(57)【要約】【課題】高真空の密封に好適であって、安価なメタルシールを提供することを目的とする。【解決手段】ステンレス鋼製のシール本体１と、装着使用状態で被シール部材21，22に該シール本体１が接触する接触部位Ｅに溶射にて付着されると共に熱処理にて軟化させたアルミニウム系軟質金属層３とを、具備する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼製のシール本体（１）と、装着使用状態で被シール部材（21）（22）に該シール本体（１）が接触する接触部位（Ｅ）に溶射にて付着されると共に熱処理にて軟化させたアルミニウム系軟質金属層（３）とを、具備することを特徴とするメタルシール。
【請求項２】
上記アルミニウム系軟質金属層（３）は、上記溶射の後に研磨にて表面が平滑に形成されている請求項１記載のメタルシール。
【請求項３】
上記アルミニウム系軟質金属層（３）は、その厚さ寸法（Ｔ3 ）が５μｍ〜 100μｍであり、かつ、ビッカース硬度が20〜50である請求項１又は２記載のメタルシール。
【請求項４】
ステンレス鋼の素材（５）又は中間製品（25）又は最終形状のシール本体（１）に、アルミニウム又はアルミニウム合金を溶射してアルミニウム系溶射層（３Ａ）を付着し、次に研磨工程によって上記溶射層（３Ａ）の表面を平滑化し、次に熱処理工程によって上記溶射層（３Ａ）を軟化させて軟質金属層（３）とすることを特徴とするメタルシールの製法。
【請求項５】
上記軟質金属層（３）を、被シール部材（21）（22）に上記シール本体（１）が接触する接触部位（Ｅ）に重点的に厚く形成する請求項４記載のメタルシールの製法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はメタルシールに係り、特に、高真空又は高圧用に好適なメタルシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体製造装置等ではガス非透過性の点からメタルシールが用いられる場合が多く、耐食性金属としてのステンレス鋼に、金や銀等の軟質金属メッキを表面に被覆したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】実開昭６２−２８９５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、金メッキや銀メッキ等の貴金属のメッキはコストが高く、特に、銀は半導体製造装置に用いられる腐食性ガスと反応しやすく使用できない。
このような腐食性ガスを密封する材料としては、ステンレス鋼とアルミニウム（又はアルミニウム合金）が好適である。
そこで、ステンレス鋼の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金をメッキして、相手の被シール部材に対して軟質のアルミニウム又はアルミニウム合金を接触させることで、「なじみ」を良好に維持し、密封性能を高めることは理想的であるとしても、実用上、アルミニウム系金属をステンレス鋼にメッキする安価な方法は知られていない（至難乃至不可能である）。
【０００４】
そこで、本発明は、腐食性ガスを用いる半導体製造装置等で一般的に用いられる構造材料であるところのステンレス鋼とアルミニウム（又はアルミニウム合金）だけから構成されるメタルシールを優れたメタルシール性能を発揮するものとして提供すること、及び、安価に製造することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明に係るメタルシールは、ステンレス鋼製のシール本体と、装着使用状態で被シール部材に該シール本体が接触する接触部位に溶射にて付着されると共に熱処理にて軟化させたアルミニウム系軟質金属層とを、具備する。
また、上記アルミニウム系軟質金属層は、上記溶射の後に研磨にて表面が平滑に形成されている。さらに、好ましくは、上記アルミニウム系軟質金属層は、その厚さ寸法が５μｍ〜 100μｍであり、かつ、ビッカース硬度が20〜50である。なお、溶射の前工程として、ステンレス鋼製シールの溶射予定部位にサンドブラスト，ショットブラスト等により粗面化加工を施しても良い。
【０００６】
また、本発明に係るメタルシールの製法は、ステンレス鋼の素材又は中間製品又は最終形状のシール本体に、アルミニウム又はアルミニウム合金を溶射してアルミニウム系溶射層を付着し、次に研磨工程によって上記溶射層の表面を平滑化し、次に熱処理工程によって上記溶射層を軟化させて軟質金属層とする方法である。また、上記軟質金属層を、被シール部材に上記シール本体が接触する接触部位に重点的に厚く形成する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、次のような著大な効果を奏する。
本発明に係るメタルシールは、半導体製造装置等に用いた場合、腐食性ガスにも十分な耐食性を備え、相手部材（被シール部材）となじみ易く、優れたシール性能を発揮して、高真空（又は、逆に高圧）用に好適である。従来の金メッキや銀メッキのものに比較して、安価である。
【０００８】
また、本発明に係るメタルシールの製法によれば、研磨工程によってメタルシールに付着した容射層の表面が十分に平滑化して、特に、高真空用シールとしても十分に優れた密封性（シール性）を発揮する。しかも、熱処理工程によって軟化して軟質金属層として、相手部材（被シール部材）となみじ易く、一層、優秀な密封性（シール性）を有するメタルシールが安価に得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
図１，図２及び図３は、本発明の実施の一形態を示し、図１は自由状態（未装着状態）の全体の断面図、図２は装着使用状態の要部拡大断面図、図３はその製法の一例を示す説明図であり、この図１〜図３に於て、本発明に係るメタルシールＳは、ステンレス鋼製のシール本体１と、アルミニウム系軟質金属層３とを、具備する。
シール本体１は、ステンレス鋼の薄板状素材５からプレス加工（塑性加工）により形成される場合を例示している。このメタルシールＳは、全体が円形，略矩形，多角形，長円形，楕円形等の環状であって、相互に平行な第１平坦面部11を有する被シール部材21と第２平坦面部12を有する被シール部材22との間に、介装される。
【００１０】
さらに、このメタルシールＳは、中間基部13と、第１平坦面部11に接触する第１接触凸部14と、第２平坦面部12に接触する第２接触凸部15と、を有し、第１接触凸部14は内径寄りに、第２接触凸部15は外径寄りに、相互に内外径側に相違させて配設される。具体的には、第１接触凸部14を有する内周縁16と、拡径テーパ壁状の中間基部13と、第２接触凸部15を有する外周縁17は、同一肉厚寸法で緩やかに弯曲した断面Ｓ字状である。なお、肉厚寸法は後述の製造工程の影響で僅かに大小変化する場合もあり、又は、意識的に肉厚寸法を大小相違させても、自由である。
言い換えると、図１と図２に示すメタルシールＳは、緩やかに弯曲壁にて構成された略円錐台形状であって、第１接触凸部14の存在する内周縁16にて、孔部６が形成されている。
【００１１】
図２に於て、矢印Ｆで示すように第１被シール部材21が第２被シール部材22へ接近作動し、間隔寸法Ｈが減少変化してゆくに従って、メタルシールＳは中間基部13を中心に矢印Ｍ1 のように捩れる捩れ弾性変形を生じ、この矢印Ｍ1 と反対方向への弾性的復元力が発生して、第１・第２接触凸部14，15は、第１・第２平坦面部11, 12に弾発的に接触する。
【００１２】
図１と図２では、シール本体１の前記孔部６を形成する内周端面１ａ及び外周端面１ｂを除いて、弯曲状上面と弯曲状下面に、アルミニウム系軟質金属層３が付着（被覆）している。このアルミニウム系軟質金属層３の付着形成方法を含むメタルシールＳの製法の一例について説明すれば、図３に示すように薄板帯状（テープ状）のステンレス鋼の素材５を矢印Ｃ方向へ送りつつ溶射ノズル７，７にて、アルミニウム又はアルミニウム合金（以下単に「アルミニウム系金属」ということがある）を溶射して、表裏両面にアルミニウム系溶射層３Ａを付着させる。なお、溶射に先立ち、シール表面の少なくとも溶射予定部位にサンドブラスト，ショットブラスト等により粗面化加工を施しても良い。次に、プレス（のヘッド）８によって打抜いて、平板環状の中間品９を作製し、その後、（図示省略の）プレス加工によって、図１に近似の形状と構成の中間品を得る。又は、図３のプレス８による打抜きと同時、又は、複数のプレス８…を並設した複数工程によって、図１に近似の形状と構成の中間品を得る。その後、図８に例示した回転バレル19に多数の上記中間品を投入して、機械研磨工程によって上記溶射層３Ａの表面を平滑化し、同時に、組織上の微小空隙部（ポーラス又は気孔ともいう）を圧潰する。（これによってこのメタルシールＳのシール性が一層改善される。）図８では、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＣ，ＳｉＮ等のメディア（研磨材23）と共に中間品を投入・攪拌している状態を示す。なお、機械研磨としてこれ以外の方法を用いることも可能であり、さらには、電解研磨（法）を選択しても良い。
【００１３】
その次に、熱処理工程として、図10に示すように、熱処理炉20に、研磨後の中間品を搬入（装入）し、溶射層を焼きなましして、軟化させ、アルミニウム系軟質金属層３を形成し、図１，図２に示すようなメタルシールＳを製造する。
アルミニウム系金属を溶射した状態では、溶射層は多数のポーラスを有し、表面は粗いが機械研磨によれば、組織が緻密化し、かつ、表面が平滑化して、流体密封性（シール性）が向上する。かつ、図２に於て、軟質金属層３が、内外周端面１ａ，１ｂ側の端部が角がとれ、丸味を有していることを示す。
【００１４】
なお、図３に於て、２点鎖線にて示した打抜き予定域24に重点的に、ノズル７，７にて、溶射し、この予定域24に溶射層３Ａを付着させ、それ以外を薄く付着、乃至、無付着状態とするも、好ましい（図示省略）。
そして、図１と図２では、アルミニウム系軟質金属層３は、内外周端面１ａ，１ｂを除いて全面的に付着した場合を図示したが、被シール部材21, 22の平坦面部11, 12に対して、その間隔寸法Ｈの大小変化に伴って接触する接触部位Ｅ，Ｅ───つまり、第１・第２接触凸部14, 15───にのみ、乃至、その近傍にわたってのみ、付着するも好ましく、図12では、そのような場合を例示する。
【００１５】
上記アルミニウム系軟質金属層３は、上述の接触部位Ｅ，Ｅに於て、その厚さ寸法Ｔ3 ───均一な厚さでないときはその平均値をいう───を、５μｍ〜 100μｍとする。好ましくは、10μｍ〜50μｍとする。下限値未満であると、平坦面部11, 12へ均一に当接させることが難しくなり、なじみ難く、シール性が悪くなる。上限値を越すと、溶射作業に時間が掛り、不必要に多量のアルミニウム系金属を用いなければならなくなる。また、前述した熱処理工程後の軟質金属層３のビッカース硬度は、20〜50（Ｈｖ）とする。そして、23〜30（Ｈｖ）とするのがさらに望ましい。下限値未満であると軟らか過ぎて、図２のような使用状態下で高い面圧を受けて軟質金属層３が流れる（異常変形する）虞があり、逆に上限値を越すと、被シール部材21, 22の平坦面部11, 12へのなじみが急に悪化し、密封性能が急に低下して、流体洩れを生じ易くなる。
【００１６】
図４と図５は、他の実施の形態を示し、図４は製法を説明する簡略図であり、図５は製法の中間工程説明用の中間製品の断面図である。図４に示すように、薄板帯状（テープ状）のステンレス鋼の素材５を矢印Ｃ方向に間欠的に送りつつ、プレス（図示省略）にて打抜いて、倒立有底浅皿型の中間製品25を作製してゆく。なお、26は、打抜いた後の孔を示している。
【００１７】
このようにして作製した中間製品25に、アルミニウム系金属を溶射し、図５（Ａ）に示す如く、アルミニウム系溶射層３Ａを表裏両面───図５（Ａ）では周縁の起立（垂下）壁部27とその近傍にのみ、重点的にアルミニウム系溶射層３Ａを形成した場合を例示する。なお、横断面に於て、上記起立（垂下）壁部27は、Ｓ字型（Ｚ字型）であって、図５（Ｂ）に示す如く、この起立（垂下）壁部27を残しつつ、中間板部（底板部）28を、図示省略のプレスにて矢印Ｄのように打抜く。
従って、前述の図１と比較すれば、図５（Ｂ）のものでは、外周端面１ｂにまでアルミニウム系溶射層３Ａが付着している点が、相違点である。
【００１８】
図５（Ｂ）のように作製された中間品９Ａを、図８のような研磨用回転バレル19に研磨材23と共に投入して、攪拌し、上記溶射層３Ａの表面を平滑化し、組織上の微小空隙部（ポーラス）を圧潰し、組織を緻密化する（機械研磨工程）。なお、電解研磨（法）を用いることも可能である。
その後、図10に示す熱処理炉20に、研磨後の中間品９Ａを搬入（装入）して、溶射層を焼きなましして、軟化させ、軟質金属層３を形成する（図１参照）。
【００１９】
このようにして、図５の場合も、図１と図２と略同様のメタルシールＳが得られる。軟質金属層３（図１参照）は、図５の場合には内周端面１ａを除いて全面的に付着した場合を示しているが、これを、図12に示すように、前記接触部位Ｅ，Ｅ───つまり、第１・第２接触凸部14, 15───にのみ、乃至、その近傍にわたってのみ、付着するも、自由である。
【００２０】
次に、図６〜図11は、本発明の製法と製品（メタルシール）の別の実施の形態を示し、図４で述べた実施の形態と同様の方法にて得られた倒立浅皿型の中間製品25を、図６（Ａ）から（Ｂ）のように、矢印Ｄの如く中間板部28を打抜いて、メタルシールとしての最終形状のシール本体１を先に作製する。
その後、図６（Ｃ）及び図７に示すように、アルミニウム系金属を溶射して、アルミニウム系溶射層３Ａを全面にわたって付着して、中間品９Ａを作製し、次に、図８に示すようにこの中間品９Ａを研磨材23と共に回転バレル19に投入して、攪拌すると、図７では溶射後の小さな凹凸面（粗面）であった表面は、図９に示すように平滑化し、組織上の微小空隙部（ポーラス）も圧潰されて、組織は緻密化する（機械研磨工程）。
その後、図10に示すように熱処理炉20に、研磨した中間品９Ａを搬入（投入）して、焼きなましして、溶射層を軟化させ、軟質金属層３を形成して図11に示すようなメタルシールＳを得る。
【００２１】
図７，図９，図11に示すように、接触部位Ｅとしての第１・第２接触凸部14, 15の軟質金属層３，３Ａの厚さ寸法Ｔ3 を、他の部位よりも大きく設定（溶射）している。また、研磨工程によって、図９と図11に示すように、表面は滑らかに、かつ、（角部には）丸味を有する横断面形状である。そして、接触部位Ｅの厚さ寸法Ｔ3 は既述の実施の形態と同様であり、また、図11に於て、接触部位Ｅ以外の部位に、殆ど、乃至、全く軟質金属層３を付着させないようにしてもよい（図12参照）。
【００２２】
次に、図13に示した別の実施の形態では、シール本体１の横断面形状が既述の実施の形態と相違し、図13（Ａ）に於て実線と２点鎖線にて囲んだ横断面矩形状の中間基部30と、第１・第２平坦面部11, 12に接触する略半円形状の第１・第２接触凸部31, 32とを、有する。第１接触凸部31は内径寄りに、第２接触凸部32は外径寄りに、夫々配設される。また、このシール本体１はステンレス鋼から成ると共に、切削や研削等の機械加工によって製造される。
図13（Ｂ）に、矢印Ｆで示すように第１被シール部材21が第２被シール部材22へ接近作動して、間隔寸法Ｈが減少変化してゆくに従って、このメタルシールＳは矢印Ｍ1 のように捩れ弾性変形を生じて、矢印Ｍ1 と反対方向への弾性的復元力を発生して、第１・第２接触凸部31, 32（の外周面）から成る接触部位Ｅ，Ｅが弾発的に第１・第２平坦面部11, 12に接触する。
このような接触部位Ｅ，Ｅとその近傍にのみ、既述した製法と同様に、溶射にて付着すると共に熱処理（焼きなまし）にて軟化したアルミニウム系軟質金属層３が、被覆形成されている。なお、図８にて説明した回転バレル19による攪拌の機械研磨等が、上記溶射工程と熱処理工程の間に介在して、溶射層の表面の平滑化と、組織の微小空隙部（ポーラスや気孔）を圧潰する。なお、電解研磨を用いてもよい場合もある。
【００２３】
なお、図13の代りに、第１・第２接触凸部31, 32の形状を、半円形以外の形状として、三角山状や、四角形状等としても自由であり、中間基部30を平行四辺形としたり菱形状とする等、設計変更自由である。
そして、図13では接触部位Ｅにのみアルミニウム系軟質金属層３を被覆したが、所望により、その他の部位にも被覆を行っても自由であり、全周面に被覆することも自由である。
【００２４】
次に、図14（Ａ），（Ｂ）は、夫々異なるさらに別の実施の形態を示し、メタルシールＳが、横断面中空円形であって、いわゆるメタルＯリングの場合で示す。図14（Ａ）では、横断面形状が中空円形のステンレス鋼製シール本体１の外周面全体に、アルミニウム系軟質金属層３を、既述の実施の形態と同様に、被覆している。また、図14では、被シール部材21, 22（図２，図13参照）に接触する接触部位Ｅ，Ｅにのみアルミニウム系軟質金属層３を被覆形成している。
図13や図14に於けるアルミニウム系軟質金属層３の厚さ寸法Ｔ3 は、５μｍ〜 100μｍであり、かつ、ビッカース硬度は20〜50である点は、図１〜図12の場合と同様である。
【００２５】
なお、本発明は上述の実施の形態に限らず、他の横断面形状として、Ｃ字形やＵ字形や楕円形や、凹凸波形状の接触部位を有する偏平中空形状のものであっても、自由である（図示省略）。
なお、軟質金属層３としてアルミニウム合金を用いる場合、融点が低く、溶射し易いという利点がある。また、熱処理（焼きなまし）の条件としては、 300℃〜 400℃で 0.5〜 3.0時間が好ましい。
【００２６】
本発明は上述のように、ステンレス鋼製のシール本体１と、装着使用状態で被シール部材21，22に該シール本体１が接触する接触部位Ｅに溶射にて付着されると共に熱処理にて軟化させたアルミニウム系軟質金属層３とを、具備する構成であるので、安価に製造可能であって、腐食性ガスにも耐え、かつ、相手の被シール部材21, 22へのなじみが良好で、優れたシール性能を長期にわたって発揮し、高真空（又は高圧用）として好適である。例えば、半導体等の製造装置に使用可能である。
【００２７】
また、上記アルミニウム系軟質金属層３は、上記溶射の後に研磨にて表面が平滑に形成されていることによって、相手の被シール部材21, 22に対して密に接触し、流体漏洩が確実に防止できる。さらに、研磨によって溶射後の微小なポーラス（気孔）が存在するアルミニウム溶射層３Ａを緻密な組織とすることができ、一層、上記流体漏洩を防止できることとなる。
また、上記アルミニウム系軟質金属層３は、その厚さ寸法Ｔ3 が５μｍ〜 100μｍであり、かつ、ビッカース硬度が20〜50であるので、被シール部材21, 22に対して、適度に変形しつつ密に接触して（なじみが十分となり）、優れたシール性能を、高真空（又は高圧）の雰囲気にて、示す。なお、Ｔ3 ＜５μｍでは十分ななじみが得られず、シール性能が悪化する。逆に、Ｔ3 ＞ 100μｍでは、溶射量が過大となり、製造上作業性が悪化する。そして、ビッカース硬度が20未満であると柔らか過ぎて、アルミニウム系軟質金属層３の一部が局部的に高面圧（接触）部位から逃げてしまって、シール本体が被シール部材21, 22と接触する虞がある。逆に、ビッカース硬度が50を越すと、前記なじみが急に悪化し、流体漏洩を発生することとなる。
【００２８】
また、本発明に係るメタルシールの製法によれば、ステンレス鋼の素材５又は中間製品25又は最終形状のシール本体１に、アルミニウム又はアルミニウム合金を溶射してアルミニウム系溶射層３Ａを付着し、次に研磨工程によって上記溶射層３Ａの表面を平滑化し、次に熱処理工程によって上記溶射層３Ａを軟化させて軟質金属層３とするので、従来から至難とされていたステンレス鋼の表面にアルミニウム系金属を被覆して一体化することが可能となったり、安価に高真空用（又は高圧用）メタルシールを製造できる。特に組織が粗く、ポーラス（気孔）が存在する溶射層３Ａの表面を平滑化し、内部も緻密化できて、シール性能（密封性能）が優れたメタルシールが安価に製造可能となる。
また、上記軟質金属層３を、被シール部材21，22に上記シール本体１が接触する接触部位Ｅに重点的に厚く形成することによって、溶射作業時間を短縮でき、省資源にも貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の一形態を示す断面図である。
【図２】装着使用状態を示す要部拡大断面図である。
【図３】製造方法の一例を示す説明図である。
【図４】製造方法の他の例を示す説明図である。
【図５】製造方法の他の例を説明する要部拡大断面図である。
【図６】製造方法の別の例を説明する要部拡大断面図である。
【図７】他の実施の形態を示す中間品の要部拡大拡大断面図である。
【図８】研磨工程を示す説明図である。
【図９】研磨後の中間品を示す要部拡大断面図である。
【図１０】熱処理工程の説明図である。
【図１１】完成品を示す要部拡大断面図である。
【図１２】別の実施の形態を示す要部拡大断面図である。
【図１３】さらに別の実施の形態を示す要部拡大断面図である。
【図１４】さらに他の実施の形態を示す要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  シール本体
３  軟質金属層
３Ａ  溶射層
５  素材
21, 22  被シール部材
Ｓ  メタルシール
Ｅ  接触部位
Ｔ3   厚さ寸法
【図１】
2008069798.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2008069798.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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