氟化物皮膜形成用铝合金材料及具有氟化物皮膜的铝合金材料的制作方法

2021-01-30 14:01:55|

338|

起点商标网

本发明涉及可在表面的至少一部分形成氟化物皮膜从而作为半导体制造装置的构件(部件)等使用的氟化物皮膜形成用铝合金材料及可作为半导体制造装置的构件(部件)等使用的具有氟化物皮膜的铝合金材料。

再者，在本说明书及权利要求书中，“氟化物皮膜”这一术语意味着“至少含有氟来构成的皮膜”，并非仅意味着“仅由氟化物构成的皮膜”。

另外，在本说明书及权利要求书中，“平均晶体粒径”意味着通过在jisg0551中规定的切断法(heyn法)测定出的平均晶体粒径。

背景技术：

作为构成半导体、lcd等的制造装置的腔室、基座、背板等的构件材料，大多使用由铝合金、特别是al-mg系的jis5052铝合金、al-si-mg系的jis6061铝合金来构成的形变合金材料、铸件材料。另外，这些制造装置在高温下使用，而且在硅烷(sih4)、氟系气体、氯系的卤素气体等腐蚀性气体氛围中使用，因此对各构件实施阳极氧化处理从而在表面形成硬质的阳极氧化皮膜，使耐蚀性提高。

但是，即使进行这样的表面处理，也会根据使用环境、使用频度而在早期引起表面劣化，需要表面处理的更新。尤其是，在cvd、pvd处理装置中，使用温度遍及从室温到约400℃的大范围，而且施加交变热应力，因此有时因母材与阳极氧化皮膜的热变形能力的差异而产生裂纹。另外，在长期使用的期间，即使没有显著的损伤，也有时在处理工件时与装置表面接触从而阳极氧化皮膜磨损。

于是，曾提出了一种耐气体性及耐等离子体性优异的真空腔室构件，其是在al基材表面形成耐蚀性保护皮膜而成的，该耐蚀性保护皮膜的表面侧是以al氧化物为主体的层或者是以al氧化物和al氟化物为主体的层，所述耐蚀性保护皮膜的基材侧是以mg氟化物为主体的层或者是以mg氟化物和al氧化物为主体的层(专利文献1)。

另外，也已知一种在铝合金母材的表面形成氟化处理皮膜等而成的耐蚀性优异的铝合金材料，所述铝合金母材含有si：0.2～1.0wt％及mg：0.3～2.0wt％，作为杂质的fe、cu、mn、cr、zn及ni的各自含量分别被限制为0.1wt％以下，余量由al及其他的杂质构成(专利文献2)。

这些技术是利用通过对铝合金基材进行氟化处理而形成的氟化钝化膜来谋求耐蚀性提高的。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-061410号公报

专利文献2：日本特开2003-119539号公报

技术实现要素：

然而，在对铝合金基材进行了氟化处理时，有时在所形成的耐蚀性皮膜的表面产生黑色的点状隆起部。若产生了这样的黑色的点状隆起部，则该部分的热射线吸收率增大，因此在例如cvd装置、pvd装置等中的使用中会引起局部性的温度上升。若产生这样的局部性温度上升，则存在以下问题：耐蚀性皮膜产生裂纹，皮膜会剥离，其成为杂质颗粒。

本发明是鉴于上述技术背景而完成的，其目的是提供没有黑色的点状隆起部的产生而平滑性优异、并且针对腐蚀性气体和等离子体等具备优异的耐蚀性的氟化物皮膜形成用铝合金材料及具有氟化物皮膜的铝合金材料。

本发明人为了追查研究黑色的点状隆起部的产生的原因，对黑色的点状隆起部及其周围部进行了sem-edx映射(mapping)，结果判明：如图5所示，对于正常部110而言，在铝合金基材100的表面依次层叠氟化镁层101、氟化铝层102而形成了耐蚀性皮膜，但是，就黑色的点状隆起部111而言，在铝合金基材100的表面局部性地存在未生成氟化镁层的部分(缺陷部位；截断部位)，在该缺陷部位处氟化铝102较大地生长从而生成了该氟化铝的隆起部111。为了抑制以这样的机制生长的黑色点状隆起部的产生而进一步进行了锐意研究，结果发现：铝合金材料中的fe系结晶物的平均长径与铝合金材料中的平均晶体粒径之间的关系性与黑色点状隆起部的产生有关联，从而完成了本发明。即，为了达到上述目的，本发明提供以下的方案。

[1]一种氟化物皮膜形成用铝合金材料，其特征在于，

含有si：0.3质量％～0.8质量％、mg：0.5质量％～5.0质量％、fe：0.05质量％～0.5质量％，cu的含有率为0.5质量％以下，mn的含有率为0.30质量％以下，cr的含有率为0.30质量％以下，余量包含al及不可避免的杂质，

在将所述铝合金材料中的fe系结晶物的平均长径设为d(μm)，将所述铝合金材料中的平均晶体粒径设为y(μm)时，满足下述式(1)的关系式，

log10y<-0.320d+4.60…式(1)

所述铝合金材料是作为半导体制造装置用的构件使用的。

[2]一种具有氟化物皮膜的铝合金材料，其特征在于，在前项1所述的氟化物皮膜形成用铝合金材料的表面的至少一部分形成有氟化物皮膜。

[3]根据前项2所述的具有氟化物皮膜的铝合金材料，所述氟化物皮膜的厚度为0.1μm～10μm。

[4]根据前项2或3所述的具有氟化物皮膜的铝合金材料，所述氟化物皮膜包含形成于所述氟化物皮膜形成用铝合金材料的表面的第1皮膜层和进而形成于所述第1皮膜层的表面的第2皮膜层，所述第1皮膜层是含有氟化镁的皮膜，所述第2皮膜层是含有氟化铝及铝的氧化物的皮膜。

在[1]的发明中，由于是由上述特定的金属组成构成且满足上述式(1)的关系式的构成，所以在对氟化物皮膜形成用铝合金材的表面的至少一部分进行氟化处理而形成了氟化物皮膜时，在该氟化物皮膜上看不到黑色的点状隆起部(以下，有时简称为“黑点部”)，并且，所得到的带氟化物皮膜的铝合金材料针对腐蚀性气体和等离子体等具备优异的耐蚀性。

在[2]的发明中，由于是由上述特定的金属组成构成且满足上述式(1)的关系式的构成，所以能够提供没有黑点部的产生而平滑性优异并且针对腐蚀性气体和等离子体等具备优异的耐蚀性的具有氟化物皮膜的铝合金材料。

在[3]的发明中，由于氟化物皮膜的厚度为0.1μm以上，所以能够使针对腐蚀性气体和等离子体等的耐蚀性更加提高，并且，由于其为10μm以下，所以能够提高生产率。

在[4]的发明中，由于氟化物皮膜包含上述特定构成的2层结构，所以能够使针对腐蚀性气体和等离子体等的耐蚀性进一步提高。

附图说明

图1是示出本发明涉及的氟化物皮膜形成用铝合金材料的一实施方式的截面图。

图2是示出本发明涉及的具有氟化物皮膜的铝合金材料的一实施方式的截面图。

图3是示出作为本发明涉及的具有氟化物皮膜的铝合金材料的一例的喷头的立体图。

图4是以平均晶体粒径(y)的常用对数(k)为纵轴、以fe系结晶物的平均长径(d)为横轴而标绘的曲线图。在图4中，用●标绘的材料表示完全看不到黑点部的材料，用▲标绘的材料表示产生了黑点部的材料。在该图4的曲线图中，从左上向右下延伸的实线的倾斜直线的左下侧的区域是用式(1)表示的区域，可知标绘于用该式(1)表示的区域中的材料完全看不到黑点部，而标绘于该倾斜直线的右上侧的区域中的材料产生了黑点部。

图5是黑点部产生的说明图(示意性截面图)。

具体实施方式

本发明涉及的氟化物皮膜形成用铝合金材料1，其特征在于，含有si：0.3质量％～0.8质量％、mg：0.5质量％～5.0质量％、fe：0.05质量％～0.5质量％，cu的含有率为0.5质量％以下，mn的含有率为0.30质量％以下，cr的含有率为0.30质量％以下，余量包含al及不可避免的杂质，在将所述铝合金材料中的fe系结晶物的平均长径设为d(μm)，将所述铝合金材料中的平均晶体粒径设为y(μm)时，

log10y<-0.320d+4.60…式(1)

满足上述式(1)的关系式。本发明涉及的氟化物皮膜形成用铝合金材料1可作为半导体制造装置用的构件使用。

以下对本发明中的铝合金的组成(各成分的含有率范围的限定意义等)进行说明。

所述si(成分)在al基体中生成mg2si，能够使铝合金材料的强度提高。所述铝合金材料中的si含有率设为0.3质量％～0.8质量％的范围。若si含有率小于0.3质量％，则生成的mg2si少，不能够发挥强度提高的效果。另一方面，若si含有率超过0.8质量％，则虽然生成si单质的结晶物，但这样的si单质会生成sif4而升华，因此阻碍铝合金材料的表面上的均匀的氟化物皮膜的形成。为了防止这样的si单质结晶物的生成，将si含有率规定为0.8质量％以下。其中，所述铝合金材料中的si含有率优选为0.35质量％～0.6质量％的范围。

所述mg(成分)在al基体中生成mg2si，能够使铝合金材料的强度提高，并且mg与f反应而在铝合金材料的表面形成致密的氟化镁(mgf2)层。所述铝合金材料中的mg含有率设为0.5质量％～5.0质量％的范围。若mg含有率小于0.5质量％，则变得不能够形成致密的氟化镁(mgf2)层。另一方面，若mg含有率超过5.0质量％，则合金材料的加工性变差。其中，所述铝合金材料中的mg含有率优选为1.0质量％～2.5质量％的范围。

所述cu(成分)通过添加而发挥使所述mg2si在al基体中均匀地分散的作用效果，能够使铝合金材料的强度提高。另外，由于能够将mg2si均匀地分散，因此能够在铝合金材料的表面形成均匀的氟化镁(mgf2)层。所述铝合金材料中的cu含有率设定为0％以上且0.5质量％以下。若cu含有率超过0.5质量％，则会生成cu系结晶物，阻碍氟化物层(氟化物皮膜)的形成。其中，所述铝合金材料中的cu含有率优选为0.1质量％～0.3质量％的范围。

所述fe(成分)在al基体中生成fe系结晶物，若粗大的结晶物存在于铝合金材料的表面，则该结晶物阻碍mg向表面的扩散，在存在该结晶物的部位不能生成氟化镁的致密的层。其结果，在未生成氟化镁层的部位氟化铝较大地生长而成为氟化铝的隆起部(即黑点部)。为了防止这样的黑点部的生成，fe含有率需要设为0.5质量％以下。另外，若fe含有率超过0.5质量％，则在铸造工序中生成的fe系结晶物的大小变得过大，在后续工序的轧制、锻造等的塑性加工中不能够微细化。另一方面，若fe含有率小于0.05质量％，则产生铸造裂纹等。因此，所述铝合金材料中的fe含有率设为0.05质量％～0.5质量％的范围。其中，所述铝合金材料中的fe含有率优选为0.08质量％～0.15质量％的范围。

所述mn(成分)及cr(成分)的含有率均设定为0％以上且0.30质量％以下。若超过0.30质量％，则会生成粗大的结晶物。可以是不含有mn和cr这两者的合金组成(即含有率为0％的构成)，也可以是以0.30质量％以下的范围含有mn且不含有cr的合金组成，或者，也可以是以0.30质量％以下的范围含有cr且不含有mn的合金组成。其中，所述mn(成分)及cr(成分)的含有率均优选设定为0％以上且0.10质量％以下。

本发明涉及的氟化物皮膜形成用铝合金材料1为以下构成：在将该铝合金材料中的fe系结晶物的平均长径设为d(μm)，将所述铝合金材料中的平均晶体粒径设为y(μm)时，

log10y<-0.320d+4.60…式(1)

满足上述式(1)的关系式。

图4是关于实施例涉及的氟化物皮膜形成用铝合金材料，以其平均晶体粒径(y)的常用对数(k)为纵轴、以fe系结晶物的平均长径(d)为横轴而标绘的曲线图。为了生成氟化镁层，需要铝合金内部的mg向表面扩散。关于mg的扩散速度，其在晶界的扩散速度比在晶粒内的扩散速度大。晶粒小时，晶界的面积增加，mg向表面的扩散容易化，因此，即使结晶物的大小变大，也能够生成氟化镁层。

即，对于铝合金的组成满足上述的各成分的含有率范围的条件且满足上述式(1)的关系式的本发明的氟化物皮膜形成用铝合金材料1而言，在对其进行氟化处理而形成了氟化物皮膜时，该氟化物皮膜不会产生黑点部(黑色的点状隆起部)，因此平滑性优异(不会产生前述的局部性的温度上升)，并且，这样得到的具有氟化物皮膜2的铝合金材料10由于氟化物皮膜的存在而针对腐蚀性气体和等离子体等具备优异的耐蚀性。

与此相对，在图4中的从左上向右下延伸的实线的倾斜直线的右上侧的区域(不满足式(1)的区域)中，fe系结晶物的大小过大，fe系结晶物阻碍mg的扩散，其结果，如图5所示，局部地未生成氟化镁层101，在未生成该氟化镁层的缺陷部位处氟化铝102较大地生长从而产生黑点部(黑色的点状隆起部)。

另外，对于即使是铝合金的组成满足了上述的各成分的含有率范围的条件的情况，也不满足上述式(1)的关系式的构成的铝合金材料而言，在对其进行氟化处理从而形成了氟化物皮膜时，该氟化物皮膜产生黑点部(黑色的点状隆起部)。若产生了这样的黑点部，则在作为例如半导体制造装置(cvd装置、pvd装置、干蚀刻装置、真空蒸镀装置等)的构件使用的情况下，该部分的热射线吸收率增大，引起局部性的温度上升，结果产生以下问题：氟化物皮膜产生裂纹从而皮膜剥离，其成为杂质颗粒。

本发明涉及的具有氟化物皮膜的铝合金材料10，可作为半导体制造装置(cvd装置、pvd装置、干蚀刻装置、真空蒸镀装置等)的构件(部件)等使用。作为所述部件，并没有特别的限定，例如可举出喷头(参照图3)、真空腔室、基座、背板等。所述喷头10是在作为具有氟化物皮膜2的铝合金材料10形成为圆盘状的构件上形成有在其厚度方向上贯通的多数细孔的构件。

接着，对上述氟化物皮膜形成用铝合金材料1及具有氟化物皮膜的铝合金材料10的制造方法的一例进行集中说明。

(铸造工序)

得到以使得成为含有si：0.3质量％～0.8质量％、mg：0.5质量％～5.0质量％、fe：0.05质量％～0.5质量％，cu的含有率为0.5质量％以下，mn的含有率为0.30质量％以下，cr的含有率为0.30质量％以下，余量包含al及不可避免的杂质的组成的方式熔化调制的铝合金熔液之后，对该铝合金熔液进行铸造加工，由此得到铸造物(铸造板材、坯料等)。作为铸造方法，并没有特别的限定，使用以往公知的方法即可，例如可举出连续铸造轧制法、热顶铸造法、浮法铸造法、半连续铸造法(dc铸造法)等。

(均质化热处理工序)

对得到的铸造物进行均质化热处理。即，优选进行将铸造物在450℃～580℃的温度下保持5小时～10小时的均质化热处理。若低于450℃，则铸造物的软化不充分，热加工时的压力变高，外观品质下降，生产率也下降，因此不优选。另一方面，若超过580℃，则在铸造物的内部产生局部熔化，因此不优选。

(热加工工序)

对所述铸造物进行热加工。作为所述热加工，并没有特别的限定，但例如可举出轧制加工、挤压加工、锻造加工等。所述轧制加工时的加热温度优选设定为450℃～550℃。另外，所述挤压加工时的加热温度优选设定为450℃～550℃。另外，所述锻造加工时的加热温度优选设定为450℃～550℃。

(固溶处理工序)

接着，将进行所述热加工而得到的加工物(轧制物、挤压物等)加热从而实施固溶处理。所述固溶处理优选在520℃～550℃的温度下进行2小时～6小时。

(时效处理工序)

接着，将固溶处理后的所述加工物(轧制物、挤压物等)在170℃～210℃的温度下加热5小时～11小时来进行时效处理。

经过上述那样的铸造工序、均质化热处理工序、热加工工序、固溶处理工序、时效处理工序，得到上述氟化物皮膜形成用铝合金材料1。

(阳极氧化处理工序)

通过对所述时效处理后的氟化物皮膜形成用铝合金材料1进行阳极氧化处理，在所述铝合金材料的表面形成阳极氧化皮膜。作为阳极氧化处理的电解液，并没有特别的限定，但可举出例如硫酸水溶液等。另外，优选将电解浴(电解液)的温度控制为10℃～40℃来进行阳极氧化。阳极氧化时的电压并没有特别的限定，但优选设定为10v～100v的范围，阳极氧化处理时间优选设定为1分钟～60分钟。

(氟化处理工序)

接着，对阳极氧化皮膜形成后的铝合金材料进行氟化处理。例如，将所述阳极氧化皮膜形成后的铝合金材料安置于腔室内并使该腔室内成为真空后，向腔室内导入含有氟气的气体，在该氟气氛围下进行加热，由此在铝合金材料的表面形成氟化物皮膜2。氟气氛围下的加热温度优选设定为250℃～350℃。这样就得到具有上述氟化物皮膜的铝合金材料10。或者，例如在用途为真空腔室的部件的情况下，也可以采用下述制法：将所述铝合金材料作为真空腔室的部件而开始使用后，对于真空腔室内的清扫使用氟气，但每当使用该氟气进行清扫就在铝合金材料的表面再生产氟化物皮膜从而较厚地形成下去。或者，例如，也可以将所述铝合金材料加工成喷头形状，在将这样得到的构件安置于半导体的生产设备中的状态下，在氟气氛围下进行加热从而形成氟化物皮膜2，也可以使用等离子体来形成氟化物皮膜2，在这样形成氟化物皮膜后，可以照原样地致力于半导体生产。

再者，上述的制造方法只不过示出了其一例，本发明的氟化物皮膜形成用铝合金材料1及本发明的具有氟化物皮膜的铝合金材料10并不限定于采用上述的制造方法得到的材料。

实施例

接着，对本发明的具体的实施例进行说明，但本发明并不特别限定于这些实施例。

<实施例1>

将含有si：0.50质量％、mg：1.15质量％、cu：0.20质量％、fe：0.07质量％、mn：0.02质量％、cr：0.05质量％，余量由al及不可避免的杂质构成的铝合金加热从而得到铝合金熔液后，使用该铝合金熔液，采用dc铸造法制作了厚度200mm的板状铸造物。

接着，对所述板状铸造物在470℃下进行了7小时的均质化热处理。接着，切断成规定的大小后，进行了在500℃下的热轧后，在常温下进行冷轧，由此得到了厚度4mm的铝合金板。接着，切断成纵长50mm×横宽50mm的大小后，对该铝合金板在530℃下加热4小时来进行固溶处理，接着在180℃下加热8小时来进行了时效处理。这样，得到了图1所示的氟化物皮膜形成用铝合金材料1。

接着，对于所述时效处理后的铝合金板(氟化物皮膜形成用铝合金材料)，使用浓度15质量％的硫酸水溶液作为电解液，将电解浴(电解液)的温度控制为25℃，在电压20v下进行2分钟的阳极氧化处理，由此在铝合金板的表面的全面形成了厚度2μm的阳极氧化皮膜。

接着，将阳极氧化皮膜形成后的所述铝合金板安置于腔室内并使该腔室内成为真空后，向腔室内导入含有氟的惰性气体，在该状态下在260℃下保持24小时，由此形成了厚度2μm的氟化物皮膜2。即，得到了图2所示的具有氟化物皮膜的铝合金材料10。

在得到的具有氟化物皮膜的铝合金材料10中，所述氟化物皮膜2是由形成于氟化物皮膜形成用铝合金材料1的表面的厚度0.5μm的含氟化镁的第1皮膜层3和进而形成于该第1皮膜层3的表面的厚度1.5μm的第2皮膜层(含有氟化铝和铝氧化物的皮膜层)构成的结构。

<实施例2～7、11、12>

作为用于形成铝合金熔液的铝合金，使用了表1所示的合金组成的铝合金(分别以表1所示的比例含有si、mg、cu、fe、mn、cr，且余量由al及不可避免的杂质构成的铝合金)，除此以外，与实施例1同样地进行，得到了图1所示的氟化物皮膜形成用铝合金材料1，接着，与实施例1同样地进行，得到了图2所示的具有氟化物皮膜2的铝合金材料10。

<实施例8～10>

作为用于形成铝合金熔液的铝合金，使用了表1所示的合金组成的铝合金(分别以表1所示的比例含有si、mg、cu、fe、mn、cr，且余量由al及不可避免的杂质构成的铝合金)，将热轧时的压下率设定为99％以取代77％，除此以外，与实施例1同样地进行，得到了图1所示的氟化物皮膜形成用铝合金材料1，接着，与实施例1同样地进行，得到了图2所示的具有氟化物皮膜2的铝合金材料10。

<比较例1～3、7～10>

作为用于形成铝合金熔液的铝合金，使用了表1所示的合金组成的铝合金(分别以表1所示的比例含有si、mg、cu、fe、mn、cr，且余量由al及不可避免的杂质构成的铝合金)，除此以外，与实施例1同样地进行，得到了氟化物皮膜形成用铝合金材料，接着，与实施例1同样地进行，得到了具有氟化物皮膜的铝合金材料。

<比较例4～6>

作为用于形成铝合金熔液的铝合金，使用了表1所示的合金组成的铝合金(分别以表1所示的比例含有si、mg、cu、fe、mn、cr，且余量由al及不可避免的杂质构成的铝合金)，将热轧时的压下率设定为99％以取代77％，除此以外，与实施例1同样地进行，得到了氟化物皮膜形成用铝合金材料，接着，与实施例1同样地进行，得到了具有氟化物皮膜的铝合金材料。

关于如上述那样得到的各实施例、各比较例的氟化物皮膜形成用铝合金材料，利用下述测定方法求出了平均晶体粒径(y)及fe系结晶物的平均长径(d)。

<平均晶体粒径的测定方法>

将氟化物皮膜形成用铝合金材料的表面抛光研磨后，利用barker法进行了腐蚀处理。进行水洗并使其干燥后，将腐蚀处理面利用光学显微镜观察，利用切断法测定了平均晶体粒径(y)。将这些结果示于表1。

<fe系结晶物的平均长径的测定方法>

将氟化物皮膜形成用铝合金材料的表面抛光研磨后，进行sem(扫描电子显微镜)观察，抽取在反射电子像中看起来发白的结晶物，利用图像解析装置测定了这些抽取的结晶物的绝对最大长度。fe系结晶物的平均长径(d)，是从自315μm×215μm的长方形的视野区域任意抽取的结晶物中将当量圆直径(等效圆直径)为0.3μm以下的结晶物排除在外后，从绝对最大长度大的结晶物中选择了100个时的这100个的数据的平均值。将这些结果示于表1。

关于如上述那样得到的各实施例、各比较例的具有氟化物皮膜的铝合金材料，基于下述评价法，使用25倍的显微镜调查氟化物皮膜中的黑点部(黑色的点状隆起部)的有无，基于下述判定基准进行了评价。将其结果示于表1。

(判定基准)

“○”…看不到(不存在)黑点部；

“△”…稍微看到黑点部；

“×”…显著地存在黑点部。

从表1明显可知，使用本发明的实施例1～12的氟化物皮膜形成用铝合金材料得到的本发明的具有氟化物皮膜的铝合金材料，氟化物皮膜看不到黑点部。

与此相对，比较例1～10，氟化物皮膜显著地看到了黑点部。再者，比较例7～10，由于合金组成虽然满足了本发明的规定范围但是不满足式(1)，因此显著地存在黑点部。

产业上的可利用性

本发明涉及的氟化物皮膜形成用铝合金材料1，可对表面的至少一部分进行氟化处理而形成氟化物皮膜，从而作为半导体制造装置(cvd装置、pvd装置、干蚀刻装置、真空蒸镀装置等)的构件(部件)等使用。

本发明涉及的具有氟化物皮膜的铝合金材料10，可作为半导体制造装置(cvd装置、pvd装置、干蚀刻装置、真空蒸镀装置等)的构件(部件)等使用。

作为所述部件，并没有特别的限定，可举出例如喷头(参照图3)、真空腔室、基座、背板等。

本申请要求在2018年7月4日申请的日本国专利申请2018-127378号及在2018年12月7日申请的日本国专利申请2018-229556号的优先权，其公开内容原样地构成本申请的一部分。