(57)【要約】【課題】半導体製造プロセスにおける装置内で使用される、ハロゲン系腐食性ガスに対して高い耐食性を有するねじ及びその製造方法を提供すること。【解決手段】金属製ねじの少なくとも一部の表面を、窒化アルミニウムからなる耐腐食性保護膜で被覆した耐食性ねじ及びその製造方法である。特に、上記金属製ねじ表面のJIS B 0601-2001の規定に従って算出した平均粗さが、0.2μｍ以上2.0μｍ未満であること、及び、耐腐食性保護膜である窒化アルミニウム膜の厚さが、0.5μｍ以上30μｍ未満であることが特徴である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面におけるJIS B 0601-2001の規定に従って算出した平均粗さが、0.2μｍ以上2.0μｍ未満であるねじの、少なくとも一部の表面に、厚さが0.5μｍ以上30μｍ未満となるように窒化アルミニウム膜を形成させてなることを特徴とする耐食性ねじ。
【請求項２】
前記窒化アルミニウム膜の表面における、JIS B 0601-2001の規定に従って算出した平均粗さが、0.2μｍ以上2.0μｍ未満である、請求項１に記載された耐食性ねじ。
【請求項３】
前記ねじの材質が、ニッケル、モリブデン、タンタル、タングステン、ＳＵＳ、インコネル、ハステロイからなる群の中から選択された金属である、請求項１又は２に記載された耐食性ねじ。
【請求項４】
表面におけるJIS B 0601-2001の規定に従って算出した平均粗さが、0.2μｍ以上2.0μｍ未満であるねじの、少なくとも一部の表面に、厚さが0.5μｍ以上30μｍ未満となるように窒化アルミニウム膜を形成させることを特徴とする、耐食性ねじの製造方法。
【請求項５】
前記JIS B 0601-2001の規定に従って算出した平均粗さが0.2μｍ以上2.0μｍ未満の表面を有するねじが、サンドブラスト法によって得られたねじである、請求項４に記載された、耐食性ねじの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置の内部に用いられる耐食性ねじ及びその製造方法に関し、特に、腐食性雰囲気下の使用に耐えられる窒化アルミニウムの膜によって、少なくとも表面の一部が被覆されたねじ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金型、切削工具、摺動部品、ねじなどの機械部品において、耐摩耗性、摺動特性、表面保護機能向上などの目的で、表面に薄膜をコーティングする技術が広く使われている（特許文献１）。コーティングされる薄膜には、硬度、耐摩耗性などに優れた、TiN、TiAlN、CrNなどの窒化物が一般に用いられている。上記薄膜の形成方法としては、真空アーク蒸着、イオンプレーティング、スパッタなどのPVD法や、熱、プラズマによるCVD法などが広く用いられている。最近では、摺動特性に優れた非晶質炭素膜（ダイヤモンドライクカーボン；DLC）も使用されるようになってきている。
【０００３】
しかしながら、これらの機械部品は耐摩耗性や摺動特性の点で優れるものの、半導体製造装置の内部で使用する場合には耐熱性が十分ではないことに加え、ドライエッチングで使われる酸素ガス、フッ素ガス等の腐食性ガスに対する耐性も低いという欠点があった。
【０００４】
半導体製造におけるドライプロセスでは、エッチングやクリーニング用のガスとして、反応性の高いフッ素系、塩素系等のハロゲン系腐食性ガスが多用されている。このようなハロゲン系腐食性ガスとしては、例えばNF3、CF4、ClF3等のフッ素系ガスがあり、何れも高い腐食性を有している。したがって、これらの腐食性ガスに接触する部材には、高い耐食性が要求されている。
【０００５】
従来、被覆処理部材以外でこれらの腐食性ガスに接触する部材としては、一般にアルミニウム、ＳＵＳ、インコネル、ハステロイ等の耐食性金属が利用されていたが、近年、アルミナや窒化アルミニウムに、特にハロゲン系ガスに対して優れた耐食性があることが確認されるに至った。そこで本発明者らは、耐食性に優れる窒化アルミニウム膜を、CVD法によって、半導体部材のサセプター、ヒータ、静電チャック等にコーティングする技術を提案した（特許文献２）。
【０００６】
一般的に、エッチング機能を有する装置内で使用されるねじが、ハロゲン系腐食性ガスによって腐食するとパーティクルが発生するので、これによるデバイス不良が発生する。また、ねじ部にパーティクルが詰まった場合には、ねじの噛み込みが発生して、メンテナンスの時に取り外しができなくなる場合が生じるという問題も指摘されている。このような不具合を防止するため、エッチング機能を有する装置内で使用されるねじは、ハロゲン系腐食性ガスに対して高い耐食性を有する必要がある。
【０００７】
そこで、ハロゲン系腐食性ガスに対する耐食性が高い、四フッ化エチレン樹脂で作製したねじも提案されている（特許文献３）が、素材が樹脂であるために、耐熱性や強度に限界がある。樹脂は、高くても200〜250℃程度までしか耐えることができないため、半導体製造装置に適用するためには、耐熱性及び強度が十分とはいえない。特に現在の装置では、PVDやCVDの成膜技術によって装置の内壁に付着させた膜をハロゲン系ガスによってエッチングするため、素材は、成膜反応の温度に耐え得ることが必須である。したがって半導体製造装置に適用させる場合には、樹脂を素材として使用することはできない。
【０００８】
これに対し、市販されているようなセラミックス製のねじは、高い耐食性を示すものの金属部材との熱膨張率が合わないため、熱応力よる割れやひびなどが発生する。そこで熱膨張率の影響をなくすために、全体をセラミックスで作製すると高価になって実用的でない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開2005/084942号公報
【特許文献２】特開2010-228965号公報
【特許文献３】特開2006-132579号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記したように、半導体製造プロセスにおける装置内で使用されるねじが腐食すると、例えば、パーティクルによる製品デバイスの不良や、ねじの噛み込みなどによるメンテナンス不良のような不具合が発生する。
従って本発明の第１の目的は、上記の不具合を防止することができる、ハロゲン系腐食性ガスに対して高い耐食性を有するねじを提供することにある。
本発明の第２の目的は、ハロゲン系腐食性ガスに対して高い耐食性を有するねじの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者等は、上記の諸目的を達成するために鋭意検討した結果、特定の表面粗さを有するねじの少なくとも一部を、窒化アルミニウムからなる、特定の厚さの耐腐食性保護膜で被覆することにより、ハロゲン系腐食性ガスに対して高い耐食性を有するねじとすることができることを見出し、本発明を完成した。
【００１２】
すなわち本発明は、表面におけるJIS B 0601-2001の規定に従って算出した平均粗さが、0.2μｍ以上2.0μｍ未満であるねじの、少なくとも一部の表面に、厚さが0.5μｍ以上30μｍ未満となるように窒化アルミニウム膜を形成させてなることを特徴とする耐食性ねじである（請求項１）。さらに本発明においては、ねじ表面に形成させた窒化アルミニウム膜の表面における、JIS  B 0601-2001の規定に従って算出した平均粗さが、0.2μｍ以上2.0μｍ未満であることが好ましい（請求項２）。
【００１３】
前記ねじの材質は、ニッケル、モリブデン、タンタル、タングステン、ＳＵＳ、インコネル、ハステロイからなる群の中から選択された金属であることが好ましい（請求項３）。
【００１４】
本発明のねじは、表面におけるJIS B 0601-2001の規定に従って算出した平均粗さが、0.2μｍ以上2.0μｍ未満であるねじの、少なくとも一部の表面に、厚さが0.5μｍ以上30μｍ未満となるように窒化アルミニウム膜を形成させることによって得られる（請求項４）。前記JIS B 0601-2001の規定に従って算出した平均粗さが0.2μｍ以上2.0μｍ未満の表面を有するねじは、サンドブラスト法によって得られたねじであることが好ましい（請求項５）。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のねじは、ハロゲン系腐食性ガスによる腐食が抑制されるので、これを半導体製造プロセスにおける装置に使用することにより、デバイスの不良やメンテナンスの不良を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】全表面を窒化アルミニウム膜で被覆した場合の、本発明の耐食性ボルトを示した図である。
【図２】全表面を窒化アルミニウム膜で被覆した場合の、本発明の耐食性ナットを示した図である。
【図３】本発明のボルトにダブルナットを付けた場合の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の耐食性ねじについて説明する。
本発明で用いられる窒化アルミニウムは、ハロゲン系腐食性ガスに対する耐性が高いため、ねじ表面を窒化アルミニウムで覆った場合、腐食によるパーティクルの発生がほとんどない。尚、上記ハロゲン系腐食性ガスとしては、CF4、C2F6、CHF3、NF3、ClF3、HF、SF6、HCl、Cl2、CBrF3などを具体的に例示することができる。
また、本発明において使用される窒化アルミニウムは耐食性があれば良く、純度や結晶系などが特に制限されることはない。
【００１８】
本発明においては、前記ねじの少なくとも一部が、耐腐食性保護膜である窒化アルミニウム膜で覆われていれば良いが、少なくともねじとして使用した後に露出する部分を被覆することが好ましい。螺合する部分も含め、全表面を被覆することが最も好ましいが、製造コストとの関係で、適宜被覆表面を設定することができる。
【００１９】
本発明においては、アンカー効果によって、ねじと窒化アルミニウム膜との密着力を確保するという観点から、ねじの表面粗さは、JIS B 0601-2001の規定に従って算出した平均粗さで、0.2μｍ以上、2.0μｍ未満であることが必要である。0.2μｍ未満であるとアンカー効果が不十分であり、ねじと窒化アルミニウム膜の密着力を十分に確保することができない。また、2.0μｍ以上であると、ねじを締付けた時に、螺合部表面での接触が不均一となり、局所的な摩擦熱が発生して、ねじのかじり、焼き付きの原因となる傾向がある。
【００２０】
このような表面粗さを有するねじであれば、特に制限されることはなく、ねじを、公知の手段により表面処理して用いることもできる。特に、サンドブラスト機、及びアルミナ砥粒を用いて、15MPa程度の圧力で5分間程度表面処理したねじを用いることが好ましい。
【００２１】
窒化アルミニウム膜の被覆方法としては、真空アーク蒸着、イオンプレーティング、スパッタなどのPVD法、熱、プラズマによるCVD法などが用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。好ましい例としては、トリメチルアルミニウム又は塩化アルミニウム、及びアンモニアガスを用いたCVD法による成膜方法や、アルミニウム金属を放電や加熱によって気化させ、これをアンモニアガス、窒素ガスなどで窒化するPVD法による成膜方法などで作製する方法が挙げられる。
【００２２】
本発明における窒化アルミニウム膜の厚さは、腐食性ガスに対する耐食性能を高めると共に、ねじと窒化アルミニウム膜との密着性を維持するという観点から、0.5μｍ以上、30μｍ未満である。特に、1μｍ以上、15μｍ未満とすることにより、耐食性及び密着性が十分で、良好な耐腐食性保護膜とすることができる。
これに対し、厚さが0.5μｍ未満であると、腐食性ガスが被覆前のねじの表面にまで到達することがあり、この場合には、その表面が腐食されて部分的に窒化アルミニウム膜が剥がれる。また、厚さが30μｍ以上であると、熱膨張率の差による熱応力の影響が大きくなり、窒化アルミニウム膜が剥がれることがある。
なお、窒化アルミニウム膜の厚さは、同一条件で作製したダミーのサンプルねじを破壊し、電子顕微鏡（キーエンスVE8800）で、破壊された断面を観察することによって測定することができる。
【００２３】
本発明においては、使用時の食い込みを防止するため、ねじ表面に形成された窒化アルミニウム膜の表面粗さは、JIS B 0601-2001の規定に従って算出した平均粗さで、0.2μｍ以上、2.0μｍ未満であることが好ましい。
【００２４】
本発明のねじは、ボルトであってもナットであっても良く、保護された表面が区々であるボルトとナットを組み合わせて使用しても良いし、ボルトとナットの一方を従来のボルト又はナットとして使用することもできるが、全表面を被覆したボルトとナットを組み合わせて使用することが好ましい。
【００２５】
前記窒化アルミニウム膜で被覆されるねじの材質は、金属であれば特に制限されるものではないが、耐熱性が高く、高温のプロセスにおいても使用することができるという観点から、ＳＵＳ、ニッケル、モリブデン、タンタル、タングステン、インコネル、ハステロイなどからなる群の中から選択される金属であることが好ましい。
更に、ねじの材質としては、周囲を構成する金属部材と同じ、又はそれに近い熱膨張率を有する材質を選択することが、熱応力の影響を少なくする観点から好ましい。
【００２６】
本発明の耐食性ねじは、まず、公知の方法により、表面の、JIS B 0601-2001の規定に従って算出した平均粗さが0.2μｍ以上2.0μｍ未満となるように、ねじ表面を表面処理する。次に、前記した方法により、窒化アルミニウム膜の厚さが0.5μｍ以上30μｍ未満となるように、得られたねじの少なくとも一部の表面を、窒化アルミニウム膜で被覆することによって得ることができる。
【実施例】
【００２７】
以下に実施例に基づき本発明を説明するが、 本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００２８】
六角穴付きのボルトを用意し、アルミナ砥粒〔不二製作所製；フジランダムWA（アルミナ）＃60〕を用いたサンドブラスト機〔不二製作所製；ニューマブラスターSG-5A〕を用いて、15ＭＰａの噴射圧力で表面処理を行い、その後、熱CVD法により、1000℃、100Paの炉内で、トリメチルアルミニウムとアンモニアガスを用いて、ねじの全表面に窒化アルミニウムの被覆膜を形成させた（図1）。ボルトの材質、窒化アルミニウム膜の厚さ、サンドブラスト後のねじ螺合部の表面粗さ、及びねじ上に形成された窒化アルミニウム膜の表面粗さを下記表１に示した。
【００２９】
なお、窒化アルミニウム膜の厚さは、同一条件で作製したねじのダミーサンプルを破壊し、電子顕微鏡を用いて破壊された断面を観察し、測定した。また、表面粗さについては、JIS B 0601-2001に基づいて測定し、平均粗さを算出した。
【表１】
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【００３０】
窒化アルミニウム膜を被覆したボルトと、被覆なしの金属ボルトに、ナットを図３のようにダブルナットで固定し、300℃のClF3ガス中で耐腐食性試験を行った。窒化アルミニウムをコーティングしたねじ部表面に変化は見られなかったが、コーティングなしのねじ部表面には、明らかに表面の変色及び腐食の痕が見られた。
【実施例２】
【００３１】
実施例１と同様に、六角穴付きのボルトを用意し、アルミナ砥粒を用いたサンドブラスト機を用いて15ＭＰａの噴射圧力で表面処理を行い、その後、熱CVD法により、ねじの全表面に窒化アルミニウムの被覆膜を、0.5〜30μｍの厚さでそれぞれ形成させた。ボルトの材質、窒化アルミニウム膜の厚さ、サンドブラスト後のねじ螺合部の表面粗さ、ねじ上に形成された窒化アルミニウム膜の表面粗さ、及び膜剥れの有無を下記表２に示した。
【表２】
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【００３２】
窒化アルミニウムの膜を30μｍの厚さとしたボルトは、CVD後の螺合部に膜剥がれが発生したことが確認された。螺合部に膜剥がれがない他のボルトに、ナットをダブルナットで固定し、300℃のClF3ガス中で耐腐食性試験を行った。窒化アルミニウムの膜を0.3μｍの厚さとしたボルトは、部分的に螺合部表面が腐食して膜剥がれが発生したことが確認された。
【実施例３】
【００３３】
実施例１と同様に、六角穴付きのボルトを用意し、アルミナ砥粒を用いたサンドブラスト機を用いて、1〜15ＭＰａの噴射圧力でそれぞれ表面処理を行い、その後、熱CVD法により窒化アルミニウムの被覆膜を形成させた。ボルトの材質、窒化アルミニウム膜の厚さ、サンドブラスト後のねじ螺合部の表面粗さ、ねじ上に形成された窒化アルミニウム膜の表面粗さ、及び膜剥れの有無を下記表３に示した。
【表３】
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【００３４】
表面粗さが0.2μｍ未満のボルトは、CVD後の螺合部に膜剥がれが発生したことが確認された。膜剥がれのない他のボルトに、ナットをダブルナットで固定したが、表面粗さが2.0μｍ以上のボルトは、ナットの入りが悪く、工具を用いて無理に締付けたところ、かじりが発生してナットが取れなくなってしまい、膜も割れてしまった。他のボルトを300℃のClF3ガス中で耐腐食性試験を行ったところ、表面に腐食等は見られなかった。
【００３５】
六角ナット側に窒化アルミニウムをコーティングして得られた本発明のナット（図２）についても同様の試験を行ったが、ナットの場合についても上述したボルトの場合と同様の結果を得た。
また、本発明のボルト及びナットを、実際に半導体製造装置に組み込んで腐食性雰囲気で使用したところ、腐食及び噛み込みなどの不具合が発生しないことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明のねじは、ハロゲン系腐食性ガスに対する耐食性が高い窒化アルミニウム膜で覆われているため、ハロゲン系腐食性ガスによる腐食を抑制し、パーティクルによるデバイス不良や、ねじ部にパーティクルが詰まることによって生じるメンテナンスの不良を防止することができる。従って、半導体製造プロセスで使用される装置内の、特に、腐食性雰囲気下で用いられるねじとして好適であり、産業上極めて有用である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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