JP6302703B2 - Film-coated substrate and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、皮膜付き基材およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a coated substrate and a method for producing the same.

基材の表面に金属窒化物からなる皮膜を形成する方法等が、従来、提案されている。   Conventionally, a method of forming a film made of metal nitride on the surface of a substrate has been proposed.

例えば特許文献1には、部品本体と、原料粉末としての窒化アルミニウム(AlN)粒子の溶射により前記部品本体の表面に形成された溶射被膜とを具備する半導体製造装置用部品であって、前記溶射被膜は窒化物の粉末粒子が未溶融で90%以上堆積して形成されていることを特徴とする半導体製造装置用部品が記載されている。そして、このような半導体製造装置用部品から発生する微細なパーティクルの発生が安定的にかつ有効的に抑制され、頻繁な装置クリーニングや部品の交換などに伴う生産性の低下や部品コストの増加を抑えることができ、高集積化された半導体素子の製造にも適用可能で、稼働率の改善によりエッチングや成膜コストの低減などを図ることも可能である半導体製造装置用部品や化合物半導体製造装置用部品と半導体製造装置や化合物半導体製造装置を提供することができると記載されている。   For example, Patent Document 1 discloses a component for a semiconductor manufacturing apparatus that includes a component main body and a thermal spray coating formed on the surface of the component main body by thermal spraying of aluminum nitride (AlN) particles as a raw material powder. A coating for a semiconductor manufacturing apparatus is described, wherein the coating is formed by depositing 90% or more of nitride powder particles which are not melted. In addition, the generation of fine particles generated from such semiconductor manufacturing equipment components is stably and effectively suppressed, resulting in a decrease in productivity and an increase in parts costs associated with frequent equipment cleaning and parts replacement. It can be applied to the manufacture of highly integrated semiconductor elements, and it can be used for semiconductor manufacturing equipment parts and compound semiconductor manufacturing equipment that can reduce etching and film formation costs by improving the operating rate. It is described that it is possible to provide a manufacturing part, a semiconductor manufacturing apparatus, and a compound semiconductor manufacturing apparatus.

また、特許文献2には、衝撃焼結被覆装置において燃料の炭化水素と酸素の混合ガスを用いてバーナに点火し燃焼室で燃焼させてフレームを発生させ、その際酸素量を燃料に対して完全燃焼の当量以下にしてフレーム温度を下げ、その後方に粉末供給用ノズルを設置し、そのノズルから被覆する微粉末(AlN等)と溶媒を用いて溶かしスラリー状にしたものと燃焼ガスからなる固体―液体―気体三相混合物を粉末供給ノズルから噴射させ、室温に保持された燃焼ガス量を増して、噴射微粉末の温度を下げて、粉末材料の変態温度、昇華温度、蒸発温度以下で加速し、衝撃により瞬時焼結させて被覆することを特徴とする衝撃焼結被覆法が記載されている。   Further, Patent Document 2 discloses that a flame is generated by igniting a burner using a mixed gas of hydrocarbon and oxygen of fuel in an impact sintering coating apparatus and burning it in a combustion chamber. The flame temperature is lowered below the equivalent of complete combustion, and a powder supply nozzle is installed behind the flame, and it is made up of fine powder (AlN, etc.) coated from the nozzle and a solvent, and a combustion gas. The solid-liquid-gas three-phase mixture is injected from the powder supply nozzle, the amount of combustion gas kept at room temperature is increased, the temperature of the injected fine powder is lowered, and the transformation temperature, sublimation temperature and evaporation temperature of the powder material are below An impact-sintering coating method characterized in that the coating is performed by accelerating and instantaneously sintering by impact is described.

さらに特許文献3には、基材上に、平均的な直径が1μm以上10μm以下の略球状をした窒化アルミニウム粒子からなる溶射膜が形成されてなる窒化アルミニウム溶射部材が記載されている。そして、このような窒化アルミニウム部材は、窒化アルミニウムの持つ優れた特性を溶射によって部材表面に付与することで、半導体等の製造における静電チャック、ヒーター、プラズマ処理装置チャンバーに使用した際、絶縁性と高い熱伝導性を持ち、ウェハの面内温度分布を均一にすることができるため、安定して処理を行うことができる。また、パワーデバイスの放熱絶縁基板に使用した際、大面積で絶縁層が薄い絶縁基板を容易に提供することができると記載されている。   Further, Patent Document 3 describes an aluminum nitride sprayed member in which a sprayed film made of substantially spherical aluminum nitride particles having an average diameter of 1 μm to 10 μm is formed on a base material. Such an aluminum nitride member is provided with an excellent characteristic of aluminum nitride on the surface of the member by thermal spraying, so that when used in an electrostatic chuck, heater, plasma processing apparatus chamber in the manufacture of semiconductors, etc. Therefore, it is possible to perform the processing stably because it has a high thermal conductivity and can make the in-plane temperature distribution of the wafer uniform. Further, it is described that an insulating substrate having a large area and a thin insulating layer can be easily provided when used as a heat dissipation insulating substrate for a power device.

国際公開第2010/027073号パンフレットInternational Publication No. 2010/027073 Pamphlet 特開2010−242204号公報JP 2010-242204 A 特開2009−235558号公報JP 2009-235558 A

しかしながら、従来法では、耐電圧性と熱伝導率とが共に優れる金属窒化物の皮膜を有する皮膜付き基材を製造することができなかった。例えば特許文献2には、実施例3として、窒化アルミニウム粉末と酸化イットリウムまたは酸化マグネシウムとの混合粉末を用いて溶射し、基材の表面に皮膜を形成したところ、熱伝導率が11〜46W/mKであった旨が記載されている。   However, in the conventional method, a coated substrate having a metal nitride film excellent in both voltage resistance and thermal conductivity could not be produced. For example, in Patent Document 2, as Example 3, thermal spraying was performed using a mixed powder of aluminum nitride powder and yttrium oxide or magnesium oxide to form a film on the surface of the substrate. The fact that it was mK is described.

本発明は上記のような課題を解決することを目的とする。
すなわち、耐電圧が高く(概ね100MV/m以上)、かつ、熱伝導率が高い(概ね50W/mK以上)金属窒化物の皮膜を基材の表面に有する皮膜付き基材の製造方法およびその製造方法によって得られる皮膜付き基材を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to solve the above problems.
That is, a method for producing a coated substrate having a metal nitride film on the surface of the substrate having a high withstand voltage (approximately 100 MV / m or more) and high thermal conductivity (approximately 50 W / mK or more) and its production It aims at providing the base material with a film obtained by a method.

本発明者は上記課題を解決するため鋭意検討し、本発明を完成させた。
本発明は以下の(1)〜(6)である。
(1)昇華性を備え、溶融相を持たない金属窒化物の粒子を主成分とする原料粉末を、有機溶媒に分散させてスラリーを得るスラリー調製工程と、
溶射装置から噴出するフレーム中における前記原料粉末の温度が前記金属窒化物の昇華温度よりも低く、かつ、前記フレーム中における前記原料粉末の速度が500〜1500m/sとなるように、前記フレームへ前記スラリーを供給してフレーム溶射し、基材の表面に皮膜を形成する皮膜形成工程と、
を備える、皮膜付き基材の製造方法。
(2)前記スラリー調製工程において、前記金属窒化物は窒化アルミニウムであり、
前記皮膜形成工程において、前記フレーム中における前記原料粉末の温度を1900〜2500℃とする、上記(1)に記載の皮膜付き基材の製造方法。
(3)前記皮膜形成工程において、30〜150psiの供給圧力に調整した酸素含有気体と、20〜140psiの供給圧力に調整した主燃料との混合ガスを得た後、得られた混合ガスに点火して前記フレームを生じさせ、そのフレームへ、前記スラリーを加え、15〜30psiの供給圧力に調整した補助燃料を供給してフレーム溶射する、上記(1)または(2)に記載の皮膜付き基材の製造方法。
(4)前記補助燃料がアセチレンである、上記(3)に記載の皮膜付き基材の製造方法。
(5)前記金属窒化物の粒子の平均粒子径が0.5〜3μmである、上記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の皮膜付き基材の製造方法。
(6)上記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の皮膜付き基材の製造方法によって製造される、耐電圧が100MV/m以上であり、かつ、熱伝導率が50W/mK以上である皮膜を有する、皮膜付き基材。
The inventor has intensively studied to solve the above-mentioned problems, and has completed the present invention.
The present invention includes the following (1) to (6).
(1) A slurry preparation step of obtaining a slurry by dispersing a raw material powder mainly comprising metal nitride particles having sublimation properties and no melt phase in an organic solvent;
To the frame, the temperature of the raw material powder in the frame ejected from the thermal spraying device is lower than the sublimation temperature of the metal nitride, and the speed of the raw material powder in the frame is 500 to 1500 m / s. A film forming step of supplying the slurry and flame spraying to form a film on the surface of the substrate,
The manufacturing method of the base material with a film | membrane provided with.
(2) In the slurry preparation step, the metal nitride is aluminum nitride,
The manufacturing method of the base material with a film | membrane as described in said (1) which sets the temperature of the said raw material powder in the said flame | frame in the said film formation process as 1900-2500 degreeC.
(3) In the film forming step, after obtaining a mixed gas of an oxygen-containing gas adjusted to a supply pressure of 30 to 150 psi and a main fuel adjusted to a supply pressure of 20 to 140 psi, the obtained mixed gas is ignited Then, the frame is formed, the slurry is added to the frame, auxiliary fuel adjusted to a supply pressure of 15 to 30 psi is supplied, and flame spraying is performed as described in (1) or (2). A method of manufacturing the material.
(4) The manufacturing method of the base material with a film | membrane as described in said (3) whose said auxiliary fuel is acetylene.
(5) The manufacturing method of the base material with a film | membrane as described in any one of said (1)-(4) whose average particle diameter of the particle | grains of the said metal nitride is 0.5-3 micrometers.
(6) The withstand voltage is 100 MV / m or more, and the thermal conductivity is 50 W / mK, which is produced by the method for producing a coated substrate according to any one of (1) to (5) above. The base material with a film which has the film which is the above.

本発明によれば、耐電圧が高く(概ね100MV/m以上)、かつ、熱伝導率が高い(概ね50W/mK以上)金属窒化物の皮膜を基材の表面に有する皮膜付き基材の製造方法およびその製造方法によって得られる皮膜付き基材を提供することができる。   According to the present invention, a coated substrate having a metal nitride film on the surface of the substrate having a high withstand voltage (approximately 100 MV / m or more) and a high thermal conductivity (approximately 50 W / mK or more). The base material with a film obtained by the method and its manufacturing method can be provided.

フレーム溶射装置を例示する概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which illustrates a flame spraying apparatus. 実施例1において得られた皮膜のプラズマ耐性試験結果を示すグラフである。4 is a graph showing the plasma resistance test results of the coating obtained in Example 1. 実施例2において得られた皮膜の断面SEM画像である。3 is a cross-sectional SEM image of the film obtained in Example 2.

本発明について説明する。
本発明は、昇華性を備え、溶融相を持たない金属窒化物の粒子を主成分とする原料粉末を、有機溶媒に分散させてスラリーを得るスラリー調製工程と、溶射装置から噴出するフレーム中における前記原料粉末の温度が前記金属窒化物の昇華温度よりも低く、かつ、前記フレーム中における前記原料粉末の速度が500〜1500m/sとなるように、前記フレームへ前記スラリーを供給してフレーム溶射し、基材の表面に皮膜を形成する皮膜形成工程と、を備える、皮膜付き基材の製造方法である。
このような皮膜付き基材の製造方法を、以下では「本発明の製造方法」ともいう。
The present invention will be described.
The present invention provides a slurry preparation step for obtaining a slurry by dispersing a raw material powder mainly composed of metal nitride particles having sublimation properties and having no molten phase in an organic solvent, and in a frame ejected from a thermal spraying device. Flame spraying is performed by supplying the slurry to the frame so that the temperature of the raw material powder is lower than the sublimation temperature of the metal nitride and the speed of the raw material powder in the frame is 500 to 1500 m / s. And a film forming step of forming a film on the surface of the substrate.
Hereinafter, such a method for producing a film-coated substrate is also referred to as “the production method of the present invention”.

本発明の製造方法が備える各工程について説明する。   Each process with which the manufacturing method of this invention is provided is demonstrated.

<スラリー調整工程>
初めに、スラリー調整工程について説明する。
本発明の製造方法においてスラリー調整工程では、昇華性を備え、溶融相を持たない金属窒化物の粒子を主成分とする原料粉末を、有機溶媒に分散させてスラリーを得る。
<Slurry adjustment process>
First, the slurry adjustment step will be described.
In the slurry adjusting step in the production method of the present invention, a raw material powder mainly composed of metal nitride particles having sublimation properties and no melt phase is dispersed in an organic solvent to obtain a slurry.

原料粉末について説明する。
原料粉末は、昇華性を備え、溶融相を持たない金属窒化物の粒子を主成分とする。
The raw material powder will be described.
The raw material powder is mainly composed of metal nitride particles having sublimation properties and no melt phase.

ここで、昇華性を備え、溶融相を持たない金属窒化物とは、融点よりも低い温度で蒸発し、常圧下、融点においては気体で存在する金属窒化物を意味するものとする。   Here, the metal nitride having sublimation property and having no melt phase means a metal nitride which evaporates at a temperature lower than the melting point and exists in a gas at the melting point under normal pressure.

このような金属窒化物として、例えば、AlN、BN、Si34、NbN、GaN、InN、ScN、YN、LaN、Ge34、Sn34、TiN、ZrN、HfN、Th34、VN、TaN、CrN、Mo2N、WN、Fe4N、LaN、CeN、GdNが挙げられる。 As such a metal nitride, for example, AlN, BN, Si 3 N 4 , NbN, GaN, InN, ScN, YN, LaN, Ge 3 N 4 , Sn 3 N 4 , TiN, ZrN, HfN, Th 3 N 4 , VN, TaN, CrN, Mo 2 N, WN, Fe 4 N, LaN, CeN, GdN.

また、「主成分」とは、70質量%以上、好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、より好ましくは98質量%以上、さらに好ましくは実質的に100質量%(すなわち、原料や製造工程から混入し得る不可避的不純物以外は前記金属窒化物の粒子以外のものを含まないこと)であることを意味する。
以下において特に断りがない限り「主成分」の文言は、このような意味で用いるものとする。
The “main component” is 70% by mass or more, preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, more preferably 98% by mass or more, and still more preferably substantially. Means 100% by mass (that is, it contains no metal nitride particles other than the inevitable impurities that can be mixed from the raw materials and the manufacturing process).
In the following description, the term “main component” is used in this sense unless otherwise specified.

原料粉末は、前記金属窒化物を主成分とし、前記金属窒化物以外のものを含んでもよい。原料粉末が含んでもよい前記金属窒化物以外の成分として、金属、金属酸化物、金属炭化物、金属水酸化物などが例示される。金属窒化物がAlNの場合、その他の成分として、CaO、Y23、Al23、Ln23、La23、CeO2、Nb23、Sm23、Gd23、Dy23を含んでもよい。 The raw material powder may contain the metal nitride as a main component and other than the metal nitride. Examples of components other than the metal nitride that may be included in the raw material powder include metals, metal oxides, metal carbides, and metal hydroxides. When the metal nitride is AlN, other components include CaO, Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , Ln 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Nb 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Gd 2. O 3 and Dy 2 O 3 may also be included.

原料粉末は、粒子径が0.01〜30μmであることが好ましく、0.1〜5μmであることがより好ましい。
また、原料粉末は、平均粒子径(メジアン径)が0.01〜30μmであることが好ましく、0.5〜3μmであることがより好ましい。
ここで原料粉末の粒子径は、従来公知のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて測定して求める値とする。
また、原料粉末の平均粒子径は、従来公知のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて積算粒度分布(体積基準)を測定して求める値とする。
The raw material powder preferably has a particle size of 0.01 to 30 μm, and more preferably 0.1 to 5 μm.
The raw material powder preferably has an average particle diameter (median diameter) of 0.01 to 30 μm, and more preferably 0.5 to 3 μm.
Here, the particle diameter of the raw material powder is a value determined by measurement using a conventionally known laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus.
The average particle diameter of the raw material powder is a value obtained by measuring an integrated particle size distribution (volume basis) using a conventionally known laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus.

スラリーについて説明する。
スラリー調整工程では、上記のような原料粉末を有機溶媒に分散させてスラリーを得る。
The slurry will be described.
In the slurry adjusting step, the raw material powder as described above is dispersed in an organic solvent to obtain a slurry.

有機溶媒は従来公知のものを用いることができ、例えばアルコール類を用いることができる。アルコール類としてはエチルアルコール、メチルアルコール、灯油が挙げられる。有機溶媒としてエチルアルコールを用いることが好ましい。
有機溶媒としてアルコール類を用いると(好ましくは冷却されたアルコール類を用いると)、スラリーがフレーム内へ供給されて有機溶媒が気化する際に気化熱によってフレームの温度を低下させ得る。そして、原料粉末の少なくとも一部が未溶融状態のまま皮膜を構成し易くなり、より耐電圧が高く、かつ、より熱伝導率が高い金属窒化物の皮膜を基材の表面に形成することができるからである。
A conventionally well-known thing can be used for an organic solvent, for example, alcohol can be used. Examples of alcohols include ethyl alcohol, methyl alcohol, and kerosene. It is preferable to use ethyl alcohol as the organic solvent.
When an alcohol is used as the organic solvent (preferably a cooled alcohol is used), the temperature of the frame can be lowered by heat of vaporization when the slurry is supplied into the frame and the organic solvent is vaporized. Then, it becomes easy to form a film while at least a part of the raw material powder is in an unmelted state, and a metal nitride film having a higher withstand voltage and a higher thermal conductivity can be formed on the surface of the substrate. Because it can.

このような有機溶媒へ前記原料粉末を添加し、必要に応じて超音波発信機等を用いて撹拌等することで分散させて、スラリーを得ることができる。
スラリー中に含まれる原料粉末の含有率は1〜90質量%であることが好ましく、20〜70質量%であることがより好ましい。
The raw material powder can be added to such an organic solvent and dispersed by stirring or the like using an ultrasonic transmitter or the like as necessary to obtain a slurry.
It is preferable that the content rate of the raw material powder contained in a slurry is 1-90 mass%, and it is more preferable that it is 20-70 mass%.

<皮膜形成工程>
皮膜形成工程について説明する。
本発明の製造方法において皮膜形成工程では、溶射装置から噴出するフレーム中における前記原料粉末の温度が前記金属窒化物の昇華温度よりも低く、かつ、前記フレーム中における前記原料粉末の速度が500〜1500m/sとなるように、前記フレームへ前記スラリーを供給してフレーム溶射し、基材の表面に皮膜を形成する。
<Film formation process>
The film forming process will be described.
In the film forming step of the production method of the present invention, the temperature of the raw material powder in the frame ejected from the thermal spraying device is lower than the sublimation temperature of the metal nitride, and the speed of the raw material powder in the frame is 500 to 500. The slurry is supplied to the frame so as to be 1500 m / s and flame sprayed to form a film on the surface of the substrate.

フレーム溶射を行う溶射装置は、例えば図1に示すフレーム溶射装置を用いることができる。
図1において溶射装置10は、内部に燃焼室12を有し、この燃焼室12へ酸素含有気体を供給するための酸素流路14および主燃料を供給するための主燃料流路16と、これら酸素含有気体と主燃料との混合体に点火するためのバーナ18とを有する。また、燃焼室12にはバーナ18に対向する側に、フレームを噴出させるための孔(ガンノズル20)が形成されており、さらにガンノズル20の外側には中心に孔を有する円筒状の先端筒22が設置されていて、ガンノズル20および先端筒22の孔から外側へ向かってフレームを噴出させることができる。先端筒22の孔を大きさを調整することで、フレームの速度を調整することができる。
For example, the flame spraying apparatus shown in FIG. 1 can be used as the thermal spraying apparatus that performs the flame spraying.
In FIG. 1, a thermal spraying apparatus 10 has a combustion chamber 12 therein, an oxygen flow path 14 for supplying an oxygen-containing gas to the combustion chamber 12, a main fuel flow path 16 for supplying main fuel, and these And a burner 18 for igniting a mixture of oxygen-containing gas and main fuel. In addition, a hole (gun nozzle 20) for ejecting the frame is formed in the combustion chamber 12 on the side facing the burner 18, and a cylindrical tip tube 22 having a hole in the center on the outside of the gun nozzle 20. Is installed, and the frame can be ejected outward from the holes of the gun nozzle 20 and the tip tube 22. The speed of the frame can be adjusted by adjusting the size of the hole in the tip tube 22.

先端筒22にはスラリー供給流路24が形成されていて、ここからフレーム内へ前記スラリーを供給する。また、先端筒22には、さらに補助燃料供給流路26が形成されていて、ここからフレームへ補助燃料を供給することができる。   A slurry supply channel 24 is formed in the distal end tube 22, and the slurry is supplied from here into the frame. Further, an auxiliary fuel supply channel 26 is further formed in the distal end tube 22, from which auxiliary fuel can be supplied to the frame.

ガンノズル20には圧縮空気供給流路28が形成されていて、ここから供給された圧縮空気が先端筒22に形成された孔の内側側面に沿って流れるように供給される。これによってスラリー供給流路24から供給されたスラリーが先端筒22が有する孔の内側側面に付着しないように構成されている。   A compressed air supply passage 28 is formed in the gun nozzle 20, and the compressed air supplied therefrom is supplied so as to flow along the inner side surface of the hole formed in the tip tube 22. Thus, the slurry supplied from the slurry supply channel 24 is configured not to adhere to the inner side surface of the hole of the tip tube 22.

例えば図1に示した溶射装置10を用いる場合、皮膜形成工程では、溶射装置10から噴出するフレーム中における前記原料粉末の温度が前記金属窒化物の昇華温度よりも低く、かつ、前記フレーム中における前記原料粉末の速度が500〜1500m/sとなるような条件において、前記フレームへ前記スラリーを供給してフレーム溶射する。   For example, when the thermal spraying device 10 shown in FIG. 1 is used, in the film forming step, the temperature of the raw material powder in the flame ejected from the thermal spraying device 10 is lower than the sublimation temperature of the metal nitride, and in the flame. Under the condition that the speed of the raw material powder is 500 to 1500 m / s, the slurry is supplied to the frame and flame sprayed.

ここで原料粉末の温度および速度は、フレーム溶射装置における先端筒の先端から基材の主面までの長さを100%とし、先端筒の先端を0%の位置、基材の主面を100%の位置とした場合、65%の位置から85%の位置までの範囲におけるフレーム内に存在する原料粉末の温度および速度を意味するものとする。なお、原料粉末の温度および速度は、従来公知の溶射粒子温度測定装置(例えば、Oseir社製、スプレーウォッチ3i)を用いて測定することができる。   Here, the temperature and speed of the raw material powder are set such that the length from the tip of the tip tube to the main surface of the substrate in the flame spraying apparatus is 100%, the tip of the tip tube is 0%, and the main surface of the substrate is 100. In the case of the% position, it means the temperature and speed of the raw material powder existing in the frame in the range from the 65% position to the 85% position. In addition, the temperature and speed | rate of raw material powder can be measured using the conventionally well-known thermal spray particle temperature measuring apparatus (For example, the product made by Osair, spray watch 3i).

このようにして測定される原料粉末の温度が、前記金属窒化物の昇華温度よりも低くなるようにする。例えば金属窒化物が窒化アルミニウムである場合、フレーム中における原料粉末(窒化アルミニウム)の温度を1900〜2500℃とすることが好ましく、2030〜2450℃とすることがより好ましい。このフレーム中における原料粉末(窒化アルミニウム)の温度は、補助燃料(アセチレン等)を用いる場合、1900〜2200℃とすることが好ましく、補助燃料を用いない場合、2300〜2500℃とすることが好ましい。
後述するように、酸素含有気体の供給圧力、主燃料の供給圧力、補助燃料の供給圧力等を最適化することによって、原料粉末の温度が前記金属窒化物の昇華温度よりも低くなるように調整することができる。
Thus, the temperature of the raw material powder measured is made lower than the sublimation temperature of the metal nitride. For example, when the metal nitride is aluminum nitride, the temperature of the raw material powder (aluminum nitride) in the frame is preferably 1900 to 2500 ° C, and more preferably 2030 to 2450 ° C. The temperature of the raw material powder (aluminum nitride) in the frame is preferably 1900 to 2200 ° C. when auxiliary fuel (acetylene or the like) is used, and preferably 2300 to 2500 ° C. when no auxiliary fuel is used. .
As described later, by adjusting the supply pressure of the oxygen-containing gas, the supply pressure of the main fuel, the supply pressure of the auxiliary fuel, etc., the temperature of the raw material powder is adjusted to be lower than the sublimation temperature of the metal nitride. can do.

また、このようにして測定される原料粉末の速度が、500〜1500m/sとなるようにする。この速度は600〜900m/sとなるようにすることが好ましい。
後述するように、酸素含有気体の供給圧力、主燃料の供給圧力、補助燃料の供給圧力等を最適化することによって、原料粉末の速度を500〜1500m/sとなるように調整することができる。
Moreover, the speed of the raw material powder measured in this way is set to 500 to 1500 m / s. This speed is preferably 600 to 900 m / s.
As described later, by optimizing the supply pressure of the oxygen-containing gas, the supply pressure of the main fuel, the supply pressure of the auxiliary fuel, etc., the speed of the raw material powder can be adjusted to 500 to 1500 m / s. .

図1に示した溶射装置を用いる場合、次のようにフレーム溶射して、皮膜形成工程を行うことができる。   When the thermal spraying apparatus shown in FIG. 1 is used, the film forming process can be performed by flame spraying as follows.

図1に示した溶射装置10における酸素流路14および主燃料流路16から酸素含有気体および主燃料を供給する。   The oxygen-containing gas and the main fuel are supplied from the oxygen channel 14 and the main fuel channel 16 in the thermal spraying apparatus 10 shown in FIG.

ここで酸素含有気体は酸素を含む気体、例えば空気であってよく、酸素と空気とを混合した気体であってもよい。酸素含有気体は酸素であることが好ましい。   Here, the oxygen-containing gas may be a gas containing oxygen, for example, air, or a gas in which oxygen and air are mixed. The oxygen-containing gas is preferably oxygen.

酸素含有気体は、圧力を30〜150psiとして供給することが好ましく、55〜125psiとして供給することがより好ましく、60〜90psiとして供給することがより好ましく、65〜80psiとして供給することがさらに好ましい。   The oxygen-containing gas is preferably supplied at a pressure of 30 to 150 psi, more preferably 55 to 125 psi, more preferably 60 to 90 psi, and even more preferably 65 to 80 psi.

酸素含有気体は、流量400〜1000L/minで供給することが好ましく、600〜900L/minで供給することがより好ましく、700〜800L/minで供給することがさらに好ましい。   The oxygen-containing gas is preferably supplied at a flow rate of 400 to 1000 L / min, more preferably 600 to 900 L / min, and even more preferably 700 to 800 L / min.

主燃料は、圧力を20〜140psiとして供給することが好ましく、40〜130psiとして供給することがより好ましく、45〜120psiとして供給することがより好ましく、47〜115psiとして供給することがさらに好ましい。   The main fuel is preferably supplied at a pressure of 20 to 140 psi, more preferably 40 to 130 psi, more preferably 45 to 120 psi, and even more preferably 47 to 115 psi.

主燃料は、流量100〜500ml/minで供給することが好ましく、150〜
400ml/minで供給することがより好ましく、200〜350ml/minで供給
することがさらに好ましい。
The main fuel is preferably supplied at a flow rate of 100 to 500 ml / min,
It is more preferable to supply at 400 ml / min, and it is more preferable to supply at 200 to 350 ml / min.

ここで主燃料としては、灯油、アセチレン、プロピレン、プロパン、エチレン、天然ガス等を用いることができる。主燃料は、これらの中でも、灯油であることが好ましい。   Here, kerosene, acetylene, propylene, propane, ethylene, natural gas, or the like can be used as the main fuel. Among these, the main fuel is preferably kerosene.

また、酸素含有気体および主燃料の混合比は特に限定されないが、主燃料が不完全燃焼する混合比であることが好ましい。不完全燃焼させると、燃焼しなかった一部の主燃料や、スラリー中の有機溶媒(アルコール類等)が気化する際の気化熱によって、フレームの温度を低下させ、その結果、原料粉末の少なくとも一部が未変質のまま皮膜を構成し易くなり、より耐電圧が高く、かつ、より熱伝導率が高い金属窒化物の皮膜を基材の表面に有する皮膜付き基材を製造しやすくなるからである。
なお、ここでは、後述する補助燃料ならびにスラリーおよび圧縮空気に含まれ得る酸素については考慮せずに、酸素含有気体および主燃料の混合比のみを、主燃料が不完全燃焼するように調整することが好ましい。
The mixing ratio of the oxygen-containing gas and the main fuel is not particularly limited, but is preferably a mixing ratio at which the main fuel is incompletely burned. When incompletely combusted, the flame temperature is lowered by the heat of vaporization when some of the main fuel that has not combusted and the organic solvent (alcohols, etc.) in the slurry is vaporized. It becomes easier to construct a film with a part of it unchanged, and it becomes easier to produce a coated substrate having a metal nitride film having a higher withstand voltage and higher thermal conductivity on the surface of the substrate. It is.
It should be noted that here, only the mixing ratio of the oxygen-containing gas and the main fuel is adjusted so that the main fuel is incompletely burned without considering the auxiliary fuel and oxygen that can be contained in the slurry and compressed air. Is preferred.

このようにして酸素含有気体および主燃料を燃焼室へ供給して混合し、得られた混合体に点火してフレームを発生させる。そして、フレームの内部へ前記スラリーを供給する。
ここで、スラリーを気体と混合した後、フレームへ投入することが好ましい。気体は空気であることが好ましい。より耐電圧が高く、かつ、より熱伝導率が高い金属窒化物の皮膜を形成することができるからである。
In this way, the oxygen-containing gas and the main fuel are supplied to the combustion chamber and mixed, and the resulting mixture is ignited to generate a flame. Then, the slurry is supplied into the frame.
Here, it is preferable that the slurry is mixed with gas and then introduced into the frame. The gas is preferably air. This is because a metal nitride film having higher withstand voltage and higher thermal conductivity can be formed.

スラリー供給量は20〜80ml/minであることが好ましく、30〜60ml/minであることがより好ましい。
スラリー中の固形分濃度は10〜60質量%であることが好ましく、15〜50質量%であることがより好ましく、15〜40質量%であることがより好ましく、20〜38質量%であることがより好ましく、25〜35質量%であることがさらに好ましい。
The slurry supply amount is preferably 20 to 80 ml / min, and more preferably 30 to 60 ml / min.
The solid content concentration in the slurry is preferably 10 to 60% by mass, more preferably 15 to 50% by mass, more preferably 15 to 40% by mass, and 20 to 38% by mass. Is more preferable, and it is still more preferable that it is 25-35 mass%.

圧縮空気は用いなくてよいが、用いる場合、圧縮空気の圧力を0.2〜1.5MPaとして供給することが好ましく、0.3〜0.8MPaとして供給することがより好ましい。また、圧縮空気は、流量を250〜2000L/minとして供給することが好ましく、400〜800L/minとして供給することがより好ましい。
なお、圧縮空気の代わりに、圧縮されていない気体(例えば大気)を利用することができる場合もある。
Compressed air may not be used, but when used, the compressed air pressure is preferably supplied as 0.2 to 1.5 MPa, more preferably 0.3 to 0.8 MPa. The compressed air is preferably supplied at a flow rate of 250 to 2000 L / min, and more preferably 400 to 800 L / min.
In some cases, uncompressed gas (for example, air) can be used instead of compressed air.

皮膜調整工程では補助燃料を用いることが好ましい。補助燃料を用いて、フレームの温度を調整することができる。
補助燃料をフレームに供給すると、補助燃料がフレーム内へ供給されて気化する際に気化熱によってフレームの温度を低下させることもできる。この場合、原料粉末の少なくとも一部が未溶融状態のまま皮膜を構成し易くなるので好ましい。
In the film adjustment step, it is preferable to use auxiliary fuel. Auxiliary fuel can be used to adjust the temperature of the frame.
When the auxiliary fuel is supplied to the frame, the temperature of the frame can be lowered by the heat of vaporization when the auxiliary fuel is supplied into the frame and vaporized. In this case, it is preferable because at least a part of the raw material powder can easily form a film in an unmelted state.

補助燃料として、アセチレン、メタン、エタン、ブタン、プロパン、プロピレンを用いることができる。   As the auxiliary fuel, acetylene, methane, ethane, butane, propane, and propylene can be used.

補助燃料は、圧力を0.05〜1.0MPaとして供給することが好ましく、0.1〜0.5MPaとして供給することがより好ましい。また、補助燃料は、流量を5〜100L/minとして供給することが好ましく、10〜30L/minとして供給することがより好ましい。   The auxiliary fuel is preferably supplied at a pressure of 0.05 to 1.0 MPa, more preferably 0.1 to 0.5 MPa. The auxiliary fuel is preferably supplied at a flow rate of 5 to 100 L / min, more preferably 10 to 30 L / min.

図1に示した溶射装置10を用いる場合、先端筒22の先端から基材の主面までの距離を10〜250mmとすることが好ましく、70〜150mmとすることがより好ましい。   When using the thermal spraying apparatus 10 shown in FIG. 1, it is preferable that the distance from the front-end | tip of the front-end | tip cylinder 22 to the main surface of a base material shall be 10-250 mm, and it is more preferable to set it as 70-150 mm.

基材について説明する。
基材は特に限定されず、アルミニウム、ステンレス、ガラス(石英ガラスや無アルカリガラスなど)、セラミック(Y23、AlN、Al23などからなる焼結体など)、カーボン等が挙げられる。
特にAlNからなるセラミック基材の表面にAlNからなる皮膜を形成した皮膜付き基材は、プラズマ耐性が高く、かつ、放熱性が極めて高い点で極めて優れている。
The substrate will be described.
The substrate is not particularly limited, and examples thereof include aluminum, stainless steel, glass (such as quartz glass and non-alkali glass), ceramic (such as a sintered body made of Y 2 O 3 , AlN, Al 2 O 3 , etc.), carbon, and the like. .
In particular, a substrate with a film in which a film made of AlN is formed on the surface of a ceramic substrate made of AlN is extremely excellent in that it has high plasma resistance and extremely high heat dissipation.

基材の大きさや形状は特に限定されないが、板状のものであることが好ましい。本発明の製造方法では、このような板状の基材(基板ともいう)の主面上に皮膜を形成することが好ましい。   Although the magnitude | size and shape of a base material are not specifically limited, It is preferable that it is a plate-shaped thing. In the manufacturing method of this invention, it is preferable to form a film | membrane on the main surface of such a plate-shaped base material (it is also called a board | substrate).

皮膜形成工程では、有機溶媒や補助燃料の種類や供給量等を調整して、前記原料粉末の少なくとも一部が未溶融状態のまま皮膜を構成する処理条件でフレーム溶射することが好ましい。   In the film forming step, it is preferable to flame spray under the processing conditions for adjusting the organic solvent and the auxiliary fuel, adjusting the kind and supply amount, etc., and forming the film while at least a part of the raw material powder is in an unmelted state.

前記皮膜形成工程では、30〜150psiの供給圧力に調整した酸素含有気体(好ましくは酸素)と、20〜140psiの供給圧力に調整した主燃料(好ましくは灯油)とを混合ガスを得た後、得られた混合ガスに点火して前記フレームを生じさせ、そのフレームへ、前記スラリーに加え、15〜30psiの供給圧力に調整した補助燃料(好ましくはアセチレン)を供給してフレーム溶射することが好ましい。ここで、スラリー供給量が20〜80ml/minであることが好ましく、30〜60ml/minであることがより好ましい。
このような酸素含有気体の供給圧力、主燃料の供給圧力および補助燃料の供給圧力(好ましくはさらに上記のようなスラリー供給量)とした場合、溶射装置から噴出するフレーム中における前記原料粉末の温度が前記金属窒化物の昇華温度よりも低く、かつ、前記フレーム中における前記原料粉末の速度が500〜1500m/sとなり得る。
In the film formation step, after obtaining a mixed gas of an oxygen-containing gas (preferably oxygen) adjusted to a supply pressure of 30 to 150 psi and a main fuel (preferably kerosene) adjusted to a supply pressure of 20 to 140 psi, The obtained mixed gas is ignited to generate the flame, and in addition to the slurry, auxiliary fuel (preferably acetylene) adjusted to a supply pressure of 15 to 30 psi is supplied to the flame, and flame spraying is preferably performed. . Here, the slurry supply amount is preferably 20 to 80 ml / min, and more preferably 30 to 60 ml / min.
When the supply pressure of the oxygen-containing gas, the supply pressure of the main fuel, and the supply pressure of the auxiliary fuel (preferably further the slurry supply amount as described above), the temperature of the raw material powder in the flame ejected from the thermal spraying device Is lower than the sublimation temperature of the metal nitride, and the speed of the raw material powder in the frame can be 500 to 1500 m / s.

このような皮膜形成工程によって、前記基材の表面に皮膜を形成することができる。   A film can be formed on the surface of the substrate by such a film forming process.

皮膜の厚さは、10μm以上であることが好ましく、30μm以上であることがより好ましく、50μm以上であることがさらに好ましい。また、皮膜の厚さは、1000μm以下であってよく、200μm以下であってよい。   The thickness of the film is preferably 10 μm or more, more preferably 30 μm or more, and further preferably 50 μm or more. Further, the thickness of the film may be 1000 μm or less, and may be 200 μm or less.

皮膜は、前記原料粉末の一部が未変質であることが好ましい。
したがって、例えば前記原料粉末がAlNである場合、皮膜に含まれる未変質のAlNの含有率が80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましい。また、この含有率は95質量%以下であってよい。
It is preferable that a part of the raw material powder is unmodified in the film.
Therefore, for example, when the raw material powder is AlN, the content of unmodified AlN contained in the film is preferably 80% by mass or more, and more preferably 90% by mass or more. Moreover, this content rate may be 95 mass% or less.

このような本発明の製造方法によって、基材の表面に皮膜を有する皮膜付き基材を得ることができる。
このような皮膜付き基材における皮膜は、金属窒化物を主成分とし、耐電圧が高く、かつ、熱伝導率が高い。
By such a production method of the present invention, a coated substrate having a film on the surface of the substrate can be obtained.
The film in such a film-coated substrate has metal nitride as a main component, has a high withstand voltage, and has a high thermal conductivity.

また、このような皮膜付き基材は耐プラズマ性が高い。ここで耐プラズマ性におけるプラズマは、種類において特に制限はされないが、例えば大気圧プラズマ、誘導結合プラズマ、容量結合プラズマ、有磁場プラズマ、高周波プラズマ、熱プラズマなどが挙げられる。また、皮膜の気孔率が低いと、耐プラズマ性が高い。具体的には皮膜の気孔率が7%以下であることが好ましい。
ここで気孔率とは、走査型電子顕微鏡などで皮膜断面を撮影し、得られた2000倍率の画像から求めた視野面積当たりの空孔面積、つまり、空孔面積/視野面積×100(%)の値を意味する。
Moreover, such a substrate with a coating has high plasma resistance. Here, the plasma resistance is not particularly limited in kind, and examples thereof include atmospheric pressure plasma, inductively coupled plasma, capacitively coupled plasma, magnetic field plasma, high frequency plasma, and thermal plasma. Moreover, when the porosity of the film is low, the plasma resistance is high. Specifically, the porosity of the film is preferably 7% or less.
Here, the porosity is a pore area per visual field area obtained by photographing a cross section of a film with a scanning electron microscope or the like and obtained from an image with a magnification of 2000, that is, a pore area / a visual field area × 100 (%). Means the value of

このように皮膜付き基材はプラズマ耐性が高いので、プラズマ雰囲気に曝される部材に用いることができる。例えば半導体製造装置、フラットパネルディスプレイ製造装置、または太陽電池パネル製造装置などの部材が挙げられる。本発明の皮膜付き基材は半導体製造装置部材に用いることが好ましい。半導体製造装置部材として、例えばイオン注入装置、エピタキシャル成長装置、CVD装置、真空蒸着装置、エッチング装置、スパッタリング装置、アッシング装置などにおいてプラズマ雰囲気に曝される部材が挙げられる。この部材として、例えばチャンバー、ベルジャー、サセプター、クランプリング、フォーカスリング、シャドーリング、絶縁リング、ダミーウエハー、プラズマを発生させるためのチューブ、プラズマを発生させるためのドーム、透過窓、赤外線透過窓、監視窓、半導体ウエハーを支持するためのリフトピン、シャワー板、バッフル板、ベローズカバー、上部電極、下部電極、静電チャックなどが挙げられる。   Thus, since a base material with a film has high plasma resistance, it can be used for a member exposed to a plasma atmosphere. For example, members, such as a semiconductor manufacturing apparatus, a flat panel display manufacturing apparatus, or a solar cell panel manufacturing apparatus, are mentioned. The substrate with a film of the present invention is preferably used for a semiconductor manufacturing apparatus member. Examples of the semiconductor manufacturing apparatus member include a member exposed to a plasma atmosphere in an ion implantation apparatus, an epitaxial growth apparatus, a CVD apparatus, a vacuum deposition apparatus, an etching apparatus, a sputtering apparatus, an ashing apparatus, and the like. For example, chamber, bell jar, susceptor, clamp ring, focus ring, shadow ring, insulating ring, dummy wafer, tube for generating plasma, dome for generating plasma, transmission window, infrared transmission window, monitoring Examples thereof include a window, a lift pin for supporting a semiconductor wafer, a shower plate, a baffle plate, a bellows cover, an upper electrode, a lower electrode, and an electrostatic chuck.

<実施例1>
厚さ3mmのアルミニウム基板を用意し、この基板の主面上へ、窒化アルミニウム粒子(平均粒子径:2.3μm)を原料粉末として用いてフレーム溶射して、50μmの厚さの皮膜を形成した。
フレーム溶射における処理条件は以下の通りである。なお、フレーム溶射装置は、図1に示したものを用いた。
フレーム溶射の処理条件
酸素圧力:73psi
燃料(灯油)圧力:65psi
補助燃料(アセチレン)圧力:25psi
スラリー供給量:50ml/min
先端筒の先端からアルミニウム基板の主面までの距離:100mm
<Example 1>
An aluminum substrate having a thickness of 3 mm was prepared, and flame spraying was performed on the main surface of the substrate using aluminum nitride particles (average particle diameter: 2.3 μm) as a raw material powder to form a film having a thickness of 50 μm. .
The processing conditions in flame spraying are as follows. The flame spraying apparatus shown in FIG. 1 was used.
Flame spray processing conditions Oxygen pressure: 73 psi
Fuel (kerosene) pressure: 65 psi
Auxiliary fuel (acetylene) pressure: 25 psi
Slurry supply amount: 50 ml / min
Distance from tip of tip tube to main surface of aluminum substrate: 100 mm

このようなフレーム溶射を行っている間において、フレーム溶射装置から噴出されてから、アルミニウム基板または既に形成された皮膜までに到達するまでの間の、概ね半溶融状態の窒化アルミニウム粒子の温度および速度を測定した。具体的には、フレーム溶射装置における先端筒の先端からアルミニウム基板の主面までの長さを100%とし、先端筒の先端を0%の位置、アルミニウム基板の主面の100%の位置とした場合、65%の位置から85%の位置までの範囲におけるフレーム内に存在する窒化アルミニウム粒子の温度および速度を測定した。このような温度および速度の測定には、溶射粒子温度測定装置(Oseir社製、スプレーウォッチ3i)を用いた。
その結果、窒化アルミニウム粒子の温度は、1800〜2200℃であった。
また、窒化アルミニウム粒子の速度は、500〜1500m/sであった。
While performing such flame spraying, the temperature and speed of the aluminum nitride particles in a substantially semi-molten state after being ejected from the flame spraying apparatus until reaching the aluminum substrate or the already formed film. Was measured. Specifically, the length from the tip of the tip tube to the main surface of the aluminum substrate in the flame spraying apparatus is set to 100%, the tip of the tip tube is set to 0%, and the position of 100% of the main surface of the aluminum substrate. In some cases, the temperature and velocity of aluminum nitride particles present in the frame in the range from 65% position to 85% position were measured. A sprayed particle temperature measuring device (manufactured by Osair, spray watch 3i) was used for such temperature and speed measurements.
As a result, the temperature of the aluminum nitride particles was 1800-2200 ° C.
The speed of the aluminum nitride particles was 500-1500 m / s.

<皮膜特性評価>
次に、アルミニウム基板の表面に形成された皮膜の耐電圧および熱伝導率を測定した。
耐電圧は、耐電圧試験機(菊水電子工業株式会社製、TOS8750)を用いて行った。
熱伝導率は、レーザーフラッシュ法を用いた熱伝導率測定装置(NETZSCH製、LFA457)を用いて行った。そして、JIS H 8453:2010 遮熱コーティングの熱伝導率測定方法に基づき、アルミニウム基板のみの熱伝導率、および皮膜付き基材(窒化アルミニウム粒子をアルミニウム基板の主面上に溶射して50μmの厚さの皮膜が形成されたもの)の熱伝導率を測定し、皮膜のみの熱伝導率を算出した。
<Evaluation of film properties>
Next, the withstand voltage and thermal conductivity of the film formed on the surface of the aluminum substrate were measured.
The withstand voltage was measured using a withstand voltage tester (manufactured by Kikusui Electronics Corporation, TOS8750).
The thermal conductivity was measured using a thermal conductivity measuring device (manufactured by NETZSCH, LFA457) using a laser flash method. And based on the method of measuring the thermal conductivity of JIS H 8453: 2010 thermal barrier coating, the thermal conductivity of only the aluminum substrate and the base material with a coating (aluminum nitride particles are sprayed onto the main surface of the aluminum substrate to a thickness of 50 μm). The thermal conductivity of the film was measured, and the thermal conductivity of only the film was calculated.

その結果、耐電圧は300MV/m、熱伝導率は109W/mKであった。   As a result, the withstand voltage was 300 MV / m and the thermal conductivity was 109 W / mK.

<プラズマ耐性の評価>
次に、アルミニウム基板の表面に形成された窒化アルミニウムからなる皮膜について、ICPプラズマ暴露を行い、プラズマ耐性の評価を行った。以下に具体的に説明する。
<Evaluation of plasma resistance>
Next, the film made of aluminum nitride formed on the surface of the aluminum substrate was exposed to ICP plasma, and the plasma resistance was evaluated. This will be specifically described below.

ICPエッチング装置((株)エリオニクス製 ICPエッチング装置EIS-700SIを用いて、プラズマ暴露を行った。
プラズマ条件は、下記の通り。
・プラズマガスO2、CF4、SF6
・ガス比O2 3standard cc/min(sccm)、CF4 30sccm、SF6 5sccm
・ガス圧0.6〜0.7Pa(成り行きで若干の変動有り)
・プラズマパワー800W(反射は0W)
・バイアス電圧55〜63V(装置最大値の80%設定、値は成り行き)
・プラズマ暴露サイクル 20min暴露−10min休止を16サイクル、合計8時間実施
ここで、今回、暴露されていない部位を残すためのマスクは、アルミニウム材を用いて作製し、表面を黒アルマイト処理した。参考までに本来であれば、表面にニッケルめっきを施す事が望ましい由、福島県ハイテクプラザ技術者より指摘があった。
サンプルの表面は、AlN皮膜に対しては、表面が脆く研磨できなかった為、成膜され
たままの状態でプラズマ暴露実験に供した。比較の為同時に行ったY23皮膜については、表面研磨を行った後、プラズマ暴露実験に供した。
Plasma exposure was performed using an ICP etching apparatus EIS-700SI manufactured by Elionix Corporation.
The plasma conditions are as follows.
・ Plasma gas O 2 , CF 4 , SF 6
・ Gas ratio O 2 3 standard cc / min (sccm), CF 4 30 sccm, SF 6 5 sccm
・ Gas pressure 0.6-0.7Pa (Slight fluctuations are observed)
・ Plasma power 800W (reflection is 0W)
・ Bias voltage: 55 to 63V (80% of the maximum value of the device is set)
-Plasma exposure cycle 20 min exposure-10 min rest for 16 cycles for a total of 8 hours Here, a mask for leaving an unexposed portion was made using an aluminum material, and the surface was black anodized. For reference, the Fukushima Hi-Tech Plaza engineers pointed out that it would be desirable to have nickel plating on the surface.
Since the surface of the sample was brittle with respect to the AlN film and could not be polished, it was subjected to a plasma exposure experiment with the film formed as it was. For comparison, the Y 2 O 3 film simultaneously subjected to surface polishing was subjected to a plasma exposure experiment.

上記のようなICPプラズマ暴露を施した後の窒化アルミニウムからなる皮膜について、その表面形状をレーザー変位計を用いて測定した。測定結果を図2(a)に示す。
また、比較のため、窒化アルミニウム粒子の代わりにイットリア(Y23)を原料粉末として用い、その他については同様の方法で製造した皮膜付き基材における皮膜(Y23からなる皮膜)について、同条件でICPプラズマ暴露を施し、同様に、その表面形状をレーザー変位計を用いて測定した。測定結果を図2(b)に示す。
About the film | membrane which consists of aluminum nitride after performing the above ICP plasma exposure, the surface shape was measured using the laser displacement meter. The measurement results are shown in FIG.
For comparison, a film (film made of Y 2 O 3 ) on a film-coated substrate manufactured using yttria (Y 2 O 3 ) as a raw material powder instead of aluminum nitride particles and the other methods in the same manner. ICP plasma exposure was performed under the same conditions, and the surface shape was similarly measured using a laser displacement meter. The measurement results are shown in FIG.

AlNは8サイクルの暴露では、有意にエッチングされた様子は見られなかった。比較の為に同時に暴露試験を行ったY23皮膜については、約5〜6μmのエッチングが認められた。
すなわち、今回のプラズマ条件においては、AlN皮膜は、現在実用化されているY23皮膜の耐プラズマ性に勝るとも劣らないものである、と言える。
AlN was not significantly etched after 8 cycles of exposure. For comparison, about 5 to 6 μm of etching was observed for the Y 2 O 3 film subjected to the exposure test at the same time for comparison.
That is, it can be said that the AlN coating is not inferior to the plasma resistance of the Y 2 O 3 coating that is currently in practical use under the plasma conditions of this time.

<実施例2>
厚さ3mmのアルミナ(Al23)基板を用意し、この基板の主面上へ、窒化アルミニウム粒子(平均粒子径:2.3μm)を原料粉末として用いてフレーム溶射して、4〜10μm程度の厚さの皮膜を形成した。
フレーム溶射における処理条件は以下の通りである。なお、フレーム溶射装置は、図1に示したものを用いた。
フレーム溶射の処理条件
酸素流量:780L/min
燃料(灯油)流量:220mL/min
補助燃料(アセチレン)流量:12mL/min
スラリー供給量:45ml/min
先端筒の先端からアルミニウム基板の主面までの距離:80mm
<Example 2>
An alumina (Al 2 O 3 ) substrate having a thickness of 3 mm is prepared, and flame spraying is performed on the main surface of the substrate using aluminum nitride particles (average particle size: 2.3 μm) as a raw material powder. A film having a thickness of about a degree was formed.
The processing conditions in flame spraying are as follows. The flame spraying apparatus shown in FIG. 1 was used.
Flame spraying treatment conditions Oxygen flow rate: 780 L / min
Fuel (kerosene) flow rate: 220 mL / min
Auxiliary fuel (acetylene) flow rate: 12mL / min
Slurry supply amount: 45 ml / min
Distance from tip of tip tube to main surface of aluminum substrate: 80mm

また、実施例1と同様の方法で、フレーム溶射を行っている間における窒化アルミニウム粒子の温度および速度を測定した。
その結果、窒化アルミニウム粒子の温度は、1800〜2200℃であった。
また、窒化アルミニウム粒子の速度は、553m/sであった。
Further, the temperature and speed of the aluminum nitride particles during flame spraying were measured by the same method as in Example 1.
As a result, the temperature of the aluminum nitride particles was 1800-2200 ° C.
The speed of the aluminum nitride particles was 553 m / s.

<皮膜特性評価>
次に、実施例1と同様の方法で、アルミナ基板の表面に形成された皮膜の耐電圧および熱伝導率を測定した。
その結果、耐電圧は無限に高く測定不能、熱伝導率は30〜34W/mKであった。
<Evaluation of film properties>
Next, the withstand voltage and thermal conductivity of the film formed on the surface of the alumina substrate were measured in the same manner as in Example 1.
As a result, the withstand voltage was infinitely high and could not be measured, and the thermal conductivity was 30 to 34 W / mK.

<皮膜断面観察による気孔率の算出>
得られた皮膜付き基材を2液硬化型エポキシ樹脂に包埋し、自動研磨機(ビューラー社製、機種:ECOMET3およびAUTOMET2)による研磨で観察面を得た後、走査型電子顕微鏡(日本電子株式会社製、機種:JSM−5600LV)を用いて皮膜表面(皮膜断面)のSEM画像を撮影した。倍率は2000倍とし、撮影時のコントラストおよびブライトネスの調整は、装置の自動調整機構を用いた。皮膜断面のSEM画像(2000倍)を図3に示す。図3のSEM画像より、実施例2において得られた皮膜は緻密な構造であることがわかる。
<Calculation of porosity by observation of film cross section>
The obtained film-coated substrate was embedded in a two-component curable epoxy resin, and an observation surface was obtained by polishing with an automatic polishing machine (Buhler, model: ECOMET3 and AUTOMET2), and then a scanning electron microscope (JEOL) A SEM image of the coating surface (coating cross-section) was taken using a model manufactured by Co., Ltd., model: JSM-5600LV. The magnification was set to 2000 times, and the automatic adjustment mechanism of the apparatus was used to adjust the contrast and brightness during shooting. The SEM image (2000 times) of the film cross section is shown in FIG. From the SEM image of FIG. 3, it can be seen that the film obtained in Example 2 has a dense structure.

次に、このSEM画像を、MEDIA CYBERNETICS社、Image Pro PLUS3.0を用いて2値化処理を行った。この画像処理後の画像から、視野面積当たりの空孔面積、つまり空孔面積/視野面積×100を算出し、これを気孔率(%)として求めた。
その結果、気孔率は0.7%と極めて低かった。
Next, the SEM image was binarized using MEDIA CYBERNETICS, Image Pro PLUS 3.0. From the image after this image processing, the pore area per visual field area, that is, the pore area / visual field area × 100, was calculated and obtained as the porosity (%).
As a result, the porosity was as extremely low as 0.7%.

<皮膜の組成分析>
得られた皮膜付き基材における皮膜について、微小部蛍光X線分析装置(島津製作所株式会社製、機種:XRF−1700)を用いて、これを構成する元素の濃度を測定した。
測定条件は以下の通りである。
X線管球のターゲット材:Rh
管電圧:40kV
管電流:95mA
X線通路の雰囲気:25Pa以下の真空
分析径(絞り):10mm
次に、微小部蛍光X線分析装置による測定結果から、FP法を用いて皮膜に含まれる元素の含有量を求めた。FP法とは、質量吸収係数・蛍光収率・X線源のスペクトル分布などの物理定数(ファンダメンタル・パラメーター)を用いて、蛍光X線強度の理論式から理論X線強度を求め、測定X線強度との対比を行って、各成分の濃度を算出する方法である。
この結果、皮膜におけるAl、NおよびO(酸素)の合計質量濃度が98.8質量%であり、ほぼこれらの元素からなることがわかった。また、この3元素のモル比は、Al:N:O(酸素)=63.5:25.0:11.5であった。
これにより、皮膜を構成する成分の多くは、AlN、もしくはAl23等の酸化アルミニウムであると推定される。ここで、上記3元素のモル比の値は、一部基材のAl23由来のものが含まれている。
<Coating composition analysis>
About the membrane | film | coat in the obtained base material with a membrane | film | coat, the density | concentration of the element which comprises this was measured using the micro part fluorescence X-ray-analysis apparatus (Shimadzu Corporation make, model: XRF-1700).
The measurement conditions are as follows.
X-ray tube target material: Rh
Tube voltage: 40 kV
Tube current: 95 mA
X-ray passage atmosphere: vacuum of 25 Pa or less Analysis diameter (diaphragm): 10 mm
Next, the content of the element contained in the film was determined from the measurement result by the micro fluorescent X-ray analyzer using the FP method. The FP method uses the physical constants (fundamental parameters) such as mass absorption coefficient, fluorescence yield, and spectrum distribution of the X-ray source to determine the theoretical X-ray intensity from the theoretical formula of the fluorescent X-ray intensity, and the measured X-ray This is a method of calculating the concentration of each component by comparing with the intensity.
As a result, it was found that the total mass concentration of Al, N, and O (oxygen) in the film was 98.8% by mass, and was substantially composed of these elements. The molar ratio of these three elements was Al: N: O (oxygen) = 63.5: 25.0: 11.5.
Thereby, it is presumed that most of the components constituting the film are AlN or aluminum oxide such as Al 2 O 3 . Here, the value of the molar ratio of the three elements includes a part of the base material derived from Al 2 O 3 .

<皮膜を構成する粒子の結晶構造分析>
得られた皮膜付き基材の皮膜について、X線回折装置(島津製作所株式会社製、XRD−6000)を用いて結晶構造を分析した。測定手法はθ−2θ法を用いて、以下の条件により行った。θ−2θ法はX線源を固定し試料台をθだけ動かした時、検知器部を2θ動かしながらスキャンする方法である。
X線源:CuターゲットX線源
管電圧:40kV
管電流:30mA
発散スリット:1°
散乱スリット:1°
受光スリット:0.3mm
<Crystal structure analysis of particles constituting the film>
About the film | membrane of the obtained base material with a film | membrane, the crystal structure was analyzed using the X-ray-diffraction apparatus (The Shimadzu Corporation make, XRD-6000). The measurement method was performed using the θ-2θ method under the following conditions. The θ-2θ method is a method of scanning while moving the detector unit 2θ when the X-ray source is fixed and the sample stage is moved by θ.
X-ray source: Cu target X-ray source Tube voltage: 40 kV
Tube current: 30 mA
Divergence slit: 1 °
Scattering slit: 1 °
Receiving slit: 0.3mm

その結果、AlNが存在することを示すピーク(ピーク強度:10184カウント)と、Al23が存在することを示すピーク(ピーク強度:22858カウント)とがチャートに現れた。また、その他の存在を示すピークは現れなかった。
これにより、皮膜を構成する成分は、AlN、およびAl23であると推定される。ここで、上記Al23が存在することを示すピークには、基材のAl23由来のものが含まれている。本実施例では詳細を割愛するが、他の実験により、上記Al23が存在することを示すピークは、大部分が基材由来のものであることが判明している。したがって、皮膜を構成する成分の多くは、AlNであると推定される。
As a result, a peak indicating the presence of AlN (peak intensity: 10184 counts) and a peak indicating the presence of Al 2 O 3 (peak intensity: 22858 counts) appeared on the chart. In addition, no other peaks indicating the presence were present.
Thus, components constituting the film is estimated to be AlN, and Al 2 O 3. Here, the peak indicating the presence of Al 2 O 3 includes a material derived from Al 2 O 3 of the base material. Although details are omitted in this example, it has been found by other experiments that most of the peaks indicating the presence of Al 2 O 3 are derived from the base material. Therefore, it is estimated that many of the components constituting the film are AlN.

<実施例3>
実施例2で用いた厚さ3mmのアルミナ基板の代わりに、同様の厚さのAlN基板を用意し、この基板の主面上へ、同様の窒化アルミニウム粒子(平均粒子径:2.3μm)を原料粉末として用いてフレーム溶射し、同様の厚さの皮膜を形成した。フレーム溶射の処理条件も、全て実施例2と同じとした。
<Example 3>
Instead of the alumina substrate having a thickness of 3 mm used in Example 2, an AlN substrate having the same thickness was prepared, and similar aluminum nitride particles (average particle diameter: 2.3 μm) were placed on the main surface of the substrate. Flame spraying was performed using the raw material powder to form a film having the same thickness. The processing conditions for flame spraying were all the same as in Example 2.

そして、実施例2と同様にして、フレーム溶射を行っている間における窒化アルミニウム粒子の温度および速度を測定したところ、いずれも実施例2の場合と同様の温度および速度であった。   When the temperature and speed of the aluminum nitride particles were measured during flame spraying in the same manner as in Example 2, the temperature and speed were the same as in Example 2.

<皮膜特性評価>
次に、実施例2と同様の方法で、AlN基板の表面に形成された皮膜の耐電圧および熱伝導率を測定した。
その結果、耐電圧は無限に高く測定不能、熱伝導率は30〜34W/mKであった。
<Evaluation of film properties>
Next, the withstand voltage and thermal conductivity of the film formed on the surface of the AlN substrate were measured in the same manner as in Example 2.
As a result, the withstand voltage was infinitely high and could not be measured, and the thermal conductivity was 30 to 34 W / mK.

<皮膜断面観察による気孔率の算出>
次に、実施例2と同様の方法で皮膜断面のSEM画像(2000倍)を得た後、気孔率を求めた。
その結果、気孔率は0.9%と極めて低かった。
<Calculation of porosity by observation of film cross section>
Next, after obtaining an SEM image (2000 times) of the film cross section by the same method as in Example 2, the porosity was determined.
As a result, the porosity was as extremely low as 0.9%.

10 溶射装置
12 燃焼室
14 酸素流路
16 燃料流路
18 バーナ
20 ガンノズル
22 先端筒
24 スラリー供給流路
26 補助燃料供給流路
28 圧縮空気供給流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Thermal spray apparatus 12 Combustion chamber 14 Oxygen flow path 16 Fuel flow path 18 Burner 20 Gun nozzle 22 Tip cylinder 24 Slurry supply flow path 26 Auxiliary fuel supply flow path 28 Compressed air supply flow path

Claims (4)

昇華性を備え、溶融相を持たない金属窒化物の粒子を主成分とする原料粉末を、有機溶媒に分散させてスラリーを得るスラリー調製工程と、
30〜150psiの供給圧力に調整した酸素含有気体と、20〜140psiの供給圧力に調整した主燃料との混合ガスを得た後、得られた混合ガスに点火して、溶射装置からフレームを噴出させ、そのフレーム中における前記原料粉末の温度が前記金属窒化物の昇華温度よりも低く、かつ、前記フレーム中における前記原料粉末の速度が500〜1500m/sとなるように、前記フレームへ前記スラリーを供給し、15〜30psiの供給圧力に調整した補助燃料を供給してフレーム溶射し、基材の表面に皮膜を形成する皮膜形成工程と、
を備える、皮膜付き基材の製造方法。
A slurry preparation step of obtaining a slurry by dispersing a raw material powder mainly composed of metal nitride particles having sublimation properties and no melt phase in an organic solvent;
After obtaining a mixed gas of oxygen-containing gas adjusted to a supply pressure of 30 to 150 psi and main fuel adjusted to a supply pressure of 20 to 140 psi, the obtained mixed gas is ignited and a flame is ejected from the thermal spraying device. The slurry to the frame so that the temperature of the raw material powder in the frame is lower than the sublimation temperature of the metal nitride and the speed of the raw material powder in the frame is 500 to 1500 m / s. A film forming step of supplying an auxiliary fuel adjusted to a supply pressure of 15 to 30 psi and flame spraying to form a film on the surface of the substrate;
The manufacturing method of the base material with a film | membrane provided with.
前記スラリー調製工程において、前記金属窒化物は窒化アルミニウムであり、
前記皮膜形成工程において、前記フレーム中における前記原料粉末の温度を1900〜2500℃とする、請求項1に記載の皮膜付き基材の製造方法。
In the slurry preparation step, the metal nitride is aluminum nitride,
The manufacturing method of the base material with a film | membrane of Claim 1 which sets the temperature of the said raw material powder in the said flame | frame in the said film formation process as 1900-2500 degreeC.
前記補助燃料がアセチレンである、請求項1または2に記載の皮膜付き基材の製造方法。   The manufacturing method of the base material with a film | membrane of Claim 1 or 2 whose said auxiliary fuel is acetylene. 前記金属窒化物の粒子の平均粒子径が0.5〜3μmである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の皮膜付き基材の製造方法。   The manufacturing method of the base material with a film | membrane as described in any one of Claims 1-3 whose average particle diameter of the particle | grains of the said metal nitride is 0.5-3 micrometers.
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