JPH01110234A - 金属材中のガス分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、アルミニウム、銅、鉄、マグネシウム等か
らなる金属材中の極微量のガスを分析する装置に関する
。

この明細書において、「アルミニウム」、「銅」、「鉄
」、「マグネシウム」という語は、それぞれ純金属の他
に各合金を含むものとする。

従来技術とその問題点 たとえばアルミニウム材は、内部ガスおよび表面に吸着
したガスを含んでいるとともに、その表面にはアルミニ
ウムと反応してガスを発生する水等の物質が吸着せしめ
られている。これらのガスは、主にＨ２ガスであり、そ
の他にきわめて少量のＣＯガス、ＣＯ２ガス、Ｈ２０ガ
スなどが存在する。アルミニウム材の用途によっては、
上記ガスはきわめて有害となるためこれらの量を微量に
する必要があり、表面に吸着したガスおよび表面に吸着
した物質とアルミニウムとの反応により生じるガス（以
下両者を総称して表面ガスという）についてはその成果
はある程度上っている。ところが、内部ガスについては
未だに十分な研究がなされていないのが実情である。ア
ルミニウム材の内部ガス量、とくにＨ２ガス量が多いと
次のような問題がある。

すなわち、アルミニウム材を真空用アルミニウム材、た
とえばシンクロトロンなどの加速器に使用される粒子加
速用パイプ（ビーム・ライン）に使用した場合、パイプ
の内部にビームを走らせると大量のガスが放出され、パ
イプ内部の圧力が非常に高くなるという問題がある。こ
れはビームから放たれるシンクロトロン放射光がパイプ
内面に入射し、アルミニウム材の内部ガスをたたき出す
結果である。また、アルミニウム材を、蒸着基板に使用
する場合には、基板表面にＳｅ、ａ−８ｉ等を蒸着する
さいに「ふくれ」という現象が起こるが、これも内部ガ
スの放出の影響によるものだということがわかっている
。

さらに、圧延時に生じる「割れ」、「ふくれ」、「皮き
ず」等の表面欠陥も、アルミニウム材の内部ガスの影響
によるものだということがわかっている。したがって、
内部ガス量のきわめて微量なアルミニウム材の開発が要
望されているが、内部ガスの微量なアルミニウム材を開
発するにあたっては、正確に内部ガスを分析することが
必要である。

金属材の内部ガスの分析は、真空チャンバを備えた装置
を使用し、チャンバ内を真空引きし　　−た後その真空
中で資料を加熱することにより行なっている。

従来、上記分析装置としては、ステンレス鋼製の真空チ
ャンバを備えたものが使用されていた。しかしながら、
ステンレス鋼製の真空チャンバは、加工が困難でかつ重
量が大きいという問題があった。また、従来の分析装置
では、チャンバ内を高真空にするためのベーキング処理
用加熱装置や、残存ガス吸着処理用シュラウドを別個に
必要とするので、コストが高くなるという問題があった
。

この発明の目的は、上記問題を解決した金属材中のガス
分析装置を提供することにある。

問題点を解決するための手段 この発明による金属材中のガス分析装置は、アルミニウ
ム製真空チャンバを備えており、真空チャンバの周壁、
頂壁および底壁のうち少なくとも周壁が、入口および出
口を有する少なくとも１つの管状膨出部を持つアルミニ
ウム板で形成されたものである。

上記において、アルミニウム板には、加熱流体通路およ
び冷却流体通路を兼ねる管状膨出部を備えているものと
、加熱流体通路となる管状膨出部および冷却流体通路と
なる管状膨出部の２種類の管状膨出部を備えているもの
が含まれる。

また上記において、管状膨出部を備えたアルミニウム板
は、たとえば２枚のアルミニウム板を用意し、一方の板
の片面に圧着防止剤を所要パターンに印刷し、該印刷面
に他方の板を重ね合せ、この状態で両板を圧着した後、
非圧着部に流体圧を導入して管状膨出部を形成する、い
わゆるロールボンド法によってつくられる。

また、真空チャンバの内面には、ちみつな酸化皮膜が形
成されていることが好ましい。その理由は次の通りであ
る。すなわち、ガス分析時に真空チャンバ内を真空引き
したさいの真空度を低下させる水分等の物質が吸着しに
くくなるとともに、これらの物質が吸着したりしても、
ガス分析作業前に容易に除去することができるようにな
るからである。

ちみつな酸化皮膜の代わりに、水分を含んだ大気中でア
ルミニウム材に加工を施した場合に生成する水和酸化皮
膜が存在していると、次のような問題が生じる。すなわ
ち、アルミニウムは周知のように、非常に酸化され易い
金属であり、微量の酸素に触れただけで表面に酸化皮膜
が形成される。また、水、湿気などの水分の存在する環
境下におかれると、その表面に水和酸化皮膜が生成する
。そして水和酸化物の生成反応の温度が高い程水和酸化
皮膜の成長は著しく、高温環境ではアルミニウム表面に
ベーマイトまたはバイアライトなどの水和酸化皮膜が形
成される。このような水和酸化皮膜の膜質は、水分の存
在しない環境で形成されるアルミニウム酸−八　　　− 化皮膜に比べて非常に粗で多孔質状でありかつその孔形
態も複雑にいり込んでいる。加えて膜厚も厚い。ところ
で、真空チャンバ用箱状体を成形加工するさいに、水分
を含んだ大気との接触によりその内面に水和酸化皮膜が
生成される。

しかもこの水和酸化皮膜は、成形加工時高温にさらされ
るため、水和酸化膜の生成反応が促進されて厚膜となっ
ている。この水和酸化膜膜の膜質は上述したとおりのも
のであり、かつ厚膜であるために皮膜に多くの水分が吸
着する。しかも皮膜が粗で多孔質状であるために、成形
後においても大気中に存在する水分、ノ１イドロカーボ
ン、二酸化炭素および一酸化炭素などの高純度ガスの純
度低下物質が皮膜に吸着する。しかもこれは水和酸化膜
膜が上記のようなものであるために、皮膜内にいわば吸
蔵された形態になる。その結果これの脱離が困難な状態
となり、なかなか除去できない。そして、ガス分析のさ
いにチャンバ内を真空引きすると、Ｈ２等のガスが皮膜
から放出されて真空度が低下し分析精度が低下する。

真空チャンバ内面にちみつな酸化膜・膜を形成する方法
としては、たとえば次の２つの方法がある。

その１は、アルミニウム板製真空チャンバ用箱状体の内
面を洗浄するとともに乾燥させて清浄でかつ水和酸化皮
膜が除去された乾燥面とした後、箱状体の内面を、水分
を含んだ大気と接触せず、かつ酸素含有ガスと接触させ
た状態で加熱し、箱状体の内面に酸化皮膜を形成する方
法である。箱状体の内面を洗浄するとともに乾燥させる
具体的方法としては、たとえば苛性ソーダを用いたアル
カリ洗浄または硫酸を用いた酸洗浄を施して加工油を洗
い流すとともに箱状体内面に形成されている水和酸化皮
膜を除去し、その後不活性ガス雰囲気中または真空雰囲
気中で低温にて乾燥させる方法がある。上記において、
アルカリ洗浄または酸洗浄後の乾燥は、真空雰囲気中で
行なうのがよい。上記洗浄後、真空炉内に入れて真空引
きしながら乾燥させることができるからである。この乾
燥は常温〜１２０℃とくに７０〜９０℃の温度範囲で行
なうのがよい。乾燥温度が１２０℃を越えるとこの乾燥
工程中に水和酸化皮膜が生成するおそれがあるからであ
る。また、アルカリ洗浄または酸洗浄後乾燥させる前に
、箱状体を水和酸化皮膜形成抑制用処理液中に浸漬して
水和酸化膜膜形成抑制処理を施すことが好ましい。水和
酸化皮膜形成抑制用処理液としては、クロム酸、ケイ酸
、バナジン酸、ジルコン酸、リン酸（ポリリン酸）、過
マンガン酸、タングステン酸およびモリブデン酸ならび
にこれらの塩のうちの１種を含む水溶液が用いられる。

処理液中の溶質濃度は０゜００００００１〜５ｖｔ％、
好ましくは０．０００００１〜０．０００５ｖｔ％の範
囲内にあるのがよい。

チャンバ用箱状体を、水分を含んだ大気と接触させず、
かつ酸素含有ガスと接触させた状態で加熱するには、箱
状体を酸素混合不活性ガス雰囲気中、市販の不活性ガス
雰囲気中もしくは工業的に得られる不活性ガス雰囲気中
に配置するか、またはこれらの不活性ガスを箱状体内に
充填しかつ箱状体を密封して行なう。また、箱状体を真
空雰囲気中に配置するか、または箱状体内を真空引きし
て行なってもよい。さらに、箱状体を純度１００％の酸
素または乾燥空気の雰囲気中に配置するか、またはこれ
らを箱状体内に充填しかつ箱状体を密封して行なっても
よい。酸素混合不活性ガスとしては、酸素０．５〜３０
ｖｏ１％とくに１〜１０ｖｏ１％を含み、残部不活性ガ
スよりなるものを用いるのがよい。また、市販の不活性
ガスおよび工業的に得られる不活性ガスには不純物とし
て微量の酸素が含まれている。さらに、真空雰囲気中、
および真空引きした箱状体内にも、箱状体内面に酸化皮
膜を形成しうる程度の酸素は含まれている。また、加熱
温度は１２０〜５００℃特に２００〜３００℃とし、加
熱時間は０．１〜２４時間特に０゜５〜６時間とするの
がよい。加熱温度および加熱時間が上記下限値未満であ
ると、酸化皮膜の形成がうまくいかず、上限値を越える
と非結晶質皮膜の一部が結晶化して混在した状態となり
、ちみつな皮膜が形成されなくなるおそれがあるからで
ある。

その２は、ドライエツチングを施して清浄でかつ水和酸
化皮膜が除去された乾燥面とした後、箱状体の内面を、
水分を含んだ大気と接触せず、かつ酸素含有ガスと接触
させた状態で加熱し、箱状体の内面に酸化皮膜を形成す
る方法である。

ドライエツチングの具体例としては、放電洗浄、反応性
ガス・エツチング、プラズマ・エツチング、反応性イオ
ン・エツチング、反応性イオン・ビーム中エツチング、
イオン・ビーム中エツチング、反応性レーザ・ビーム・
エツチングなどをあげることができる。ドライ・エツチ
ングによりアルミニウム製箱状体の内面を清浄でかつ水
和酸化皮膜が除去された乾燥面とした場合には、酸洗浄
やアルカリ洗浄によって加工油を洗い流すとともに水和
酸化皮膜を除去する場合のように、洗浄後乾燥工程を必
要としない。箱状体の内面を、水分を含んだ大気と接触
させずかつ酸素含有ガスと接触させた状態で加熱する方
法は、上記第１の方法の場合と同様である。

作　　　用 この発明の金属材中のガス分析装置は、アルミニウム製
の真空チャンバを備えており、真空チャンバの周壁、頂
壁および底壁のうち少なくとも周壁が、入口および出口
を有する少なくとも１つの管状膨出部を持つアルミニウ
ム板で形成されているので、チャンバの壁の管状膨出部
内に加熱流体や冷却流体を流通させることによってベー
キング処理および残存ガス吸着処理を施すことができる
。

実施例 以下、この発明の実施例を図面を参照しながら説明する
。

この発明の装置の原理を示す第１図および第２図におい
て、極微量のガスを分析する装置は、真空チャンバ（１
）と、真空チャンバ（１）内の上部で金属材からなる試
料（Ｓ）を保持する２つのマニピュレータ（２）と、真
空チャンバ（１）の後側に、先端がチャンバ（１）内に
おけるマニピュレータ（２）に保持された試料（Ｓ）を
向くように取付けられたイオンビームエツチング用のイ
オン銃（３）とを備えている。

真空チャンバ（１）の内部には、載置台（４）上に載せ
られた試料溶融用アルミナ製るつぼ（５）と、るつぼ（
５）の周囲に巻回されたヒータ（６）とが設けられてい
る。ヒータ（６）の両端は、それぞれ真空チャンバ（１
）の底壁に設けられた端子（７）に接続されている。ま
た、真空チャンバ（１）の頂壁には、イオンビームエツ
チング後の試料の表面状態をオージェ分析により分析す
る分析装置（８）が設けられている。真空チャンバ（１
）の外部には、４つの真空排気装置（１０）（１１）（
１２）（１３）、ベイアート・アルパート真空計（１４
）、試料（Ｓ）から抽出されたガスを分析する４極子マ
スフイルタ（１５）および端子（７）に接続された外部
導線（１６）が設けられている。第１の真空排気装置（
１０）は、オリフィス（１７）を介して真空チヤンバ（
１）に接続されたアルミニウム製真空引き用排気管（１
８）と、排気管（１８）に下記順序で真空チャンバ（１
）側から直列状に設けられたバルブ（１９）、ターボ分
子ポンプ（２０）およびロータリポンプ（２１）とより
なる。そして、排気管（１８）におけるバルブ（１９）
よりも真空チャンバ（１）側の部分にもベイアート拳ア
ルパート真空計（２２）が設けられている。第２の真空
排気装置（１１）は、真空チャンバ（１）に接続された
アルミニウム製真空引き用排気管（２３）と、排気管（
２３）に下記順序で真空チャンバ（１）側から直列状に
設けられたバルブ（２４）、ターボ分子ポンプ（２５）
およびロークリポンプ（２Ｂ）とよりなる。第３および
第４の真空排気装置（１２）（１３）は、それぞれ真空
チャンバ（１）に接続されたアルミニウム製真空引き用
排気管（２７）と、排気管（２７）に下記順序で真空チ
ャンバ（１）側から直列状に設けられたバルブ（２８）
およびゲッタポンプ（２９）とよりなる。ゲッタポンプ
（２９）は、水素吸蔵合金を内蔵しており、真空チャン
バ（１）内の水素ガスを吸着しうるようになっている。

マニピュレータ（２）は軸線方向に移動自在である。ま
た、マニピュレータ（２）の周面の真空チャンバ（１）
の周壁との間は、シール部材によってシールされている
。

イオン銃（３）のケーシング（３１）には、真空排気装
置（３２）および不活性ガス供給装置（３３）が設けら
れている。真空排気装置（３２）は、ケーシング（３１
）に接続されたアルミニウム製真空引き用排気管（３４
）と、排気管（３４）に下記順序でケーシング（３１）
側から直列状に設けられたバルブ（３５）、ターボ分子
ポンプ（３Ｂ）およびロークリポンプ（３７）とよりな
る。不活性ガス供給装置（３３）は、アルミニウム製供
給管（３８）を介してケーシング（３１）に接続された
不活性ガスボンベ（３９）と、供給管（３８）の途上に
設けられるとともに、内部に液体窒素が入れられて不活
性ガスに含まれる不純物を除去するトラップ（４０）と
、供給管（３８）におけるケーシング（３１）とトラッ
プ（４０）との間に設けられた可変式リークバルブ（４
１）とよりなる。

また、イオン銃（３）のケーシング（８Ｉ）と真空チャ
ンバ（１）との間には、スロットルノズル（４２）が介
在せしめられている。そして、イオン銃（３）内に導入
され、かつイオン化されるとともに加速された不活性ガ
スは、スロットルノズル（４２）を通って真空チャンバ
（１）内に入り、試料（Ｓ）に衝突するようになってい
る。

第３図および第４図には、ガス分析装置の具体例が示さ
れている。

真空チャンバ（１）は直方体状のチャンバ用箱状体（５
０）と、箱状体（５０）の周壁における左側面の上部お
よび右側側面の上部にそれぞれ設けられた、マニピュレ
ータ差込口（５１）と、箱状体（５１）の後面上部に設
けられたイオン銃取付口（５２）と、箱状体（５０）の
周壁下部に設けられた、４つの排気口（５３）〜（５Ｂ
）、ベイアート・アルパート真空計取付口（５７）およ
び４極子マスフィルタ取付口（５Ｂ）とよりなる。

箱状体（５０）は、周壁、頂壁および底壁のすべてが加
熱流体通路と冷却流体通路とを兼ね、か−１５一 つ入口および出口を有する管状膨出部（５９）を備えた
アルミニウム板で形成されたものである。□管状膨出部
（５９）は、第４図に示すように横断面半円形で、チャ
ンバ（１）の内方にのみ膨出している。管状膨出部（５
９）の横断面形状は、第５図に示すように６角形状であ
ってもよい。横断面６角形状管状膨出部を（７０）で示
す。また、管状膨出部の横断面形状は、これらの形状に
限るものではない。また、第３図および第４図には省略
したが、管状膨出部（５９）の入口には、加熱および冷
却流体供給管が、出口には同排出管がそれぞれ接続され
ている。

各日（５１）〜（５８）は、箱状体（５０）に設けられ
た短い円筒状突出部と、突出部の先端に設けられたフラ
ンジとよりなる。フランジを利用して各排気口（５３）
〜（５６）にアルミニウム製排気管（１８）（２３）　
（２７）が接続され、ベイアート・アルパート真空計（
１４）および４極子マスフイルタ（１５）がそれぞれの
取付口（５７）　（５８）に取付けられている。

排気口（５３）の先端のフランジ（５３ａ）と、排気管
（１８）の先端のフランジ（１８ａ）との間には仕切板
（６０）が介在させられ、この仕切板（６ｏ）にオリフ
ィス（１７）が形成されている。また、排気管（１８）
における端部寄りの部分にはベイアート・アルパート真
空計取付口（Ｂ１）が設けられ、ここにベイアート・ア
ルパート真空計（２２）が取付けられている。この取付
口（６１）も短い円筒状突出部と、突出部先端のフラン
ジとよりなる。

そして、真空チャンバ（１）の内面、すなわち、箱状体
（５０）の内面およびすべての取付口（５１）〜（５８
）、（６１）の突出部内面には、ちみっな酸化皮膜が形
成されている。また、各排気管（１８）　（２３）（２
７）の内面にもちみつな酸化皮膜が形成されている。

イオン銃（３）のケーシング（３１）は、アルミニウム
製であって、取付口（５２）に取付けられている。また
、ケーシング（３１）には、排気口（６３）および不活
性ガス供給口（６４）が設けられている。

両日（８３）　（１３４）は、それぞれケーシング（３
１）に設けられた短い円筒状のアルミニウム製突出部と
、突出部の先端に設けられたフランジとよりなる。

このフランジを利用して排気管（３４）および不活性ガ
ス供給管（３８）が接続されている。そして、両日（［
１３）　（８４）の突出部を含むケーシング（３１）内
面にちみつな酸化皮膜が形成されている。また、ケーシ
ング取付口（５２）の先端のフランジ（５２ａ）と、ケ
ーシング（３１）のフランジ（３１ａ）との間に、スロ
ットルノズル（４２）の外端に形成されたフランジ（４
２ａ）が挟着されている。

次に、この発明による装置を用いてアルミニウム材中の
極微量ガスを分析する方法について説明する。

まず、管状膨出部（５９）内に加熱されたフレオン等の
加熱流体を流通させて真空チャンバ（１）にベーキング
処理を施した後これを常温まで冷却する。そして、管状
膨出部（５９）内に液体窒素等の冷却流体を流通させる
とともに、真空排気装置（１０）〜（１３）、（３２）
により真空排気して真空チャンバ（１）およびイオン銃
（３）内を高真空状態とする。ついで、マニピュレータ
（２）に試料（Ｓ）をセットした後真空チャンバ（１）
内にマニピュレータ（２）の先端を差込む。この状態で
イオン銃（３）内にＮｅ５Ａｒ等の不活性ガスを導入し
、これをイオン化する。イオン化された不活性ガスを引
出し電極および加速電極により加速し、スロットルノズ
ル（４２）を通過させて試料（Ｓ）に弾性衝突させる。

こうして試料（Ｓ）にイオンビームエツチングを施す。

このとき、イオン銃（３）内の圧力は不活性ガスを導入
することによって上昇するが、スロットルノズル（４２
）の働きにより、真空チャンバ（１）内の圧力上昇の度
合いはイオン銃（３）内の圧力上昇の度合いよりも小さ
くなり、当然のことながら真空チャンバ（１）内の不純
物量は少なくなり、約１７３００程度となる。したがっ
て、イオンビームエツチング後の試料（Ｓ）表面に吸着
する不純物量を少なくできる。その後、マニピュレータ
（２）から試料（Ｓ）を離脱させてるつぼ（５）内に落
とし、ヒータ（Ｂ）でるつぼ（５）を加熱することによ
り試料（Ｓ）を溶融させて内部ガスを抽出し、そのガス
量を４極子マスフイルタ（１５）で定量する。

以下に、この発明による装置を用いて行った実験例につ
いて述べる。

すなわち、下記の条件でガス分析を行った。

試　　料 ・・・純度９９．９９％の高純度アルミニウム、イオン
ビームエツチング前の真空チャンバおよびイオン銃内の
圧力・・・１ｘｉｏ” イオンビームエツチングに使用する不活性ガスおよびそ
の圧力−Ｎ　ｅ　、　３　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ。

イオンビームエツチング時の加速電圧 ・・・２ｋＶ。

イオンビームエツチング時のエミッション電流・・・３
０ｍＡ。

イオンビームエツチング時のドーズ量 −１，ＯＸ　１０１８ｔｏｎｓ／ｃｍ　２上記条件でイ
オンビームエツチングを行ったところイオンビームエツ
チング中の真空チャンバ内の圧力はＩ　Ｘ　１０−６Ｔ
ｏｒｒ　　となっていた。

その後、真空チャンバ（１）内をさらに真空引きしてそ
の圧力をＩ　Ｘ　１０　　　Ｔｏｒｒとし、引き続いて
ガス分析を行ったところ内部Ｈ２ガスは０゜０００５ｃ
ｃ７１００ｇＡＩであった。

上記実施例においては、真空チャンバの周壁、頂壁およ
び底壁のすべてが加熱流体通路と冷却流体通路とを兼ね
た管状膨出部を備えたアルミニウム板で形成されたもの
であるが、これに代えて加熱流体通路となる管状膨出部
および冷却流体通路となる管状膨出部の２つの管状膨出
部を有するアルミニウム板で形成されていてもよい。

発明の効果 この発明の金属材中のガス分析装置は、アルミニウム製
の真空チャンバを備えており、真空チャンバの周壁、頂
壁および底壁のうち少なくとも周壁が、入口および出口
を有する少なくとも１つの管状膨出部を持つアルミニウ
ム板で形成されているので、チャンバの壁の管状膨出部
内に加熱流体や冷却流体を流通させることによってベー
キング処理および残存ガス吸着処理を施すことができる
。真空チャンバ内を高真空度にすることが可能となり、
金属材中のガス分析精度を向上させることができる。し
かも、別個にベーキング処理用加熱装置や、残存ガス吸
着処理用シュラウドを必要としないので、コストが安く
なる。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の装置の原理を説明する正面図、第２
図は同じく平面図、第３図はこの発明の装置を具体的に
示す斜視図、第４図は第３図の部分拡大水平断面図、第
５図は管状膨出部の変形例を示す断面図である。 （１）・・・真空チャンバ。（５９）・・・管状膨出部
。 以上

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）アルミニウム製真空チャンバを備えており、真空
   チャンバの周壁、頂壁および底壁のうち少なくとも周壁
   が、入口および出口を有する少なくとも１つの管状膨出
   部を持つアルミニウム板で形成された金属材中のガス分
   析装置。
2. （２）アルミニウム板が、加熱流体通路および冷却流体
   通路を兼ねる管状膨出部を備えている特許請求の範囲第
   １項記載の金属材中のガス分析装置。
3. （３）アルミニウム板が、加熱流体通路となる管状膨出
   部と、および冷却流体通路となる管状膨出部とを備えて
   いる特許請求の範囲第１項記載の金属材中のガス分析装
   置。