JP5397884B2

JP5397884B2 - 真空機器用表面処理アルミニウム材の製造方法

Info

Publication number: JP5397884B2
Application number: JP2008269559A
Authority: JP
Inventors: 恵太郎山口
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2028-10-20
Also published as: JP2010095774A

Description

この発明は、分子線エピタキシー装置、ドライエッチング装置、ＣＶＤ装置、イオンプレーティング装置、プラズマＣＶＤ装置、スパッタリング装置のような真空機器用として好適な真空機器用表面処理アルミニウム材の製造方法に関するものであり、特に、加熱を受ける熱ＣＶＤのガス拡散板やチャンバー、バルブ類などに好適なものに関する。

ＣＶＤなどの真空機器では、機器を構成する材料からガス放出があると真空特性を害するため、比較的ガス放出が少なく、また、軽量化を図ることができるアルミニウム材料が広く利用されている。ただし、アルミニウム材料は、真空機器で用いられる反応ガスなどによって腐食する問題があるため一般には、陽極酸化皮膜、特に無孔質陽極酸化皮膜（バリヤー型陽極酸化皮膜）を形成して耐食性を向上させている。該陽極酸化皮膜は、アルミニウム材料を電解質溶液中で電解処理することでアルミニウム材料表面に形成されている（例えば特許文献１参照）
特許第３１５２９６０号明細書

ところで、最近では、半導体製造装置などにおいて、ＩＣの集積度が高まり、部材から発生する異物の低減に対する要求が益々高まっている。無孔質陽極酸化皮膜は、電解により皮膜欠陥（皮膜の膨れ、局部的な破壊点）が形成される場合があった。無孔質陽極酸化皮膜は、一般的な陽極酸化皮膜に対し各段に耐食性に優れているものである。しかし、無孔質陽極酸化皮膜を形成する際にも、電解により皮膜欠陥（皮膜の膨れ、局部的な破壊点）が形成される場合があり、真空環境において異物を発生させたり、耐食性、真空特性を低下させるという問題を有している。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、皮膜の欠陥が少なくて異物（パーティクル）の発生が殆どなく、さらに、真空特性および耐食性に優れた真空機器用表面処理アルミニウム材を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の真空機器用表面処理アルミニウム材の製造方法のうち、第１の本発明は、アルミニウム材の表面に、電解によって無孔質陽極酸化皮膜を形成する真空機器用表面処理アルミニウム材の製造方法において、前記電解時の印加電圧を、電解直後から２０秒以内である前段で相対的に大きい昇圧速度で増加させ、それ以降である後段で相対的に小さい昇圧速度で増加させるものとし、前記前段での前記昇圧速度を４．０〜２０．０Ｖ／秒、前記後段での前記昇圧速度を４．０Ｖ／秒未満（ただし、０Ｖ／秒を含まない）とすることを特徴とする。

無孔質陽極酸化皮膜は、付与された電圧に比例して成長する。皮膜はアルミニウム素地が酸化され成長するため、電解初期にできた皮膜が表面側になり、電解中期以降に形成された皮膜がアルミニウム素地側になるような形成過程を経る。真空特性及び耐食性には、皮膜表面層の性質が重要であり、この表面層は電解初期に形成される。
高い電圧上昇速度で電解処理を行うと、緻密で含水量の少ない皮膜が形成される。このため、前段での昇圧速度Ｖ１を相対的に大きくすることで、欠陥の少ない皮膜表面層が得られる。
一方、昇圧速度を大きくしたままで電解を継続すると、皮膜とアルミニウム基材の界面付近に熱が蓄積し、皮膜に空隙等の欠陥が形成し、電解液成分が取り込まれて真空特性や耐食性が低下する。このため、後段での昇圧速度Ｖ２を相対的に小さくすることが必要になる（Ｖ１＞Ｖ２）。本発明により、上層が緻密で耐食性に優れ、かつ、下層も欠陥の無い優れた無孔質陽極酸化皮膜を形成できる。

上記前段での昇圧速度Ｖ１は、４．０〜２０．０Ｖ／秒の範囲内とし、後段での昇圧速度Ｖ２を４．０Ｖ／秒未満とする。
前段での昇圧速度が４．０Ｖ／秒未満になると、緻密で含水量の少ない皮膜が形成され難くなる。一方、前段で２０．０Ｖ／秒を超える昇圧速度で処理すると、皮膜の発熱が大きくなり過ぎて、皮膜内に空隙等の欠陥が形成されるようになる。なお、同様の理由で、前段での昇圧速度を５．０Ｖ／秒以上とするのが望ましく、また、１８．０Ｖ／秒以下とするのが望ましい。
また、後段での昇圧速度が４．０Ｖ／秒以上になると、皮膜とアルミニウムの界面に蓄熱し、空隙等の皮膜欠陥が形成されやすくなる。同様の理由で、昇圧速度を２．５Ｖ／秒以下とするのが望ましい。なお、後段での昇圧速度をあまりに小さくすると、電解に長時間を要して効率的でないため、０．１Ｖ／秒以上の昇圧速度に設定するのが望ましい。

昇圧速度を小さくする前段の時間を電解直後から２０秒以内までとすることで、それ以降での皮膜欠陥の発生を効果的に回避することができる。前段の時間が２０秒を越えると、上記のように皮膜に欠陥が生じやすくなる。このため、前段の時間を電解直後から２０秒以内までとするのが望ましい。なお、前段の時間が２０秒よりも短くて、２０秒の時間内で後段が開始されるものであってもよい。
また、前段と後段とでは、それぞれ相対的に昇圧速度が大小の関係にあればよく、前段または後段の領域内で昇圧速度が多段に変化したり連続的に変化するものであってもよく、当然に一定の昇圧速度を維持するものであってもよい。

第２の本発明の真空機器用表面処理アルミニウム材の製造方法は、アルミニウム材の表面に、電解によって無孔質陽極酸化皮膜を形成する真空機器用表面処理アルミニウム材の製造方法において、
前記電解時の印加電圧を、電解直後から３秒以降、２０秒以内である前段で相対的に大きい昇圧速度で増加させ、それ以降である後段で相対的に小さい昇圧速度で増加させるものとし、前記前段での前記昇圧速度を４．０〜２０．０Ｖ／秒、前記後段での前記昇圧速度を４．０Ｖ／秒未満（ただし、０Ｖ／秒を含まない）とすることを特徴とする。

上記したように、前段の時間を電解直後から２０秒以内までとするのが望ましいが、電解直後には、過渡的に電圧の変動が生じる場合があり、安定した昇圧状態になるのをまって前記昇圧速度の大小関係を判定するのが望ましい。したがって、電解直後から３秒以降を前記昇圧速度を有する前段領域とするのが望ましい。

以上説明したように、本発明の真空機器用表面処理アルミニウム材の製造方法によれば、アルミニウム材の表面に、電解によって無孔質陽極酸化皮膜を形成する真空機器用表面処理アルミニウム材の製造方法において、前記電解時の印加電圧を、電解直後から２０秒以内、または電解直後から３秒以降、２０秒以内である前段で相対的に大きい昇圧速度で増加させ、それ以降である後段で相対的に小さい昇圧速度で増加させるものとし、前記前段での前記昇圧速度を４．０〜２０．０Ｖ／秒、前記後段での前記昇圧速度を４．０Ｖ／秒未満（ただし、０Ｖ／秒を含まない）とするので、表層側が緻密で含水量が少なく、内層側も欠陥のない無孔質陽極酸化皮膜を形成することができ、異物の発生を防止するとともに優れた耐食性と真空特性とが得られる効果がある。

以下に、本発明の一実施形態を説明する。
基材となるアルミニウム材には、ＪＩＳ５０００系、６０００系のアルミニウム合金を用いることができる。ただし、本発明としては基材となるアルミニウム材が特定の成分系に限定されるものではない。
該材料には必要に応じて均質化処理を施し、さらに、熱間圧延、冷間圧延等の加工を施す。また、材料を連続鋳造圧延することも可能である。本発明としてはこれら一連の工程が特に限定されるものではない。該アルミニウム材料には、洗浄、切削処理などを施した後、無孔質陽極酸化皮膜を生成する。
ここで、無孔質陽極酸化皮膜とは、皮膜が均一に形成された部位の断面観察において、皮膜表面からアルミ素地に向けて、規則的に形成される孔（通常開口部は１〜１０ｎｍで皮膜厚さに対して６０％以上の深さを有する）が存在しないか、５％（表面から見た孔の総面積の比率）以下の無孔質な皮膜である。有孔率がゼロ％の無孔質な皮膜は、有孔率が数％の皮膜に対して、格段に耐食性に優れるのでより好ましい。

無孔質陽極酸化皮膜の生成には、ホウ酸又はホウ酸アンモニウムを電解質として含む水溶液を用いるのが好ましい。これらの電解質を用いた皮膜生成では、孔が極めて形成され難いためであり、また、厚い膜形成に適している。電解に際しては、溶液濃度は１〜３０質量％が望ましい。また、電解温度は５０℃以上が耐クラック性から好ましく、皮膜の真空特性から上限は９５℃（酸化膜が水和反応を開始）が好ましい。

電解電圧は、上記したように好適には電解直後（さらには好適には電解直後３秒以降）から２０秒以内までを前段として相対的に大きい昇圧速度で増加させ、それ以降を後段として、相対的に小さい昇圧速度で増加させる。前段での昇圧速度は４．０〜２０．０Ｖ／秒とし、後段での前記昇圧速度を４．０Ｖ／秒未満とする。
上記条件によって好適には３００〜７００ｎｍ厚で、耐食性、真空特性に優れる無孔質陽極酸化皮膜を形成することができる。なお、本発明としては無孔質陽極酸化皮膜の厚さが限定されるものではない。

以下に、本発明の実施例を説明する。
基材として、ＪＩＳ５０５２アルミニウム合金（Ｆｅ０．３８％、Ｓｉ０．２６％、Ｍｎ０．０８％、Ｃｒ０．２５％、Ｃｕ０．１０％、Ｍｇ２．５％、残部Ａｌと不可避不純物）からなる１００ｍｍ長×１００ｍｍ幅×７．０ｍｍ厚みの板材を用意し、厚み方向の両面の各１．０ｍｍをフライスで切削加工した。次いで、アセトンでふき取り油分を除去した。
前処理として、まずは、中性から弱アルカリ性の脱脂剤による脱脂、又は、有機溶剤による油分除去を行った。次いで、５％苛性ソーダ、５０℃で１分間エッチング処理し、１０％硝酸、室温で３分間の中和処理を行った。

上記前処理を行った試料を表１に示す電解液中に浸漬し、対極をカーボンとして、プラスの直流電流を付与し、以下の条件で電解を行った。付与電流を調節して、表１および図１に示すように電圧の昇圧速度をコントロールした。

電解の終了した試料は、１０分間水洗し１００℃で乾燥した。
（評価方法）
耐食性評価
測定方法：ＣＦ_４プラズマ、５００Ｗ、２４時間照射後、５００倍（視野は０．１ｍｍ×０．１ｍｍ）で任意の３０箇所をＳＥＭ観察し、素地アルミニウムが観察された部位がゼロを◎、１〜５を○、６〜１０を△、１１以上を×とし、その結果を表１に示した。
真空特性評価
測定方法：供試材を３００℃まで加熱した際のガス放出量（Ｐａ・ｍ）を測定した。
１Ｐａ・ｍ未満を◎、１〜１０Ｐａ・ｍ以下を○、１１〜１９Ｐａ・ｍを△、２０Ｐａ・ｍ以上を×とし、その結果を表１に示した。

表１に示すように、前段と後段とで昇圧速度を適切に設定した本願発明法（実施例１〜７）では、真空特性、耐食性ともに優れた結果が得られた。一方、前段、後段のいずれかで本願発明の条件（昇圧速度）を満たしていないと、真空特性、耐食性ともに劣っていることが明らかになった。

本発明の各実施例および比較例における昇圧速度変化を示す図（ａ図）と、その一部拡大図（ｂ図）である。

Claims

アルミニウム材の表面に、電解によって無孔質陽極酸化皮膜を形成する真空機器用表面処理アルミニウム材の製造方法において、
前記電解時の印加電圧を、電解直後から２０秒以内である前段で相対的に大きい昇圧速度で増加させ、それ以降である後段で相対的に小さい昇圧速度で増加させるものとし、前記前段での前記昇圧速度を４．０〜２０．０Ｖ／秒、前記後段での前記昇圧速度を４．０Ｖ／秒未満（ただし、０Ｖ／秒を含まない）とすることを特徴とする真空機器用表面処理アルミニウム材の製造方法。
アルミニウム材の表面に、電解によって無孔質陽極酸化皮膜を形成する真空機器用表面処理アルミニウム材の製造方法において、
前記電解時の印加電圧を、電解直後から３秒以降、２０秒以内である前段で相対的に大きい昇圧速度で増加させ、それ以降である後段で相対的に小さい昇圧速度で増加させるものとし、前記前段での前記昇圧速度を４．０〜２０．０Ｖ／秒、前記後段での前記昇圧速度を４．０Ｖ／秒未満（ただし、０Ｖ／秒を含まない）とすることを特徴とする真空機器用表面処理アルミニウム材の製造方法。