JP4683358B2

JP4683358B2 - 継手

Info

Publication number: JP4683358B2
Application number: JP2005298136A
Authority: JP
Inventors: 欣也宮下; 幸裕安藤
Original assignee: 株式会社クリエイティブテクノロジー
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2025-09-12
Also published as: JP2007075891A

Description

本発明は、異種金属間で強固な溶接を行う技術に関し、特にヒートシンクや熱源による温度調節器における冷媒又は温調媒体を流通させる着脱可能でかつ強固な継手部分を形成する技術に関する。

半導体製造装置では、処理する半導体基板はエネルギーを持ったイオンの激突やプラズマ中で加熱するため、その処理の条件に適切な温度に保つ必要がある。エッチング装置や成膜装置では半導体基板の温度によりその処理スピードが変化するため、その基板を載置する静電チャックにヒートシンク部あるいは別途そのようなジャケット部を設けて接合し、それらに温調のための水やガスなどの熱交換媒体を流すことで間接的に冷却等を行う。完成した半導体基板は検査装置により、その電気的特性や熱ストレスによる寿命診断のために強制的に冷却または昇温し、極限の環境条件により試験を加速する場合がある。この場合も半導体基板を温調可能な基板載置部に保持し、基板載置部を前記同様な熱交換媒体を流すことで、熱を放出あるいは流入させることで間接的に温度調節を行う。いずれの場合も、温度調節のための液体あるいはガスの媒体をヒートシンクあるいは熱源機能を有する基板載置部に流通させるため、外部から基板載置部にそれら媒体の入口や出口のための接続部を有する必要がある。

この接続部は、一定の強度とその信頼性、さらに着脱の利便性を有することが重要である。

強度については、液体やガスの媒体はヒートシンク等の中の狭い経路を通すことになるので、一定の流量を確保するためには送出のためそれに応じた圧力をかけて送り出す必要がある。また、当該媒体の送り出し側の熱交換器と受け側である基板載置部は一つの装置内に設置する場合もあれば装置外の機械装置室等から供給する場合があるので、その輸送径路においても所定の供給圧力が必要になる。通常この送り出し側の圧力は０．２〜０．５ＭＰａの範囲である。この範囲以下では、管路の圧力損失により流量が確保できない可能性があり、以上であると接続部の強度の確保、さらには管路自身の強度を確保するためにコストが高くなるためである。媒体の圧力に耐える強度だけでなく、基板載置部が搭載されている装置内での機械的ストレスや熱衝撃、さらには保守に際しての取扱いや輸送時の不手際による衝撃などにも耐える必要がある。

信頼性については、特に保守の利便性との係りが重要である。装置に取り付けられた基板載置部は、故障、定期検査、劣化時の交換等により容易に着脱ができることが望ましい。このため基板載置部には温調媒体の輸送経路との接続を何回もでき簡易に着脱可能となるよう、標準の管路接続体を設ける。このような市販の標準品の接続体の一例として、スウェージロック社のクイック・コネクツ・カップリング（スウェージロック社の商品名）がある。工具を使用する必要がなく、手で簡単に着脱が可能である。このような管路接続体を設けることができる前提として、基板載置部に一定以上の強度を持った継手部分を確保しなければならない。

基板載置部は材質として熱伝導率の高い金属、例えばアルミニウムや銅が用いられる。半導体基板と熱交換媒体との間の熱伝達率を高めるためと基板載置部の中で温度の均一性を図るためで、アルミニウムは銅に比較して加工性や重量の観点からより好まれる。継手部分は機械的強度、耐腐食性にすぐれ何回も着脱が可能とするために剛性の高いステンレス鋼が最適である。

アルミニウムとステンレス鋼の接合は以下に掲げるように過去様々な手法が提案されている。特開昭４８−９４６５１号公報では炭素鋼、あるいはステンレス鋼とアルミニウムの溶接結合を容易にするための継手として、鋼層とアルミニウムの間に銀または銀合金の層を介在させた爆発圧着クラッド板からなる継手が開示されている。特開昭５０−２８０２０号公報では、チタン、銀、タンタル、ニオブなどの中間金属層をアルミニウムとステンレス鋼の中間に介在させた三層または多層クラッド板を爆発圧着により形成し継手を製作することが開示されている。特開昭５０−１３３９５２号公報では、アルミニウム、チタン、ニッケルとステンレス鋼の各層が爆発圧着により結合されている管継手が開示されている。特開昭５８−１００９７８号公報では、銀メッキ薄層を有するステンレス鋼とアルミニウム合金部材を溶着金属で余肉とオーバラツプ部を形成させるように溶接することにより、アルミニウム材とステンレス鋼との異種接合継手を形成することが開示されている。特開平９−２９４６３号公報では、アルミニウム合金と銀又は銀合金との間に純アルミニウムからなる層を介在させ、爆発圧着によりステンレス鋼に接合させる継手が開示されている。特開平５−８０５６号公報では、ステンレス鋼とアルミニウムをＨＩＰ装置により高温、高圧下で接合するに際し、ステンレス鋼とアルミニウムとの間にチタニウムをインサート材として使用することを特徴とする継手作成方法が開示されている。特開平９−２９４６３号公報には、ステンレス鋼とステンレス鋼よりも軟質の異種金属材とを摩擦圧接して継手を製作する方法で、ニッケルメッキを接合面に予め形成することが開示されている。

前記の継手製作手段は、摩擦圧接あるいは爆発圧着など、その接合時に大きな機械的衝撃を加えるため、完成品において後に熱あるいは機械的なストレスにより製作時に蓄積された応力が解放され、歪や接合部のひび割れなどの問題が生じる場合があった。特に、前記の半導体製造装置あるいは半導体基板検査装置等においてその基板載置部は特に平坦度が高く求められ、通常１０μｍ程度以下の平坦性が必要であるため、基板載置部製作時に大きな機械的ストレスを与える手法は適用できない。アルミニウムとステンレス鋼の接合において金属の中間層を銀やチタンさらにニッケルで形成することが開示されているが、そのぬれ性において満足できるものではなく、製作価格と完成品の接合部の信頼性で十分なものではなかった。

特開昭４８−９４６５１号公報特開昭５０−２８０２０号公報特開昭５０−１３３９５２号公報特開昭５８−１００９７８号公報特開平５−８０５６号公報特開平６−６５８号公報特開平９−２９４６３号公報

本発明の課題は、アルミニウムからなる部材に機械的ストレスをかけることなくステンレス鋼からなる継手の形成が可能で、その接合部の信頼性と強度を保つことができる、アルミニウムからなる部材にステンレス鋼の継手を形成することである。

請求項１に記載の発明は、異種の金属からなる部材を接合する方法で、ステンレス鋼からなる部材の表面を粗化し、その粗化した表面に亜鉛の層を形成し、高圧鋳造により前記ステンレス鋼からなる部材に形成した亜鉛の層にアルミニウムからなる中間部材を接合し、前記アルミニウムからなる中間部材とアルミニウムからなる部材を溶接により接合することを特徴とする、アルミニウムからなる部材とステンレス鋼からなる部材を接合する方法である。ここでアルミニウムからなるものとは他に含有物をふくんでいない純アルミニウムやアルミニウムを主成分とする合金、たとえばジュラルミン、シルミン、Ｙ合金などを含む。具体的にはＪＩＳ分類の１０００系アルミニウム（純アルミニウム）、銅を含有する２０００系アルミニウム合金、マンガンを含有する３０００系アルミニウム合金。さらに、マグネシウムを含有する５０００系アルミニウム合金。マグネシウムとシリコンを含有する６０００系アルミニウム合金そして亜鉛を含有する７０００系アルミニウム合金などである。ステンレス鋼についても様々なものが市場にあるが主なものにつてここで言及すると、ＳＵＳ４１０やＳＵＳ４２０Ｊ２で代表されるマルテンサイト系、ＳＵＳ４３０などのフェライト系、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６Ｌなどで代表されるオーテスナイト系、そしてＳＵＳ６３１などで代表される抽出硬化系の各ステンレス鋼が存在する。ステンレス鋼の表面を粗化するためにはサンドブラスト法を用いる。この方法はガラスやセラミックなどの粒子をエアーガンなどにより高速で目的の部材の表面に吹き当てる方法で、手作業でも比較的均一な粗化が可能である。他の手法としては溶解液によるエッチング法、さらにもっと簡単にはダイアモンド粒子がついたサンドペーパーなどでも可能である。この粗化によりステンレス鋼の表面の異物を除去し素地を露出させ、さらにその表面積を増加させて、次のステップでの亜鉛層の接合具合を向上させる。この亜鉛層の形成には溶融メッキ法を適用する。特に溶融メッキは溶かした亜鉛の中に被メッキ処理するステンレス鋼の部材を入れて引き上げるので、量産性にすぐれ比較的厚めのメッキ層を形成することができる。溶融亜鉛とステンレス鋼はぬれ界面で合金化する性質があり、ステンレス鋼からなる部材に安定で強固な亜鉛層を形成することができる。ちなみに、ステンレス鋼からなる部材に直接溶融アルミニウムを浸すことによりアルミニウム層は形成できない。それらの界面でぬれ性が十分でなく合金化しないためである。次に、亜鉛層を形成したステンレス鋼にアルミニウムからなる中間部材を接合する。製造方法は金型をつかう高圧鋳造法で、ステンレス鋼からなる継手を所定の金型にセットし、そこに溶融したアルミニウムを流し込み、５０ＭＰａ程度の圧力をプランジャーにより発生させ、冷却硬化させ一体化させる。亜鉛とアルミニウムは溶融し合金化することが重要で、よってアルミニウムの中間部材はステンレス鋼の継手部材に強固に接合できることになる。最後にアルミニウムからなる中間部材を有すステンレス鋼の継手を、アルミニウムからなる部材にはめ込むあるいは突き当てて電子ビーム溶接により接合する。電子ビーム溶接を使う理由は局所的にしか温度を上げないためで、比較的小中規模の部材を取り扱う上で有利である。部材が大型化して、１ｍ以上もある場合は通常の溶接手段により接合してもよい。

請求項２に記載の発明は、亜鉛の層は溶融メッキ法により形成し、その厚みが０．０１〜０．３ｍｍであることを特徴とする請求項１のアルミニウムからなる部材とステンレス鋼からなる部材を接合する方法である。溶融メッキを使うのはぬれ性を維持するためと、コストの点で有利なためである。亜鉛層の厚さはステンレス鋼からなる部材の表面との合金化とアルミニウムからなる中間部材との合金化を同時に維持するのに適当な範囲である。この範囲以下の厚さでは同時に２種の金属に対して合金化が困難になり、この範囲以上の厚さでは亜鉛の素材としての強度不足が接合部の信頼性などに悪影響をもたらすおそれがある。

請求項３に記載の発明は、高圧鋳造の圧力が１０〜１００ＭＰａであることを特徴とする請求項１のアルミニウムからなる部材とステンレス鋼からなる部材を接合する方法である。圧力がこの範囲以下であると、十分に異種金属間での合金化が進まず接合面の強度やその信頼性が不十分となるおそれがあり、この範囲以上であると最初にステンレス鋼にほどこした亜鉛層との接合部に不可逆な欠陥が生じるおそれがあり、完成品の強度とその信頼性を保証することが困難になるためである。

請求項４に記載の発明は、温度調節のためのガス又は液体から選ばれる少なくとも一つの熱交換媒体を流通させる着脱可能な管路継手を有するアルミニウム材質からなるヒートシンク又は熱源部を有する温度調節機器において、ステンレス鋼からなる前期管路継手の一部の表面に亜鉛の層を有し、その亜鉛の層の表面にアルミニウム材質からなる中間部材を有し、前記中間部材とアルミニウム材質からなるヒートシンク又は熱源部が溶接により接合されていることを特徴とする、ステンレス鋼からなる管路継手を有するアルミニウム材質からなるヒートシンク又は熱源部である。本発明では、継手は液体やガスの流体を通過させる必要があるため、管路構造になっている。熱交換媒体としては液体では例えば工業用水、純水、ハイドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ガルデン等がある。ガスでは、空気、窒素、ヘリウムなど様々な熱交換媒体が使用できる。管路の内直径は流量と圧損の関係で変わるが、液体では数ｍｍ〜数百ｍｍ、ガスの場合はさらに小さくできる可能性がある。

請求項５に記載の発明は、亜鉛の層は厚みが０．０１〜０．３ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載のステンレス鋼からなる継手を有するアルミニウム材質からなるヒートシンク又は熱源部である。亜鉛層の厚みについての説明は前述のとおりである。

請求項６に記載の発明は、ヒートシンク又は熱源部は、半導体製造装置又は半導体基板検査装置の静電チャック又は真空チャックなどの基板載置部の一部であることを特徴とする、請求項４〜５に記載のヒートシンク又は熱源部である。温度調節機器は冷却のみの場合、室温以上の高温に保つ場合、また同一の装置で冷却と高温状態を使い分けるものがある。半導体製造装置で例を挙げると冷却が必要なものとして、プラズマ処理装置の基板載置部、即ち静電チャック部や、エッチング装置若しくは成膜のためのＣＶＤ装置などがある。高温に保つ必要のあるものとしては特殊な基板、例えば炭化シリコン基板へのイオン注入装置がある。３００〜４００℃の高温が必要とされている。冷却と高温化が一つの装置に備わっている必要があるものとしては、半導体基板検査装置で基板を載置する真空チャック部がある。試験を加速するため、そしてその基板上に形成した半導体素子の使用範囲を試験するために過酷な条件を設定する必要があるためである。一般的に−７０℃の低温から２００℃程度までの温度設定が必要である。

本発明により、アルミニウムからなる部材にステンレス鋼の継手を強固に接合することができる。接合部は亜鉛とアルミニウム、ステンレス鋼それぞれに対するぬれ性が優れているため、機械的強度が高くでき、熱や機械的衝撃に対する長期的な信頼性にも優れる。アルミニウムの汎用性、軽量であること、そして熱伝導の優れている長所と、ステンレス鋼のもつ剛性と耐腐食性の双方の長所を併せ持つ構造体を製作することが可能になる。この一例として、半導体製造装置あるいは半導体基板の検査装置の基板載置台が挙げられる。何回もの着脱が可能な機械的強度をもつ基板載置台の温度調節部の熱交換媒体の出入り口となる継手部分をステンレス鋼で製作し、ヒートシンクあるいは熱源部をアルミニウムからなる部材で製作し、両者を本発明の製作方法により接合することができる。温度的には−７０℃〜２００℃、媒体の圧力は０〜１．２ＭＰａの範囲において使用できる。

発明の実施するための最良の形態

以下、本発明の実施例１の形態を図１〜図３に基づいて説明する。

図１に継手部分の断面図を示す。基板載置台のアルミニウム製熱交換板１に熱交換媒体の流路８が設けられている。直径は５ｍｍである。図１では、この流路の出入り口部分の一つを示している。ステンレス鋼の継手２はアルミニウム製中間部材３の間に、外側からアルミニウムと亜鉛の合金層４、亜鉛層５、亜鉛とステンレス鋼の合金層６を形成することにより接合されている。そして、アルミニウム製中間部材３は基板載置台のアルミニウム製熱交換板１に電子ビームによる溶接部７をもって接合され、基板載置台の熱交換部５０を形成している。ステンレス鋼の継手２の先端はアルミニウム製熱交換板１にアルミニウム製中間部材３を介さずに直接差し込んでいる部分が２ｍｍある。ステンレス鋼の継手２に衝撃などがかかってもそれに耐えうるだけの強度を確保するためである。各部の寸法、材料は次のとおり。ステンレス鋼の継手２は全長３０ｍｍ、外径８ｍｍ、内径７ｍｍ、材質はＳＵＳ３０４。全長のうち７ｍｍがアルミニウム製熱交換板１のなかにある。アルミニウム製中間部材３の外径は１２ｍｍ。亜鉛層５の厚みは０．１ｍｍで、その内側と外側の合金層の厚みはおよそその１／１００〜１／１０程度であると推測される。

図２は継手部分の製作手順を図示している。先ず、外形８ｍｍ、全長３０ｍｍのステンレス鋼の棒２ａを準備する（図２（ａ））。次に、ステンレス鋼の棒２ａの表面をサンドブラスト法によりその表面を粗化する（図２（ｂ））。次に、溶融メッキにより亜鉛層５と亜鉛とステンレス鋼の合金層６を形成する（図２（ｃ））。次に、所定の鋳型の中に亜鉛層５と亜鉛とステンレス鋼の合金層６をその表面に形成したステンレス鋼の棒２ａ設置し、溶融したアルミニウム３ａを流し込み、圧力５０ＭＰａで鋳造する。ここでアルミニウムの材質はＡ５０５２（図２（ｄ））。そして、それが固化するのを一定時間待つ（図２（ｅ））。最後に、ステンレス鋼の棒２ａをパイプにするために孔をあけ、不必要な部分を工作機械で削り取るなどしてアルミニウム製中間部材２を整形し、アルミニウム製中間部材２を有する２ステンレス鋼の継手２の部品を完成させる。尚、アルミニウム製中間部材とステンレスとの接合強度を測定したところ、せん断強度で７２Ｎ／ｍｍ^２が得られた（万能試験機ＵＥＨ−３０型島津製作所製）。Ａ５０５２のＯ材におけるせん断強度が７０〜８０Ｎ／ｍｍ^２であることから、接合部はアルミ母材と同等の接合強度を有することがわかった。そして、最後に図１に示したように電子ビーム溶接によりアルミニウム製中間部材２を基板載置装置のアルミニウム製熱交換板１に接合し、基板載置台の熱交換部５０を完成する。

図３は完成した実施例１の基板載置装置の熱交換部５０の全体図を示す。図３（ａ）はその平面図で、熱交換媒体を流す経路を破線で示している。図３（ｂ）はその斜視図を示している。基板載置装置のアルミニウム製熱交換板１の内部には直径５ｍｍの熱交換媒体の流路８があり、その出入り口にステンレス鋼の継手２をそれぞれ有している。このステンレス鋼の継手２に市販のクイック・コネクツ・カップリング（スウェージロック社の商品名）などを接続することで着脱が容易で、強固な熱媒体の着脱部を形成する。

本発明のアルミニウムからなる部材にステンレス鋼に継手を形成する方法は、冷却や高温の維持を必要とする部分は半導体製造関連装置の基盤載置部だけでなくその他の構成部分、例えばエッチング装置又はＣＶＤ若しくはＰＶＤ装置の真空容器、イオン源、イオンや電子のビームライン部を構成する真空タンクや電磁石など、熱に関する処理が必要なところに無限の利用可能性がある。さらに、あらゆる産業機器、民間向けの電気、機械機器の熱交換器において冷却や温度調節が必要とされる部分に利用が可能である。更に、本実施例では熱交換媒体の管路の継手部分を形成することについて触れたが、アルミニウムに強固なステンレス鋼からなる構造体を接合することも当然可能である、このような分野としては、建築物、重機械、航空機、鉄道車両、自転車、バイク、自動車、各種筺体や架台、フレーム等々、その利用範囲は制限されない。

実施例１のステンレス鋼継手を有する基板載置部のアルミニウム製熱交換部の接合断面図。実施例１のステンレス鋼継手を有する基板載置部のアルミニウム製熱交換部の製作手順を示す図。実施例１のステンレス鋼継手を有する基板載置部のアルミニウム製熱交換部の全体図。図３（ａ）はその平面図、熱交換媒体を流す経路を破線で示している。図３（ｂ）はその斜視図を示している。

符号の説明

１基板載置装置のアルミニウム製熱交換板
２ステンレス鋼の継手
２ａステンレス鋼の棒
３アルミニウム製中間部材
３ａ溶融したアルミニウム
４アルミニウムと亜鉛の合金層
５亜鉛層
６亜鉛とステンレス鋼の合金層
７溶接部
８熱交換媒体の流路
５０基板載置台の熱交換部

Claims

異種の金属からなる部材を接合する方法で、ステンレス鋼からなる部材の表面を粗化し、その粗化した表面に亜鉛の層を形成し、高圧鋳造により前記ステンレス鋼からなる部材に形成した亜鉛の層にアルミニウムからなる中間部材を接合し、前記アルミニウムからなる中間部材とアルミニウムからなる部材を溶接により接合することを特徴とする、アルミニウムからなる部材とステンレス鋼からなる部材を接合する方法。
前記の亜鉛の層は溶融メッキ法により形成し、その厚みが０．０１〜０．３ｍｍであることを特徴とする請求項１のアルミニウムからなる部材とステンレス鋼からなる部材を接合する方法。
前記の高圧鋳造の圧力が１０〜１００ＭＰａであることを特徴とする請求項１のアルミニウムからなる部材とステンレス鋼からなる部材を接合する方法。
温度調節のためのガス又は液体から選ばれる少なくとも一つの熱交換媒体を流通させる着脱可能な管路継手を有するアルミニウムからなるヒートシンク又は熱源部を有する温度調節機器において、ステンレス鋼からなる前記管路継手の一部の表面に亜鉛の層を有し、その亜鉛の層の表面にアルミニウムからなる中間部材を有し、前記中間部材とアルミニウムからなるヒートシンク又は熱源部が溶接により接合されていることを特徴とする、ステンレス鋼からなる管路継手を有するアルミニウムからなるヒートシンク又は熱源部。
前記の亜鉛の層は厚みが０．０１〜０．３ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載のステンレス鋼からなる継手を有するアルミニウム材質からなるヒートシンク又は熱源部。
前記のヒートシンク又は熱源部は、半導体製造装置又は半導体基板検査装置の静電チャック又は真空チャックなどの基板載置部の一部であることを特徴とする、請求項４〜５に記載のヒートシンク又は熱源部。