JPH08277465A - スパッタ電極およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷却水と接する部分を全て単一の材料で構成
し、耐食性に優れたものとすることにある。 【構成】 対向電極と対向配置され、当該対向電極との
間でグロー放電によって生成されるガスイオンの衝突に
よるスパッタリング作用によって前記対向電極上にスパ
ッタ金属の累積層を形成するスパッタ電極において、冷
却水４３の循環部分を除いて両端を閉塞状態とする円筒
状のステンレス鋼部４６を有し、このステンレス鋼部の
表面に遷移金属被覆層４７を介して遷移金属マトリクス
４８中に希土類金属粒子４９を分散させた複合金属層５
０を設けたスパッタ電極である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は不活性ガス固定化用のス
パッタ電極およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年，スパッタリング現象を応用した金
属被覆は、金属材料，セラミック材料および有機材料の
表面改質に幅広く利用されている。例えば金属材料表面
をＣｒ，Ａｌ等の耐食性に優れた金属で被覆したり、セ
ラミック材料や有機材料の表面を金属で被膜することに
より、導電性の付与や金属材料との接合等に供されてい
る。

【０００３】一方、スパッタリング現象を応用した新し
い試みとして、不活性ガスの固定化法が検討されてい
る。これは、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ等の不活性
ガスが化学的に安定であって、他の元素と化合物を作ら
ないことから、固体や液体といった処理しやすい状態に
することが難しく、スパッタリング時に形成されるスパ
ッタリング被覆中に不活性ガスイオンを閉じ込めてしま
おうとする考えである。

【０００４】図６はこの種のスパッタリング現象を用い
た従来の不活性ガス固定化装置を示す構成図である。

【０００５】この固定化装置は、大別して不活性ガスを
固定化する密閉容器型の対向電極１と、この対向電極１
内に当該対向電極１と対向して設置されるスパッタ電極
２とで構成されている。この対向電極１は、一端が開口
する筒状体をなし、その開口側端部が絶縁体３および陽
極フランジ４の順で接合され、この陽極フランジ４の端
部が陽極蓋５で閉塞され、密閉構造の固定化容器１ａを
構成している。前記スパッタ電極２は、対向電極１に対
向する周壁をもつ一端開口の筒状のスパッタ電極本体２
ａと、このスパッタ電極本体２ａの開口側を閉塞し溶接
止めする電極蓋６とから構成され、この電極蓋６からス
パッタ電極２内に冷却水を循環供給する冷却用二重管７
が設けられている。

【０００６】前記対向電極１は当該電極１外部に設置さ
れる対向電極電源８に接続され、一方、スパッタ電極２
は絶縁材９を介して対向電極１の陽極蓋５と電気的に絶
縁され、同様に外部に設置されるスパッタ電源１０に接
続されている。

【０００７】そして、固定化容器１ａの陽極蓋５には、
容器内部に不活性ガスを導入する供給管１１および容器
内部を真空ポンプにより真空排気する排気管１２が設け
られている。

【０００８】なお、固定化容器１ａの外表面には、スパ
ッタリング現象によって生ずる加熱を防止するための冷
却配管１３が螺旋状またはリング状に密着して巻装され
ている。

【０００９】このような構成の不活性ガス固定化装置に
おいては、スパッタ電源１０からスパッタ電極２に１Ｋ
Ｖ以上の負電圧が印加され、一方、対向電極電源８から
も対向電極１に１ＫＶ以下の負電圧が印加され、不活性
ガスの固定化処理が行われる。すなわち、固定化容器１
ａ内のガス圧力と対向電極１およびスパッタ電極２に印
加される電圧とが所要の条件を満たしたとき、固定化容
器１ａ内の不活性ガスがイオン化することが知られてお
り、例えば固定化容器１ａのガス圧力を１０^-1〜１０^-3
Torrに設定維持した状態で、対向電極１に１ＫＶ以下の
負電圧、またスパッタ電極２に１ＫＶ以上の負電圧を印
加すると、固定化容器１ａ内の不活性ガスはグロー放電
によってイオン化され、ガスイオンとなってスパッタ電
極２の方に電界加速され、スパッタ電極２の表面に衝突
する。このとき、スパッタ電極２からはスパッタ金属が
飛散され、対向する対向電極１側に飛んで対向電極１表
面に衝突し付着することにより、金属累積層１４が形成
される。また、一部のガスイオンは対向電極１の方に直
接加速されて前記金属累積層１４に注入される。

【００１０】これによって、固定化容器１ａ内に導入さ
れる不活性ガスは、金属累積層１４中に注入されて固定
化される。このような不活性ガスの固定化装置は、スパ
ッタ電極２が消耗、減肉され、対向電極１に不活性ガス
を注入した金属膜が累積されていく。そして、スパッタ
電極２が十分に消耗、減肉したとき、運転を終了する。
このようにスパッタリング現象を利用することにより、
化学的に安定な不活性ガスを固体状態で固定化すること
ができる。

【００１１】ところで、スパッタ電極本体２ａは、遷移
金属と希土類金属とを一定の割合で配合してなる構造と
することにより、効率良く不活性ガスの固定化を行える
ことが確認されている。そこで、本発明者らにおいて
は、粉末焼結プロセスによってスパッタ電極の表面に、
遷移金属マトリクス中に希土類金属粒子を均一に分散さ
せた複合金属層を設けることにより、注入効率が高く、
かつ、大形のスパッタ電極を低コストで製造できる方法
を既に提案している（特開平５−１０４３４６号）。

【００１２】図７は熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）を用い
た従来のスパッタ電極の製造方法である。

【００１３】この製造方法は、同図（ａ）に示すように
ステンレス鋼製容器２１の中央部分に遷移金属粉末２２
を充填した後、その遷移金属粉末２２の周囲に所定の割
合で混合した遷移金属粉末と希土類金属粒子との混合粉
末２３を充填する（同図（ｂ）参照）。このようにして
混合粉末２３を充填したステンレス鋼製容器２１は、真
空中で加熱することにより、脱ガス処理を行うととも
に、容器２１の上部に上蓋２４を被せて溶接することに
より、容器２１の内部に遷移金属粉末２２と混合粉末２
３とが真空封入される（同図（ｃ）参照）。しかる後、
ＨＩＰ装置内に真空封入後の容器２５をセットし、加熱
および加圧処理によって焼結する（同図（ｄ）参照）。
さらに、このＨＩＰ処理後、機械加工によって外側の容
器２５を除去し、所定の寸法に仕上げることにより、同
図（ｅ）に示すように中央部分を遷移金属単体２６と
し、その単体２６周囲に遷移金属マトリクス中に希土類
金属粒子を分散させてなる複合金属層２７をもつスパッ
タ電極素材２８が得られる。

【００１４】図８は以上のような製造方法で得られるス
パッタ電極素材２８を用いて製造したスパッタ電極２の
構成を模式的に表した図である。

【００１５】このスパッタ電極２は、中央部分の遷移金
属単体部３１に冷却用孔部を有するスパッタ電極本体２
ａの上部開口部を電極蓋６で閉塞して溶接し、かつ、電
極蓋６を貫通し冷却用孔部に内挿するごとくステンレス
鋼製の冷却用二重管７を電極蓋６に溶接止めし、スパッ
タリングによって温度上昇する遷移マトリクス３２中に
希土類金属粒子３３を分散せしめた複合金属層３４を冷
却する構造となっている。なお、スパッタ電極本体２ａ
の中央部分に遷移金属単体部３１を設けた理由は、遷移
金属マトリクス３２と希土類金属粒子３３といった異な
った材料がスパッタ電極中央部分の冷却水３５に接する
と、電気化学的な特性の違いから両者の間に電位差が生
じ、局部電池が形成され、希土類金属粒子３３が選択的
に腐食するからである。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示すスパッタ電極２は、その電極上部に電極蓋６が溶接
され、しかも当該電極蓋６がステンレス製の冷却用二重
管７と溶接されているので、電極蓋６としては、複合金
属層３４と同じ材料である遷移金属で製作し、或いは冷
却用二重管７と同じ材料であるステンレス鋼で製作して
も、スパッタ電極２内部の冷却水３５と接する部分には
遷移金属とステンレス鋼といった異材溶接部が形成さ
れ、その結果、遷移金属部３１が選択的に腐食すること
がわかった。従って、遷移金属部３１の選択的な腐食を
抑制するためには、異材溶接部をなくすことが有効であ
り、スパッタ電極２内側の遷移金属部３１と電極蓋６と
を何れもステンレス鋼で製作することが考えられる。

【００１７】このような観点から、スパッタ電極内部の
冷却水３５と接する部分を全て異材溶接部の無いステン
レス鋼製にするためのスパッタ電極の構造およびその製
造方法としては、図７（ａ）に示すようなスパッタ電極
２の中央部に遷移金属粉末２２を充填する代わりに、
（１）ステンレス鋼製のパイプもしくは丸棒を設置する
か、（２）遷移金属粉末部分にステンレス鋼の粉末を充
填し、その外側に混合粉末２３を充填し焼結することに
より、ステンレス鋼部と一体化するか、（３）或いは円
筒形の複合金属層３４と冷却用二重管７とを有するステ
ンレス部を別々に作り、溶接等によって接合することが
考えられる。

【００１８】一方、発明者らの実験によれば、複合金属
層３４を形成する遷移金属マトリクス３２と希土類金属
粒子３３との界面に反応層が生じる。この反応層は硬
く、脆い金属間化合物層であり、スパッタリング特性や
加工性を著しく低下させることがわかった。従って、こ
の金属間化合物の形成はできるだけ抑制する必要があ
る。

【００１９】因みに、図９は、ＨＩＰ装置を用いてＮｉ
粉末（遷移金属）とＹ粒子（希土類金属）との混合粉末
を種々の温度で焼結した後、反応層（金属間化合物層）
の厚さと焼結体の相対密度（焼結体の密度／その材料の
真密度×１００）の値を示す特性図である。この図から
反応層の厚さは、７００°Ｃ付近から急激に増大する傾
向を示すことから、ＨＩＰ処理によるＮｉとＹとの混合
粉末の焼結温度としては７００°Ｃ以下が好ましいこと
がわかる。

【００２０】しかし、ＨＩＰ処理温度が６００°Ｃ以下
の場合には焼結が十分に起こらないために相対密度が低
く、焼結体の強度が低下する。ゆえに、焼結後の相対温
度は９５％以上、できれば９８％以上が好ましい。

【００２１】以上の結果から、遷移金属粉末３２と希土
類金属粉末３３との混合粉末の焼結温度としては、６０
０°Ｃ〜７００°Ｃが適正と考えられる。

【００２２】しかし、前述する（１）〜（３）により述
べたスパッタ電極内部の冷却水３５と接する部分を全て
異材溶接部の無いステンレス鋼製にするためのスパッタ
電極の構造を用い、かつ、６００°Ｃ〜７００°Ｃとい
う低い複合金属層３４の焼結温度としたとき、次のよう
な結果が得られた。

【００２３】前記（１）の場合には複合金属層３４は緻
密化するが、ステンレス鋼製のパイプと複合金属層とが
全く接合しなかった。

【００２４】前記（２）の場合には複合金属層３４は同
じく緻密化するが、遷移金属粉末に比べてステンレス鋼
粉末の焼結温度が著しく高いために、ステンレス鋼粉末
は全く焼結しなかった。

【００２５】前記（３）の場合にはスパッタリングによ
り温度が上昇する複合金属層３４の温度を冷却用二重管
７内を流れる水で効率良く冷却するためには、ステンレ
ス鋼製のパイプの外表面と複合金属層内表面とが全て面
で接触する必要があり、このような接合状態を溶接によ
り得ることは不可能である。従って、拡散接合やろう付
け等の接合方法を用いる必要があるが、何れも６００°
Ｃ〜７００°Ｃという接合温度では良好な接合面を得る
ことができなかった。

【００２６】請求項１の発明は上記実情に鑑みてなされ
たもので、耐食性に優れたスパッタ電極を提供すること
を目的とする。

【００２７】請求項３の発明は、複合金属層の支持の
他、スパッタ電極の交換およびメンテナンスに有効なス
パッタ電極を提供することを目的とする。

【００２８】請求項４の発明は、耐食性に優れ、かつ、
ステンレス鋼部材と混合粉末で形成される複合金属層と
を良好なる接合状態とするスパッタ電極の製造方法を提
供することを目的とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１および請求項２に対応する発明は、対向電
極と対向配置され、当該対向電極との間でグロー放電に
よって生成されるガスイオンの衝突によるスパッタリン
グ作用によって前記対向電極上にスパッタ金属の累積層
を形成するスパッタ電極において、冷却水の循環部分を
除いて両端を閉塞状態とする円筒状のステンレス鋼部を
有し、このステンレス鋼部の表面に遷移金属からなる母
相中に希土類金属粒子を分散させた複合金属層を設けた
スパッタ電極である。

【００３０】なお、ステンレス鋼部は、上部の直径と下
部の直径とを同一のものとしてもよいが、また上部の直
径が下部の直径よりも小さくなるようにテーパー状に形
成してもよい。

【００３１】次に、請求項３に対応する発明は、対向電
極と対向配置され、この対向電極との間でグロー放電に
よって生成されるガスイオンの衝突によるスパッタリン
グ作用によって前記対向電極上にスパッタ金属の累積層
を形成するスパッタ電極において、上部の直径が下部の
直径よりも小さくなるようにテーパー状に形成され、か
つ、冷却水の循環部分を除いて両端を閉塞状態とする円
筒状のステンレス鋼部を有し、このステンレス鋼部の表
面に、内側にテーパー状を有するステンレス鋼を介して
遷移金属からなる母相中に希土類金属粒子を分散させた
複合金属層を設けたスパッタ電極である。

【００３２】さらに、請求項４ないし請求項７に対応す
る発明は、中央部にステンレス鋼部材を配置し、このス
テンレス鋼部材の周囲に遷移金属粉末と希土類金属粒子
との混合粉末を充填し、熱間静水加圧法またはホットプ
レス法による加圧焼結法により、前記ステンレス鋼部に
前記混合粉末を一体化するスパッタ電極の製造方法であ
る。

【００３３】なお、ステンレス鋼部材は、その前処理と
して表面にＮｉ，Ｃｒ，Ｃｕ等の遷移金属被覆層が形成
される。

【００３４】また、熱間静水加圧法またはホットプレス
法による遷移金属粉末と希土類金属粒子との混合粉末の
焼結温度としては、６００°Ｃ以上、７００°Ｃ以下と
するものである。

【００３５】さらに、表面に遷移金属被覆層を設けたス
テンレス鋼部材は、不活性ガス中もしくは真空雰囲気中
で６００°Ｃ以上、かつ、１０００°Ｃ以下の温度拡散
熱処理を行い、かつ、ステンレス鋼部材の表面に被覆す
る遷移金属被覆層の厚さは、１０μｍ以上とするもので
ある。

【００３６】

【作用】従って、請求項１および請求項２に対応する発
明は、以上のような手段を講じたことにより、中央部に
位置し、かつ、冷却水に接する部分を円筒状のステンレ
ス鋼部とし、その外側に遷移金属マトリクス中に希土類
金属粒子を分散せしめた複合金属層を設けているので、
冷却水と接する部分を全て単一の材料（ステンレス鋼）
で構成可能となり、従来のような異材溶接部に起因する
局部腐食の不具合を改善できる。

【００３７】また、表面に遷移金属被覆層を設けたステ
ンレス鋼部の上部直径と下部直径とを同じ大きさにし、
スパッタリング作用を行ったとき、中央のステンレス鋼
部と複合金属層との間の接合部（遷移金属被覆層）で大
きな熱応力が作用し、接合部分の剥離によって複合金属
部の落下の可能性を考えておく必要があるが、ステンレ
ス鋼部の上部の直径を下部の直径よりも小さくすれば、
ステンレス鋼部に複合金属層が支持された状態となり、
接合部の剥離による複合金属層の脱落を確実に防止でき
る。

【００３８】次に、請求項３に対応する発明は、上部の
直径が下部の直径よりも小さくなるようにテーパー状に
形成された円筒状のステンレス鋼部の表面に、内側にテ
ーパー状を有するステンレス鋼を介して遷移金属からな
る母相中に希土類金属粒子を分散させた複合金属層を設
けたので、ステンレス鋼部とその外側のステンレス鋼と
を接合する溶接施工およびその接合部分の非破壊検査が
容易であり、しかも内側電極となるステンレス鋼部に外
側電極となるステンレス鋼に形成される複合金属層がテ
ーパーを利用して確実に支持され、スパッタ電極の交換
時にも外側電極を交換するだけで済み、メンテナンス性
やコストの面で有利である。

【００３９】さらに、請求項４ないし請求項７に対応す
る発明は、中央部に位置するステンレス鋼部材の表面に
前処理として遷移金属被覆層を設け、真空もしくは不活
性ガス雰囲気中で例えば６００°Ｃ〜９００°Ｃの拡散
熱処理を施すことにより、ステンレス鋼部材と遷移金属
被覆層の界面に拡散層が形成されるので、ステンレス鋼
部材の表面に被覆層を強固に接合でき、その結果、後工
程で行うＨＩＰ処理に際しても遷移金属被覆層の剥離が
ない良好な接合状態を得ることが可能である。さらに、
遷移金属被覆層を有するステンレス鋼部材の周囲に遷移
金属粉末と希土類金属粒子とからなる混合粉末を充填
し、６００°Ｃ〜７００°Ｃという低温でＨＩＰにより
焼結することにより、スパッタリング特性や機械加工性
に大きな影響を及ぼす金属間化合物層の形成を抑制した
緻密な複合金属層が得られ、かつ、遷移金属どうしが同
温度でも良好に接合できることから、ステンレス鋼部材
の表面の遷移金属被覆層と複合金属層との結合も同時に
起こる。

【００４０】この遷移金属被覆層と複合金属層との接合
は、ＨＩＰ処理時の高圧（２００MPa ）の等方圧力によ
り複合金属層が遷移金属被覆層に押し付けられることか
ら、欠陥や剥離がなく、両者が面で接触する接合体とな
り、複合金属層の冷却効率の点でも優れている。

【００４１】また、ステンレス鋼部材と遷移金属被覆層
の界面に形成される拡散層の厚さは拡散熱処理温度が高
く、処理時間が長いほど厚くなる傾向を示すが、拡散層
は比較的脆く、同時に結晶粒も成長するので、あまり厚
くなると強度が低下する。そこで、拡散熱処理温度とし
ては６００°Ｃ〜９００°Ｃとし、またその厚さとして
は５０μｍ以下が好ましい。一方、このような拡散層が
成長し、複合金属層に達するとステンレス鋼部材の主要
成分である例えばＣｒが希土類金属粒子と反応し、脆い
金属間化合物を形成し、機械的特性やスパッタリング特
性に悪影響を及ぼす。従って、遷移金属被覆層の厚さは
拡散熱処理により生じる拡散層の厚さ以上が必要であ
り、その値は上記適正拡散熱処理条件から１０μｍ以上
である。

【００４２】一方、遷移金属被覆層の厚さが厚くなる
と、被覆コストが高くなるだけでなく、被覆に発生する
内部応力が増加するので、被覆工程中に遷移金属被覆層
が剥離する可能性が高くなるので、過度の厚膜化は好ま
しくなく、拡散層の２倍程度の厚さに制御することが好
ましい。

【００４３】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００４４】先ず、本発明者らは、ステンレス鋼と遷移
金属との組合わせについて種々の条件の下に接合試験を
行ったところ、遷移金属がほぼ真密度まで緻密化し、か
つ、希土類金属と顕著なる反応層を形成しない、６００
°Ｃ〜７００°Ｃという温度ではステンレス鋼と遷移金
属とは全く接合しないが、遷移金属と遷移金属との組合
わせの場合に良好な接合状態となることを見出した。

【００４５】図１はかかる試験結果を踏まえて実現され
た本発明に係わるスパッタ電極の一実施例を示す断面構
造図である。

【００４６】このスパッタ電極は、一端部に開口部を形
成する筒状のスパッタ電極本体４１と、このスパッタ電
極本体４１の一端開口部を閉塞して気密に溶接固定する
電極蓋４２と、この電極蓋４２からスパッタ電極本体４
１内に冷却水４３を循環供給する冷却用二重管４４が貫
通されている。

【００４７】前記スパッタ電極本体４１は、中央部分に
位置し、かつ、一端部に開口部，つまり冷却用孔部４５
が形成されたステンレス鋼部４６を有し、このステンレ
ス鋼部４６の外表面にはメッキ，ＣＶＤ，ＰＶＤ，溶射
等によって遷移金属被覆層４７が設けられ、さらに遷移
金属被覆層４７の外側には遷移金属粉末と希土類金属粒
子とからなる混合粉末を充填してＨＩＰ処理により焼結
することにより、遷移金属マトリクス４８中に希土類金
属粒子４９を分散混合してなる複合金属層５０が形成さ
れている。

【００４８】なお、この複合金属層５０は、遷移金属被
覆層４７を介してステンレス鋼部４６に強固に結合され
ているが、その強固な接合状態を作り出した理由は、Ｈ
ＩＰ処理時にステンレス鋼部４６からＣｒ，Ｆｅ等のス
テンレス鋼の主要成分が遷移金属被覆層４７に拡散され
て拡散層５１を形成するととともに、残存する残留被覆
層５２自体も焼結することにより緻密化し、接合強度が
強化されたためである。

【００４９】従って、スパッタ電極本体４１としては、
ステンレス鋼部４６に遷移金属被覆層４７を介して複合
金属層５０が一体となり、そのうち遷移金属被覆層４７
が、ステンレス鋼部４６側には拡散層５１、複合金属層
５０側には緻密化された残留被覆層５２をもつ二重構造
となっている。

【００５０】そして、前記ステンレス鋼部４６の上部に
は前述したようにステンレス鋼製の電極蓋４２が溶接さ
れ、この電極蓋４２を貫通する冷却用二重管４４も当該
電極蓋４２に溶接するので、冷却水４３に接する部分が
全てステンレス鋼で形成され、異材溶接部の無い耐食性
に優れたスパッタ電極を作ることができる。

【００５１】しかしながら、製作したスパッタ電極本体
４１を切断し接合状態を調べてみると、ステンレス鋼部
４６の遷移金属被覆層４７との界面で部分的な剥離が見
受けられた。その原因を分析してみると、ＨＩＰ処理に
よる複合粉末の焼結過程において、焼結により複合粉末
の体積が収縮するとともにＨＩＰ処理時の高い圧力によ
るステンレス製容器の変形により、遷移金属被覆層４７
に大きな変形応力が作用し、ステンレス鋼部４６と遷移
金属被覆層４７との界面に拡散層５１が形成される前に
被覆層４７の剥離を生じるためであることが判明した。

【００５２】そこで、このような遷移金属被覆層４７の
剥離を防止する手段としては、ＨＩＰ処理前にステンレ
ス鋼部４６の表面に遷移金属被覆層４７を施し、安価な
拡散熱処理例えば真空中または不活性ガス雰囲気中で６
００°Ｃ以上の温度で熱処理を行えば、ステンレス鋼部
４６に遷移金属被覆層４７が強固に接合させることがわ
かった。

【００５３】従って、以上のようなスパッタ電極によれ
ば、冷却水に接する部分をステンレス鋼部４６とし、そ
の外側に遷移金属マトリクス４８中に希土類金属粒子４
９を分散させた複合金属層５０を設けたことにより、ス
パッタ電極内の冷却水に接する部分は全て単一の材料
（ステンレス鋼）で構成でき、異材溶接部に起因する局
部腐食を著しく改善できる。

【００５４】また、中央部位置のステンレス鋼部４６の
表面に遷移金属による被覆層４７を設け、真空もしくは
不活性ガス雰囲気中で６００°Ｃ〜９００°Ｃの拡散熱
処理を施すことにより、ステンレス鋼部４６と被覆層４
７との界面に拡散層５１が形成されるので、ステンレス
鋼部４６の表面に被覆層４７を強固に接合でき、その結
果、後工程であるＨＩＰ処理に際しても被覆層４７の剥
離がない良好な接合状態を得ることが可能である。

【００５５】次に、本発明に係わるスパッタ電極の製造
方法の一実施例について図２を参照して説明する。

【００５６】この図２はスパッタ電極を製造する工程を
説明する図であって、具体的には，スパッタ電極内部の
冷却用孔部４５および上部に溶接する電極蓋４２よりも
大きな径を有した丸棒状のステンレス鋼部材４６ａの表
面に電解メッキにより厚さ５０μｍのＮｉ被覆層４７を
形成する（同図ａ参照）。その後、Ｎｉを被覆したステ
ンレス鋼部材４６ａに対し、圧力１×１０^-5Torr以下の
真空中で８００°Ｃ，１時間の熱処理（イ）を施すこと
により、Ｎｉ被覆層４７のステンレス鋼部材４６ａ側に
はステンレス鋼の主要成分であるＣｒ，Ｆｅが拡散さ
れ、ステンレス鋼部材４６ａの表面には厚さ約２０μｍ
の拡散層５１が強固な接合状態で形成される。

【００５７】さらに、被覆層４７の表面に残留したＮｉ
被覆層５２も焼結が進み、緻密化するとともに、接合強
度が向上する（同図ｂ参照）。

【００５８】このような方法によって製作されたステン
レス鋼部材４６ａは、ＨＩＰ処理に供するために、ステ
ンレス鋼製容器５５の内底部に溶接により固定した後、
その隙間部分に遷移金属粉末と希土類金属粒子との混合
粉末５６を充填する（同図ｃ参照）。

【００５９】その後、真空中で脱ガス後、同図（ｄ）に
示すように同じくステンレス鋼製上蓋５７を容器５５上
端部に溶接することにより、内部を真空とした真空封入
容器５８とした後、ＨＩＰ処理に供する（同図（ｅ）参
照）。そして、ＨＩＰ処理後の素材は、機械加工によっ
て外側のステンレス鋼製容器５５を除去し、必要に応じ
て素材の外径および内径を加工し、スパッタ電極素材５
９を得る。

【００６０】このスパッタ電極素材５９は、中心部がス
テンレス鋼部４６ａとなり、その外側が複合金属層５０
になっており、両者が強固に接合された状態となってい
る（同図（ｆ）参照）。

【００６１】以上のようにして得られたスパッタ電極素
材５９は、図１に示すように機械加工によって中央部分
のステンレス鋼部４６ａ（４６）に冷却用孔部４５を加
工するとともに、このステンレス鋼部４６ａの上部にス
テンレス鋼製の電極蓋４２、さらに当該電極蓋４２に同
じくステンレス鋼製の冷却用二重管４４を溶接すること
により、冷却水に接する部分が全てステンレス鋼で構成
され、異材溶接部のないスパッタ電極を製造できる。

【００６２】従って、以上のように図２の工程によって
製造されたスパッタ電極素材５９を用いて作られる図１
に示すスパッタ電極によれば、中央部分をステンレス鋼
部４６とすることにより、冷却水４３と接触するスパッ
タ電極本体４１、電極蓋４２および冷却用二重管４４を
全てステンレス鋼で構成でき、これにより異材溶接部が
無いことから局部電池の形成による選択的腐食が完全に
回避できる。

【００６３】また、この製造方法においては、スパッタ
電極本体４１の中央部分に位置するステンレス鋼部４６
の表面に接合性に優れたＮｉ被覆層４７を設け、高温の
拡散熱処理を施すことにより、両者の界面に拡散層５１
を形成するので、接合強度の向上を図ることができ、後
工程であるＨＩＰ処理に際しても、Ｎｉ被覆層４７の剥
離を完全に防止できる。さらに、Ｎｉ被覆層４７を有し
たステンレス鋼部４６の周囲に複合金属層５０を形成す
るＮｉ粉末４８とＹ粉末４９との混合粉末をＨＩＰ処理
により、高温，高圧の条件化で焼結することにより、混
合粉末がＮｉ被覆層４７に押し付けられるので、Ｎｉ被
覆層４７と複合金属層５０の界面においても高い接合強
度を得ることができる。なお、このようにステンレス鋼
部４６の表面にＮｉ被覆層４７を設けることにより、複
合金属層５０を形成するＮｉマトリクス４８とＹ粒子４
９との反応がほとんど生じないような６００°Ｃ〜７０
０°Ｃという比較的低いＨＩＰ処理温度で、ステンレス
鋼部４６と複合金属層５０を強固に接合できるととも
に、両者が面の状態で接触、接合されたスパッタ電極を
製造できる。

【００６４】因みに、図３はステンレス鋼の表面をＮｉ
で被覆した後、種々の温度で拡散熱処理を施した後、Ｎ
ｉ（遷移金属）とＹ（希土類金属）との混合粉末を６０
０°ＣでＨＩＰにより焼結、結合した試験片の引張試験
の結果を示す図である。さらに、具体的には、スパッタ
電極の製造方法と同様に棒状ステンレス鋼部材４６ａの
周囲にＮｉ粉末を充填し、実際のスパッタ電極の金属複
合層５０を形成するＮｉ粉末４８とＹ粉末４９とが脆い
金属間化合物を形成しない上限の温度である６００°Ｃ
でＨＩＰ処理した試験体の接合強度を測定した結果であ
る。

【００６５】この図から明らかなように、ステンレス鋼
部材４６ａの表面を遷移金属であるＮｉ被覆層４７を被
覆しなかった試験体は、全て引張試験前にステンレス鋼
とＮｉ焼結体である複合金属層５０との界面で破断し
た。また、ステンレス鋼の表面にＮｉ被覆層４７を被覆
した後、拡散熱処理を施した後にＨＩＰ処理した試験体
は、結合強度がかなり高い値を示しているが、拡散熱処
理温度が低い場合，例えば４００°Ｃ，５００°Ｃ等の
場合には接合強度がかなり低いものも認められ、これら
試験体の多くの破断位置はステンレス鋼とＮｉ焼結体で
あるＮｉ被覆層４７との界面であった。

【００６６】一方、６００°Ｃ以上で拡散熱処理を施し
た試験体は、何れも高い引張強度を示すことから、拡散
熱処理温度としては、６００°Ｃ以上の温度が必要であ
ることがわかる。しかし、拡散熱処理温度が９００°Ｃ
以上になると、強度が若干低下する傾向があり、これは
拡散層の成長と被覆層の結晶粒の成長とによるものであ
り、好ましくは６００°Ｃ〜９００°Ｃが適正な拡散熱
処理温度であると確認された。

【００６７】次に、本発明に係わるスパッタ電極および
その製造方法の他の実施例について説明する。

【００６８】図１および図２に示す実施例では、電極内
部の冷却水と接する部分をステンレス鋼部４６とし、そ
の表面に焼結性，結合性に優れた遷移金属被覆層４７を
設けることにより、ステンレス鋼部４６の周囲に遷移金
属被覆層４７を介して低温で遷移金属マトリクス４８中
に希土類金属粒子４９を分散させた複合金属層５０を強
固に接合する構造とした。

【００６９】ところで、このようなスパッタ電極におい
ては、スパッタ電極本体４１の表面部がスパッタリング
反応により３００°Ｃ〜４００°Ｃに上昇し、内部は冷
却水４３によって常温近くに冷却される。その結果、ス
パッタ電極本体４１は、半径方向に温度勾配を有し、し
かも中央部分のステンレス鋼部４６と表面側の複合金属
層５０とでは熱膨脹率が異なるので、接合部には熱応力
が作用する可能性がある。

【００７０】そこで、本発明の他の実施例としては、図
４に示すように、中央部分に位置するステンレス鋼部６
１として、上部から下部側に向かって直径が大きくなる
ようなテーパーを形成することにより、ステンレス鋼部
６１と複合金属層５０とが剥離可能な状態となっても、
複合金属層５０が脱落せず、ステンレス鋼部６１に当該
複合金属層５０が支持されるような構造とする。

【００７１】このようなスパッタ電極についても、図２
に示す製造方法によって同様に製造可能であることは言
うまでもない。

【００７２】また、上記実施例および図４に示す実施例
においては、スパッタ電極本体４１が電極蓋４２と溶接
され、さらに当該電極蓋４２が冷却用二重管４４と溶接
され、スパッタ電極本体４１が冷却用二重管４４によっ
て上部から吊下された状態で支持されることになる。従
って、スパッタ電極本体４１を安全な状態で支持するた
めには、前述する２か所の溶接部分の健全性が重要にな
ってくる。

【００７３】このような観点から、電極蓋４２と冷却用
二重管４４との溶接部は構造的にも溶接施工が容易であ
り、かつ、非破壊検査も可能であるが、スパッタ電極本
体４１と電極蓋４２との溶接部は大きな溶け込み深さが
必要であり、その非破壊検査も難しい。

【００７４】そこで、さらに、構造上の改良を加えてな
るスパッタ電極は、図５に示すように、中央部分に位置
し、かつ、テーパー形状の内側電極６２を作り、この内
側電極６２と電極蓋４２とを溶接し、さらに電極蓋４２
と冷却用二重管４４とを溶接する。そして、この内側電
極６２の外側に同じくテーパー形状を有するステンレス
鋼６３、遷移金属被覆層４７および複合金属層５０から
なる外側電極６４を形成する。内側テーパー形状のステ
ンレス鋼６３と遷移金属被覆層４７と外側の複合金属層
５０とは図２に示す本発明に係わるステンレス鋼と遷移
金属との接合方法を用いて両者を接合することにより、
円筒形状の外側電極６４を製造する。そして、テーパー
状の内側電極６２とテーパー状の外側電極６４とを接合
すれば、内側電極６２に外側電極６４を支持することが
できる。

【００７５】このようなスパッタ電極の構造を用いるこ
とにより、ステンレス鋼部とその外側のステンレス鋼と
を接合する溶接施工およびその接合部分の非破壊検査が
容易であり、しかも内側電極となるステンレス鋼部に外
側電極となるステンレス鋼に形成される複合金属層がテ
ーパーを利用して確実に支持され、スパッタ電極の交換
時にも外側電極を交換するだけで済み、メンテナンス性
やコストの面で有利である。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
のような種々の効果を奏する。

【００７７】請求項１の発明においては、冷却水に接す
る部分を円筒状のステンレス鋼部とするとともに、その
外側に遷移金属マトリクス中に希土類金属粒子を分散せ
しめた複合金属層を設けているので、冷却水と接する部
分を全て単一の材料（ステンレス鋼）で構成可能とな
り、耐食性に優れたスパッタ電極を実現できる。

【００７８】請求項２の発明においては、ステンレス鋼
部の上部の直径を下部の直径よりも小さくすることによ
り、ステンレス鋼部と複合金属層との間の接合部分に剥
離が生じても、複合金属層の脱落を防止できる。

【００７９】請求項３の発明では、内側電極となるテー
パー状のステンレス鋼部の表面に、外側電極となる内側
にテーパー状を有するステンレス鋼に遷移金属被覆層お
よび複合金属層を設けたので、内側電極に複合金属層を
確実に支持でき、さらにスパッタ電極の交換およびメン
テナンスが非常に容易になる。

【００８０】請求項４ないし請求項８の発明では、耐食
性に優れ、かつ、ステンレス鋼部材と混合粉末で形成さ
れる複合金属層とを良好なる接合状態を作り出すことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる活性ガスの固定化装置に用いら
れるスパッタ電極の一実施例を示す断面構造図。

【図２】本発明に係わるスパッタ電極の製造工程を示す
模式図。

【図３】本発明の基本データとなる表面に遷移金属を被
覆したステンレス鋼の拡散熱処理温度とステンレス鋼と
遷移金属（Ｎｉ）との接合強度と関係図。

【図４】本発明に係わるスパッタ電極の他の実施例を示
す断面構造図。

【図５】本発明に係わるスパッタ電極の他の実施例を示
す断面構造図。

【図６】スパッタリングを利用した不活性ガス固定化装
置の横断面図。

【図７】従来のスパッタ電極の製造工程を示す模式図。

【図８】従来のスパッタ電極の断面構造図。

【図９】ＨＩＰ処理温度と遷移金属（Ｎｉ）の焼結温度
および遷移金属（Ｎｉ）と希土．ｅ金属（Ｙ）界面の反
応層厚さの関係図。

【符号の説明】

４１…スパッタ電極本体、４２…電極蓋、４３…冷却
水、４４…冷却用二重管、４６…ステンレス鋼部、４７
…遷移金属被覆層、４８…遷移金属マトリクス、４９…
希土類金属粒子、５０…複合金属層、５１…拡散層、５
２…残留被覆層、４６ａ…ステンレス鋼部材、５９…ス
パッタ電極素材、６１…ステンレス鋼部、６２…内側電
極、６３…ステンレス鋼、６４…外側電極。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向電極と対向配置され、当該対向電極
   との間でグロー放電によって生成されるガスイオンの衝
   突によるスパッタリング作用によって前記対向電極上に
   スパッタ金属の累積層を形成するスパッタ電極におい
   て、 冷却水の循環部分を除いて両端を閉塞状態とする円筒状
   のステンレス鋼部を有し、このステンレス鋼部の表面に
   遷移金属からなる母相中に希土類金属粒子を分散させた
   複合金属層を設けたことを特徴とするスパッタ電極。
2. 【請求項２】 ステンレス鋼部は、その上部の直径が下
   部の直径よりも小さくなるようにテーパー状に形成した
   ことを特徴とする請求項１記載のスパッタ電極。
3. 【請求項３】 対向電極と対向配置され、この対向電極
   との間でグロー放電によって生成されるガスイオンの衝
   突によるスパッタリング作用によって前記対向電極上に
   スパッタ金属の累積層を形成するスパッタ電極におい
   て、 上部の直径が下部の直径よりも小さくなるようにテーパ
   ー状に形成され、かつ、冷却水の循環部分を除いて両端
   を閉塞状態とする円筒状のステンレス鋼部を有し、この
   ステンレス鋼部の表面に、内側にテーパー状を有するス
   テンレス鋼を介して遷移金属からなる母相中に希土類金
   属粒子を分散させた複合金属層を設けたことを特徴とす
   るスパッタ電極。
4. 【請求項４】 中央部にステンレス鋼部材を配置し、こ
   のステンレス鋼部材の周囲に遷移金属粉末と希土類金属
   粒子との混合粉末を充填し、熱間静水加圧法またはホッ
   トプレス法による加圧焼結法により、前記ステンレス鋼
   部に前記混合粉末を一体化することを特徴とするスパッ
   タ電極の製造方法。
5. 【請求項５】 ステンレス鋼部材は、その前処理として
   表面にＮｉ，Ｃｒ，Ｃｕ等の遷移金属被覆層を設けたこ
   とを特徴とする請求項４記載のスパッタ電極の製造方
   法。
6. 【請求項６】 熱間静水加圧法またはホットプレス法に
   よる遷移金属粉末と希土類金属粒子との混合粉末の焼結
   温度は、６００°Ｃ以上、７００°Ｃ以下とすることを
   特徴とする請求項４記載のスパッタ電極の製造方法。
7. 【請求項７】 表面に遷移金属被覆層を設けたステンレ
   ス鋼部材は、不活性ガス中もしくは真空雰囲気中で６０
   ０°Ｃ以上、かつ、１０００°Ｃ以下の温度拡散熱処理
   を行うことを特徴とする請求項４または請求項５記載の
   スパッタ電極の製造方法。
8. 【請求項８】 ステンレス鋼部材の表面に被覆する遷移
   金属被覆層の厚さは、１０μｍ以上とすることを特徴と
   する請求項４または請求項５記載のスパッタ電極の製造
   方法。