JP5057904B2 - 温調プレートおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度調整のために用いられる温調プレートおよびその製造方法に関する。

半導体デバイスの部品、液晶表示装置の部品を対象とする薄膜形成では、スパッタリングが用いられている。スパッタリングのターゲットは、通常バッキングプレートと呼ばれる裏当て支持材に固定されて、装置内に保持される。バッキングプレートは、ターゲットを支持すると同時に、スパッタリングにより発生する熱を裏面に逃す温調プレートとしても機能する。従来、バッキングプレートには、銅、アルミニウム合金、ステンレス鋼などの金属類が一般的に用いられている。このようなバッキングプレートでは、金属製のプレートに溝を掘り、溝に対して金属の蓋部材を摩擦攪拌接合、溶接、金属箔による接合などをすることにより熱媒体の流通路が形成されている。

一方、近年では、金属−セラミックス複合材料を用いたバッキングプレートが提案されている（特許文献１）。特許文献１記載のバッキングプレートは、ＳｉＣ粉末に有機バインダーを添加し、混合し、成形した後、その成形体の少なくとも一つの表面にＳｉを接触させ、それを真空中またはアルゴン雰囲気中で１５００〜１７００℃の温度で加熱し溶融したＳｉを成形体中に浸透させて作製される。

このような金属基複合材料の分野においては、貫通穴を有する複合材料の製造方法が開示されている（特許文献２）。特許文献２記載の複合材料部材は、ＳＵＳ棒またはＳＵＳ管にカーボンシートを巻き付けたものをプリフォーム（セラミックス粉末または繊維からなる多孔質体）の貫通穴に挿入し、その状態でプリフォームにアルミニウム合金を非加圧浸透させた後にＳＵＳ棒またはＳＵＳ管を抜くことにより製造される。このように、金属基複合材料を温調プレートに用いる技術や、金属基複合材料製の部材に貫通穴を形成する技術が提案されている。
特開２００２−１９４５３７号公報 特開２００６−１１１９２３号公報

しかしながら、金属基複合材料は金属に比べて剛性が高いため、金属基複合材料製の部材を用いてプレートの溝に蓋部材を摩擦攪拌接合するのは困難である。すなわち、摩擦攪拌接合により熱媒体の流通路を形成するのが技術的に難しく、形成できたとしても接合不良が生じやすく、接合不良が生じた部分から熱媒体が漏れる場合がある。また、金属基複合材料はセラミックスとマトリックス金属が混在する組織となっており、溶接や金属箔を用いた接合も困難である。

摩擦攪拌接合などに代えて、特許文献２記載のような穴の形成技術を応用して金属基複合材料製のプレートに穴を形成することも考えられるが、温調プレートとしての効率を向上させるためには、熱媒体の流通路はプレート内部で屈曲していることが望ましい。特許文献２記載の穴形成技術では、貫通穴を形成することはできても屈曲した穴を形成することは不可能である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、容易に製造でき、熱媒体を漏らさず高効率で機能する温調プレートおよびその製造方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明に係る温調プレートは、熱媒体を流通させる屈曲した経路を有する金属製の管部と、前記管部が埋設され、金属基複合材料で形成された本体部と、前記管部と本体部との間に充填された金属製の充填部と、を備えることを特徴としている。

このように、本体部が金属基複合材料で形成されているため、本発明の温調プレートは高強度、高剛性、低熱膨張性を有し、軽量である。また、金属製の管部が埋め込まれ、その管部に熱媒体を流通させることができるため、熱媒体が漏れることがない。また、熱媒体を流通させる経路が屈曲しているため、熱媒体への熱伝導性を高くすることで温度調節の効率を向上させることができる。また、充填部が金属で構成されるため、充填部により管部と本体部との熱膨張の差を吸収することができる。

（２）また、本発明に係る温調プレートは、前記本体部が、接合された２つの複合材料部材により構成され、前記２つの複合材料部材の少なくとも一方には、接合面上に前記管部を収容可能な溝が設けられていることを特徴としている。

このように、本発明の温調プレートは、２つの複合材料部材を接合し、溝内に管部を収容したものであるため、複雑な熱媒体の流通経路を設けることができる。その結果、流通経路の面積を大きくして熱媒体への熱伝導性を高くすることで温度調節の効率を向上させることができる。

（３）また、本発明に係る温調プレートは、前記本体部が、一方の面に前記管部を収容可能な溝を有する複合材料部材により構成され、前記充填部が、前記本体部の溝を有する面を被覆することを特徴としている。

このように、本発明の温調プレートは、複合材料部材が有する溝内に管部を収容したものであるため、複雑な熱媒体の流通経路を実現することができる。その結果、流通経路の面積を大きくして熱媒体への熱伝導性を高くすることで温度調節の効率を向上させることができる。また、形成される複合材料部材が一つだけであるため、製造が容易である。

（４）また、本発明に係る温調プレートは、前記本体部の開気孔率が、１％未満であることを特徴としている。これにより、本発明の温調プレートは高強度、高剛性を有するため、破損等が防止される。また、その熱伝導性を向上させ、熱媒体への熱伝導性を高くすることで温度調節の効率を向上させることができる。

（５）また、本発明に係る温調プレートは、前記充填部が、前記本体部に金属基として用いられる金属と同一の金属により構成されていることを特徴としている。これにより、充填部は本体部と一体的に形成されるため、充填部の強度が向上する。

（６）また、本発明に係る温調プレートは、前記管部が、前記充填部を構成する金属より融点の高い金属により構成されていることを特徴としている。これにより、金属を加圧浸透して充填部を形成することが可能となる。すなわち管部の金属の融点以下の温度で加圧浸透することが可能となり、管部の変形を防止することが可能となる。

（７）また、本発明に係る温調プレートの製造方法は、屈曲した配管経路が形成されたセラミックス製のプリフォームを作製するプリフォーム作製工程と、両端を一時的に塞いだ金属製の管を前記プリフォームの配管経路に設置し、金属製の管とともに前記プリフォームを密閉可能な金型内に設置する設置工程と、前記金型に熔融金属を流し込む注湯工程と、前記金型内を密閉し、加圧する加圧工程と、を有し、前記加圧工程により前記熔融金属を前記プリフォームに加圧浸透させ、金属基複合材料を形成することを特徴としている。このようにして、金属基複合材料を用いた温調プレートを製造することができる。

（８）また、本発明に係る温調プレートの製造方法は、前記加圧工程において、５ＭＰａ以上の圧力で加圧することを特徴としている。これにより、金属基複合材料で形成される部分にポアが発生するのを防止することができる。その結果、温調プレートは高強度、高剛性を有するため、破損等が防止される。また、温調プレートの熱伝導性を向上させ、熱媒体への熱伝導性を高くすることで温度調節の効率を向上させることができる。

本発明によれば、高強度、高剛性、低熱膨張性を有する、軽量な温調プレートを実現することができる。また、温調プレートから熱媒体が漏れることがなくなり、温度調節の効率を向上させることができる。また、充填部が管部と本体部との熱膨張の差を吸収するため、破損等が生じにくくなる。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。また、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［実施形態１］
（温調プレートの構成）
図１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ温調プレート１の平面図、縦断面図、横断面図である。図１（ｂ）の縦断面図は、図１（ａ）のＢ−Ｂ’で温調プレート１を切断したときの断面を矢印の方向から見た図である。また、図１（ｃ）の断面図は、図１（ｃ）のＣ−Ｃ’で温調プレート１を切断したときの断面を矢印の方向から見た図である。

図１に示すように、温調プレート１は、本体部１０、管部２０および充填部３０を備えている。本体部１０と管部２０との隙間は充填部３０により充填されており、温調プレート１は、たとえば半導体、液晶の製造用のバッキングプレートとして用いられる。

本体部１０は、金属基複合材料（金属−セラミックス複合材料）で形成され、管部２０が埋設されている。本体部１０が金属基複合材料で形成されているため、温調プレート１は高強度、高剛性、低熱膨張性を有し、軽量である。また、熱媒体を流通させる経路が屈曲しているため、熱媒体への熱伝導性を高くすることで温度調節の効率を向上させることができる。管部２０が形成する熱媒体の流通経路は、流通面積を大きくするため屈曲していることが好ましい。たとえば、流通経路は、図１に示す例のように２回以上屈曲している。また、流通経路は、折りたたみを繰り返すものであってもよい。なお、管部２０は１本のみに限定されず、２本以上埋設されていてもよい。

本体部１０は、２つの平板状の複合材料部材１１、１２が接合されて構成されている。２つの複合材料部材１１、１２の互いに対向する面上には、接合面に対して面対称な経路に沿って屈曲した溝１１ａ、１２ａが設けられている。屈曲した溝１１ａ、１２ａには管部２０が収容されている。このようにして複雑な熱媒体の流通経路を形成することができる。その結果、熱媒体の流通面積を拡大し、熱伝導性を高くすることで温度調節の効率を向上させることができる。なお、複合材料部材１１、１２は平板状等の熱媒体の流通面積を広く確保できる形状に形成されていることが好ましい。

図２（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ溝形状の異なる温調プレート１の横断面図である。図２（ａ）に示す例では、断面が矩形の溝１１ａ、１２ａが各複合材料部材１１、１２に設けられている。また、図２（ｂ）に示す例では、断面がＶ字形の溝１１ａ、１２ａが各複合材料部材１１、１２に設けられている。図２（ｃ）に示す例では、断面が台形の溝１１ａ、１２ａが各複合材料部材１１、１２に設けられており、両者を合わせると六角形の溝断面となっている。図２（ｄ）に示す例では、断面が半円の溝１１ａ、１２ａが各複合材料部材１１、１２に設けられており、溝１１ａ、１２ａの底部の形状が設置された管部２０にフィットしている。溝断面の形状は、その他Ｕ字形、多角形であってもよい。溝１２ａの形状が底に向かって狭くなる場合には、管を収容したときに管が安定しやすい。

本体部１０の金属基複合材料の強化材はＳｉＣ、アルミナ、窒化アルミ等のセラミックスにより構成されていることが好ましい。また、金属基（母材）は、アルミニウム単体、アルミニウム合金、銅、マグネシウム等により構成されていることが好ましい。

たとえば、本体部１０がアルミニウムの金属基とＳｉＣ粒子とにより構成されている場合には、密度が３×１０^３ｋｇ／ｍ^３以上であることが好ましい。また、本体部１０の開気孔率は、１％未満であることが好ましい。このように本体部１０はポアが低減されているため、温調プレート１は高強度、高剛性を有する。その結果、破損等が防止される。また、ポアの低減により温調プレート１の熱伝導性は高くなり温度調節の効率を向上させることができる。

管部２０は、金属製であり、内部に熱媒体を流通させる屈曲した経路を有しており、本体部１０に埋設されている。管内に熱媒体を流通させるため、熱媒体が漏れることがない。また、金属製の管部２０に熱媒体を流通させることができるため、熱媒体に熱を伝え易い。管部２０は、充填部３０を構成する金属より融点の高い金属により構成されている。したがって、金属を加圧浸透して形成された充填部３０により管部２０を本体部１０に埋設することが可能となる。すなわち加圧浸透により管部２０が変形することが防止される。

たとえば、管部２０はＳＵＳ、真鍮、銅、鉄等により構成される。銅製とした場合、高い熱伝導性が得られる。管部２０は、円筒形の中空管であることが好ましいが、管の断面は多角形または楕円であってもよい。管部２０は、温調プレート１を用いる際に外部の流路に連結することが可能となっている。その際には水等の熱媒体を流通させて温調プレート１を用いる。なお、熱媒体として気体を用いてもよい。

充填部３０は、金属により構成されており管部と本体部との間に充填されている。また、充填部３０は、複合材料部材１１、１２の間にも充填され、２つの複合材料部材１１、１２を接合している。充填部３０は金属で構成されるため、充填部３０により管部２０と本体部との熱膨張の差を吸収することができる。充填部３０は、本体部１０が有する金属基複合材料部材に金属基として用いられる金属と同一の金属により構成されている。これにより、充填部３０は本体部１０と一体的に形成され、充填部３０周辺の強度が向上する。充填部３０には、通常、気孔や隙間は生じない。

なお、上記の実施形態では、本体部１０は、溝付きの２つの複合材料部材１１、１２が接合されて形成されているが、溝付きの複合材料部材と平板状の複合材料部材とが接合されて形成されていてもよい。その場合には、溝付きの複合材料部材にのみ管部を収容する溝が形成される。

（温調プレートの製造方法）
上記のように構成される温調プレート１の製造方法を、ＳＵＳ管を設置した炭化ケイ素セラミックス製のプリフォームにアルミニウムを含浸させる場合を例に挙げて説明する。図３（ａ）〜（ｅ）は、温調プレート１の製造工程の各段階を模式的に示す図である。まず、それぞれ屈曲した配管経路を有する管部２０の経路に沿って溝４１ａ、４２ａが形成されたセラミックス製のプリフォーム４１、４２を準備する（図３（ａ））。

具体的には、炭化ケイ素セラミックスの粉末にバインダー等を添加して成形体を作製し、２００〜１２００℃の温度で仮焼し平板状のプリフォーム４１、４２を２枚作製する。そして、プリフォーム４１、４２の表面に管部２０を設置するための溝４１ａ、４２ａを生加工することでプリフォーム４１、４２の準備を行う。溝４１ａ、４２ａは、配管の経路に応じて加工することができる。

次に、プリフォーム４２の溝４２ａに管部２０を設置してプリフォーム４１を被せ、プリフォーム４１、４２を互いに密着させて、管部２０を挟む（図３（ｂ））。このようにして、レイアップ体４８を組み立てる。このとき、管部２０の両端は、金属製の円板を溶接する等の手段により塞いでおく。なお、管部２０と溝４１ａ、４２ａとの間に生じる隙間に炭化ケイ素セラミックスの粉末または繊維を充填しておいてもよい。充填するための粉末等は、プリフォーム４２、４２の材料と同じセラミックスの粉末等であることが好ましい。粉末等を充填して作製した温調プレート１は、図２（ｄ）に示すような断面を有する。

次いで、レイアップ体４８を５００〜９００℃で予熱する。一方、容器５５内で所定量のアルミニウムの市販のインゴットまたはリサイクル合金を熔融させる。そして、あらかじめ１００℃以上の温度に予熱しておいた金型５０にレイアップ体４８を設置する。次いで、容器５５に入った熔融アルミニウム５６（熔融金属）を金型５０に流し込む（図３（ｃ））。

熔融アルミニウム５６が注湯された金型５０内を密閉し、プレス機により金型５０内に圧力をかけ、一定時間以上維持したら、金型５０を冷却し、圧力を低下させる（図３（ｄ））。このようにして熔融アルミニウム５６をプリフォーム４１、４２に加圧浸透することで、金属基複合材料の部分にポアが発生するのを防止することができる。加圧浸透された金属基複合材料は脱ガス性に優れ、そこに生じるパーティクルの数も少ない。したがって、このように加圧浸透された金属基複合材料は、真空容器や半導体装置に利用するのに適している。また、加圧浸透を行うことにより管部２０と熔融アルミニウム５６の反応は生じにくい。

次に、金型５０から加圧浸透体４９をアルミニウムごと取り出し、切削装置５９で周囲のアルミニウムを切断し除去して加圧浸透体４９を所定の形状に整え、管部２０の両端を開ける。このようにして、本体部１０が金属基複合材料で構成された温調プレート１を製造することができる。

なお、加圧工程においては、５ＭＰａ以上の圧力で加圧するのが好ましい。５ＭＰａ以上で加圧することで、金属基複合材料内のポアを低減することができる。上記の例では、密度３×１０^３ｋｇ／ｍ^３以上、開気孔率１％未満を実現することが可能である。一方、圧力は管部２０の圧縮強度より小さくすることが好ましい。たとえば、管部２０にＳＵＳ管、熔融金属５６にアルミニウム合金を用いる場合には、加圧工程の圧力は１００ＭＰａ以下であることが好ましい。圧力により管部２０が変形したり、プリフォームが割れたりするのを防止するためである。なお、圧力のキープ時間は５〜６０分とすることが好ましい。

［実施形態２］
上記の実施形態では、本体部１０は、２つの複合材料部材１１、１２が接合されて形成されているが、１つの複合材料部材のみで形成されていてもよい。図４（ａ）〜（ｄ）は、１つの複合材料部材に管を埋設して形成された温調プレート６１の横断面図である。図４（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ溝形状の異なる温調プレート６１の横断面図を示している。温調プレート６１の本体部７０は、平板状の複合材料部材のみで形成されている。管部２０を収容可能な溝７０ａは、充填部８０により充填され、さらに本体部７０の表面が充填部８０により被覆されている。

図４（ａ）に示す例では、断面が矩形の溝７０ａが本体部７０に設けられている。また、図４（ｂ）に示す例では、断面がＶ字形の溝７０ａが本体部７０に設けられている。図４（ｃ）に示す例では、断面が台形の溝７０ａが本体部７０に設けられている。図４（ｄ）に示す例では、断面がＵ字形の溝７０ａが本体部７０に設けられている。溝断面の形状は、その他の多角形であってもよい。

このような温調プレート６１は、溝付きのプリフォームの溝に管部を設置して、レイアップ体とし、加圧浸透後、溝側の表面に金属層を残して加圧浸透体を切削加工することで作製することができる。

温調プレート６１は、溝７０ａ内に管部２０を収容したものであるため、複雑な熱媒体の流通経路を実現することができる。なお、本発明の温調プレートは、半導体や液晶の製造工程で用いるのに適しているが、必ずしもこのような用途に限定されない。

［実施形態３］
上記の実施形態に限らず、本体部は、凹状の複合材料部材に凸状の複合材料部材が接合されて構成されていてもよい。図５（ａ）は、本体部９０が、凹状の複合材料部材９１および凸状の複合材料部材９２により構成されている温調プレート８１の断面図である。凸状の複合材料部材９２は、凸部９２ｂに溝９２ａを有している。このように、本体部９０が、凹状の複合材料部材９１および凸状の複合材料部材９２により構成されているため、温調プレート８１の製造が容易になる。

図５（ｂ）は、実施形態３に係る温調プレートの製造工程の１段階を模式的に示す図である。図５（ｂ）が示す状態は、図３（ａ）に示す状態に該当し、プリフォーム１０１、１０２を組み立てる工程を模式的に示している。まず、管部２０を、プリフォーム１０２の凸部１０２ｂに形成された溝１０２ａに設置する。そして、プリフォーム１０２の凸部１０２ｂにプリフォーム１０１の凹部１０１ｂを嵌め込んで、２つのプリフォームを密着させる。そして実施形態１で説明した製造方法に従い工程を進めることで、温調プレート８１の製造ができる。プリフォームの凹部に凸部を嵌め込むため、位置合わせが容易となり、温調プレート８１の製造が容易になる。

実際に、温調プレート１を製造し、その特性を検証した。まず、炭化ケイ素セラミックスの粉末にバインダー等を添加して成形体を作製し、１０００℃の温度で仮焼した。そして、平板状のプリフォーム４１、４２を２枚作製した。そのプリフォーム４１、４２の表面に溝４１ａ、４２ａを生加工し、プリフォーム４１、４２および溝４１ａ、４２ａを図１（ａ）〜（ｃ）に示す本体部１０の形状に形成した。そして、ＳＵＳ管の両端を、金属製の円板を溶接して塞ぎ、溝４２ａにＳＵＳ管を設置してプリフォーム４１を被せ、レイアップ体４８を組み立てた。

レイアップ体４８を５００℃で予熱し、その一方で、容器５５内で所定量のアルミニウムの市販のインゴットを熔融させた。そして、あらかじめ３００℃の温度に予熱しておいた金型５０にレイアップ体４８を設置し、容器５５に入った熔融アルミニウム５６を金型５０に流し込んだ。熔融アルミニウム５６が注湯された金型５０内を密閉し、プレス機により金型５０内に圧力をかけ、５ＭＰａで１０分キープした。その後、金型５０を冷却し、圧力を低下させ、金型５０から加圧浸透体４９をアルミニウムごと取り出した。そして、周囲のアルミニウムを切除し、ＳＵＳ管の両端を開けて温調プレート１を作製した。

このようにして、作製された温調プレート１の管部２０内に水を流したところ、水の漏れは生じなかった。また、作製された温調プレート１の本体部１０について、密度を測定したところ、３．０５×１０^３ｋｇ／ｍ^３であった。また、本体部１０について、ＪＩＳ−Ｒ１６０１による強度試験を行ったところ３２０ＭＰａであった。また、ＪＩＳ−Ｒ１６０２により本体部１０のヤング率を測定したところ、２３０ＧＰａであった。

さらに、ＪＩＳ−Ｒ１６１８により本体部１０の熱膨張率を測定したところ、８．０ｐｐｍであった。また、実装試験として、温水を循環させ、接触式温度計でワーク表面を測定することにより温調プレート１の均熱性を測定したところ、目標値の８０±５℃以内であった。このように、作製された温調プレート１は、熱媒体の漏れを生じさせず、高強度、高剛性、低熱膨張性、均熱性を有していることが実証された。

（ａ）実施形態１に係る温調プレートの平面図である。（ｂ）実施形態１に係る温調プレートの断面図である。（ｃ）実施形態１に係る温調プレートの断面図である。 （ａ）〜（ｄ）実施形態１に係る温調プレートの断面図である。 （ａ）〜（ｅ）実施形態１に係る温調プレートの製造工程の各段階を模式的に示す図である。 （ａ）〜（ｄ）実施形態２に係る温調プレートの断面図である。 （ａ）実施形態３に係る温調プレートの断面図である。（ｂ）実施形態３に係る温調プレートの製造工程の１段階を模式的に示す図である。

符号の説明

１、６１、８１ 温調プレート
１０、７０、９０ 本体部
１１、１２、７０、９１、９２ 複合材料部材
１１ａ、１２ａ、７２ａ、９２ａ 溝
２０ 管部
３０、８０ 充填部
４１、４２、１０１、１０２ プリフォーム
４１ａ、４２ａ、１０２ａ 溝
４８ レイアップ体
４９ 加圧浸透体
５０ 金型
５５ 容器
５６ 熔融アルミニウム（熔融金属）
５９ 切削装置
６１ 温調プレート
９１ｂ 凹部
９２ｂ 凸部
１０１ｂ 凹部
１０２ｂ 凸部

Claims (7)

1. 熱媒体を流通させる屈曲した経路を有する金属製の管部と、
   少なくとも一方の接合面上に前記管部を収容可能な溝が設けられた２つの金属基複合材料部材が接合されて形成され、前記管部が前記溝に埋設された本体部と、
   前記溝により生じる前記管部と本体部との間に充填され、前記本体部の金属基複合材料を構成する金属基と同一の金属により前記本体部と一体に形成された充填部と、を備えることを特徴とする温調プレート。
2. 熱媒体を流通させる屈曲した経路を有する金属製の管部と、
   一方の面に前記管部を収容可能な溝が設けられた複合材料部材で形成され、前記管部が前記溝に埋設された本体部と、
   前記溝により生じる前記管部と本体部との間に充填され、前記本体部の溝を有する面を被覆し、前記本体部の金属基複合材料を構成する金属基と同一の金属により前記本体部と一体に形成された充填部と、を備えることを特徴とする温調プレート。
3. 前記本体部の開気孔率は、１％未満であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の温調プレート。
4. 前記充填部は、前記本体部に金属基として用いられる金属と同一の金属により構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の温調プレート。
5. 前記管部は、前記充填部を構成する金属より融点の高い金属により構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の温調プレート。
6. 溝により屈曲した配管経路が形成されたセラミックス製のプリフォームを作製するプリフォーム作製工程と、
   両端を一時的に塞いだ金属製の管を前記プリフォームの配管経路の溝内に設置し、金属製の管とともに前記プリフォームを密閉可能な金型内に設置する設置工程と、
   前記金型に熔融金属を流し込む注湯工程と、
   前記金型内を密閉し、加圧する加圧工程と、を有し、
   前記加圧工程により前記熔融金属を前記プリフォームに加圧浸透させ、金属基複合材料を形成することを特徴とする温調プレートの製造方法。
7. 前記加圧工程において、５ＭＰａ以上の圧力で加圧することを特徴とする請求項６記載の温調プレートの製造方法。

Images