解温度は約９７５℃、Ｔｉ２ Ｃｕの分解温度は約９９０℃である。これらのことから、接合温度を約９９０℃以上とするのが好ましい。なお上限を約１６７０℃としたのはＴｉの融点が約１６６８℃だからである。従って、上記温度範囲であれば、金属間化合物が生成しない状態でＣｕの液相を発生させて、Ｔｉ材料に拡散させることができる。このような液相拡散接合を用いることによって、接合部には界面がほとんど存在しないためＴｉ材料とほぼ同等の接合強度を得ることができる。また、接合率９０％以上の良好な接合を実現できる。尚、必ずしも一定温度で保持しなければならない訳ではなく、上記温度範囲内であれば多少の変動はかまわない。
【００１８】
また接合時間は、Ｃｕ系材料がＴｉ系材料に拡散して液相が消滅するまでに要する時間を確保する必要があり、介設するＣｕ系材料の厚さに応じて適宜選択されるが、請求項５のように６００秒以上とするのが好ましい。これは、１０μｍのＣｕ箔を用いた場合の接合時間が６００秒程度であることに基づくものである。
【００１９】
また請求項６のバッキングプレートの製造方法は、一方表面にターゲット部材が接合される基板と、当該基板の他方表面側に配置されるカバー部材と、上記基板とカバー部材との間に介在されて冷却水路を構成する区画部材とを有するバッキングプレートの製造方法において、上記各部品はＴｉ系材料から成り、上記部品の接合面にジルコニア（以下、Ｚｒと略称する）系材料を介設し、両者によって形成される金属間化合物の分解温度以上に選ばれた接合温度まで加熱してＺｒ系材料の液相を発生させ、Ｚｒ系材料がＴｉ系材料に充分に拡散するまでの間、接合温度を維持することを特徴としている。
【００２０】
上記請求項６のバッキングプレートの製造方法では、接合面にＺｒ系材料を介設して接合しており、上記Ｃｕ系材料を用いる場合と同様の効果を得られる。
【００２１】
上記請求項１〜請求項６のいずれかの製造方法によって製造されたバッキングプレートは、複数の部品をいわゆる液相拡散接合を用いて接合しているので、部品間の接合強度及び接合率が従来よりも向上している。また、Ｔｉ系材料から成る複数個の部品を、例えばＮｉ系材料を接合面に介設する等して面接合して成るバッキングプレートにおいても、部品間の接合強度及び接合率が従来よりも向上している。
【００２２】
請求項７のような３層構造の水冷ジャケット構造のバッキングプレートの場合、冷却水路を構成する区画部材の基板及びカバー部材への接合面積を小さくすることができ、その分だけ厚みを小さくすることによって、従来と同程度の冷却水量を確保しながら、水路部分の厚みを薄くすることができ、上述した接合部の薄肉化と相まってバッキングプレート全体の薄型化が可能となる。これに伴い、バッキングプレートの背部に配置される磁石からの磁場の高透過性を達成することができ、良好なスパッタリングを実現することができる。
【００２３】
また、３層構造にしたことによって、従来のようにカバー部材に機械加工による彫り込み加工を行う必要がなく、製造コストを低減できると共に、水路形成が容易になり、また水路設計の自由度が増大する。即ち、複雑な水路形状であっても、比較的単純な形状の部材を組合せて区画部材を構成することによって容易に実現することができる。また、複雑な水路形状にすることによって冷却水が乱流となり、水路内での冷却水の温度分布の差が小さくなり、冷却能力を向上させることができる。さらに、より多くの部品に分割することによって、部品の歩留まりを向上できる。
【００２４】
さらに請求項８のように、１本の板状体をプレス加工することによってカバー部材と区画部材とを一体的に形成することによって、水路の形状の自由度が増し、比較的複雑な形状であっても容易にかつ安価に実現することができる。また、カバー部材と区画部材との一体成形品の肉厚を薄くすることができ、軽量化及び磁場の高透過性を図ることができる。
【００３０】
【実施例】
図１に示すように、３００ｍｍ×３００ｍｍ×６ｍｍのＴｉ板（工業用純Ｔｉ）Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を３枚準備し、Ｔｉ板Ｐ１とＰ２の間には厚さ１８μｍのＣｕ箔（工業用純Ｃｕ）を介設し、Ｔｉ板Ｐ２とＰ３との間には厚さ３５μｍのＣｕ箔を介設して重ねたテストピース３１を用いて拡散接合テストを行った。Ｔｉ板Ｐ１〜Ｐ３は、イソプロピルアルコールで洗浄しており、単に自重で重ね合わせただけで、治具などを用いて押さえ付けたりはしていない。テストピース３１は、セラミック板３２を介在してカーボントレイ３３上に載置した。
【００３１】
熱処理は、図２に示す横型三室式真空炉を用いて行った。テストピース３１は、コンベア３４によって搬送して、加熱室３５、処理室３６、冷却室３７の順番で移動させた。熱処理条件は、加熱速度１５℃／分で約７０分間加熱して１０２０℃にした後、１時間保持してから、５００℃までは炉冷し、５００℃からはＮ２ 冷却を行った。尚、三室式真空炉を用いた関係で、５００℃でテストピース３１を移動させた。つまり、加熱時においては加熱室３５での温度が５００℃に達した時点でテストピース３１を処理室３６に移動させ、冷却時においては処理室３６での温度が５００℃に達した時点でテストピース３１を冷却室３７に移動させた。真空度は、加熱室３５及び冷却室３７は１０−２〜１０−３Ｔｏｒｒ程度、処理室３６は１０−３〜１０−４Ｔｏｒｒ程度とした。
【００３２】
図３は、接合温度１０２０℃まで加熱する拡散接合テストを行った際の接合面付近の金属組織を示す顕微鏡写真である。各部位における金属組成の定性分析（ＥＤＡＸ）の結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
ＴｉとＣｕの重量％の割合が６０：４０程度である場合は、金属間化合物Ｔｉ２ Ｃｕが存在しているものと考えられるが、表１に示すように、Ｃｕの割合が比較的高い部位１−１、１−３においてもＴｉ：Ｃｕ≒７５：２５程度であり、ＣｕはＴｉに充分に拡散しており、強度を低下させる大きなＴｉ２ Ｃｕは存在していないことが確認された。尚、分析を行っていない部位にＴｉ２ Ｃｕが存在する可能性はあるが、この場合であっても、金属間化合物が接合面全面にわたって例えば層状に存在しているとは認められず、点在しているものと考えられるため、接合状態にはほとんど影響はない。
【００３５】
また、処理後のテストピースは、室温下で、剪断強度２５０Ｎ／ｍｍ２ 、引張強度３５０Ｎ／ｍｍ２ の接合強度を有していることが確認された。この接合強度は、母材であるＴｉ材料とほぼ同等である。ちなみに、銀ろう付けの場合の接合強度は、剪断強度１５９Ｎ／ｍｍ２ 、引張強度２３０Ｎ／ｍｍ２ であり、明らかに本発明の接合方法の方が接合強度が向上している。さらに、Ｔｉ板Ｐ１とＰ２の接合率は約９０％、Ｔｉ板Ｐ２とＰ３の接合率は９９％以上であることが確認された。さらにまた、平面度は、接合前が約１．５ｍｍであったのが、接合後は約０．５ｍｍと向上していることが確認された。
【００３６】
（比較例）
上述したテストピース３１を用いて、接合温度９５０℃まで加熱することを除けば上記拡散接合テストと同じ条件で、拡散接合テストを行った。図４は、９５０℃まで加熱する拡散接合テストを行った際の接合面付近の金属組織を示す顕微鏡写真である。各部位における金属組成の定性分析の結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】
部位２−２は拡散層であるが、部位２−１はＴｉ２ Ｃｕ層であると考えられる。従って、Ｔｉ２ Ｃｕ層が接合面全面にわたって層状に存在しており、接合部は非常に脆いことが確認された。なお接合温度９００℃では上記実施例と同様に良好な接合状態を得るためには、１６６時間の保持が必要であることを確認したし、また接合温度９５０℃では良好な接合状態が得られる場合と得られない場合の混在することを確認した。
【００３９】
次に上記接合方法を用いたバッキングプレートの製造方法を説明する。バッキングプレートは、図５に示すように、３段ジャケット構造であり、大略的に、基板１と、カバー部材２と、区画部材３とを接合して構成される。基板１は、その一方表面１ａにターゲット部材が接合され、他方表面１ｂ側にはカバー部材２と区画部材３とが接合されて、冷却水路が形成される。区画部材３は、図６に示すように、外枠部材４と仕切部材５、５、５とから成る。
【００４０】
これらの部材を、図５に示すように、基板１の他方表面１ｂと区画部材３との間及びカバー部材２の一方表面２ａと区画部材３との間に個別にＣｕ箔６、６・・・を介設して、上述した接合方法で接合した。これによって、接合強度及び接合率が向上した良好な接合が得られた。
【００４１】
このように接合強度及び接合率が向上したことによって、接合面の面積を小さくしても従来と同程度の強度を得ることができる。従って、区画部材３の基板１及びカバー部材２への接合面積を小さくすることができ、その分だけ厚みを小さくすることによって従来と同程度の冷却水量を確保しながら水路部分の厚みを薄くすることができる。また、ボルト止めの場合のように接合部の厚みを厚くする必要がなく、接合部も薄くすることができる。これによって、バッキングプレート全体の薄型化が可能となる。これに伴い、バッキングプレートの背部に配置される磁石からの磁力の高透過性を達成することができ、良好なスパッタリングを実現できる。
【００４２】
ところで、図５に示すように、基板１の他方表面１ｂ及びカバー部材２の一方表面２ａのように、一平面上に複数個の接合面が存在しているときは、図７に示すように、基板１の他方表面１ｂ全面を覆う大きさのＣｕ箔７及びカバー部材２の一方表面２ａの全体を覆う大きさのＣｕ箔８を配設すればよい。これは、接合に直接寄与しないＣｕはＴｉに拡散し、表面にＣｕ層として残留しないからである。これによって、図５に示すように個別に配設していく場合に比べて作業が簡単になる。
【００４３】
また、接合面を含む平面全体にＣｕ箔７、８を配設するようにしたことで、水路の形状の自由度が増し、より複雑なものを形成することができる。例えば、図８に示すように、冷却水入口９から冷却水出口１０までの間の４つの水路に、それぞれ複数の円柱状の突起１１、１１・・・を配置することができる。これによって、冷却水の流れが乱流になると共に、表面積を大きくすることができ、冷却効率を向上することができる。
【００４４】
さらに、図９に示すように、従来の構造である基板２１及びカバー部材２２から成るバッキングプレートの接合においても、Ｃｕ箔７を用いて接合することができる。
【００４５】
また、本発明のように液相拡散接合を用いたことで、バッキングプレートの構成部品をさらに分割して製造することも可能となる。例えば、図１０に示すように外枠部材４を、４つの分割された棒状部材１２、１３、１４、１５を４つの接合面１７ａ〜１７ｄで接合して製造することができる。これによって、部品の歩留りが向上する。
【００４６】
さらに他の実施例として、図１１に示すように、カバー部材と区画部材とをプレス加工によって一体的に形成したカバー・区画部材１６を基板１に接合しても良い。このような一体形成された部材１６を用いることで、複雑な形状の水路を安価にかつ容易に実現することができると共に、さらに薄型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】拡散接合テストに用いたテストピースの構成を示す側面図である。
【図２】拡散接合テストに用いた模型三室式真空炉の概略図である。
【図３】テストピースを１０２０℃に加熱して保持した際の接合面付近の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図４】テストピースを９５０℃に加熱して１時間保持した際の接合面付近の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図５】本発明の一実施例であるバッキングプレートを示す断面図である。
【図６】上記バッキングプレートの平面図である。
【図７】他の実施例を示す断面図である。
【図８】他の実施例を示す平面図である。
【図９】他の実施例を示す断面図である。
【図１０】他の実施例を示す平面図である。
【図１１】他の実施例を示す断面図である。
【図１２】従来例を示す断面図である。
【図１３】従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
１ａ 一方表面
１ｂ 他方表面
２ カバー部材
２ａ 一方表面
３ 区画部材
４ 外枠部材
５ 仕切部材
６ Ｃｕ箔
７ Ｃｕ箔
８ Ｃｕ箔
９ 冷却水入口
１０ 冷却水出口
１１ 突起
１２ 棒状部材
１３ 棒状部材
１４ 棒状部材
１５ 棒状部材
１６ カバー・区画部材
１７ａ 接合面
１７ｂ 接合面
１７ｃ 接合面
１７ｄ 接合面
２１ 基板
２２ カバー部材
２３ 溝部
２４ 銀ろう
３１ テストピース
３２ セラミック板
３３ カーボントレイ
３４ コンベア
３５ 加熱室
３６ 処理室
３７ 冷却室
Ｐ１ Ｔｉ板
Ｐ２ Ｔｉ板
Ｐ３ Ｔｉ板
Claims (8)
- 一方表面にターゲット部材が接合される基板と、当該基板の他方表面側に配置されるカバー部材と、上記基板とカバー部材との間に介在されて冷却水路を構成する区画部材とを有するバッキングプレートの製造方法において、上記各部品はＴｉ系材料から成り、上記各部品の接合面にＣｕ系材料を介設し、両者によって形成される金属間化合物の分解温度以上、もしくは共晶反応温度に選ばれた接合温度まで加熱してＣｕ系材料の液相を発生させ、Ｃｕ系材料がＴｉ系材料に充分に拡散するまでの間、接合温度を維持することを特徴とするバッキングプレートの製造方法。
- 上記接合は、真空、不活性ガス又は還元性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１のバッキングプレートの製造方法。
- 上記Ｃｕ系材料は、箔又は粉末であることを特徴とする請求項２のバッキングプレートの製造方法。
- 上記接合温度は、約８８７℃〜１６７０℃であることを特徴とする請求項２のバッキングプレートの製造方法。
- 上記接合温度での維持を、６００秒以上の時間にわたって行うことを特徴とする請求項４のバッキングプレートの製造方法。
- 一方表面にターゲット部材が接合される基板と、当該基板の他方表面側に配置されるカバー部材と、上記基板とカバー部材との間に介在されて冷却水路を構成する区画部材とを有するバッキングプレートの製造方法において、上記各部品はＴｉ系材料から成り、上記各部品の接合面にＺｒ系材料を介設し、両者によって形成される金属間化合物の分解温度以上に選ばれた接合温度まで加熱してＺｒ系材料の液相を発生させ、Ｚｒ系材料がＴｉ系材料に充分に拡散するまでの間、接合温度を維持することを特徴とするバッキングプレートの製造方法。
- 一方表面にターゲット部材が接合される基板と、当該基板の他方表面側に配置されるカバー部材と、上記基板とカバー部材との間に介在されて冷却水路を構成する区画部材とを有し、Ｔｉ系材料から成るこれら各部品を面接合して成ることを特徴とするバッキングプレート。
- １枚の板状体をプレス加工することによって上記カバー部材と区画部材とが一体的に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかのバッキングプレート。
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