(57)【要約】【課題】コールドスプレー法を用いてステンレス基材に金属皮膜を形成させた積層体を製造する場合に、ステンレス基材と金属皮膜との間の密着強度が高い積層体の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の積層体１０の製造方法は、ステンレス基材１を、金属皮膜２の材料の融点に対する比率が．４０以上０．６５以下の温度であって、かつステンレス基材１の融点に対する比率が０．５以下の温度に加熱し、加熱したステンレス基材１の表面に、金属皮膜２の材料である材料粉体を該材料粉体の融点より低い温度に加熱されたガスとともに固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって金属皮膜２を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス基材の表面に金属皮膜が形成された積層体を製造する積層体の製造方法であって、
前記ステンレス基材を、前記金属皮膜の材料の融点に対する比率が０．４０以上０．６５以下の温度であって、かつ前記ステンレス基材の融点に対する比率が０．５以下の温度に加熱し、加熱した前記ステンレス基材の表面に、前記金属皮膜の材料である材料粉体を該材料粉体の融点より低い温度に加熱されたガスとともに固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって前記金属皮膜を形成させる金属被膜形成ステップを有することを特徴とする積層体の製造方法。
【請求項２】
前記金属皮膜は、アルミニウム、銅、銀、金またはチタンから選択されるいずれか１種の金属または合金、あるいはステンレスであることを特徴とする請求項１に記載の積層体の製造方法。
【請求項３】
前記金属皮膜形成ステップは、前記金属皮膜の材料である材料粉体とともに前記ステンレス基材に吹き付けるガスの温度を、前記金属皮膜の材料である金属または合金の融点に対する比率が０．６以上０．８以下の温度であって、かつ前記ステンレス基材の融点に対する比率が０．８以下の温度とすることを特徴とする請求項１または２に記載の積層体の製造方法。
【請求項４】
前記金属皮膜形成ステップは、前記金属皮膜の材料である材料粉体とともに基材に吹き付けるガスの圧力を１〜５ＭＰａとすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の積層体の製造方法。
【請求項５】
前記金属皮膜形成ステップの前に、前記ステンレス基材を所定温度で所定時間加熱して、前記ステンレス基材を焼鈍する焼鈍ステップを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の積層体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置等に用いられる積層体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、溶射法の１種として、材料粉末を高温、高速にして基材に吹き付けることにより、該材料粉末を基材に堆積・コーティングするコールドスプレー方法が注目されている。コールドスプレー方法では、材料粉末の融点または軟化点以下に加熱した不活性ガスとともに先細末広（ラバル）ノズルから噴射して、皮膜となる材料を固相状態のまま基材に衝突させることによって基材の表面に皮膜を形成させるため、相変態がなく酸化も抑制された金属皮膜を得ることができる。
【０００３】
従来、コールドスプレー方法として、基材の温度を所定温度に温度制御した後、材料粉末を噴射する技術や（例えば、特許文献１参照）、基材および／または不活性ガスの温度を制御して金属皮膜を形成する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３０２３１７号公報
【特許文献２】特開２００８−１２７６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、基材を材料粉末の融点（絶対温度）以下、好ましくは融点（絶対温度）の約半分の温度に加熱することにより材料粉末の付着効率を向上できるとするものの、基材の加熱温度と該方法で形成した金属皮膜と基材との間の密着強度との関係を明示するものではない。
【０００６】
また、特許文献２では、ステンレス基材の温度を３７３Ｋ〜６７３Ｋまで加熱して銅粉末を噴射した場合、およびステンレス基材を加熱することなくヘリウムガスを６７３Ｋに加熱して銅粉末を噴射した場合に皮膜形成率が向上するとしているが、基材の加熱温度と該方法で形成した金属皮膜と基材との間の密着強度との関係を明示するものではない。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コールドスプレー法を用いてステンレス基材に金属皮膜を形成させた積層体を製造する場合に、ステンレス基材と金属皮膜との間の密着強度が高い積層体の製造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】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる積層体の製造方法は、ステンレス基材の表面に金属皮膜が形成された積層体を製造する積層体の製造方法であって、前記ステンレス基材を、前記金属皮膜の材料の融点に対する比率が０．４０以上０．６５以下の温度であって、かつ前記ステンレス基材の融点に対する比率が０．５以下の温度に加熱し、加熱した前記ステンレス基材の表面に、前記金属皮膜の材料である材料粉体を該材料粉体の融点より低い温度に加熱されたガスとともに固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって前記金属皮膜を形成させる金属被膜形成ステップを有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記発明において、前記金属皮膜は、アルミニウム、銅、銀、金またはチタンから選択されるいずれか１種の金属または合金、あるいはステンレスであることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記発明において、前記金属皮膜形成ステップは、前記金属皮膜の材料である材料粉体とともに前記ステンレス基材に吹き付けるガスの温度を、前記金属皮膜の材料である金属または合金の融点に対する比率が０．６以上０．８以下の温度であって、かつ前記ステンレス基材の融点に対する比率が０．８以下の温度とすることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記発明において、前記金属皮膜形成ステップは、前記金属皮膜の材料である材料粉体とともに基材に吹き付けるガスの圧力を１〜５ＭＰａとすることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記発明において、前記金属皮膜形成ステップの前に、前記ステンレス基材を所定温度で所定時間加熱して、前記ステンレス基材を焼鈍する焼鈍ステップを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にかかる積層体の製造方法は、ステンレス基材を、金属皮膜を形成する材料粉末の融点の所定比の温度に加熱しながら、材料粉末を噴射して金属皮膜を形成することにより、ステンレス基材と金属皮膜との間の密着強度が高い積層体を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態にかかる積層体の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態にかかる積層体の製造に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。
【図３】図３は、簡易引張試験法による試験の模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。
【００１６】
まず、本発明の実施の形態にかかる積層体の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる積層体の構成を示す模式図である。
【００１７】
積層体１０は、ステンレス基材１と、ステンレス基材１に後述するコールドスプレー法によって積層された金属皮膜２とからなる。
【００１８】
ステンレス基材１は、略板状のものが使用される。
【００１９】
金属皮膜２は、アルミニウム、銅、銀、金またはチタン等の融点がステンレス基材１と同程度またはそれ以下の材料から選択されるいずれか１種の金属、又は前記のいずれかの金属を含む合金から選択される。また、金属皮膜２として、上記したステンレス基材１と同一または異なる組成のステンレス鋼を選択してもよい。
【００２０】
実施の形態では、ステンレス基材１を、金属皮膜２の材料の融点（絶対温度）の０．４２以上０．６２以下の温度に加熱し、加熱したステンレス基材１表面にコールドスプレー法により金属皮膜２を形成する。
【００２１】
一般に、金属基材上にコールドスプレー法により金属皮膜２を形成する場合、金属基材に皮膜となる材料粉末が高速で衝突することで、材料粉末と金属基材との間に塑性変形が生じ、アンカー効果と金属結合によって、金属皮膜と基材との結合を得られるとされている。しかしながら、下記表１に示すように、ステンレス鋼は、硬さが２００±２０ＨＶ（ビッカース硬度）と硬質であるため、噴射される材料粉末との間に塑性変形を生じにくく、ステンレス基材１と金属皮膜２との間の密着強度が高い積層体を得ることができない。
【表１】
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【００２２】
本出願人は、金属の硬度が温度により変化することに着目し、ステンレス基材１を加熱してその硬度を低下させ、噴射される材料粉末との間に塑性変形を生じやすくすることにより、ステンレス基材１と金属皮膜２との間の密着強度が高い積層体が得られることを見出した。
【００２３】
実施の形態では、ステンレス基材１を、金属皮膜２の材料の融点（絶対温度）に対する比率が０．４０以上０．６５以下の温度に加熱し、該温度に加熱したステンレス基材１に材料粉末を該材料粉体の融点より低い温度に加熱されたガスにより固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより、ステンレス基材１と金属皮膜２との間の密着強度を向上させている。ステンレス基材１の加熱温度が金属皮膜２の材料の融点の０．４０未満の場合、ステンレス基材１と材料粉末との間の塑性変形が十分でなく、十分な密着強度が得られない。また、ステンレス基材１の加熱温度が金属皮膜２の材料の融点の０．６５より大きい場合であっても、ステンレス基材１と金属皮膜２との間の密着強度のさらなる向上は望めないばかりか、加熱温度の上昇により材料粉末の酸化が生じやすく、加熱に余分なコストを要することとなる。したがって、ステンレス基材１の硬度を低下させて、噴射する材料粉末との間での塑性変形により密着強度を向上するためには、ステンレス基材１を金属皮膜２の材料の融点に対する比率が０．４０以上０．６５以下の温度に加熱することが好ましい。
【００２４】
表２は、金属皮膜として選択される材料の融点と、融点に対し０．４０〜０．６５の温度範囲を示す表である。
【表２】
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【００２５】
表２に示すように、例えば、ステンレス基材１にアルミニウム皮膜を形成する場合、アルミニウムの融点９３３Ｋの０．４０〜０．６５となる温度範囲、すなわち３７３Ｋ〜６０６Ｋ（１００〜３３３℃）にステンレス基材１を加熱することにより、ステンレス基材１とアルミニウム皮膜との間の密着強度を向上させることができる。また、例えば、ステンレス基材１に銅皮膜を形成する場合、銅の融点１３５７Ｋの０．４０〜０．６５となる温度範囲、すなわち５４３Ｋ〜８８２Ｋ（２７０〜６０９℃）にステンレス基材１を加熱することにより、ステンレス基材１と銅皮膜との間の密着強度を向上することができる。ステンレス基材１の加熱は、ステンレス基材１全体を所定温度で均一に加熱できるヒータを使用して加熱すればよい。
【００２６】
なお、金属皮膜２の材料粉末の融点に対し０．４０〜０．６５の範囲の温度である場合であっても、ステンレス基材１の材料特性等への影響を考慮し、ステンレス基材１の加熱温度の上限値を、使用するステンレス基材１の融点の０．５以下程度に留めることが好ましい。
【００２７】
つづいて、ステンレス基材１の表面への金属皮膜２の形成について、図２を参照して説明する。図２は、金属皮膜２の形成に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。
【００２８】
コールドスプレー装置６０は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器６１と、基材に噴射する粉末材料を収容し、スプレーガン６４に供給する粉末供給装置６２と、スプレーガン６４で加熱された圧縮ガスと混合された材料粉末を基材１に噴射するガスノズル６３とを備えている。
【００２９】
圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。供給された圧縮ガスは、バルブ６５および６６により、ガス加熱器６１と粉末供給装置６２にそれぞれ供給される。ガス加熱器６１に供給された圧縮ガスは、例えば５０℃〜材料粉末の融点以下に加熱された後、スプレーガン６４に供給される。好ましくは、ステンレス基材１上に噴射される材料粉末の融点（絶対温度）に対し、０．６以上０．８以下の温度に圧縮ガスを加熱する。圧縮ガスの加熱温度を材料粉末の融点の０．６以上の温度に加熱することにより、材料粉末を加熱し、ステンレス基材１と金属皮膜２との間の密着強度を向上することができ、圧縮ガスの加熱温度を材料粉末の融点の０．８以下の温度に加熱することにより、金属材料の酸化を抑制できるためである。
【００３０】
表２に示すように、例えば、ステンレス基材１にアルミニウム皮膜を形成する場合、圧縮ガスの温度を、アルミニウムの融点９３３Ｋの０．６０〜０．８０となる温度範囲、すなわち５６０Ｋ〜７４６Ｋ（２８７〜４７３℃）に加熱することにより、ステンレス基材１とアルミニウム皮膜との間の密着強度を向上させることができる。また、例えば、ステンレス基材１に銅皮膜を形成する場合、圧縮ガスの温度を、銅の融点１３５７Ｋに対する比率が０．６０〜０．８０となる温度範囲、すなわち８１４Ｋ〜１０８６Ｋ（５４１〜８１３℃）に加熱することにより、ステンレス基材１と銅皮膜との間の密着強度を向上することができる。
【００３１】
粉末供給装置６２に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置６２内の、例えば、粒径が１０〜１００μｍ程度の材料粉末をスプレーガン６４に所定の吐出量となるように供給する。加熱された圧縮ガスは先細末広形状をなすガスノズル６３により超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）にされる。また、圧縮ガスのガス圧力は、１〜５Ｍｐａ程度とすることが好ましい。ガス圧力が１Ｍｐａを下まわると、ステンレス基材１と金属皮膜２との間の密着強度の向上が図れず、５Ｍｐａを上まわると、設備の耐圧性の観点から大掛かりな設備が必要になるとともに、ランニングコストが大きくなる。したがって、圧縮ガスのガス圧力を、１〜５Ｍｐａ程度、好ましくは、２〜４Ｍｐａ程度とする。スプレーガン６４に供給された粉末材料は、この圧縮ガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のまま基材に高速で衝突して皮膜を形成する。なお、材料粉末を基材に固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、図２のコールドスプレー装置６０に限定されるものではない。
【００３２】
上述したコールドスプレー装置６０によって、ステンレス基材１を、金属皮膜２を形成する材料粉末の融点に対し所定の温度に加熱し、加熱したステンレス基材１表面に金属皮膜２を形成することにより、ステンレス基材１と金属皮膜２との間の密着強度を向上することができる。
【００３３】
なお、実施の形態１の変形例として、ステンレス基材１を所定時間、所定温度で加熱して、焼鈍した後、焼鈍したステンレス基材１に、金属皮膜２をコールドスプレー法により形成する方法が例示される。コールドスプレー工程の前に、ステンレス基材１を予め焼鈍することにより、ステンレス基材１の硬度を低下することができるため、ステンレス基材１の加熱を行うことなくコールドスプレー法により金属皮膜２を形成した場合も、ステンレス基材１と金属皮膜２との間の密着強度を向上することができる。
【００３４】
また、ステンレス基材１を所定時間、所定温度で加熱して、焼鈍した後、焼鈍したステンレス基材１を加熱しながら、コールドスプレー法により金属皮膜を形成してもよい。ステンレス基材１を所定温度に加熱してコールドスプレー法により金属皮膜２を形成する前に、ステンレス基材１の焼鈍工程を設けることにより、金属皮膜２を形成する際のステンレス基材１の加熱温度を低下しても、ステンレス基材１と金属皮膜２との密着強度を向上させることができる。これにより、例えば、モリブデン（２８９６Ｋ）やタングステン（３６９５Ｋ）等の融点が高い金属の皮膜をステンレス基材１上に形成する際も、材料粉末の融点に対する比熱が０．４０〜０．６５程度までステンレス基材１の温度を上げることなく、密着強度が高い金属皮膜を形成することが可能となる。
【実施例】
【００３５】
ステンレス基材１に、所定条件で金属皮膜２を形成し、ステンレス基材１と金属皮膜２との間の密着強度について、引張強度試験法により評価した。図３は、本実施例で適用した簡易引張試験法による試験の模式図を示す。この方法では、ステンレス基材１上に形成した金属皮膜２に接着剤７３を介してアルミピン７２を接着し、固定台７１の孔部７１ａに、接着剤７３を介して金属皮膜２に接着したアルミピン７２を上方から挿通した後、アルミピン７２を下方に引っ張ることにより、ステンレス基材１と金属皮膜２との間の密着強度を評価した。評価は、接着が剥離した時点での引張応力と剥離状態により行なった。下表３に、試験した金属皮膜２の種類、ステンレス基材１の加熱条件、材料粉末の成膜条件とともに、引張試験の評価結果を示す。
【００３６】
【表３】
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【００３７】
表３に示す引張試験の評価結果において、「引張試験」欄の○は、所定の最大引張応力（７４Ｍｐａ）で接着剤の破断による剥離が生じたことを意味する。「引張試験」欄の×は、所定の最大引張応力（７４Ｍｐａ）未満でステンレス基材１と金属皮膜２との界面で剥離が生じたことを意味する。なお、ステンレス基材１に形成した金属皮膜の厚さは、およそ１００μｍである。
【００３８】
表３の実施例１〜７に示すように、ステンレス基材１にアルミニウムまたは銅の金属皮膜２をコールドスプレー法により形成した場合であって、ステンレス基材１を金属皮膜２の材料の融点に対する比率が０．４２〜０．６１の温度に加熱して金属皮膜２を形成すると、所定の引張応力（７４Ｍｐａ）においても、ステンレス基材１と金属皮膜２との間の界面破断は認められなかった。一方、ステンレス基材１を加熱しないでアルミニウム皮膜を形成した場合（比較例１および２）、ならびにステンレス基材１を材料粉末である銅の融点に対し０．４０未満の温度に加熱して、銅皮膜を形成した場合（比較例３〜６）は、所定値未満（４８〜６７Ｍｐａ）で、接着剤破断でなく、ステンレス基材１と金属皮膜２  との界面で破断が生じた。この結果により、金属皮膜を形成する材料粉末の融点（絶対温度）の０．４〜０．６５の範囲にステンレス基材１を加熱し、加熱したステンレス基材１に金属皮膜２を形成することにより、ステンレス基材１と金属皮膜２との間の密着強度を向上することができた。
【００３９】
なお、参考例として銅基材に銅皮膜を形成した場合（参考例１）、アルミ基材に銅皮膜を形成した場合（参考例２）、アルミ基材にアルミ皮膜を形成した場合（参考例３）について引張試験を行った結果も表３に示している。参考例１〜３では、いずれも基材の加熱を行っていないが、基材と皮膜との間の密着強度は所定値（７４Ｍｐａ）以上となり、該引張応力（７４Ｍｐａ）においても、基材と皮膜との間の界面破断は認められない。したがって、基材加熱による密着強度の向上は、硬度が高いステンレス基材１（ビッカース硬度２００±２０）で特に有効であることがわかる。同様に、硬度が高いモリブデン（ビッカース硬度２５０±２０）、タングステン（ビッカース硬度３８０±４０）やチタン合金６４Ｔｉ（ビッカース硬度３２０±３０）、炭素鋼Ｓ４５Ｃ（ビッカース硬度２３０±３０）などにおいても、当該材料を基材としてコールドスプレー法により金属皮膜を形成する場合、基材を加熱しながら粉末材料を噴射して金属皮膜を形成することにより、基材の硬度を低下させて、基材と材料粉末との間に塑性変形を生じやすくして、基材と皮膜との間の密着強度を向上することができると推測される。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、本発明にかかる積層体の製造方法は、ステンレス基材に金属皮膜を接合する場合に有用である。
【符号の説明】
【００４１】
１  ステンレス基材
２  金属皮膜
１０  積層体
６０  コールドスプレー装置
６１  ガス加熱器
６２  粉末供給装置
６３  ガスノズル
６４  スプレーガン
７０  引張試験装置
７１  固定台
７１ａ  孔部
７２  アルミピン
７３  接着剤
【図１】
2012187481.tif 000006
【図２】
2012187481.tif 000007
【図３】
2012187481.tif 000008