(57)【要約】【課題】  従来法のように封止材を用いることなく、単に摩擦撹拌接合するだけで、接合部の隙間に冷媒が滲み込んで滞留することがなく、且つ接合部は十分な強度を有し信頼性の高い冷却板を低コストで効率よく製造する方法を提供する。【解決手段】  金属基板１０の表面に凹溝１１を設けその上を平たい金属蓋板２０で覆い、凹溝周辺の基板１０と蓋板２０との重ね合わせ部を摩擦撹拌接合することにより、上記凹溝１１を冷媒の流路とする冷却板の製造方法であって、摩擦撹拌接合装置のツール４０のプローブ４１を、上記凹溝１１の側壁上端からプローブ４１の外周に至る水平距離が４ｍｍ以内、好ましくは１ｍｍ以内となるように設定して摩擦撹拌接合する。金属基板および金属蓋板の材質はアルミニウムまたはその合金が好ましい。ツール４０の回転速度は６００〜１８００回転／分、接合速度は１００〜６００ｍｍ／分が好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板の表面に凹溝を設けその上を平たい金属蓋板で覆い、凹溝周辺の基板と蓋板との重ね合わせ部を摩擦撹拌接合することにより、上記凹溝を冷媒の流路とする冷却板の製造方法であって、摩擦撹拌接合装置のツールのプローブを、上記凹溝の側壁上端からプローブの外周に至る水平距離が４ｍｍ以内となるように設定して摩擦撹拌接合することを特徴とする冷却板の製造方法。
【請求項２】
摩擦撹拌接合装置のツールのプローブを、上記凹溝の側壁上端からプローブの外周に至る水平距離が１ｍｍ以内となるように設定して摩擦撹拌接合することを特徴とする請求項１に記載の冷却板の製造方法。
【請求項３】
金属基板および金属蓋板が、アルミニウムまたはその合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却板の製造方法。
【請求項４】
金属基板の表面に凹溝が設けられ、その上に平たい金属蓋板が覆われており、凹溝周辺の基板と蓋板との重ね合わせ部が摩擦撹拌接合されることにより上記凹溝を冷媒の流路とされた冷却板であって、摩擦撹拌接合による接合部が凹溝の側壁上端に達していることを特徴する冷却板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置やスパッタリング装置など各種装置の温度調節に用いられる冷却板の製造方法およびこの製造方法により得られる冷却板に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体製造用のスパッタリング装置には、ターゲットを取り付けるバッキングプレートが用いられている。このようなバッキングプレートは、ターゲットを冷却するために、その内部に例えば全体として蛇行状或いは分岐・合流状に形成され、互いに平行して配置された冷媒の流路を形成した冷却板からなる。
【０００３】
この種の冷却板として、下記の特許文献１には、アルミニウムまたはその合金等からなる金属板の表面に凹溝を設けその上に同様な凹溝を設けた金属板を重ね合わせ、金属板の周縁部および隣り合う各凹溝に挟まれた中央部に沿って摩擦撹拌接合することにより、上記両方の金属板に形成された一対の凹溝を冷媒の流路とする冷却板およびその製造方法が開示されている。
【０００４】
摩擦撹拌接合は、重ね合わせ部に高速回転するツールのプローブを強い力で挿入し、このツールを高速回転させながら凹溝の周辺に沿って移動させ、その時に発生する摩擦熱により重ね合わせ部の板材を可塑化して、ツールのショルダ部によって圧力を負荷しながら固相状態で接合するので、アーク溶接などの溶融溶接に比べて、接合部における接合強度が強いという利点がある。
【０００５】
ところが、上記従来の冷却板およびその製造方法にあっては、冷媒の流路は全面に蛇行状或いは分岐・合流状に形成され、平行に配置された隣り合う凹溝に挟まれた中央部に沿って摩擦撹拌接合が行われるため、凹溝から接合部に至る上下の金属板との間にはかなりの隙間が生じており、冷却板の使用中にこの隙間に冷媒が滲み込んで滞留し、その結果として腐蝕の進み具合が早くなるという欠点がある。
【０００６】
このような欠点を改善するために、特許文献１には、金属板の凹溝および重ね合わせ面に陽極酸化皮膜を形成し、さらに凹溝から接合部に至る上下の金属板の隙間を、金属素材からなる封止材（メタルフィッテイング）またはエポキシ樹脂などの耐水性接着剤からなる封止材により液密状態に封止する方法が提案されている。
【０００７】
しかしながら、このような封止材などを用いる方法は、その作業に手間がかかり冷却板の製造効率が低下するという問題がある。また、上下両方の金属板の表面に冷媒の流路となる一対の凹溝を設けるので、両方の金属板が厚肉となるうえに切削による凹溝の形成作業に手間がかかり、そのため冷却板がコスト高になり、また製造効率が低下するという問題がある。
【特許文献１】再公表特許ＷＯ２００３／００１１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、封止材などを用いることなく、単に摩擦撹拌接合するだけで、接合部の隙間に冷媒が滲み込んで滞留することがなく、且つ接合部は十分な強度を有し信頼性の高い冷却板を低コストで効率よく製造する方法および冷却板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的は、次のような特徴を有する冷却板の製造方法により達成される。
すなわち、請求項１に係る発明は、金属基板の表面に凹溝を設けその上を平たい金属蓋板で覆い、凹溝周辺の基板と蓋板との重ね合わせ部を摩擦撹拌接合することにより、上記凹溝を冷媒の流路とする冷却板の製造方法であって、摩擦撹拌接合装置のツールのプローブを、上記凹溝の側壁上端からプローブの外周に至る水平距離が４ｍｍ以内となるように設定して摩擦撹拌接合することを特徴とする冷却板の製造方法である。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、摩擦撹拌接合装置のツールのプローブを、上記凹溝の側壁上端からプローブの外周に至る水平距離が１ｍｍ以内となるように設定して摩擦撹拌接合することを特徴とする冷却板の製造方法である。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１および２に係る発明において、金属基板および金属蓋板が、アルミニウムまたはその合金からなることを特徴とする冷却板の製造方法である。
【００１２】
さらに、請求項４に係る発明は、金属基板の表面に凹溝が設けられ、その上に平たい金属蓋板が覆われており、凹溝周辺の基板と蓋板との重ね合わせ部が摩擦撹拌接合されることにより上記凹溝を冷媒の流路とされた冷却板であって、摩擦撹拌接合による接合部が凹溝の側壁上端に達していることを特徴する冷却板である。
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の冷却板の製造方法の一例を示す一部切欠斜視図、図２は図１のツール部における断面図である。図１および図２において、１０は金属基板であって、この基板１０の材質としては、摩擦撹拌接合が可能な金属、例えばアルミニウムおよびその合金をはじめ、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金、ステンレス鋼などが使用される。また、基板１０の厚みは、通常、１０〜３０ｍｍとされるが、これに限定されない。
【００１４】
そして、上記基板１０の表面に、エンドミルやフライスなどの切削加工により凹溝１１が設けられる。この凹溝１１の断面形状は、通常、図示のような角型やＵ字型とされるが、これ等に限定されない。また、凹溝１１の平面形状は、通常、基板１０の全面に広がった蛇行形状や分岐・合流形状（１本の一端の凹溝から多数の凹溝が分岐し、これ等の凹溝が互いに平行に全面に延ばされたあと、１本の他端の凹溝に合流する）とされるが、これ等に限定されない。なお、凹溝１１を含む基板１０の表面には、陽極酸化皮膜処理や金属めっき処理を施して、強度向上や、耐冷媒腐蝕性を向上させてもよい。
【００１５】
次に、上記凹溝１１が設けられた基板１０の上が平たい金属蓋板２０で覆われる。この蓋板２０の材質としては、基板１０と同様に摩擦撹拌接合が可能な金属、例えばアルミニウムおよびその合金をはじめ、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金、鉄鋼などが使用される。また、蓋板２０の厚みは、通常、２〜６ｍｍとされるが、これ等に限定されない。なお、金属蓋板２０の表面（基板１０と対抗する面）には、上記基板１０と同様に陽極酸化皮膜処理や金属めっき処理を施しておいてもよい。  
【００１６】
その後、凹溝１１の周辺の基板１０と蓋板２０との重ね合わせ部が摩擦撹拌接合される。摩擦撹拌接合は、蓋板２０の表面の一端に、高速回転するツール４０のプローブ４１を強い力で挿入し、上記ツール４０（ショルダ部４２とプローブ４１）を高速回転させながら凹溝１１の周辺の基板１０と蓋板２０との重ね合わせ部に沿って他端に移動させ、その時に発生する摩擦熱により重ね合わせ部３０を可塑化し、ツール４０のショルダ部４２によって圧力を負荷しながら固相状態で接合される。なお、２１はツール４０の回転と移動により形成された加工痕、３０は重ね合わせ部に沿って接合された接合部である。
【００１７】
上記ツール４０は、径の大きいショルダ部４２とその先端にプローブ４１とを有し、基板１０および蓋板２０の材質よりも硬いＳＫＤ６１等のＳＫ或いはＳＫＤ工具鋼やＰＣＢＮ(ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｃｕｂｉｃ  ｂｏｒｏｎ  ｎｉｔｒｉｄｅ)などからなる。そして、通常、プローブ４１にはねじが切ってあるが、ねじが切ってないものも使用できる。また、厚みが３〜６ｍｍ程度の蓋板２０を使用する場合は、上記ツール４０のショルダ部４２の直径は１２〜１５ｍｍ程度で、プローブ４１の直径は４〜６ｍｍ程度のものが好適に使用される。また、上記プローブ４１の長さは、基板１０の中へ到達できるように蓋板２０の厚みよりも０．５〜３ｍｍ程度長くされる。
【００１８】
また、ショルダ部４２の面は、重ね合わせ部に沿った基板１０と蓋板２０とを押圧する必要があり、通常は蓋板２０と当接する面が平面であるもの或いはプローブ４１を中心としてやや円弧状または円錐状に凹んだものが使用されるが、場合によっては、プローブ４１を中心としてやや円弧状または円錐状に突起したもの或いは凹んだものも使用できる。さらに、これ等のショルダ部４２の面に渦巻き状の凹溝を形成したものも使用できる。
【００１９】
ツール４０の回転速度は、基板１０および蓋板２０の材質や蓋板２０の厚みなどにより異なるが、一般に数百〜数千回転／分、接合速度は一般に数十〜数百ｍｍ／分であるが、条件によっては１〜２ｍ／分も可能である。特に、本発明においては、基板１０および蓋板２０の材質がアルミニウムまたはその合金で、且つ蓋板２０の厚みが２〜６ｍｍの場合は、ツール４０の回転速度は６００〜１８００回転／分、接合速度は１００〜６００ｍｍ／分が、十分な接合強度を得るうえで好ましい。
【００２０】
しかして、本発明においては、図２に示すように、摩擦撹拌接合装置のツール４０のプローブ４１を、上記基板１０の凹溝１１の側壁上端からプローブ４１の外周に至る水平距離Ｄが常に４ｍｍ以内、好ましくは１ｍｍ以内となるように設定して摩擦撹拌接合を行う。この水平距離Ｄが４ｍｍを越えると、凹溝１１から接合部３０に至る上下の金属板との間の隙間の幅（非接合部の幅）が大きくなり過ぎて、冷却板の使用中にこの隙間に冷媒が滲み込んで滞留しやすくなり、その結果として腐蝕の進み具合が早くなる。
【００２１】
また、上記隙間は亀裂と同様に振舞うので、この隙間の幅が４ｍｍを越えて大きくなり過ぎると隙間の奥の接合境界部に応力が集中して接合強度の低下を招き、冷却板の長期使用中や耐圧試験の際に破断しやすくなる。冷却板の長期使用中や耐圧試験の際に破断に至らないときでも、上記隙間の幅が４ｍｍを越えて大きくなると、冷媒の圧力により凹溝１１により形成された冷媒の流路上の蓋板２０が膨らんで平面性が損なわれ、その結果この種の冷却板として重要な面接触により被冷却体を冷却放熱する性能が損なわれる。
【００２２】
上述のように、隙間への冷媒の滲み込み滞留、接合強度の低下および平面性の低下を総合的に検討した結果、上記水平距離Ｄの限界を４ｍｍ以内とすれば、確実に本発明の目的が達成され信頼性の高い冷却板を得ることができることを見出した。特に、上記水平距離Ｄを１〜２ｍｍに設定するのが望ましい。なお、上記水平距離Ｄを０ｍｍに設定すると凹溝１１の側壁が崩れることがあり、この条件は採用できない。一方、上記水平距離Ｄの上限は、ツール４０のショルダ部４２の外周が凹溝１１の側壁と同じ垂直位置となるようにするのが望ましい。
【００２３】
上記ツール４０は、通常、定盤軸（Ｘ）と横行軸（Ｙ）と昇降軸（Ｚ）の機械３軸および揺動軸（Ａ）と旋回軸（Ｃ）のツール２軸とからなる公知の５軸枠型の摩擦撹拌接合装置に取り付けられ、コンピュータ制御により所定の方向に回転および移動するように使用される。また、三つの関節軸と二つの回転軸を具備した公知のロボットアームの先端に搭載されたマシンヘッドに取り付けて使用されるが、これ等に限定されない。
【００２４】
なお、ツール４０は一方向に回転しながら一端から他端に移動していくので、左右非対称の接合面となる。したがって、本発明においては、できるだけ左右対称の接合面が得られるように、ツール４０を往復の２パスで行うのが均一な接合強度を得るうえで好ましい。ツール４０を片道の１パスで行う場合はツール４０の回転方向は、凹溝１１のある側において、ツール４０の回転方向と移動方向とが同じ方向、すなわち、図１に示すようにツール４０をＡ方向に回転させながらＢ方向に移動させるのが接合強度の点で好ましい。
【００２５】
こうして、基板１０と蓋板２０とで囲まれた凹溝１１を冷媒の流路とする本発明の冷却板が得られる。本発明方法で得られる冷却板は、金属基板の表面に凹溝が設けられ、その上に平たい金属蓋板が覆われており、凹溝周辺の基板と蓋板との重ね合わせ部が摩擦撹拌接合されることにより上記凹溝を冷媒の流路とされた冷却板であって、特に摩擦撹拌接合による接合部が凹溝の側壁上端に達しているものが、本発明の目的を達成するうえで好ましい。そして、本発明で得られる冷却板は、薄型とすることが可能で、半導体製造装置やスパッタリング装置など各種装置の温度調節に好適に用いられる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、アルミニウム合金等の金属基板の表面に凹溝を設けその上をアルミニウム合金等の平たい金属蓋板で覆い、凹溝周辺の基板と蓋板との重ね合わせ部を摩擦撹拌接合するという簡単な操作で冷却板が得られるので、従来のように両方の金属板に凹溝を形成する必要がなく、そのうえ冷却板の厚さを薄くすることが可能で、接合強度に優れ信頼性が高く、低コストで非常に効率よく冷却板を製造することができる。
【００２７】
しかも、本発明によれば、摩擦撹拌接合装置のツールのプローブを、上記凹溝の側壁上端からプローブの外周に至る水平距離が４ｍｍ以内、好ましくは１ｍｍ以内となるように設定することにより、凹溝から接合部に至る基板と蓋板との間の隙間の幅（非接合部の幅）がゼロとなるか或いは著しく小さくなる。したがって、従来のように封止材を用いなくても、冷却板の使用中にこの隙間に冷媒が滲み込んで滞留することが抑制され、その結果として腐食の進行が抑制される。
【００２８】
また、凹溝から接合部に至る基板と蓋板との間の隙間の幅（非接合部の幅）がゼロとなるか或いは著しく小さくなること、摩擦撹拌接合による接合部の接合強度の改善とが相俟って、冷却板の使用中に強い液圧がかかっても隙間と接合部との境界からの亀裂や破断が防止できる。また、冷却板の使用中に通常よりも強い液圧がかかっても、凹溝により形成された冷媒の流路上の蓋板が膨らんで平面性が損なわれることがなく、その結果冷却板として重要な冷却体を冷却放熱する性能の低下が防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の具体的な実施例を挙げる。なお、本発明はこれ等の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３０】
(試験用の冷却板の製造)
図１に示すように、アルミニウム合金（Ａ５０５２−Ｈ１１２）からなる基板１０（長さ３００ｍｍ、幅１５０ｍｍ、厚さ３０ｍｍ）の表面の中央部の長さ方向に沿って、フライス切削加工により凹溝１１（長さ３００ｍｍ、幅１５ｍｍ、高さ１５ｍｍ）を設けた。次に、上記凹溝１１を設けた基板１０の上に全面にわたって、アルミニウム合金（Ａ５０５２−Ｈ３）からなる平たい蓋板２０（長さ３００ｍｍ、幅１５０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）を重ね合わせ、基板１０と蓋板２０とがずれないように周縁の数箇所をビス止めして、基板１０と蓋板２０との重ね合わせ体を得た。
【００３１】
その後、定盤軸（Ｘ）と横行軸（Ｙ）と昇降軸（Ｚ）の機械３軸および揺動軸（Ａ）と旋回軸（Ｃ）のツール２軸とからなる公知の５軸枠型の摩擦撹拌接合装置に取り付けられたツール４０を、上記基板１０の凹溝１１の側壁上端からプローブ４１の外周に至る水平距離Ｄが常に１ｍｍとなるように設定し、このプローブ４１を１２００ｒｐｍで回転させながら上記重ね合わせ体接合線３３の一端部に挿入し、４００ｍｍ／分の送り速度で他端部にコンピュータ制御により移動させて摩擦撹拌接合を行った。
【００３２】
上記ツール４０は、プローブ４１の直径が４．０ｍｍ、長さが２．９ｍｍであり、ねじが切ってあり、ショルダ部４２の直径は１２ｍｍで、上記重ね合わせ体を押圧するためのショルダ面は平面であった。また、ツール４０への負荷は９８００Ｎであった。ここで、ツール４０は片道の１パスとし、ツール４０の回転方向は、図１に示すようにツール４０をＡ方向に回転させながらＢ方向に移動させた。
【００３３】
なお、摩擦撹拌接合の終了位置に残るプローブ穴が、後述の耐圧試験の際の耐圧性に影響を及ぼさないように、摩擦撹拌接合の終了位置は凹溝の側壁から２０ｍｍ程度離した。また、摩擦撹拌接合の開始位置も開始直後の状態が安定しない領域による悪影響を避けるために、凹溝の側壁から２０ｍｍ程度離した(図２参照)。
【００３４】
こうして、基板１０と蓋板２０とで囲まれた凹溝１１を冷媒の流路とする試験用の冷却板を製造した。この試験用の冷却板を蓋板２０の側から撮影した写真を図３に示す。この写真から明らかなように、表面にはツール４０による細長い加工痕２１が存在するが、変形やバリ等の欠陥はなく接合部の外観は極めて良好であった。
【００３５】
(試験用の冷却板の耐圧試験)
先ず、予備試験として、試験用の冷却板の気密性を調べるために、図４に写真で示すように、冷却板の凹溝の一端に栓をして塞ぎ他端に導管を気密に連結し、凹溝からなる冷媒の流路に０．４９ＭＰａの空気圧を加えて水中に５分間放置し、空気の漏れを調べたところ、連続した気泡の発生は認められず、気密性に問題はなかった。
【００３６】
次に、本試験として、「給水装置の構造及び材質の基準に関する省令」（厚生労働省令）の第１条に記載された耐圧性能試験に基づいて、水圧試験機（山本水圧社製ＰＨ１０）を用いて、上記省令で規定されている「１．７５ＭＰａの静水圧を１分間加えて、水漏れ、変形、破損、その他の異常が生じないこと」という条件を満たすかどうかを調べたところ、異常は全く認められなかった。また、この水圧試験後の冷却板を切断して、接合端部（凹溝上端と蓋板との境界部）を観察した結果、この接合端部は完全に接合されていて隙間がなく、隙間への水の浸入は認められなかった。
【００３７】
さらに、上記水圧試験機による加圧力を上げて破壊圧力を測定したが、水圧試験機の加圧力の限界である２５ＭＰａの静水圧でも直線中央が少し盛り上がり、曲線部も変形するが破壊には至らず、２５ＭＰａの静水圧が実用上の水圧にくらべて遥かに高いことを勘案すると、優れた耐圧性を有することが証明された。
【実施例２】
【００３８】
ツール４０を、上記基板１０の凹溝１１の側壁上端からプローブ４１の外周に至る水平距離Ｄが常に２ｍｍとなるように設定したこと以外は実施例１と同様に行って、試験用の冷却板を製造した。
【００３９】
得られた試験用の冷却板について、１．７５ＭＰａの静水圧を１分間加える耐圧試験では、異常は全く認められなかった。この水圧試験後の冷却板を切断して、接合端部（凹溝上端と蓋板との境界部）を観察した結果、この接合端部は完全に接合されていて隙間がなく、隙間への水の浸入は認められなかった。また、２３ＭＰａの静水圧で直線中央が盛り上がり、曲線部が変形した後、直線部で破壊するが、２３ＭＰａの静水圧が実用上の水圧にくらべて遥かに高いことを勘案すると、優れた耐圧性を有することが証明された。
【実施例３】
【００４０】
ツール４０を、上記基板１０の凹溝１１の側壁上端からプローブ４１の外周に至る水平距離Ｄが常に４ｍｍとなるように設定したこと以外は実施例１と同様に行って、試験用の冷却板を製造した。
【００４１】
得られた試験用の冷却板について、１．７５ＭＰａの静水圧を１分間加える耐圧試験では、異常は認められなかった。この水圧試験後の冷却板を切断して、接合端部（凹溝上端と蓋板との境界部）を観察した結果、この接合端部は完全に接合されていて隙間がなく、隙間への水の浸入は認められなかった。また、１６ＭＰａの静水圧で直線中央が大きく盛り上がり、曲線部が変形した後、直線部で破壊するが、１６ＭＰａの静水圧が実用上の水圧にくらべて遥かに高いことを勘案すると、優れた耐圧性を有することが証明された。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の冷却板の製造方法の一例を示す一部切欠斜視図である。
【図２】図１のツール部における断面図である。
【図３】実施例１により得られた冷却板の写真である。
【図４】実施例１により得られた冷却板の気密試験の状態を示す写真である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  金属基板
１１  凹溝
２０  金属蓋板
２１  加工痕
３０  接合部
４０  ツール
４１  ツールのプローブ
４２  ツールのショルダ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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