JP5527879B2 - フランジの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、２枚の金属プレートが接合されて形成されているフランジ及びその製造方法に関する。

配管同士の接続、配管とチャンバの接続、あるいは配管の封止等に用いられるフランジは、接続対象物に押圧された状態で固定されることにより流路を密封する。フランジには、接続対象物との間に介在するガスケットに当接するエッジを有するナイフエッジ型メタルシールフランジがある。

当該フランジは、当接する金属ガスケットを変形させて流路を密封するため、硬く、傷つき難いことが要求される。また、当該フランジが真空チャンバ、プロセスチャンバ等に接続される配管に設けられる場合等、流体に接する部分からの放出ガスが少ないほうが好適である。さらに、構成材料の磁性が小さければ高磁場環境において用いることが可能となる。

例えば、高真空系にはアルミニウムからなるフランジが用いられることが一般的である。アルミニウムはその酸化膜のために放出ガスが少なく、また、軽量、低価格、非磁性等のメリットを有する。しかし、アルミニウムは軟らかいためにガスケットと当接することでエッジが傷つき、使用回数とともにシール性が低下するおそれがある。

このため、アルミニウムの表面にＴｉＮ、ＣｒＮ、あるいはカーボン等の硬質膜を成膜し、エッジを保護するフランジが開発されている。例えば特許文献１には、ナイフエッヂ部が硬質カーボン膜からなる硬質表層に被覆されているアルミニウム合金製フランジが開示されている。

特開昭６３−５７９８９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているアルミニウム合金製フランジのように、アルミニウムの表面に硬質（緻密、高耐久）膜を成膜する場合、真空チャンバ等の成膜のための設備が必要となり、高コストとなる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、低コストで製造が可能なフランジ及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るフランジは、本体と、シール層とを具備する。
上記本体は、Ａｌ系材料からなる。
上記シール層は、取付面と上記取付面に形成された環状のエッジ部とを有し、上記本体と接合され、Ｔｉ系材料からなる。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るフランジの製造方法は、Ａｌ系材料からなる第１の金属層と、上記第１の金属層に接合されたＴｉ系材料からなる第２の金属層とを有する積層体を準備することを含む。
取付面と上記取付面に形成された環状のエッジ部とを有するシール層は、上記第２の金属層を加工することで成形される。

本発明の実施形態に係るフランジを示す側断面図である。 上記フランジの使用態様を説明する側断面図である。 上記フランジの製造方法を説明する各工程の側断面図である。 上記フランジの変形例を示す側断面図である。 上記フランジの変形例を示す側断面図である。

本発明の一実施形態に係るフランジは、本体と、シール層とを具備する。
上記本体は、Ａｌ系材料からなる。
上記シール層は、取付面と上記取付面に形成された環状のエッジ部とを有し、上記本体と接合され、Ｔｉ系材料からなる。

当該フランジは、本体がＡｌ系材料（Ａｌ、Ａｌ合金等）からなるため、低放出ガス、軽量、低価格、非磁性等の利点を有し、シール層がＴｉ系材料（Ｔｉ、Ｔｉ合金、ＴｉＮ等）からなるため、エッジ部の損耗を防止することが可能である。なお、当該フランジは、配管を接続対象物に接続するための継手、あるいは接続対象物に設けられた流路を閉塞するための閉塞栓等として用いることができる。

上記本体は第１の流路を有し、上記シール層は、上記第１の流路に連通し上記エッジ部の内側に形成された第２の流路を有してもよい。

当該フランジは、第１の流路と第２の流路を通して流体（真空排気、プロセスガス、冷却水等）を流通させることが可能であり、接続対象物と配管を接続する継手として利用することができる。

上記本体は、上記第１の流路と連通する配管部を有してもよい。

当該フランジは、配管部を介して配管を接続することが可能である。これにより、配管を配管部に溶接等により接続することで、熱がエッジ部に到達してエッジ部が変形することを防止することが可能である。

本発明の一実施形態に係るフランジの製造方法は、Ａｌ系材料からなる第１の金属層と、上記第１の金属層に接合されたＴｉ系材料からなる第２の金属層とを有する積層体を準備することを含む。
取付面と上記取付面に形成された環状のエッジ部とを有するシール層は、上記第２の金属層を加工することで成形される。

当該製造方法によれば、第１の金属層と第２の金属層が既に接合されている積層体を加工して上記フランジを製造するため、上記フランジの本体となる部分に硬質の膜を成膜する工程が不要であり、低い製造コストで上記フランジを製造することが可能である。

上記積層体は、スパッタリングターゲットであってもよい。

Ａｌ系材料からなる第１の金属層とＴｉ系材料からなる第２の金属層が接合された積層体を加工することで上記フランジを製造することが可能である。ここで、積層体としてスパッタリングターゲットを用いることができる。スパッタリングターゲットは、バッキングプレートにターゲット材が接合されて構成されている。スパッタリングターゲットは、一般的に、適当な厚さ及び面積を有するターゲット材を有するため、Ｔｉ系材料をターゲット材として有するスパッタリングターゲットを、製造するフランジのサイズに合わせて加工することにより、上記フランジを製造することができる。また、上記フランジは、Ｔｉ系材料からなるターゲット材が、例えばＡｌ系材料以外の材料からなるバッキングプレートに接合されているスパッタリングターゲットを加工することにより製造することもできる。この場合、バッキングプレートからターゲット材を分離させ、Ａｌ系材料からなる板と接合することによって積層体とすることができる。

上記スパッタリングターゲットは、使用済みスパッタリングターゲットであってもよい。

この製造方法によれば、使用済みスパッタリングターゲットを再利用することが可能であるため、低い製造コストで当該フランジを製造することが可能である。

上記フランジの製造方法であって、さらに、上記第１の金属層を加工することで第１の流路に貫通された本体を形成し、上記第２の金属層を加工する工程では、上記エッジ部の内側において上記シール層を貫通し、上記第１の流路と連通する第２の流路をさらに形成してもよい。

この製造方法によれば、流路を有し、接続対象物と配管を接続する継手として利用することが可能なフランジを製造することが可能である。

上記フランジの製造方法であって、さらに、上記第１の金属層に上記第１の流路と連通する配管部を形成してもよい。

この製造方法によれば、配管を配管部に溶接等により接続する際に、熱がエッジ部に到達し、エッジ部が変形することを防止することが可能である。

上記のフランジの製造方法であって、さらに、上記配管部を形成する工程は、上記第１の金属層にＡｌ系材料の第３の金属層を付加し、上記第３の金属層を配管形状に加工してもよい。

配管部を有するフランジを製造する場合において、第１の金属層の厚さが配管部を形成するためには不足している場合、第１の金属層にＡｌ系材料からなる第３の金属層を付加することで、配管部の形成に必要な厚さを補うことが可能である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るフランジ１を示す断面図である。

同図に示すように、フランジ１は、本体２とシール層３を有する。
本体２とシール層３は、互いに、拡散接合、爆着、ロー付け等により接合されている。

本体２は、Ａｌ、Ａｌ合金等のＡｌ系材料からなる。本体２は、フランジ部２ａと、配管部２ｂを有する。フランジ部２ａと配管部２ｂは同一組成の材料からなるものであってもよく、異なる組成の材料からなるものであってもよい。配管部２ｂは例えば、円筒状とすることができる。フランジ部２ａは、配管部２ｂの中心軸方向に垂直な方向に張り出した形状を有する。フランジ部２ａは例えば厚さ５ｍｍ、直径２００ｍｍとすることができる。本体２は、接続対象物と連通することが可能な流路２ｃを有する。接続対象物としては、例えば、チャンバのポート、フランジ部を有する配管等が挙げられる。

シール層３は、Ｔｉ、Ｔｉ系合金、ＴｉＮ等のＴｉ系材料からなる。シール層３の構成材料としては、例えば、Ｔｉ系材料からなるスパッタリング用のターゲット材を用いることができる。この種の材料は、均質性が高く緻密な結晶組織を有するため、シール層に要求される所望の材料特性（例えば硬度、強度）を安定して得ることができる。シール層３は、取付面３ａと、エッジ部３ｂとを有する。

取付面３ａは、シール層３の、本体２と接合されている側とは反対側の面であり、接続対象物に接続される面である。

エッジ部３ｂは、取付面３ａの一段低い面３ｄに環状に形成され、後述するガスケットが当接する部分である。エッジ部３ｂは、例えば、断面が三角形状の、接続対象物側に突出する突出部とすることができ、接続対象物のエッジ部と、ガスケットの厚みより若干小さい隙間を介して対向する。エッジ部３ｂの頂点は、図示するように、取付面３ａより下方側に位置するが、上方側に位置してもよい。なお、エッジ部３ｂの形状（エッジの角度）は、図示したものに限られない。シール層３は例えば厚さ１０ｍｍとすることができる。

シール層３は、エッジ部３ｂの内側に形成された、流路２ｃと連通する流路３ｃを有する。流路２ｃと流路３ｃは同一の径を有し、流体（真空排気、プロセスガス、冷却水等）の流動抵抗を低減させることが可能である。なお、流路２ｃと流路３ｃの径は異なるものであってもよい。

シール層３及びフランジ部２ａには、両者を貫通する複数のボルト孔４がエッジ部の外周に形成されている。ボルト孔４は、例えば、同一円周上に等間隔に配置することができる。なお、ボルト孔４は、他の締結手段（クランプ等）を用いる場合は、必ずしも設けられなくてもよい。フランジ１と接続対象物のフランジは締結手段によって押圧された状態で固定される。

次に、フランジ１の使用態様について説明する。
図２は、フランジ１の使用態様を示す図である。

同図は、フランジ１を接続対象物Ｓに取り付けた状態を示す。接続対象物Ｓは、例えば、真空チャンバの排気ポートであり、フランジ部Ｓａと、配管部Ｓｂを有する。真空チャンバは、例えば熱処理、成膜処理等に用いられる。また、接続対象物Ｓは真空チャンバに限られず、陽圧チャンバのほか、配管部品であってもよい。フランジ１が接続されるのは排気ポートに限られず、ガス導入ポートであってもよい。接続対象物Ｓは例えばステンレスからなるものとすることができる。フランジ部Ｓａには、エッジ部Ｓｃが形成されている。

フランジ１は、エッジ部３ｂに当接された環状のガスケットＧを介してその取付面３ａが接続対象物Ｓのフランジ部Ｓａに当接され、ボルト及びナット等の締結具Ｃによって接続対象物Ｓに押圧される。これにより、ガスケットＧがエッジ部３ｂと、接続対象物のエッジ部Ｓｃにより挟圧されて変形し、流路が密封される。なお、ガスケットＧは例えばＡｌ、Ｃｕ等の、エッジ部３ｂ及びＳｃの材質に比べて軟らかい金属からなるものとすることができる。

このように、エッジ部３ｂにガスケットＧが押圧されるため、エッジ部３ｂがＡｌ系材料の軟らかい材料である場合、繰り返しの取り付けによりエッジ部３ｂが損耗し、シール性が低下するおそれがある。これに対し、本実施形態に係るフランジ１は、Ａｌ系材料に比べ硬いＴｉ系材料によりなるエッジ部３ｂを有しているため、エッジ部３ｂの損耗が著しく小さくなり、シール性の低下を防止することが可能である。

また、本体２の材料であるＡｌ系材料及びシール層３の材料であるＴｉ系材料は、ともに放出ガス量が少なく、完全非磁性（比透磁率１．００１以下）の材料であるため、完全非磁性のフランジとすることが可能である。さらに、フランジ１は、Ａｌ系材料からなる本体２を有しているため、軽量なものとすることが可能であり、加えてＡｌ系材料は溶接に適するため、配管部２ｂに配管を接続することが容易となる。また、Ａｌ系材料は加工性に優れ、本体２を精度よく加工成形することが可能である。

次に、フランジ１の製造方法について説明する。
図３は、フランジ１の製造方法を説明する図である。

図３（ａ）は、積層体１’を示す図である。ここでは、積層体１’としては、既にスパッタリングに供された使用済みスパッタリングターゲットが用いられる。積層体１’は、第２の金属層３’と第１の金属層２’が接合されて形成されている。第２の金属層３’はＴｉ系材料からなり、第１の金属層２’はＡｌ系材料からなる。第２の金属層３’は、シール層３を製造するために必要な厚さが残存していればよい。積層体１’としては、使用済みスパッタリングターゲットに限られず、未使用のスパッタリングターゲットを用いることも可能であるが、使用済みスパッタリングターゲットとすることにより、製造コストを低減することが可能である。例えば、スパッタリングターゲットの非エロージョン領域（スパッタの進行が小さい領域）のみを切り出すことによって積層体１’とすることができる。

次に、図３（ｂ）に示すように、第１の金属層２’に第３の金属層５を鋳造により付加する。第３の金属層５は、第１の金属層２’と同種の材料で構成されるが、異種材料で構成されてもよい。第３の金属層５は、配管部２ｂ（図１）の長さに相当する厚さを有するものとすることができる。この工程により、第１の金属層２’に配管部２ｂ、あるいは配管部２ｂ及びフランジ部２ａを製造するために必要な厚さがない場合であっても、その厚さを補うことが可能である。また、第３の金属層５は、溶接、溶湯鍛造等により付加することも可能である。第３の金属層５を付加することにより、第１の金属層２’の強度を補い、ハンドリングを容易とすることができる。第１の金属層２’はバッキングプレートであるため、冷却水通路が内部に形成されたものであってもよい。

次に、図３（ｃ）に示すように、第２の金属層３’の表面を平坦化する。第２の金属層３’は、スパッタリングされているため、不均一な面となっているが、この工程により平坦化され、取付面３ａが形成される。平坦化は、研磨、切削加工等の方法を用いることができる。最後に、当該積層体１’を加工することにより、図１に示すフランジ１を製造することが可能である。

積層体１’の加工は、旋盤、ボール盤等の工作機械により切削加工、研削加工等の方法によりすることができる。加工の一例としては、積層体１’を円盤状に切り出し、第３の金属層５を外径研削して配管部２ｂとなる部分を成形する。次に、積層体１の中心に、第２の金属層３’、第１の金属層２’及び第３の金属層５を貫通する孔を形成する。当該孔を内径研削して拡張することにより、第２の金属層３’に流路３ｃを形成し、第１の金属層２’及び第３の金属層５に流路２ｃを形成する。必要に応じて研磨等を施す。次に、第１の金属層２’の表面を研削することにより、エッジ部３ｂ及び面３ｄを形成する。次に、シール層３とフランジ部２ａを貫通するボルト孔４を複数形成する。積層体１’の加工方法はこれに限られず、例えば、エッジ部３ｂは、シール性を高めるために高い加工精度が必要であるため、放電加工、エッチング等の加工方法を用いてもよい。

以上のようなフランジ１の製造方法によれば、既に結合されている第２の金属層３’と第１の金属層２’からなる積層体１’を加工することによりフランジ１を製造することができる。即ち、シール層３になる部分と本体２になる部分を別途接合する工程、あるいは硬質膜を成膜する工程が不要であり、製造コストを低減することが可能である。特に、積層体１’として使用済みターゲットを用いているので、使用済みターゲットを再利用することができ、製造コストをより低減することが可能である。

また、フランジ１は、例えばＣｕ等からなるバッキングプレートと、Ｔｉ系材料からなるターゲット材を有するスパッタリングターゲットから製造することも可能である。この場合、使用済みのスパッタリングターゲットにおいて、Ｔｉ系材料からなるターゲット材をバッキングプレートから分離させ、それをＡｌ系材料からなる板に接合する。このようにして、Ａｌ系材料からなる第１の金属層２’と、Ｔｉ系材料からなる第２の金属層３’を有する積層体１’を準備し、フランジ１を製造することが可能である。

本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において変更され得る。

図４に示すように、フランジ１は、配管部２ｂを有しないものとすることも可能である。この場合、第１の金属層２’がフランジ部２ａを形成するために必要な厚さを有するときは、第３の金属層５を第１の金属層２’に付加する工程は不要である。また、図５に示すように、フランジ１は、接続対象物の流路を塞ぐための閉塞用のものとすることも可能である。この場合も、第１の金属層２’がフランジ部２ａを形成するために必要な厚さを有するときは、第３の金属層５を第１の金属層２’に付加する工程は不要である。

上述の実施形態においては、第３の金属層５を付加する工程は、平坦化工程の前に実施するものとしたが、平坦化工程の後、あるいは加工工程の後に実施することも可能である。また、第１の金属層２’が配管部２ｂを形成するために十分な厚さを有している場合は、第３の金属層５を付加しないことも可能である。

上述の実施形態においては、積層体１’として使用済みスパッタリングターゲットを用いたが、これに限られない。未使用のスパッタリングターゲットを積層体１’とすることも可能である。未使用のスパッタリングターゲットを積層体１’とする場合、上述の、第２の金属層３’を平坦化する工程は不要となる。未使用のスパッタリングターゲットとしては、例えば、スパッタリングターゲットとして規格外となったものを利用することができ、フランジ１の製造コストを低減させることが可能である。

上述の実施形態のおいては、第１の金属層２’に第３の金属層５を付加したのち、第３の金属層５を加工することによって配管部２ｂを形成するものとした。これに限らず、配管部２ｂの形状に加工された部材を溶接等によって、第１の金属層２’に直接接続することで配管部２ｂを形成することも可能である。

１ フランジ
１’ 積層体
２ 本体
２ａ フランジ部
２ｂ 配管部
２ｃ 流路
２’ 第１の金属層
３ シール層
３ａ 取付面
３ｂ エッジ部
３ｃ 流路
３’ 第２の金属層
５ 第３の金属層

Claims (5)

1. Ａｌ系材料からなる第１の金属層と、前記第１の金属層に接合されたＴｉ系材料からなる第２の金属層とを有するスパッタリングターゲットを準備し、
   前記第２の金属層を加工することで、取付面と前記取付面に形成された環状のエッジ部とを有するシール層を成形する
   フランジの製造方法。
2. 請求項１記載のフランジの製造方法であって、
   前記スパッタリングターゲットは、使用済みスパッタリングターゲットである
   フランジの製造方法。
3. 請求項２記載のフランジの製造方法であって、さらに、
   前記第１の金属層を加工することで、第１の流路に貫通された本体を形成し、
   前記第２の金属層を加工する工程では、前記エッジ部の内側において前記シール層を貫通し、前記第１の流路と連通する第２の流路をさらに形成する
   フランジの製造方法。
4. 請求項３に記載のフランジの製造方法であって、さらに、
   前記第１の金属層に前記第１の流路と連通する配管部を形成する
   フランジの製造方法。
5. 請求項４に記載のフランジの製造方法であって、さらに、
   前記配管部を形成する工程は、前記第１の金属層にＡｌ系材料の第３の金属層を付加し、前記第３の金属層を配管形状に加工する
   フランジの製造方法。

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