JP5416437B2 - 半導体や液晶の製造設備における真空チャンバ或いはその真空チャンバの内部に設けられる部品の材料に用いられるアルミニウム合金部材 - Google Patents

Description

本発明は、ドライエッチング装置、ＣＶＤ装置、イオン注入装置、スパッタリング装置などの半導体や液晶の製造設備などの真空チャンバ、或いはその真空チャンバの内部に設けられる部品の材料として好適に用いられるアルミニウム合金部材に関するものである。

アルミニウム合金を基材として、その表面に陽極酸化皮膜を形成することで、アルミニウム合金部材に耐プラズマ性や耐ガス腐食性などを付与させる陽極酸化処理は、従来から広く採用されてきた。

例えば、半導体製造設備のプラズマ処理装置に用いられる真空チャンバ、並びにその真空チャンバの内部に設けられる電極等の各種部材は、アルミニウム合金を用いて形成されることが通常であった。しかしながら、そのアルミニウム合金を無垢のままで使用すれば、耐プラズマ性や耐ガス腐食性などを維持することができないので、アルミニウム合金によって形成された基材の表面に陽極酸化処理を施して陽極酸化皮膜を形成することで、耐プラズマ性や耐ガス腐食性などを付与することで対応していた。

このアルミニウム合金基材の表面に陽極酸化皮膜を形成する理由は、真空チャンバの内部では、シリコン・ウエハなどの被処理物に半導体製造の前処理工程や製造工程において、室温から２００℃以上の高温環境下で様々な種類の腐食性ガスやプラズマによって所定の加工が行われるため、真空チャンバの内面や、真空チャンバの内部に設けられる電極等の各種部品が前記した雰囲気に曝されることになり、無垢のアルミニウム合金のままでは、耐プラズマ性や耐ガス腐食性などを維持することができないためである。

特に、プラズマの物理エネルギーによる陽極酸化皮膜の磨耗が激しい部材の場合、陽極酸化皮膜は高硬度である必要があり、また、陽極酸化皮膜にクラックが存在すると、クラックを通じてガスが侵入して基材アルミニウム合金を腐食するため、陽極酸化皮膜にはできるだけクラックが存在しない方が良い。

陽極酸化皮膜の高硬度化としては、従来からの製造方法にあっては、陽極酸化皮膜を形成する際の電解液を低温に制御する、或いは高電流密度にて電解する方法が採用されているが、これら方法には高エネルギーが必要となり、更に、陽極酸化皮膜のクラック密度を増大させる方向となり、硬度とクラックのバランスにおいて、十分な高硬度化ができていない。また、特許文献１として、アルコールを添加した硫酸系電解液を用いて高硬質の陽極酸化皮膜を形成する方法が提案されているが、この特許文献１に記載された方法では、陽極酸化処理による電解液中のアルコールの濃度変化の管理が煩雑となる。

以上、説明したように、前記した従来の技術では、陽極酸化皮膜の高硬度化を図ることで、逆に耐クラック性が劣化してしまうという問題を抱えており、高硬度であると共に、耐クラック性に優れた陽極酸化皮膜を形成した半導体や液晶の製造設備における真空チャンバ或いはその真空チャンバの内部に設けられる部品の材料に用いられるアルミニウム合金部材が開発されることが待ち望まれているのが現状である。

特開２００６−３３６０８１号公報

本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、高硬度であると共に、耐クラック性に優れた、陽極酸化皮膜を表面に形成した半導体や液晶の製造設備における真空チャンバ或いはその真空チャンバの内部に設けられる部品の材料に用いられるアルミニウム合金部材を提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、硬質粒子が分散された陽極酸化皮膜が表面に形成されてなる半導体や液晶の製造設備における真空チャンバ或いはその真空チャンバの内部に設けられる部品の材料に用いられるアルミニウム合金部材であって、前記硬質粒子は、αＡｌ_２Ｏ_３ からなる硬質粒子であると共に、前記硬質粒子の粒径は０．１〜１μｍであり、且つ、前記陽極酸化皮膜の表面には、１０００〜３５００個／ｍｍ^２の割合で前記硬質粒子が分散していることを特徴とする半導体や液晶の製造設備における真空チャンバ或いはその真空チャンバの内部に設けられる部品の材料に用いられるアルミニウム合金部材である。

本発明の半導体や液晶の製造設備における真空チャンバ或いはその真空チャンバの内部に設けられる部品の材料に用いられるアルミニウム合金部材によると、ビッカース硬度がＨｖ．４００以上で高硬度であると共に、耐クラック性に優れた、陽極酸化皮膜を表面に形成した半導体液晶製造装置用のアルミニウム合金部材とすることができる。

従来から高硬質の陽極酸化皮膜を形成した表面処理部材（アルミニウム合金部材）は存在したが、表面処理部材の硬度を高硬度とすることで、逆に耐クラック性が劣化してしまうという問題を抱えていた。

本発明者らは、高硬度であるにかかわらず、耐クラック性に優れるという相容れないはずの特長を共に兼ね備えた陽極酸化皮膜を表面に形成した、半導体や液晶の製造装置に用いることができるアルミニウム合金部材に関する新規な技術を見出すために、鋭意検討を行った。

その結果、陽極酸化皮膜に、αＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＮ、ダイヤモンドから選択される１種または２種以上硬質粒子を分散させたうえで、その硬質粒子の粒径、並びに、その硬質粒子の分散状態を適切に規定することで、ビッカース硬度がＨｖ．４００以上の高硬度であって、しかも耐クラック性に優れた陽極酸化皮膜を表面に形成した、アルミニウム合金部材とすることができることを見出し、本発明の完成に至った。

以下、本発明を実施形態に基づき詳細に説明する。

（硬質粒子について）
本発明の半導体や液晶の製造設備における真空チャンバ或いはその真空チャンバの内部に設けられる部品の材料に用いられるアルミニウム合金部材は、アルミニウム合金でなる基材の表面に陽極酸化皮膜が形成されており、その陽極酸化皮膜には硬質粒子が分散されている。本明細書において、この硬質粒子とは、αＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＮ、ダイヤモンドから選択される１種または２種以上からなる硬質粒子のことをいう。

それら硬質粒子を陽極酸化皮膜に分散させることで、陽極酸化皮膜の硬度を上げることができ、例えば、ビッカース硬度をＨｖ．４００以上の高硬度とすることが可能となる。特に、硬質粒子を、αＡｌ_２Ｏ_３とすることで、安価に陽極酸化皮膜の硬度を上げることができる。

（硬質粒子の粒径）
本発明では、まず、陽極酸化皮膜に分散させる硬質粒子の粒径を規定する。尚、本発明でいう硬質粒子の粒径とは、粒の平均径のことをいう。硬質粒子の粒径が０．１μｍより小さい場合は、陽極酸化皮膜の硬質化が不十分になってしまう。これに対し、硬質粒子の粒径が１μｍより大きい場合は、陽極酸化皮膜中に取り込まれる硬質粒子の量が十分な量ではなくなり、この場合も陽極酸化皮膜の硬質化が不十分になってしまう。従って、陽極酸化皮膜に分散させる硬質粒子の粒径は、０．１μｍ以上、１μｍ以下とする。

（硬質粒子の分散状態）
本発明では、陽極酸化皮膜に分散させる硬質粒子の、陽極酸化皮膜表面における単位面積当たりの分散状態（割合）も規定する。陽極酸化皮膜に分散した硬質粒子の割合が、１０００個／ｍｍ^２より少ない場合は、陽極酸化皮膜の硬質化が不十分になってしまう。これに対し、陽極酸化皮膜に分散した硬質粒子の割合が、３５００個／ｍｍ^２より多い場合は、陽極酸化皮膜は高硬度となるものの、耐クラック性が逆に劣化してしまう。陽極酸化皮膜に分散した硬質粒子の割合のより好ましい下限は、１５００個／ｍｍ^２である。一方、陽極酸化皮膜に分散した硬質粒子の割合のより好ましい上限は、３３００個／ｍｍ^２である。

（製造方法）
αＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＮ、ダイヤモンドから選択される１種または２種以上からなる硬質粒子を陽極酸化皮膜に分散させる場合に、その硬質粒子の粒径を１００ｎｍ〜１μｍの範囲とし、その硬質粒子を陽極酸化皮膜の表面に１０００〜３５００個／ｍｍ^２の割合で分散させるための製造方法は以下の通りである。

陽極酸化処理に用いる電解液に、硬質粒子を添加し、エアーバブルリング等により電解液を攪拌し、この電解液中にて陽極酸化処理を行うことで、硬質粒子を陽極酸化皮膜中に分散することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。

この実施例では、本発明の半導体や液晶の製造設備における真空チャンバ或いはその真空チャンバの内部に設けられる部品の材料に用いられるアルミニウム合金部材の表面に形成された陽極酸化皮膜が、高硬度であると共に、耐クラック性に優れていることを確証するため、評価試験を実施した。尚、本発明で説明する高硬度とは、陽極酸化皮膜のビッカース硬度がＨｖ．４００以上のことをいう。

まず、アルミニウム合金鋳塊を溶製（サイズ：２２０ｍｍＷ×２５０ｍｍＬ×ｔ１００ｍｍ、冷却速度：１５〜１０℃）し、その鋳塊を切断して面削（サイズ：２２０ｍｍＷ×１５０ｍｍＬ×ｔ６０ｍｍ）した後、均熱処理（５４０℃×４ｈ）を施した。均熱処理後、６０ｍｍ厚の素材を熱間圧延により６ｍｍ厚の板材に圧延し、切断（サイズ：２２０ｍｍＷ×４００ｍｍＬ×ｔ６ｍｍ）した後、溶体化処理（５１０〜５２０℃×３０ｍｉｎ）を施した。溶体化処理後、水焼入れし、時効処理（１６０〜１８０℃×８ｈ）を施して供試合金板を得た。合金組成はＪＩＳに規定される６０６１合金の範疇とした。

その供試合金板より、２５ｍｍ×３５ｍｍ（圧延方向）×ｔ３ｍｍの試験片を切り出し、その表面を面削加工した。次いで、６０℃−１０％ＮａＯＨ水溶液中に２分浸漬した後に水洗し、更に、３０℃−２０％ＨＮＯ_３水溶液中に２分浸漬した後に水洗して表面を清浄化した後に、表１、２に示す各条件で陽極酸化処理を施して各試験片の表面に陽極酸化皮膜を形成した。

陽極酸化処理に用いた陽極酸化処理液は、各試験片毎に夫々異なり、条件は異なるが、硬質粒子の添加量を夫々変えることで、硬質粒子の分散状態を変えることとした。本実施例で用いた硬質粒子は、αＡｌ_２Ｏ_３の１種類のみであり、粒径０．５μｍの硬質粒子は和光純薬製「０１５−１３００１」を、粒径０．３μｍの硬質粒子は高純度化学製「ＡＬＯ１２ＰＢ」を、粒径１μｍの硬質粒子は高純度化学製「ＡＬＯ１４ＰＢ」を、夫々用いた。αＡｌ_２Ｏ_３以外の硬質粒子を用いた場合も、ビッカース硬度、耐クラック性は略同等の試験結果が得られると想定される。また、形成した陽極酸化皮膜の膜厚は全て２５μｍとした。以上の方法で作製した各試験片を樹脂に埋め込み、陽極酸化皮膜の断面を露出させた。

その後、陽極酸化皮膜の断面の中央部の硬度を、ビッカース硬度計（Ａｋａｓｈｉ、ＭＶＫ−Ｇ２）で測定した。測定で得られたビッカース硬度が、Ｈｖ．４００未満の場合を×、ビッカース硬度が、Ｈｖ．４００以上、Ｈｖ．４５０未満の場合を○、ビッカース硬度が、Ｈｖ．４５０以上の場合を◎して評価した。

一方、耐クラック性は、５％Ｃｌ_２−Ａｒガス雰囲気下（３００℃）に２時間静置した後、目視により腐食の有無を観察し、クラックの発生が確認できなかったものを耐クラック性が優れるとして○、クラックの発生が確認できたものを耐クラック性が劣るとして×と、夫々評価した。

本実施例の総まとめとして、硬度の評価が◎で、耐クラック性の評価が○のものを、総合判定では◎として評価し、硬度の評価が○で、耐クラック性の評価が○のものを、総合判定では○として評価し、夫々総合判定は合格とした。これに対し、硬度の評価、耐クラック性の評価のうち一方でも×の評価があるものは、総合判定では×として評価し、総合判定は不合格とした。

尚、硬質粒子の分散状態は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で陽極酸化皮膜の表面を観察し、ＳＥＭに付属するＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）により組成を定量し、Ａｌ_２Ｏ_３と同定した。

表１に本発明の要件を満たす発明例の試験結果を、表２に比較例の試験結果を夫々示す。

表１によると、硬質粒子の粒径を０．１〜１μｍの範囲とし、その硬質粒子を表面に１０００〜３５００個／ｍｍ^２の割合で分散させた陽極酸化皮膜を表面に形成した試験片、すなわち、本発明の要件を満たす発明例であるＮｏ．１〜Ｎｏ．１１の、測定で得られたビッカース硬度は、最低でもＮｏ．１のＨｖ．４１４であり、ビッカース硬度がＨｖ．４００以上という判定条件を全て満足している。また、クラックの発生も認められず、耐クラック性についても全て○であり、総合判定も◎或いは○となっており、全て合格判定基準を満たしている。

一方、表２は全て本発明の要件を満足しない比較例を示している。Ｎｏ．１２は、硬質粒子を添加しない比較例である。また、Ｎｏ．１３は、陽極酸化皮膜に分散した硬質粒子の割合が、１０００個／ｍｍ^２より少ない比較例であり、Ｎｏ．１４は、陽極酸化皮膜に分散した硬質粒子の割合が、逆に３５００個／ｍｍ^２より多い比較例である。硬質粒子を添加しないＮｏ．１２や、陽極酸化皮膜に分散した硬質粒子の割合が、１０００個／ｍｍ^２より少ないＮｏ．１３では、耐クラック性は○であったが、ビッカース硬度が不足した。一方、陽極酸化皮膜に分散した硬質粒子の割合が、３５００個／ｍｍ^２より多いＮｏ．１４では、ビッカース硬度が◎と優れていたものの、クラックの発生が認められた。

また、Ｎｏ．１５は、硬質粒子の粒径が０．１μｍより小さい比較例であり、Ｎｏ．１６は、硬質粒子の粒径が１μｍより大きい比較例である。硬質粒子の粒径が０．１μｍより小さいＮｏ．１５では、耐クラック性は○であったが、ビッカース硬度が不足した。一方、硬質粒子の粒径が１μｍより大きいＮｏ．１６でも、耐クラック性は○であったが、ビッカース硬度が不足した。

すなわち、各比較例は、本発明の要件を満足しないため、高硬度であると共に、耐クラック性に優れた陽極酸化皮膜を表面に形成することはできなかった。

以上の試験結果をまとめると、本発明の要件を全て満たすことで、ビッカース硬度がＨｖ．４００以上で高硬度であると共に、耐クラック性に優れた陽極酸化皮膜を表面に形成した半導体や液晶の製造設備における真空チャンバ或いはその真空チャンバの内部に設けられる部品の材料に用いられるアルミニウム合金部材とすることができることを、本実施例の試験結果から確認した。

Claims (1)

1. 硬質粒子が分散された陽極酸化皮膜が表面に形成されてなる半導体や液晶の製造設備における真空チャンバ或いはその真空チャンバの内部に設けられる部品の材料に用いられるアルミニウム合金部材であって、
   前記硬質粒子は、αＡｌ_２Ｏ_３ からなる硬質粒子であると共に、
   前記硬質粒子の粒径は０．１〜１μｍであり、
   且つ、前記陽極酸化皮膜の表面には、１０００〜３５００個／ｍｍ^２の割合で前記硬質粒子が分散していることを特徴とする半導体や液晶の製造設備における真空チャンバ或いはその真空チャンバの内部に設けられる部品の材料に用いられるアルミニウム合金部材。