特許 7371862 溶射皮膜の形成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-23

(45)【発行日】2023-10-31

(54)【発明の名称】溶射皮膜の形成方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 4/134 20160101AFI20231024BHJP

   C23C 4/11 20160101ALI20231024BHJP

【ＦＩ】

C23C4/134

C23C4/11

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019208722

(22)【出願日】2019-11-19

(65)【公開番号】P2021080521

(43)【公開日】2021-05-27

【審査請求日】2022-09-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000158312

【氏名又は名称】岩谷産業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】517132810

【氏名又は名称】地方独立行政法人大阪産業技術研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】598006336

【氏名又は名称】アルバックテクノ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100136098

【弁理士】

【氏名又は名称】北野 修平

(74)【代理人】

【識別番号】100137246

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 勝也

(72)【発明者】

【氏名】吉田 佳史

(72)【発明者】

【氏名】足立 振一郎

(72)【発明者】

【氏名】門脇 豊

【審査官】池ノ谷 秀行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－０５７９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０７３７７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１０４３５７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１７－５２０６７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０６９５５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２８７４０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２３Ｃ ４／００－４／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ベース部材を準備する工程と、
４．５体積％以上５．５体積％以下の水素を含有し、残部が窒素および不可避的不純物からなる混合ガスを流し、前記混合ガスに含まれる原子を電離させてプラズマを形成しつつ、前記混合ガスおよび前記プラズマを含むプラズマ流を形成する工程と、
前記プラズマ流により３８質量％～４２質量％の二酸化チタン粉末と、６２質量％～５８質量％のアルミナ粉末とからなる溶射材料を溶融しながら前記ベース部材まで搬送し、溶融した前記溶射材料を前記ベース部材上に堆積させ凝固させることにより、前記ベース部材の表面上に溶射皮膜を形成する工程と、を含み、
前記溶射皮膜の放射率は０．９２である、
溶射皮膜の形成方法。

【請求項2】

前記溶射皮膜の厚みが２００μｍである、請求項１に記載の溶射皮膜の形成方法。

【請求項3】

前記溶射材料の平均粒径は、１０μｍ以上６３μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の溶射皮膜の形成方法。

【請求項4】

前記溶射材料の平均粒径は、１０μｍ以上４５μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の溶射皮膜の形成方法。

【請求項5】

前記不可避的不純物の含有量は０．１体積％未満である、請求項１または請求項２に記載の溶射皮膜の形成方法。

【請求項6】

前記ベース部材は、半導体製造装置用の部材である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の溶射皮膜の形成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶射皮膜の形成方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

プラズマ溶射により、ベース部材に皮膜を形成する方法が知られている（たとえば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－２４０５１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

プラズマ溶射により形成された皮膜において、放射率を向上させることが求められる場合がある。また、プラズマ溶射によりベース部材に皮膜を形成する方法において、製造コストを低減することが好ましい。そこで、良好な放射率を有する溶射皮膜を形成することができると共に製造コストを低減することができる溶射皮膜の形成方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示に従った溶射皮膜の形成方法は、ベース部材を準備する工程と、４．５体積％以上５．５体積％以下の水素を含有し、残部が窒素および不可避的不純物からなる混合ガスを流し、混合ガスに含まれる原子を電離させてプラズマを形成しつつ、混合ガスおよびプラズマを含むプラズマ流を形成する工程と、プラズマ流により３８質量％～４２質量％の二酸化チタン粉末と、６２質量％～５８質量％のアルミナ粉末と、を含む溶射材料を溶融しながらベース部材まで搬送し、溶融した溶射材料をベース部材上に堆積させ凝固させることにより、ベース部材の表面上に溶射皮膜を形成する工程と、を含む。

【発明の効果】

【0006】

上記溶射皮膜の形成方法によれば、良好な放射率を有する溶射皮膜を形成することができると共に製造コストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本実施の形態における溶射皮膜の形成方法の一例を示すフローチャートである。

【図2】ベース部材上に形成された溶射皮膜の一例を示す図である。

【図3】プラズマ溶射装置の一例を示す概略図である。

【図4】放射率の測定結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

［実施形態の概要］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。本開示の溶射皮膜の形成方法は、ベース部材を準備する工程と、４．５体積％以上５．５体積％以下の水素を含有し、残部が窒素および不可避的不純物からなる混合ガスを流し、混合ガスに含まれる原子を電離させてプラズマを形成しつつ、混合ガスおよびプラズマを含むプラズマ流を形成する工程と、プラズマ流により３８質量％～４２質量％の二酸化チタン粉末と、６２質量％～５８質量％のアルミナ粉末と、を含む溶射材料を溶融しながらベース部材まで搬送し、溶融した溶射材料をベース部材上に堆積させ凝固させることにより、ベース部材の表面上に溶射皮膜を形成する工程と、を含む。

【0009】

本発明者らは、窒素（Ｎ_２）に所定量の水素（Ｈ_２）を含む混合ガスを用いて特定の溶射材料のプラズマ溶射を行うと、放射率の良好な溶射皮膜を形成できることを見出した。より具体的には、本開示における溶射皮膜の形成方法では、４．５体積％以上５．５体積％以下の水素を含有し、残部が窒素および不可避的不純物からなる混合ガスが用いられる。また、３８質量％～４２質量％の二酸化チタン粉末と、６２質量％～５８質量％のアルミナ粉末と、を含む溶射材料が用いられる。上記混合ガスを電離させることにより形成されるプラズマと、上記混合ガスとを含むプラズマ流によって溶融した溶射材料をベース部材上に堆積させることで、放射率の良好な溶射皮膜を形成することができる。また、上記混合ガスを用いることで、一般的に用いられるヘリウム（Ｈｅ）を用いる場合に比べて、製造コストを低減することができる。このように本開示の溶射皮膜の形成方法によれば、良好な放射率を有する溶射皮膜を形成することができると共に製造コストを低減することができる。

【0010】

上記溶射皮膜の形成方法において、溶射材料の平均粒径は、１０μｍ以上６３μｍ以下であってもよい。上記平均粒径を有する溶射材料は、本開示の溶射皮膜の形成方法において用いる溶射材料として好適である。

【0011】

上記溶射皮膜の形成方法において、溶射材料の平均粒径は、１０μｍ以上４５μｍ以下であってもよい。上記平均粒径を有する溶射材料は、本開示の溶射皮膜の形成方法において用いる溶射材料としてさらに好適である。

【0012】

上記溶射皮膜の形成方法において、不可避的不純物の含有量は０．１体積％未満であってもよい。不可避的不純物の含有量を上記範囲にすることで、溶射皮膜への不純物の混入を低減することができる。

【0013】

上記溶射皮膜の形成方法において、ベース部材は、半導体製造装置用の部材であってもよい。本開示の溶射皮膜の形成方法によって、半導体製造装置用の部材に溶射皮膜を形成することで、放射率の良好な溶射皮膜を形成することができる。したがって、良好な放熱性を有する半導体製造装置用の部材を形成することができる。

【0014】

［実施形態の具体例］
次に、本開示の溶射皮膜の形成方法の一実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

【0015】

[溶射皮膜の形成方法]
図１を参照して、本実施の形態における溶射皮膜の形成方法では、まず工程（Ｓ１０）として、ベース部材を準備する工程が実施される。本実施の形態では、ベース部材として、半導体製造装置用の部材が準備される。

【0016】

次に、プラズマ溶射装置によりベース部材の表面上に溶射皮膜を形成する工程が実施される。プラズマ溶射装置については後述する。まず工程（Ｓ２０）としてプラズマ流を形成する工程が実施される。プラズマ溶射装置において、プラズマ形成用ガスを流すことにより、プラズマ形成用ガスに含まれる原子を電離させてプラズマが形成される。そして、プラズマ形成用ガスおよびプラズマを含むプラズマ流が形成される。

【0017】

本実施の形態において、プラズマ形成用ガスとして、４．５体積％以上５．５体積％以下の水素を含有し、残部が窒素および不可避的不純物からなる混合ガスが採用される。水素の含有量が４．５体積％以上とすることで、放射率の良好な溶射皮膜を形成することができる。また、水素の含有量が５．５体積％を超えるとその効果は飽和してしまう。設備設計の観点から水素の使用量は少ない方が望ましい。したがって、プラズマ形成用ガスに含まれる水素の含有量は、４．５体積％以上５．５体積％以下であることが好ましい。上記不可避的不純物の含有量はできる限り少ない方が好ましい。本実施の形態において、不可避的不純物の含有量は０．１体積％未満である。このようにすることで、溶射皮膜への不純物の混入を低減することができる。不可避的不純物の含有量はより好ましくは０．０５体積％未満であり、さらに好ましくは０．０１体積％未満であり、特に好ましくは０．００５体積％未満である。

【0018】

本実施の形態においては、窒素と水素とが予め混合されたガスをボンベなどの容器に封入し、プラズマ溶射が実施される場所においてその容器から供給される。本実施の形態においては、効率的な運搬を達成するために容器内の圧力が３５℃において１ＭＰａ以上１４．７ＭＰａ以下であることが好ましい。このように容器に封入された混合ガスは、容器弁を備えた窒素ガス封入容器と、容器弁を備えた水素ガス封入容器とを、それぞれボンベなどの混合ガスを供給すべき容器に接続し、まず容器弁の圧力を管理しながら所定量の水素を、混合ガスを供給すべき容器に導入し、次に水素よりも重い窒素を容器弁の圧力を管理しながら導入することにより製造することができる。

【0019】

次に、工程（Ｓ３０）としてベース部材の表面上に溶射皮膜を形成する工程が実施される。上記プラズマ流により溶射材料を溶融しながらベース部材まで搬送する。図２を参照して、溶融した溶射材料をベース部材上に堆積させ凝固させることにより、ベース部材５２の表面上に溶射皮膜５１が形成される。本実施の形態では、３８質量％～４２質量％の二酸化チタン粉末と、６２質量％～５８質量％のアルミナ粉末と、を含む混合粉末が、溶射材料として採用される。本実施の形態における溶射材料の平均粒径は、１０μｍ以上６３μｍ以下である。平均粒径は、例えば、レーザ回折式粒度分布測定装置により測定することができる。溶射材料の平均粒径は、好ましくは１０μｍ以上４５μｍ以下である。本実施の形態において、溶射皮膜５１の厚みは５０μｍ以上２００μｍ以下である。

【0020】

[プラズマ溶射装置の構造]
次に、本実施の形態における溶射皮膜の形成方法において用いられるプラズマ溶射装置の一例について説明する。

【0021】

図３を参照して、プラズマ溶射装置１は、第１部分１１と、第２部分１２と、第３部分１３と、第４部分１４と、第５部分１５と、アノード１６と、カソード１７と、第１の配管２１と、第２の配管２２と、第３の配管２３と、を含む。第１部分１１、第２部分１２および第３部分１３は、円環状の形状を有する。第１部分１１と、第２部分１２と、第３部分１３とは、それぞれの中心軸が一致するように、溶射されるべきベース部材５２に向かってこの順に配置されている。第２部分１２は、第１部分１１の一方の端面上に配置される。第３部分１３は、軸方向において第２部分１２の第１部分１１とは反対側の端面上に配置される。

【0022】

第１部分１１、第２部分１２および第３部分１３の内周面によって取り囲まれた領域には、第４部分１４と、第５部分１５と、アノード１６とが配置される。第４部分１４は、円柱状の形状を有する。第５部分１５は、第４部分１４の一方の端面上に配置される。第５部分１５は、円環状の形状を有する。第５部分１５には、外周面から内周面に向かって径方向に貫通する貫通孔１５Ａが形成されている。第５部分１５から見て、第４部分１４とは反対側にアノード１６が配置される。アノード１６は、中空円筒状の形状を有する。第４部分１４と、第５部分１５と、アノード１６とは、それぞれの中心軸が一致するように配置されている。貫通孔１５Ａは、第４部分１４、第５部分１５およびアノード１６によって取り囲まれた空間Ｓ_１に連通する。カソード１７は、第４部分１４の一方の端面上に配置される。カソード１７は、空間Ｓ_１内に配置される。

【0023】

第１の配管２１は、プラズマ形成用ガスを空間Ｓ_１に供給するための配管である。第１の配管２１は、第１部分１１および第２部分１２を貫通するように配置される。第１の配管２１の一方の開口部２１Ａは、外部空間に露出する。第１の配管２１の他方の開口部２１Ｂは、第５部分１５の貫通孔１５Ａに連通するように配置される。第２の配管２２は、溶射材料を空間Ｓ_１内に供給するための配管である。第２の配管２２は、第３部分１３と、アノード１６を貫通するように配置される。第２の配管２２の一方の開口部２２Ａは、外部空間に露出する。第２の配管２２の他方の開口部２２Ｂは、空間Ｓ_１に露出するように配置される。第２の配管２２の他方の開口部２２Ｂは、アノード１６の軸方向における第５部分１５とは反対側の開口部１６Ａに近い領域に配置される。第３の配管２３は、第４部分１４、第２部分１２および第３部分１３を貫通するように配置される。第３の配管２３内には冷却水４０が供給される。第３の配管２３は、アノード１６およびカソード１７の周辺の領域を冷却するように配置される。

【0024】

［溶射の手順］
次に、プラズマ溶射装置１を用いて溶射皮膜５１を形成する手順について説明する。まず、第１の配管２１から空間Ｓ_１内にプラズマ形成用ガスが導入される。次に、アノード１６と、カソード１７との間に電圧が印加される。その結果、プラズマ形成用ガスに含まれる原子を電離させてプラズマが形成される。さらに、空間Ｓ_１内に導入されるプラズマ形成用ガスの矢印Ｌの向きに流れるガス流によって、プラズマ形成用ガスおよびプラズマを含む高温のプラズマ流３０が形成される。そして、開口部１６Ａから外部空間に向かって（矢印Ｍの向きに）プラズマ流３０が放出される。次に、第２の配管２２から空間Ｓ_１内に溶射材料３１が投入される。投入された溶射材料３１は、プラズマ流３０の熱によって溶融しながら、ベース部材５２まで搬送される。溶融した溶射材料３１が、ベース部材５２上に堆積すると共に凝固することにより、ベース部材５２の表面上に溶射皮膜５１が形成される。

【0025】

ここで、上記実施の形態における溶射皮膜の形成方法では、プラズマ形成用ガスとして４．５体積％以上５．５体積％以下の水素を含有し、残部が窒素および不可避的不純物からなる混合ガスが採用される。また、溶射材料として、３８質量％～４２質量％の二酸化チタン粉末と、６２質量％～５８質量％のアルミナ粉末と、を含む混合粉末が採用される。上記混合ガスを電離させることにより形成されるプラズマと、上記混合ガスとを含むプラズマ流３０によって溶融した溶射材料３１をベース部材５２上に堆積させることで、放射率の良好な溶射皮膜５１が形成されている。また、プラズマ形成用ガスとして、上記混合ガスを用いることで、製造コストが低減されている。

【0026】

上記実施の形態においては、窒素と水素とが予め混合されたガスをボンベなどの容器に封入されたものを使用する場合について説明したが、これに限られず、プラズマ溶射が実施される場所において窒素と水素を混合して調製し、使用してもよい。

【実施例】

【0027】

上記本開示の溶射皮膜の形成方法により形成された溶射皮膜のサンプルを作製し、放射率が向上する効果を確認する評価を行った。評価の手順は以下の通りである。

【0028】

プラズマ形成用ガスとして４．５体積％以上５．５体積％以下の水素を含有し、残部が窒素および不可避的不純物からなる混合ガスを採用した。溶射材料として、３８質量％～４２質量％の二酸化チタン粉末と、６２質量％～５８質量％のアルミナ粉末と、を含む混合粉末を採用した。ステンレス鋼（ＪＩＳ規格に規定されるＳＵＳ３０４）からなるベース部材５２の表面上にサンプル１（実施例）の溶射皮膜５１が形成された。サンプル１の溶射皮膜５１の厚みは、２００μｍであった。プラズマ形成用ガスとして、ヘリウムを採用した以外は、サンプル１と同様にしてサンプル２（比較例）の溶射皮膜５１が形成された。サンプル２の溶射皮膜５１の厚みは、２００μｍであった。

【0029】

サンプル１およびサンプル２において、ベース部材５２に対する溶射皮膜５１の密着力が測定された。密着力の測定は、例えば、ＪＩＳ Ｈ ８４０２：２００４に基づいて実施される。その結果、サンプル１の密着力は、２．９Ｎ／ｍ２であり、サンプル２の密着力は、２．６Ｎ／ｍ２であり、サンプル２と比較して、サンプル１ではベース部材５２に対する溶射皮膜５１の密着力が向上していることを確認した。また、サンプル１の溶射皮膜５１は、ベース部材５２に対して十分な密着力を有するため、溶射皮膜５１がベース部材５２から剥がれ難くすることができる。

【0030】

サンプル１およびサンプル２において、溶射皮膜５１の放射率が測定された。放射率の測定には、放射率測定器（ジャパンセンサー株式会社製「Ｍｏｄｅｌ ＴＳＳ－５Ｘ」）が用いられた。測定の結果を図４に示す。図４において、縦軸は放射率を示す。プラズマ形成用ガスとしてヘリウムを採用したサンプル２と比較して、プラズマ形成用ガスとして４．５体積％以上５．５体積％以下の水素を含有し、残部が窒素および不可避的不純物からなる混合ガスを採用したサンプル１では、放射率が向上していることを確認した。このように本開示の溶射皮膜の形成方法によれば、放射率の良好な溶射皮膜を形成することができる。

【0031】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した意味ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【産業上の利用可能性】

【0032】

本願の溶射皮膜の形成方法は、良好な放射率を有する溶射皮膜を形成することや製造コストを低減することが求められる場合において特に有利に適用される。

【符号の説明】

【0033】

１ プラズマ溶射装置、１１ 第１部分、１２ 第２部分、１３ 第３部分、１４ 第４部分、１５ 第５部分、１５Ａ 貫通孔、１６ アノード、１６Ａ，２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ 開口部、１７ カソード、２１ 第１の配管、２２ 第２の配管、２３ 第３の配管、３０ プラズマ流、３１ 溶射材料、４０ 冷却水、５１ 溶射皮膜、５２ ベース部材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】