JP4750257B2

JP4750257B2 - 金属部材を接合したヒートプレートの製造方法

Info

Publication number: JP4750257B2
Application number: JP2000324433A
Authority: JP
Inventors: 克己渡邊; 昭福地
Original assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Current assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Priority date: 2000-10-24
Filing date: 2000-10-24
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2020-10-24
Also published as: JP2002126851A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属部材を接合したヒートプレートの製造方法に係り、特に、流路に熱媒体を流してヒートプレートとして用いられるもので、例えば、半導体製造装置の真空容器（真空チャンバー）内で基板ホルダーとして用いられる内部に流路を有する複合金属部材を接合したヒートプレートの製造方法の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、金属部材を積層し内部に熱媒体流路を有する複合金属部材を接合したヒートプレートは知られており、図７に示すように、接合面に熱媒体流路（３２）を成形したアルミニウム合金部材（３３）とアルミニウム合金部材（３４）とを組み合わせ、外周部（３５）をＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接あるいはＥＢＷ溶接（電子ビーム溶接）、あるいはロウ付けを行って接合してヒートプレート（３１）を製造するもの、あるいは図８に示すように接合面に熱媒体流路（３２）を成形したアルミニウム合金部材（３３）とアルミニウム合金部材（３４）とを組み合わせ、外周の溝にはシール用Ｏリング（３９）を入れて、ボルト（３８）で締めつけてヒートプレート（３１）を製造するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接により金属部材を接合したヒートプレートは、溶接時にピンホールが生じたり、ガスを巻き込むことがあり、また溶接接合部は外周部の接合端面からの深いものではなく、その溶接接合部の信頼性に問題があった。特に半導体製造装置等の真空容器（真空チャンバー）内等の高真空下で使用されるときには、溶接部のピンホールからの漏れや溶接時に巻き込まれたガスによる影響で容器内の真空度が低下し、製造された半導体等の製品の信頼性が低下したり、製品の歩留まりが悪くなるという問題があった。また接合部は全周を溶接しなければならないのでコストがかかるものであった。またＥＢＷ溶接（電子ビーム溶接）は、溶接を真空中で行なわなければならず、また熱媒体流路を有する複合金属部材の溶接には精度の高い溶接位置決め治具を必要とするもので、作業性が悪く、溶接歪の除去等で製造コストが高くなるという問題があった。
【０００４】
ロウ付けによる接合では、接合面にそのロウ付け時に生じるピンホールやガスの巻き込みによりその接合部の信頼性に問題があった。またシールパッキンとボルト締めによる場合は、シールパッキン用溝及びボルトホールを設けるスペースが必要であり、コンパクトにできないという問題があり、また高真空での使用にはその気密性に限界があった。またシールパッキンの耐熱性能に影響され、ヒートプレートでは、使用温度が３００℃を越える温度域では使用できないという問題があった。
このような問題を解決するために、本発明者は金属部材の接合面に凹部と凸部を設け、鍛圧圧縮して高密度のシール性を有する締結部を形成した複数の金属部材を接合したヒートプレートについて提案したところであるが、本発明はこのようなヒートプレートについて、より優れたシール性を有する金属部材を接合したヒートプレートの製造方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の金属部材を積層し内部に熱媒体流路を有する金属部材を接合したヒートプレートの製造方法において、積層する金属部材の接合面の一方又は両方に熱媒体流路となる溝を形成し、かつ前記流路を囲むように接合面の対向位置に環状凹部と環状凸部を設け、前記金属部材の接合面の環状凹部と環状凸部を組み合わせ、積層する金属部材の外周部を拘束して鍛圧を行い、接合面の環状凹部と環状凸部では締結部を形成するとともに、接合面の平面接触部では金属接合され、溝により熱媒体流路が形成されていることを特徴とする金属部材を接合したヒートプレートの製造方法である。
【０００６】
また、本発明の上記の金属部材を接合したヒートプレートの製造方法は、積層する金属部材の接合面の対向位置に設けられている環状凹部と環状凸部が多重に設けられていることを特徴とするものである。
また、発明の上記の金属部材を接合したヒートプレートの製造方法は、積層する金属部材の接合面に設けられている環状凹部の対向位置に設けられる環状凸部が、凹部に中間金属部材を挿入して凸にしたものであることを特徴とするものである。
また、本発明の上記の金属部材を接合したヒートプレートの製造方法は、積層する金属部材が、アルミニウムとアルミニウム、アルミニウムとアルミニウム合金、アルミニウム合金とアルミニウム合金、銅と銅、銅と銅合金、あるいは銅合金と銅合金のいずれかの組合せであることを特徴とするものである。
また、本発明の上記の金属部材を接合したヒートプレートの製造方法は、金属部材を接合したヒートプレートが半導体製造装置の基板ホルダーとして用いられることを特徴とするものである。
【０００７】
【作用】
本発明の複数の金属部材を積層し内部に熱媒体流路を有する金属部材を接合したヒートプレートの製造方法において、積層する金属部材の接合面の対向位置に環状凹部と環状凸部を設け、この環状凹部と環状凸部を組み合わせて外周部を拘束して鍛圧を行うことにより、鍛圧時の加圧軸圧縮方向に垂直で中心部から径方向（外周方向）に金属が流れ出ようとするが、鍛圧時に外周部が拘束されているため、一種の座屈のような変形が径方向（外周方向）に生ずる。このような径方向（外周方向）に座屈変形が生じている状態のものに、さらに加圧圧縮を加え、最終的に成形されたものは座屈変形が伸び、結果的に接触部である積層する金属部材の接合面にミクロ的なメタルフローが生じて金属接合を生じさせる。これにより積層する金属部材の接合面の平面接触部で金属接合され、最外周鍛接接合面の接合が完全になる。
【０００８】
このように、積層する金属部材の外周部を拘束して鍛圧を行い、接合面の環状凹部と環状凸部では締結部を形成するとともに、接合面の平面接触部では金属接合されていることにより、接合面は環状凹部と環状凸部の締結部と金属接合された平面接触部で高度にシールされる。特に接合面の環状凹部と環状凸部の締結部の外側の平面接触部が金属接合されているので、ヒートプレートの内部の熱媒体流路との高度にシールされることに加え、最外周の鍛接接合面に液体やガスが浸入することがないものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明により製造された金属部材を接合したヒートプレートは、内部に形成されている熱媒体流路は液体、気体（ガス）等の流路であり、熱媒体として冷却媒体を流路に流すことにより冷却板として、また熱媒体として加熱媒体を流路に流すことにより加熱板として用いられるものである。例えば、半導体製造装置の真空容器（真空チャンバー）内で基板ホルダーとして用いられるものである。
【００１０】
本発明の金属部材を接合したヒートプレートの製造において、複数の金属部材、例えば２枚の金属部材の接合面を組み合わせ、外周部を拘束して鍛圧して内部に熱媒体流路を形成するものである。熱媒体流路は金属部材の内部に蛇行させて形成することが好ましい。また熱媒体流路は金属部材の一方の部材の接合面に流路となる溝、例えば凹溝、Ｕ字型溝、丸型溝を形成し、もう一方の部材の平らな接合面と組み合わせて鍛圧して形成する。また、一方の部材の接合面に流路となる溝、例えば凹溝、Ｕ字型溝、半円溝を形成し、もう一方の部材の接合面の対向位置にも流路となる溝、例えば凹溝、Ｕ字型溝、半円溝を形成して組み合わせて鍛圧して形成する。
また凹溝、Ｕ字型溝、半円溝に媒体の流通管を密着して設けて熱媒体流路を形成するものである。このように流通管を埋め込むことにより、シール性をより一層高めることができる。また熱媒体として腐食性の媒体を流通させる場合には腐食性の熱媒体に対して防食効果のある流通管を埋め込むことにより、ヒートプレートを構成する金属部材を防食することができるものである。
【００１１】
また、本発明の金属部材を接合したヒートプレートの製造において、金属部材の接合面の環状凹部と環状凸部は、熱媒体流路を囲むように全周に、そして対向する接合面の対向位置に設ける。すなわち一方の金属部材の接合面には環状凹部を設け、もう一方の金属部材の接合面には環状凸部を設けるものである。金属部材の接合面に設けられる環状凹部、環状凸部は、例えば機械加工により成形する。
また、環状凹部と環状凸部の断面形状は、矩形に限るものではなく、鍛圧圧縮により凹部に凸部が充満して締結部を形成するものであればよい。
【００１２】
本発明のヒートプレートの製造において、接合する金属部材の外周部を拘束して鍛圧を行う際、その前処理として表面を洗浄することが望ましい。例えばアルミニウム又はアルミニウム合金部材の場合は、▲１▼硝酸で表面の油とり、▲２▼水洗、▲３▼化性処理（アルカリ溶液によるエッチング）、▲４▼水洗、▲５▼硝酸での洗浄、▲６▼水洗、▲７▼湯洗等の適宜の工程を組み合わせて表面を洗浄するものである。
本発明の接合する金属部材の接合面の対向位置に設けられている環状凹部と環状凸部を２重または３重のように多重に設け、凹部と凸部による締結部のより高度な密閉度のものとすることができる。
【００１３】
本発明のヒートプレートの製造において、接合する金属部材は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金であることが好ましい。
例えば、ヒートプレートとなる接合する金属部材は、アルミニウム部材とアルミニウム部材というように同一材料であると、外周部を拘束しての鍛圧圧縮時の変形により複数部材同志が圧着し物理的に金属接合し易い。またアルミニウム部材とアルミニウム合金部材というように異種の材料であっても、外周部を拘束しての鍛圧圧縮時の変形により２種の金属部材同志が圧着し物理的に金属接合するものである。例えば、ＪＩＳ１０００系のアルミニウム材とＪＩＳ３０００系のアルミニウム材は鍛圧圧縮時の変形により部材同志が圧着し物理的に金属接合する。
アルミニウム、アルミニウム合金部材の外周部を拘束しての鍛圧は、３５０〜５００℃の範囲が好ましい。また金属部材が銅、銅合金部材の場合には、７００〜９００℃の温度で鍛圧圧縮することが好ましい。
【００１４】
【実施例】
本発明の実施例について、図１〜図６を参照して説明する。
実施例は、２枚のアルミニウム部材を積層して基板ホルダー等に用いられるヒートプレートを製造するものである。
図１は本発明実施例１の積層するアルミニウム部材とその鍛圧を示す斜視図、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）及び図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は鍛圧を説明する図、図４及び図５は製造されたヒートプレートを示す図である。
図１には、積層し接合するアルミニウム部材（１）とアルミニウム部材（６）、外周部を拘束して鍛圧を行う台（１０）、外周部を拘束する型（１１）、加圧手段（９）が示されている。また図１、図２（ａ）に示すように、アルミニウム部材（１）の接合面（３）には蛇行した熱媒体流路となるＵ字型の溝（４）が形成され、溝（４）を囲むように周囲には環状に凹部（２）が設けられている。アルミニウム部材（６）の接合面（８）には環状に凸部（７）が設けられている。アルミニウム部材（１）の接合面（３）の環状凹部（２）とアルミニウム部材（６）の接合面（８）の環状凸部（７）は対向位置に設けられている。また熱媒体流路はアルミニウム部材（１）の溝（４）とアルミニウム部材（６）の平坦面で形成される。
【００１５】
図２（ａ）（ｂ）に示すように、アルミニウム部材（１）とアルミニウム部材（６）は、環状凹部（２）と環状凸部（７）を組み合わて外周部を拘束する型（１１）に入れられる。これらを加圧手段（９）により外周部を拘束して鍛圧を行うことにより、図２（ｃ）に示すように、アルミニウム部材（１）の環状凹部（２）とアルミニウム部材（６）の環状凸部（７）は締結部を形成するとともに、アルミニウム部材（１）の接合面（３）とアルミニウム部材（６）の接合面（８）は、その平面接触部が金属接合される。またアルミニウム部材（１）の環状凹部（２）の外周の接合面（３ａ）とアルミニウム部材（６）の環状凸部（７）の外周の接合面（８ａ）も、その平面接触部が金属接合されるので、最外周も鍛接接合面の接合が完全なものとなる。
【００１６】
図２（ｂ）（ｃ）で、環状凹部（２）と環状凸部（７）の締結部について説明する。
図２（ｂ）に示すように、環状凹部（２）の巾をａ、深さをｂとし、環状凸部（７）の巾をｃ、高さをｄとしたとき、つぎのような関係が好ましい。
ａ×ｂ≦ｃ×ｄ
ｂ／ｄ≦１．０
ｄ／ｃ≦６（より好ましくは、ｄ／ｃ≦４）
【００１７】
ａ×ｂ≦ｃ×ｄ、ｂ／ｄ≦１．０の関係は、外周部を拘束して鍛圧により環状凹部（２）内に環状凸部（７）を圧入して締結部を形成するものである。
環状凹部（２）と環状凸部（７）の周長は同じであるから、環状凹部（２）のａ×ｂの面積が、環状凸部（７）のｃ×ｄの面積より広いことは環状凹部（２）内の体積に対し、環状凸部（７）の体積が少なく結果として、環状凹部（２）に環状凸部（７）が充満されないことになる。そこで締結部でのシールを十分なものにするには、ａ×ｂ≦ｃ×ｄの関係にすることが好ましい。
なお、環状凸部（７）の巾ｃが環状凹部（２）の巾ａに比べて小さすぎると、鍛圧したときに、環状凹部（２）に環状凸部（７）を密閉させることができず、シールが不十分となることがある。
【００１８】
図２（ｂ）に示す関係の環状凹部（２）と環状凸部（７）を、外周部を拘束して鍛圧を行うことにより、図２（ｃ）に示すように、環状凸部は巾ｃ´、高さｄ´、また環状凹部は巾ａ´、高さｂ´になり、締結部で巾ａ´＝ｃ´、高さｂ´＝ｄ´となってシールする。
環状凹部と環状凸部は、図６に示すように、アルミニウム部材（１）の接合面（３）に環状凹部（２）を形成し、アルミニウム部材（６）の接合面（８）の対向位置に環状凹部（２´）を形成し、これらの凹部（２）（２´）に中間部材（７´）を挿入して、凹部と凸部が組み合わされた状態にしてもよい。
【００１９】
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）で外周部を拘束して行う鍛圧を説明する。
図３（ａ）に示すように、アルミニウム部材（１）とアルミニウム部材（６）は、外周部を拘束する型（１１）で鍛圧を行うことにより、鍛圧時の加圧手段（９）の加圧軸圧縮方向ａに垂直で中心部から径方向（外周方向）ｂ、ｃに金属が流れ出ようとするが、鍛圧時にアルミニウム部材（１）とアルミニウム部材（６）の外周部が型（１１）で拘束されているため、図３（ｂ）に示すように、一種の座屈のような変形が径方向（外周方向）に生ずる。このような径方向（外周方向）に座屈変形が生じている状態のものに、さらに加圧圧縮を加え、最終的に成形されたものは、図３（ｃ）に示すように、座屈変形が伸び、結果的に接触部である積層するアルミニウム部材（１）とアルミニウム部材（６）の接合面にミクロ的なメタルフローｄが生じて金属接合を生じさせる。
これにより積層するアルミニウム部材（１）とアルミニウム部材（６）の接合面の平面接触部でも金属接合され、最外周の鍛接接合面（図２（ｃ）の接合面（３ａ）と接合面（８ａ））の接合が完全になるものである。
【００２０】
このように、外周部を拘束して鍛圧して製造されたヒートプレートを、図４の斜視図、図５（ａ）（ｂ）の接合面の断面図に示す。アルミニウム部材（１）とアルミニウム部材（６）が接合されてアルミニウム部材（１）の溝（４）とアルミニウム部材（６）の平坦面で熱媒体流路が形成されている。環状凹部（２）と環状凸部（７）により締結部が形成され、また接合面（３）と接合面（８）の平面な接触部では金属接合されているものである。
具体的に、アルミニウム部材（１）、（６）として純度９９．５％以上の純アルミニウムを用いた場合、１０^−８〜１０^−１０Ｔｏｒｒの高真空でも内部の熱媒体流路（４）から漏れが生じなかった。また環状凹部（２）と環状凸部（７）の外周の接合面の接合が完全なものである。
【００２１】
ヒートプレートは、例えば、表面処理用の処理液に浸漬ような表面処理を行うことがあっても、最外周の鍛接接合面（３ａ）と（８ａ）の接合が完全になっているので処理液が浸入することがない。
外周の接合部に処理液が浸入するようなことがあれば、半導体製造装置のように真空中で基板ホルダーとしての使用時に、製造時の表面処理工程で最外周の接合部に浸入した処理液が吸い出されたり、ガス化したりして、真空中で半導体製造の機能を阻害することになるが、本発明により製造されたヒートプレートによれば、その外周が完全に接合されているのでかかる問題を生ずることがないものである。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の金属部材を接合したヒートプレートの製造方法によれば、金属部材の接合面の対向位置に環状凹部と環状凸部を設けて組み合わせて外周部を拘束して鍛圧を行うことにより、接合面の環状凹部と環状凸部では締結部を形成するとともに接合面の平面接触部では金属接合されるので、最外周の接合面も完全に接合され、内部の熱媒体流路との高度にシールされることに加え、最外周の接合面に液体やガスが浸入することがなく、また環状凹部と環状凸部での締結部及び平面接触部での完全な接合により製造歩留まりが向上するという効果を有し、また本発明により製造されたヒートプレートは耐熱牲を有し、使用時のヒートサイクルに強く製品寿命が長いという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のヒートプレートの製造を説明する図
【図２】本発明の実施例１のヒートプレートの製造を説明する図
【図３】本発明の実施例１のヒートプレートの製造を説明する図
【図４】本発明の実施例１のヒートプレートを示す図
【図５】本発明の実施例１のヒートプレートを示す図
【図６】本発明の実施例１のヒートプレートの製造を説明する図
【図７】従来技術を説明する図
【図８】従来技術を説明する図
【符号の説明】
１，６アルミニウム部材
２環状凹部
３，８接合面
４熱媒体流路
７環状凸部
９加圧手段
１１外周部を拘束する型

Claims

複数の金属部材を積層し内部に熱媒体流路を有する金属部材を接合したヒートプレートの製造方法において、積層する金属部材の接合面の一方又は両方に熱媒体流路となる溝を形成し、かつ前記流路を囲むように接合面の対向位置に環状凹部と環状凸部を設け、前記金属部材の接合面の環状凹部と環状凸部を組み合わせ、積層する金属部材の外周部を拘束して鍛圧を行い、接合面の環状凹部と環状凸部では締結部を形成するとともに、接合面の平面接触部では金属接合され、溝により熱媒体流路が形成されていることを特徴とする金属部材を接合したヒートプレートの製造方法。
積層する金属部材の接合面の対向位置に設けられている環状凹部と環状凸部が、多重に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の金属部材を接合したヒートプレートの製造方法。
積層する金属部材の接合面に設けられている環状凹部の対向位置に設けらる環状凸部が、凹部に中間金属部材を挿入して凸にしたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の金属部材を接合したヒートプレートの製造方法。
積層する金属部材が、アルミニウムとアルミニウム、アルミニウムとアルミニウム合金、アルミニウム合金とアルミニウム合金、銅と銅、銅と銅合金、あるいは銅合金と銅合金のいずれかの組合せであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属部材を接合したヒートプレートの製造方法。
金属部材を接合したヒートプレートが、半導体製造装置の基板ホルダーとして用いられるものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属部材を接合したヒートプレートの製造方法。