JP5541629B2 - バッキングプレート及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷却媒体が循環する通路を有するバッキングプレート及びその製造方法に関する。

基板上に薄膜を形成する技術として、スパッタリング法が知られている。スパッタリング用のターゲットは一般に、プラズマ中のイオンのスパッタ作用にて昇温する。このためターゲットは、冷却水によって冷却されるバッキングプレートに接合された状態で使用される。

一般にバッキングプレートは、スパッタ電力が印加される電極としての機能を有するため導電性が要求される。またバッキングプレートは、ターゲットを熱から保護するとともに冷却水の水圧に耐える必要があることから、耐熱性と高耐力とが要求される。このような材料として、銅合金、チタン、チタン合金、ステンレス鋼等が広く用いられている。一方、バッキングプレートの多くは、内部に冷却水が循環する通路を有する。この場合、バッキングプレートは複数の部材で組み立てられ、各部材は溶接により接合される。

例えば特許文献１には、銅からなる電極用プレートと、ステンレスからなる補強用プレートとを接合して積層させた本体部を有するバッキングプレートが記載されている。当該バッキングプレートにおいては、冷却媒体を循環させるための冷却路が電極用プレート又は補強用プレートに設けられており、上記冷却路を覆う蓋が補強用プレートに溶接によって接合されている。

特開２００８−３０８７２８号公報

しかしながら部材間の接合に溶接が用いられる場合、溶接時に発生する熱で反り等の変形が生じるおそれがある。また発熱の少ない接合法として摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）が知られているが、ＦＳＷは適用材料に制限があり、ステンレス鋼のような高強度・高硬度の材料にＦＳＷを適用することは困難である。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、溶接入熱による変形を抑制しつつ、耐熱性・高耐圧性を確保することができるバッキングプレート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バッキングプレートは、本体と、金属板と、蓋体とを具備する。
上記本体は、第１の金属材料で構成され、冷却媒体が循環する通路が形成された第１の面を有する。
上記金属板は、上記通路と対向する開口が形成された、スパッタリング用ターゲットと接合される第２の面を有する。上記金属板は、上記第１の金属材料よりも低硬度の第２の金属材料で構成され、上記第１の面に接合される。
上記蓋体は、上記通路を被覆するように上記開口の内部に配置され、上記金属板に接合される。

また、本発明の一形態に係るバッキングプレートの製造方法は、第１の金属材料で構成された本体の第１の面に、スパッタリング用ターゲットと接合される第２の面を有する、上記第１の金属材料よりも低硬度の第２の金属材料で構成された金属板を接合する工程を含む。
上記第２の面に開口が形成される。
上記開口を介して上記第１の面に冷却媒体が循環する通路が形成される。
上記通路を被覆するように上記開口の内部に蓋体が配置され、上記蓋体は、上記金属板に接合される。

本発明の一実施形態に係るバッキングプレートを示す概略断面図である。 上記バッキングプレートの製造方法を説明する工程図である。 爆着による接合方法を説明する工程図である。 摩擦撹拌接合による接合方法を説明する工程図である。

本発明の一実施形態に係るバッキングプレートは、本体と、金属板と、蓋体とを具備する。
上記本体は、第１の金属材料で構成され、冷却媒体が循環する通路が形成された第１の面を有する。
上記金属板は、上記通路と対向する開口が形成された、スパッタリング用ターゲットと接合される第２の面を有する。上記金属板は、上記第１の金属材料よりも低硬度の第２の金属材料で構成され、上記第１の面に接合される。
上記蓋体は、上記通路を被覆するように上記開口の内部に配置され、上記金属板に接合される。

上記バッキングプレートは、冷却媒体の循環用通路が形成された本体と、上記通路と対向する開口が形成された金属板との接合構造を有する。金属板の開口には蓋体が配置され、これにより上記通路が被覆される。上記バッキングプレートにおいては、本体よりも低硬度の金属材料で構成された金属板に蓋体が接合される。このため、例えば本体に耐熱性を有する高強度材料を使用する一方、金属板に摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）のような溶接入熱の少ない接合法を適用することができる金属材料を使用することができる。これにより溶接入熱による変形が抑制された、耐熱性・高耐圧性を有するバッキングプレートを得ることができる。

第１及び第２の金属材料は特に限定されず、例えば、第１の金属材料として銅合金、チタン、チタン合金、ステンレス鋼等を用いることができ、第２の金属材料として銅、アルミニウム、アルミニウム合金等を用いることができる。

第１の面に対する金属板の接合方法は特に限定されず、例えば金属板は、第１の面に対して爆着又は拡散接合により接合される。これにより第１の面に対して金属板を高い密着性をもって接合することができる。

典型的には、金属板と蓋体とは、同種の金属材料で形成されるが、互いに異種の金属材料で形成されてもよい。一方、金属板が例えば爆着によって第１の面に接合される場合、接合後の後処理（熱処理等）によって金属板の硬度が接合前に比べて低下することがある。この場合、金属板と同種の金属材料からなる蓋体が金属板に接合されると、金属板と蓋体とは同種の金属材料でありながら相互に異なる硬度を有することになる。

本発明の一実施形態に係るバッキングプレートの製造方法は、第１の金属材料で構成された本体の第１の面に、スパッタリング用ターゲットと接合される第２の面を有する、上記第１の金属材料よりも低硬度の第２の金属材料で構成された金属板を接合する工程を含む。
上記第２の面に開口が形成される。
上記開口を介して上記第１の面に冷却媒体が循環する通路が形成される。
上記通路を被覆するように上記開口の内部に蓋体が配置され、上記蓋体は、上記金属板に接合される。

上記製造方法においては、本体よりも低硬度の金属材料で構成された金属板に蓋体が接合される。このため、例えば本体に耐熱性を有する高強度材料を使用する一方、金属板に摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）のような溶接入熱の少ない接合法を適用することができる金属材料を使用することができる。これにより溶接入熱による変形が抑制された、耐熱性・高耐圧性を有するバッキングプレートを製造することができる。

金属板は、第１の面に対して爆着又は拡散接合により接合される。これにより第１の面に対して金属板を高い密着性をもって接合することができる。また、本体及び金属板を相互に接合した後、冷却水循環用の通路が形成される。これにより上記通路の形成後に第１及び金属板を例えば爆着によって接合する場合と比較して、爆着の衝撃による上記通路の変形を防止することができる。

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バッキングプレートを模式的に示す断面図である。本実施形態のバッキングプレート１０は、本体１１と、金属板１２と、蓋体１３とを有する。

バッキングプレート１０は、本体１１と金属板１２との積層構造を有する。蓋体１３は、本体１１に形成された冷却水循環用の通路１４を被覆するように金属板１２に接合される。本実施形態において金属板１２は、後述するように、本体１１に対して爆着法によって接合される。

本体１１は、耐熱性を有する高強度の金属材料（第１の金属材料）で構成される。このような金属材料としては、例えば銅合金、チタン、チタン合金、ステンレス鋼等が挙げられる。本実施形態では銅合金（ビッカース硬度Ｈｖ７０〜２４０）が用いられる。本体１１は、例えば円形、矩形の板部材からなり、その表面１１０（第１の面）には通路１４の一部を構成する凹所１１１が形成される。

凹所１１１の断面形状は図示する矩形状に限られず、底部が湾曲した形状であってもよい。また凹所１１１は直線的に形成されるが、曲線状に形成されてもよい。さらに凹所１１１は単数に限られず、複数形成されてもよい。本体１１の少なくとも一方の側面部には、凹所１１１を図示しない冷却媒体の供給源に接続するための接続口が設けられている。冷却媒体としては、典型的には水であるが、ヘリウム等のガスであってもよい。

金属板１２は、本体１１よりも低硬度の金属材料（第２の金属材料）で構成される。このような金属材料としては、例えば銅（例えば無酸素銅）、アルミニウム、アルミニウム合金等が挙げられる。本実施形態では無酸素銅（ビッカース硬度Ｈｖ５０〜１００）が用いられる。金属板１２は、本体１１と同一の形状を有しており、本体１１の表面１１０に接合される。金属板１２の厚みは特に限定されず、例えば本体１１の厚みよりも小さい厚みで形成される。

金属板１２は、Ｉｎ、Ｓｎなどの接合材を介してスパッタリング用のターゲット２０と接合される表面１２０（第２の面）を有しており、この表面１２０には、凹所１１１と対向する開口１２１が形成されている。

開口１２１は、金属板１２を貫通するように形成されており、蓋体１３の接合前では、開口１２１を介して凹所１１１が外部に露出される。開口１２１の平面形状は特に限定されないが、典型的には、凹所１１１の形状と対応する形状に形成される。開口１２１の断面形状は、本実施形態では内面に段部１２２を有する段付き形状に形成されており、表面１２０側の方が本体１１側に比べて幅広に形成されている。これに限られず、開口１２１の内面形状は、金属板１２の厚み方向に沿って直線状に形成されてもよいし、斜めに傾斜したテーパ状に形成されてもよい。

また金属板１２は、本体１１の表面１１０に接合されることで、本体１１のメタライズ層を形成する。金属板１２は、本体１１を構成する金属材料よりも、上記接合材に対して濡れ性の高い金属材料（Ｃｕ、Ａｌなど）で構成される。これにより接合材との密着性が高まり、ターゲット２０を安定に保持することができる。

蓋体１３は、金属板１２の開口１２１に配置されることで凹所１１１を被覆する。これによりバッキングプレート１０の内部に冷却水の循環用通路１４が形成される。蓋体１３は、開口１２１の開口形状とほぼ同一の平面形状を有し、開口１２１の段部１２２に支持される。蓋体１３の厚みは、段部１２２と表面１２０との間の高さに相当する大きさに形成される。これにより蓋体１３が開口１２１の内部に配置されたとき、蓋体１３の表面を金属板１２の表面１２０に整列させることができる。

本実施形態において蓋体１３は、金属板１２と同種の金属材料（例えば無酸素銅）で構成される。一方、蓋体１３は、金属板１２とは異なる金属材料で形成されてもよい。この場合、蓋体１３を構成する金属材料は、本体１１を構成する金属材料よりも低高度の金属材料（例えばアルミニウム、アルミニウム合金等）が用いられる。

蓋体１３は、金属板１２に接合される。これにより通路１４が密閉される。本実施形態では、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）法によって蓋体１３が金属板１２に接合される。ＦＳＷによれば、接合時に局所的な発熱を伴うのみであるので、他の溶接法（アーク溶接、電子ビーム溶接、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接など）と比較して溶接入熱が少ない。これにより本体１１及び金属板１２の熱変形を抑制することができる。

次に、本実施形態のバッキングプレート１０の製造方法について説明する。図２は、バッキングプレート１０の製造方法を説明する各工程の概略断面図である。

図２（Ａ）に示すように、板状の本体１１の表面１１０に、板状の金属板１２が接合される。本実施形態では爆着法によって、本体１１と金属板１２とが相互に接合される。

爆着法は、火薬の爆発時に生じる極短時間での高エネルギーを金属間の接合に利用する方法であり、爆発溶接あるいは爆発圧接とも呼ばれる。図３は、爆着による２枚の金属製板材２１，２２の接合方法を説明する模式図である。図３（Ａ）に示すように、第１の板材２１の表面に第２の板材２２が対向配置される。第２の板材２２の背面側（図において上面側）には緩衝材４１を介して火薬層４２が設けられ、火薬層４２の一端（図において左端）には雷管４３が取り付けられている。そして図３（Ｂ）に示すように、雷管４３を起爆することで火薬層４２を図中右方に向かって順次爆発させる。第２の板材２２は所定の角度をなして第１の板材２１の表面に衝突し、衝突点から発生した金属の噴流により金属表面の酸化被膜などが除去される。このようにして衝突点から順次、２枚の板材２１，２２は清浄な表面どうしで相互に接合される。

次に図２（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、金属板１２の表面１２０に開口１２１が形成される。開口１２１は、第１の開口部１２１ａと第２の開口部１２１ｂとで構成される。第２の開口部１２１ｂは、第１の開口部１２１ａの底部に、第１の開口部１２１ａよりも狭い幅で形成される。これにより第１の開口部１２１ａと第２の開口部１２１ｂとの間に段部１２２が形成される。第１の開口部１２１ａ及び第２の開口部１２１ｂは、切削等の機械加工によって形成されてもよいし、ミリング又はエッチング等の化学的あるいは物理的手法によって形成されてもよい。

続いて図２（Ｃ）に示すように、本体１１に凹所１１１が形成される。凹所１１１は、切削等の機械加工によって形成されてもよいし、ミリング又はエッチング等の化学的あるいは物理的手法によって形成されてもよい。また凹所１１１は、第２の開口部１２１ｂの形成工程において同時に形成されてもよい。

次に図２（Ｄ）に示すように、開口１２１に蓋体１３が配置され、蓋体１３が金属板１２に接合される。これにより凹所１１１が蓋体１３によって被覆され、冷却水循環用の通路１４が形成される。

金属板１２への蓋体１３の接合には、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）が適用される。摩擦撹拌接合は、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、回転ツール１００と被接合材料３１，３２間で発生する摩擦熱および加工熱により被接合材料を軟化、撹拌させながら、被接合材料同士を固相接合する技術をいう。回転ツール１００は回転子１０１を先端部に有し、当該回転子１０１を回転させながら図中矢印方向へ移動させることで、被接合材料３１，３２を相互に接合する。

ＦＳＷは、大気中で加工できるという利点のほか、確実な接合が可能であるという特長がある。このため、通路１４の気密性を確保でき、水漏れや真空漏れを回避することができる。ＦＳＷによれば、接合時に局所的な発熱を伴うのみであるので、溶接入熱が少ない。これにより蓋材１３の接合時に本体１１及び金属板１２の熱変形を抑制することができる。

以上のようにして、本実施形態に係るバッキングプレート１０が製造される。

本実施形態においては、本体１１よりも低硬度の金属材料で構成された金属板１２に蓋体１３が接合される。このため、本体１１に耐熱性を有する高強度材料を使用する一方、金属板１２に摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）のような溶接入熱の少ない接合法を適用することができる金属材料を使用することができる。これにより溶接入熱による変形が抑制された、耐熱性・高耐圧性を有するバッキングプレート１０を製造することができる。

また本実施形態によれば、金属板１２は本体１１に対して爆着により接合されるため、本体１１に対して金属板１２を高い密着性をもって接合することができる。さらに、本体１１と金属板１２とが相互に接合された後に凹所１１１が形成されるため、あらかじめ凹所を形成した本体に金属板を爆着法によって接合する場合と比較して、爆着時の衝撃による凹所の変形を防止することができる。

さらに本実施形態によれば、金属板１２がＩｎやＳｎ等の接合材に対して濡れ性の高い金属材料で形成されるため、接合材との密着性が高くターゲット２０を安定に保持できるバッキングプレート１０を提供することができる。

一方、蓋材１３を金属板と同種の金属材料で構成した場合、金属板１２と蓋体１３との接合後、蓋体１３の硬度を金属板１２の硬度よりも高くすることができる。これにより、通路１４の強度を向上させることができ、信頼性の高いバッキングプレートを提供することができる。

例えば上述のように金属板１２を爆着によって本体１１に接合した場合、爆着の衝撃による内部応力を除去するため、接合体は熱処理されることが多い。このとき銅等の比較的軟質の金属材料は接合前に比べて硬度が低下する傾向にある。この状態で、金属板１２と同種の金属材料で構成された蓋体を金属板１２へ接合した場合、蓋体１３は金属板１２よりも高い硬度を有することになる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施形態では、本体１１と金属板１２との接合に爆着法が適用されたが、これに代えて、拡散接合法等の他の固相接合法が適用されてもよい。

また以上の実施形態では、金属板１２と蓋体１３との接合に摩擦撹拌接合法が適用されたが、本体１１あるいは金属板１２の熱変形を抑制できる限りにおいて、アーク溶接法やＴＩＧ溶接法等の他の接合法が適用されてもよい。

１０ バッキングプレート
１１ 本体
１２ 金属板
１３ 蓋体
１４ 通路
２０ ターゲット
１２１ 開口

Claims (9)

1. 第１の金属材料で構成され、冷却媒体が循環する通路が形成された第１の面を有する本体と、
   前記通路と対向する開口が形成された、スパッタリング用ターゲットと接合される第２の面を有し、前記第１の金属材料よりも低硬度の第２の金属材料で構成され、前記第１の面に接合された金属板と、
   前記通路を被覆するように前記開口の内部に配置され、前記金属板に接合された蓋体と
   を具備するバッキングプレート。
2. 請求項１に記載のバッキングプレートであって、
   前記第１の金属材料は、銅合金、チタン、チタン合金又はステンレス鋼である
   バッキングプレート。
3. 請求項２に記載のバッキングプレートであって、
   前記第２の金属材料は、銅、アルミニウム又はアルミニウム合金である
   バッキングプレート。
4. 請求項１に記載のバッキングプレートであって、
   前記第２の本体は、前記第１の面に対して爆着又は拡散接合により接合される
   バッキングプレート。
5. 請求項１に記載のバッキングプレートであって、
   前記蓋体は、前記金属板に対して摩擦撹拌接合により接合される
   バッキングプレート。
6. 請求項１に記載のバッキングプレートであって、
   前記蓋体は、前記第２の金属材料よりも高硬度であり、前記第１の金属材料よりも低硬度である
   バッキングプレート。
7. 第１の金属材料で構成された本体の第１の面に、スパッタリング用ターゲットと接合される第２の面を有する、前記第１の金属材料よりも低硬度の第２の金属材料で構成された金属板を接合し、
   前記第２の面に開口を形成し、
   前記開口を介して前記第１の面に冷却媒体が循環する通路を形成し、
   前記通路を被覆するように前記開口の内部に蓋体を配置し、前記蓋体を前記金属板に接合する
   バッキングプレートの製造方法。
8. 請求項７に記載のバッキングプレートの製造方法であって、
   前記金属板は、前記第１の面に爆着又は拡散接合により接合される
   バッキングプレートの製造方法。
9. 請求項７に記載のバッキングプレートの製造方法であって、
   前記蓋体は、前記金属板に摩擦撹拌接合により接合される
   バッキングプレートの製造方法。

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