処理装置
【課題】 従来よりも腐食性ガスの侵入を抑制することのでき、かつ基材中の成分の表層への侵入を防止できる部材を用いたガス処理装置およびメカニカルポンプを提供する。
【解決手段】 本発明の処理装置は、内部をガスが通過または滞留する処理装置であり、ガスと接する部分は、鉄を含有する基材と、基材表面に設けられたＦｅの拡散を防止するバリア膜およびその上に設けられた少なくともイットリア（Ｙ２Ｏ３）を主成分とする表面保護膜とを有する。
【解決手段】 本発明の処理装置は、内部をガスが通過または滞留する処理装置であり、ガスと接する部分は、鉄を含有する基材と、基材表面に設けられたＦｅの拡散を防止するバリア膜およびその上に設けられた少なくともイットリア（Ｙ２Ｏ３）を主成分とする表面保護膜とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は完全な耐腐食性を備えた表面保護膜が設けられた接ガス部材を有する処理装置に関し、特に、メカニカルポンプのような処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
メカニカルポンプ等のガス排気装置やプロセス処理にガスを用いた処理装置においては、排出すべき気体または処理に用いる気体と接触する接ガス部の部材は、その表面を保護膜で覆う必要がある。
【０００３】
これは、例えば、減圧中で有毒ガスまたは腐食性ガス等を使用する半導体製造装置、大型薄型ディスプレイ製造装置、太陽電池製造装置における処理工程（プラズマエッチング、減圧気相成長）の装置やそのガス排気部に用いられるガス排気ポンプ等において、これらのガスが装置やポンプ内などで反応して接ガス部を腐食させる恐れがあるためである。
【０００４】
また、これらのガスが接ガス部表面を構成する材料の触媒作用によって分解解離し、反応生成物が蓄積して装置やガス排気ポンプなどの正常な動作を阻害させるといった問題があるためである。
【０００５】
より具体的には、例えば従来のメカニカルポンプの接ガス部はニッケル系の処理がなされている場合があるが、ニッケルは半導体製造装置、大型薄型ディスプレイ製造装置、太陽電池製造装置の処理工程（プラズマエッチング、減圧気相成長）においてよく使用されるガスである、ＳｉＨ４、ＡｓＨ３、ＰＨ３、Ｂ２Ｈ６、等の水素化合物分子に対する触媒効果がきわめて強い。
【０００６】
そのため、半導体プロセスで頻繁に使用されるＳｉＨ４、ＡｓＨ３、ＰＨ３、Ｂ２Ｈ６、等の水素化合物分子がポンプ内の接ガス部のニッケルの触媒効果で分解し、Ｓｉ、Ａｓ、Ｐ、Ｂ等が発生し、化学反応によって発生した生成物としてメカニカルポンプ内に堆積するという問題があった。
【０００７】
そのため、接ガス部の表面を、耐腐食性に優れ、触媒効果のないイットリア（酸化イットリウム、Ｙ２Ｏ３）膜で覆うことによって、ガスの分解解離を抑制し、ポンプ内への生成物の堆積を抑えた構造が提案されている（特許文献１）。
【０００８】
さらに、イットリア（Ｙ２Ｏ３）膜の表面欠陥を減少させるために、イットリアにセリウムを含有した膜を用いることも提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−８８９１２号公報
【特許文献２】特願２００９−２６９２０１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１、２記載の技術は、ガスの分解解離を抑制し、ポンプ内への生成物の堆積を抑える効果が得られるという点で、優れた技術である。
【００１１】
しかしながら、本発明者等は、基材に鉄系の金属を用いた場合、その表面保護膜のイットリア膜（セリウム酸化物CeO2入りイットリア膜を含む。以下同じ）に基材からＦｅが侵入して、イットリア膜の耐腐食性を低下させる場合があるという知見を新たに得た。
【００１２】
そこで本発明は、各種ガス分子に対して触媒効果を持たず、腐食性ガスの侵入を抑制することができかつ鉄または鉄合金基材中のＦｅ成分の表面保護膜への侵入を防止できる、コストの安い処理装置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】
【００１３】
本発明者等は、基材からのＦｅの侵入を防止できる構造が必要と考え、鉄合金系基材の表面に、基材からのＦｅの拡散を防ぐバリア膜を設けることを考えた。また、表面保護膜としてイットリア膜、特に、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）をＦｅ合金表面に処理した表面にイットリア膜を試作した。酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）膜を形成するには、クロムを含有する鉄合金の基材を用い、その表面を熱酸化するのが簡便であるが、クロムを含有する鉄合金、例えば、Ｃｒをそれぞれ１６．０〜１８．０％含有するＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ４４０Ｃは、基材コストが高く、ＳＵＳ３１６Ｌに関しては材料の線膨張係数が大きい（１５．９×10-６/℃、０〜１００℃）ことからポンプ等には不向きであるという問題があることが判明した。
【００１４】
本発明によれば、内部を各種のガスが通過または滞留する処理装置において、前記各種のガスと接する部分は、鉄を含有する基材と、前記基材表面に設けられＦｅの拡散を防止することができるバリア膜と、その上に形成された少なくともイットリア（Ｙ２Ｏ３）を主成分とする表面保護膜とを有することを特徴とする処理装置が得られる。バリア膜としてはＮｉが好ましい。またＮｉバリア膜はめっきで形成するのが好ましい。
【００１５】
Niメッキ等のバリア膜を設けた基材の接ガス部の表面にイットリア（Ｙ２Ｏ３）膜、またはＣｅＯ２を酸化物換算の原子比で１％〜１０％、望ましくは２％〜４％、さらに望ましくは３％程度、含有したイットリア（Ｙ２Ｏ３）膜が表面保護膜として設けられる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来よりも腐食性ガスの侵入を抑制することができ、かつ基材中のＦｅ成分の表面保護膜への侵入を防止でき、各種のガスに対して十分な耐腐食性を備えたガス処理装置およびメカニカルポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るスクリューポンプ（メカニカルポンプ）の一例を示した断面図である。
【図２】本発明の実施例に係るメカニカルポンプ部材（試料）の構造を示す断面図である。
【図３】耐腐食性試験前の実施例に係る試料の表面から内部に向かう組成分析結果を示す図である。
【図４】本発明に係る試料すなわち構造材であるSCM440の表面に、バリア膜であるNi-Pメッキを施した表面写真と其の上にCeO2含有Y2O3膜を塗布乾燥した表面電子顕微鏡写真並びに表面凸凹のデータである。
【図５】耐腐食性試験に使用する反応管を示す概略図である。
【図６】耐腐食性試験前後の試料の表面状態を示す表面の電子顕微鏡写真と表面凸凹のデータである。
【図７】（Ａ）は、塩素ガス雰囲気下での耐腐食性試験後の試料の表面から内部に向かう組成分析結果を示す図である。（Ｂ）は、図７（Ａ）の表面部を拡大して示す表面から内部に向かっての組成分析結果を示す図である。
【図８】（ｂ１）〜（ｂ４）はスクリューポンプの各種スクリューロータの写真である。
【図９】不等リード不等傾斜角スクリューブースターポンプの排気速度曲線である。
【図１０】等リードスクリューバックポンプの排気速度曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
まず、図１を参照して、本実施形態に係る処理装置としてのスクリューブースターポンプ（メカニカルポンプ）の構造、および処理装置の接ガス部の構造について説明する。図１はスクリューブースターポンプ本体Ａの構成を断面図によって示したものである。スクリューブースターポンプ本体Ａには、複数の螺旋状の陸部と溝部を有し、互いにかみ合いながら実質的に平行な二軸の回りを回転する一対のスクリューブースターロータａ１（ａ２）が具備されている。
【００２０】
図１のスクリューロータａ１（ａ２）が図８のｂ4の等リードロータであるが、図８のb3の不等リード、図８のb1の不等リードと等リード（１乃至１２リード）、図８のb2の等リードと不等リード或いは等リードと不等リードと等リード（１乃至１２リード）の各歯筋の方程式が接線或いは接線に近い形状で繋いだスクリューも含まれる。
【００２１】
また、スクリューロータａ１（ａ２）は、ケーシングａ３内に収納され、スクリューロータａ１（ａ２）を支持するシャフトａ４は吸入側には軸受が無く、吐出側のみの軸受けによって回転可能に支持されている。
【００２２】
シャフトａ４の一端部には、タイミングギアａ６が取り付けられ、このタイミングギアａ６を介して一対のスクリューロータａ１（ａ２）が同期して回転されるように構成されている。なお、シャフトａ４の他端部にはモータＭが取り付けられる。
【００２３】
一方、前記両スクリューロータａ１（ａ２）を収納するケーシングａ３の上端部には吸入ポートａ７が形成されており、またケーシングａ３の下端部側には吐出ポートａ８が形成されており、モータＭの回転により、前記スクリューロータａ１（ａ２）が同期して回転することにより、気体を吸入ポートａ７から吸入し、吐出ポートａ８より排気するガス排気ポンプの作用がなされるように構成されている。
【００２４】
さらに、スクリューロータの回転軸方向のほぼ中央部におけるケーシングａ３の一部には、不活性ガス注入口ａ１０が穿設されており、この不活性ガス注入口ａ１０より注入されるガスは、一対のスクリューロータａ１（ａ２）に侵入し、両者の間の隙間のガスを希釈し、分子量の小さなガスの排気性能を向上させると共に生成物の発生、腐食を抑える。
【００２５】
図９は不等リード不等傾斜角スクリューブースターポンプの排気速度のグラフである。
【００２６】
排気速度は水素と窒素の差が殆んど無く、３×１０−４Torr〜３Torr 程度まで安定した排気速度を維持している。
【００２７】
図１０は不等リード不等傾斜角スクリューブースターポンプの吐出側に接続されて排気する等リードスクリューバックポンプで１〜７６０Torr程度を安定して排気することができる。
【００２８】
上記したように、スクリューブースターポンプの吐出側にスクリューバックポンプを設けた構成を採用し、スクリューブースターポンプとして、吸入側圧力と吐出側圧力の圧縮比が３００００以上のものを使用した場合、粘性流域から分子流域まで分子の大きさに関係無く水素を含め全てのガスに対して略々一定の排気速度で排気を行えると共に、
スクリューブースターポンプの圧縮比が大きいため、スクリューブースターポンプの吐出側圧力は３０Torr程度に排気することでスクリューブースターポンプの性能は維持できる。このためスクリューバックポンプの吸入側圧力は、３０Torr程度の粘性流域で排気することができるので５００L/min程度の小さな排気速度のスクリューバックポンプで排気する事ができる。これによって一般に使用されているバックポンプの50％程度の消費電力削減ができる。
【００２９】
これらの性能を維持するためポンプ部材に耐腐食性処理及び生成物の発生を抑える表面保護膜を着け、きわめて長時間に亘る安定排気を実現した。
【００３０】
ここで、スクリューブースターポンプ本体Ａのスクリューロータａ１（ａ２）、ケーシングａ３、吸入ポートａ７、吐出ポートａ８、内部等は排気ガスに接触する部材（接ガス部）において、鉄を含む基材の表面に、後述するように、バリア膜を設けると共に、バリア膜上に表面保護膜をコーティングしたものを用いた。
【００３１】
ここで、鉄（Ｆｅ）を含む基材としては、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌより線膨張係数が小さい材料、例えば、ＳＣＭ４４０、Ｓ４５Ｃ、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、ＳＰＲＯＮ、ＩＮＣＯＬＯＹ９０９等がポンプ基材材料として好ましい。換言すれば、本発明に使用される基材材料は、必ずしもＣｒを含まない材料であっても良い。また、バリア膜としては、例えば、Ｎｉ層が好ましく、特に、無電解メッキによって形成されたＮｉ層が好ましい。
【００３２】
表面保護膜の一例は、イットリア（Ｙ２Ｏ３）膜である。この表面保護膜は、例えば構成部材の表面にイットリア（Ｙ２Ｏ３）をゾルゲル、もしくはＭＯＤ（Metal Organic Decomposition 金属の有機化合物を有機溶剤に溶解した溶液）コーティング後、窒素雰囲気下で加熱しながら減圧乾燥（1Torr〜30Torr）した後、例えば酸素が１００％の雰囲気下で２５０℃乃至１０００℃の熱処理をしてイットリア（Ｙ２Ｏ３）を形成することによって得られる。（ここに記載した熱処理方法は一例であり、熱処理の仕方はこれに限定されるものではない。）このような保護膜は耐食性に優れ、触媒効果がないため、ポンプの接ガス部の部材の表面とすることで排気ガスの分解解離を抑制し、ポンプ内への生成物の堆積を抑える。即ち、前記のイットリア（Ｙ２Ｏ３）処理をメカニカルポンプ接ガス部の部材にすることによりポンプの信頼性を向上させ、ポンプの正常な動作を長期間保証することができる。
【００３３】
なお、バリア膜及びイットリア（Ｙ２Ｏ３）膜をポンプの接ガス部の部材に表面処理をしたメカニカルポンプ内部における、生成物の堆積をさらに抑制させるためには、メカニカルポンプ本体の温度を８０℃〜１５０℃程度の温度に維持することが好ましい。
【００３４】
一方、メカニカルポンプの性能を維持するためには、２５０℃以下の温度に維持するのが好ましい。したがって、メカニカルポンプ本体の温度を８０℃乃至２５０℃の範囲内に維持することが好ましく、さらに好ましくは、メカニカルポンプ本体の温度を略々１５０℃に維持するのが良い。温度が１８０℃を超えると、Y2O3膜上でB2H6等の分解解離が始まるからである。
【００３５】
接ガス部の温度を８０〜１８０℃の範囲内に維持するために、スクリューポンプは、温度制御手段を有するのが望ましい。
【００３６】
例えば、この温度制御手段としては、図示はしないが、電気ヒータと、冷却構造とを有するものが挙げられる。冷却構造は、例えばケーシングａ３に空洞部を形成し、そこに冷却用の水やオイル等の冷媒を循環させるものである。電気ヒータと冷却構造は、スクリューブースターポンプ本体Ａの所定箇所に設けられた温度センサによる監視温度に基づいて、接ガス部の温度をフィードバック制御するようなものが挙げられる。
【００３７】
なお、電気ヒータに代えて、スクリューブースターポンプの動作によって発生する気体圧縮熱や動作部材の摩擦熱などを熱源として利用するものであってもよい。
【００３８】
表面保護膜としてイットリア（Ｙ２Ｏ３）を用いる場合、セリウムを含有させるのが望ましい。より具体的には、酸化セリウム（ＣｅＯ２）を含有させる。
【００３９】
この場合、酸化セリウムの含有量は、酸化物換算の原子比で１％乃至１０％が望ましく、より望ましくは１％乃至５％、さらに望ましくは２％乃至４％である。
【００４０】
上記範囲で、酸化セリウムをイットリア（Ｙ２Ｏ３）に含有させることにより、イットリア膜中の微細なポアなどの欠陥を減少させることができ、従来のイットリア（Ｙ２Ｏ３）膜と比較して、腐食性ガスの侵入を徹底的に抑制することができる。
【００４１】
なお、表面保護膜のコーティング厚さは０．０６μｍ乃至１０μｍとするのが望ましい。これはコーティング厚さが０．０６μｍ未満の場合、貫通ポアにより下地が露出されるポイントが存在する可能性があり、１０μｍ以上の場合は、膜ストレスにより膜剥離が発生する可能性があるからである。
【００４２】
次に、基材として鉄または鉄合金が用いられるが、ここでは、基材としてＳＣＭ４４０を用いた場合について説明する。ＳＣＭ４４０は、鉄を主成分とし、Ｓｉ、Ｃ、Ｍｎ、Ｍｏを０．１５乃至０．９原子％含有し、Ｃｒを０．９〜１．２原子％、他の成分の含有量は０．０５原子％以下の材料である。尚、本発明に係る基材材料としては、Ｃｒを含まない材料、例えば、ＩＮＣＯＬＯＹ９０９も使用できる。
【００４３】
ＳＣＭ４４０によって形成された基材表面に、無電解めっきで２μｍ程度〜１５μｍ程度の厚さのＮｉ-Ｐ層がバリア膜として形成される。この無電解めっき工程は水を含む溶液を用いた工程であるので、バリア膜形成後、表面保護膜としてイットリア膜を形成する前に、例えば、窒素ガス雰囲気中で、1Torr〜30Torr程度の減圧下で、４００℃程度に加熱し脱ガスを行うのが好ましい。
【００４４】
このように、Ｎｉのバリア膜を設けることにより、後述するように、基材から表面保護膜へのＦｅの侵入を防止でき、Ｆｅの侵入による耐腐食性の低下を抑制できるのである。
【００４５】
また、基材上にＦｅ拡散を防止するバリア膜を設けることにより、基材として、ＳＵＳ３１６等のように、線膨張係数の大きな材料よりも、線膨張係数の小さい材料が使用できる。例えば、Ｆｅを含有しクロムを少量含有する材料（Ｓ４５Ｃ）、Ｆｅを含有し、クロムを含有しない材料（ＩＮＣＯＬＯＹ９０９）、或いは、Ｆｅを他の成分に比較して少量含有する材料（Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８，ＩｎｃｏｎｅｌＸ−７５０，ＳＰＲＯＮ５１０）等も基材材料として使用することが可能になる。
【００４６】
因みに、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７１８は、重量比でＦｅ18.5％、Ｃｒ18.0％、Ｎｉ54％を含む材料であり線膨張係数は（１３．１×10-６/℃、０〜９３℃）、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）Ｘ−７５０は，重量比でＦｅ7.0％、Ｃｒ15.5％、Ｎｉ73％を含む材料であり（１２．６×10-６/℃、０〜９３℃）の線膨張係数を有している。また、ＳＰＲＯＮ５１０は、重量比でＦｅ1.6％、Ｃｒ20.0％、Ｎｉ32.4％，Ｍｏ10％を含む材料であり（１２〜１３×10-６/℃、２０〜５０℃）の線膨張係数を有している。更に、ＩＮＣＯＬＯＹ９０９は、重量比でＦｅ42％、Ｎｉ38％、Ｃｏ13％、Ｎｂ4.7％を含む材料であり、８．０×10-６/℃（０〜１００℃）ともっとも小さな線膨張係数を有する材料であり、高速回転する用途には最も適する材料である。本発明のCeO2含有Y2O3膜・バリア膜を表面に設けることにより、全てのガスに対して完全な耐腐食性を有し、ガスを分解する触媒効果を全く持たないことからこうした新しい材料が存分に活用できるようになるのである。
【００４７】
このように、基材と表面保護膜との間に、バリア膜を設けることにより、基材として、必ずしもＣｒを含有せず、且つ、ＳＵＳ４４０Ｃ及びＳＵＳ３１６Ｌに比較して線膨張係数の小さい材料を使用して、メカニカルポンプを構成することができる。因みに、ＳＵＳ３１６Ｌの線膨張係数は（１５．９×10-６/℃、０〜１００℃）であるのに反し、ＳＣＭ４４０の線膨張係数は（１１．２×10-６/℃、２０〜１００℃）である。更に、Ｓ４５Ｃ、ＩＮＣＯＬＯＹ９０９、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８，ＩｎｃｏｎｅｌＸ−７５０，ＳＰＲＯＮ５１０の線膨張係数は、前述したように、ＳＵＳ３１６Ｌの線膨張係数（１５．９×10-６/℃、０〜１００℃）以下である。
【００４８】
以上の説明で明らかなように、本発明は、半導体製造装置、大型薄型ディスプレイ製造装置、太陽電池製造装置の処理工程（プラズマエッチング、減圧気相成長等）に用いられる処理装置、あるいはこれらの処理装置に適用できる。具体的には、本発明は、処理装置に含まれるメカニカルポンプの処理ガスや排気ガスの接ガス部を、鉄を含有する基材上にＮｉバリア膜を設け、その上にイットリア（Ｙ２Ｏ３）表面処理を行い、150℃程度の温度に維持することにより反応生成物の付着・堆積を抑制し、接ガス部が耐食性に優れ、触媒効果のない処理装置を構成できるのである。また、基材として、ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ３１６Ｌよりも線膨張係数が小さく、安価な材料を使用できるため、メカニカルポンプを安価に構成できる。
【００４９】
更に、メカニカルポンプ内部は耐腐食性があり、触媒効果が無く、また、メカニカルポンプ本体をある程度の温度に昇温することにより、さらに反応生成物の堆積を抑えるためメカニカルポンプの正常な動作を長期間保証することができる。また前記メカニカルポンプを接続した半導体製造装置、大型薄型ディスプレイ製造装置、太陽電池製造装置は長時間安定した性能を維持するため、前記各装置の長時間に亘る安定稼動が可能となるのである。
【実施例】
【００５０】
以下、実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。
【００５１】
＜試料の作製＞
まず、以下に示す手順に従って試料を作製した。
【００５２】
（実施例１）
図２を参照して、本発明の実施例に係るメカニカルポンプ部材の製造方法を説明する。まず、平面寸法が６ｍｍ×６ｍｍ×２０ｍｍのＳＣＭ４４０からなる直方体の基材２１を用意し、当該基材２１を表面研磨した。次に、表面研磨された基材２１全面に、バリア膜２２を形成した。実施例１では、Ｎｉを含む次亜燐酸水溶液に、基材２１を浸して、加熱することにより、無電解ニッケルリンメッキを行い、厚さ２μｍ程度〜１５μｍ程度のＮｉ層を形成し、当該Ｎｉ層をバリア膜２２とした。
【００５３】
無電解メッキによって形成されたＮｉ層は、水分を含んでいるため、N2をキャリアガスとして４００℃程度の温度で5Torr程度の減圧下で、４．５時間脱ガス処理を行った。
【００５４】
脱ガス処理を行った後に、バリア膜２２の表面にＹ２Ｏ３にＣｅＯ２を３％程度含有させた表面保護膜２３を形成した。
【００５５】
具体的には、まず、表面にバリア膜２２を形成した基材２１にＹ２Ｏ３＋３％ＣｅＯ２用コート材を塗布し、１５００ｒｐｍで６０秒間回転させた。
【００５６】
その後、焼成装置を用いて、１００％Ｎ２ガスを１Ｌ／ｍｉｎの流量で流しながら圧力５Ｔｏｒｒ（６．６７×１０２Ｐａ）程度の減圧下で４００℃まで５℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、４００℃に達した後、その状態で８時間保持して脱ガスを行った。
【００５７】
脱ガス終了後、常圧、４００℃、１００％Ｏ２ガス雰囲気下で１Ｌ／ｍｉｎの流量でＯ２を流しながら１時間保持して酸化焼成を行い、Ｙ２Ｏ３にＣｅＯ２を３％含有させた表面保護膜２３を得た。なお、塗布／焼成は２回繰り返し、膜厚が略々１００ｎｍ（０．１μｍ）となるようにした。
【００５８】
このようにして得られた表面保護膜２３のセリウム含有量は、酸化物換算の原子比で１％〜１０％が好ましく、より好ましくは、酸化物換算の原子比で１〜５％であり、より好ましくは、酸化物換算の原子比で２〜４％である。
【００５９】
以上の手順により、基材２１上に、バリア膜２２及び表面保護膜２３を形成したポンプ部材の試料を作製した。
【００６０】
＜組成分析＞
次に、実施例に係るポンプ部材の試料の深さ方向の組成分析を行った。分析には日本電子株式会社（ＪＥＯＬ）製の光電子分光装置（ＸＰＳ、X-ray Photoelectron Spectroscopy）であるJPS-9010-MXを用い、表面から深さ３５０ｎｍまでの組成を分析した。
【００６１】
結果を図３に示す。尚、図３の横軸は、ＳｉＯ２の膜厚に換算した場合における表面からの深さであり、縦軸は元素の組成比（原子比）である。
【００６２】
図３に示すように、実施例に係る試料では、略々１００ｎｍの膜厚の表面保護膜２３の下に、表面保護膜２３を形成するＹ２Ｏ３＋３％ＣｅＯ２と、バリア膜２２を形成するＮｉとを含む中間層（界面）が１１０ｎｍ〜２３０ｎｍの厚さに亘って生成されていた。図３からも明らかな通り、３５０ｎｍの深さから表面まで、Ｆｅは検出されず、Ｎｉのバリア膜２２を設けることにより、基材に含まれるＦｅの表面保護膜２３への侵入は完全に抑制されていることが分る。他方、Ｎｉは深さ１１０ｎｍから検出されると共に、無電解メッキの際に用いられた次亜リン酸に起因するＰが深さ１５０ｎｍから検出された。
【００６３】
また、表面保護膜２３に起因する酸素（Ｏ）が表面から２３０ｎｍの深さまで検出され、他方、Ｙが表面から２３０ｎｍの深さまで検出された。ＯとＹが２３０ｎｍの深さまで検出されるのは基材表面粗さの影響によるものである。また、微量のＣｅが１００ｎｍの深さまで検出された。
【００６４】
＜表面状態＞
基材２１を形成するＳＣＭ４４０に、脱ガスしたＮｉ層によって形成されたバリア膜２２の表面状態と、バリア膜２２上に表面保護膜２３として形成されたＹ２Ｏ３＋３％ＣｅＯ２の表面を観測した。図４は、倍率×１００００倍と×１０００００倍における表面状態とＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により測定した□１μｍエリアの平均表面粗さＲａ、Peak to valley値ＰＶと共に示されている。
【００６５】
Ｎｉ層によって形成されたバリア膜２２の表面粗さは、Ｒａで０．５４ｎｍで、ＰＶで６．４ｎｍである。他方、表面保護膜２３の表面粗さは、Ｒａで０．３１ｎｍ、ＰＶで３．２ｎｍであった。このことからも明らかな通り、表面保護膜２３の表面がＮｉのバリア膜２２の表面よりも平坦であった。また、表面保護膜２３には膜剥離、ポアなどは見受けられなかった。
【００６６】
＜耐腐食性試験＞
次に、実施例で作製された試料を腐食雰囲気下に置いて、耐腐食性を評価した。具体的な手順は以下の通りである。
【００６７】
まず、試料を図５に示すように、直径１／２インチ、長さ３０ｃｍの表面がＡｌ2Ｏ3処理されているＡｌ−ＳＵＳ製の反応管内部に配置した。
【００６８】
次に、Ｎ２を１Ｌ／ｍｉｎで反応管内に流しながら昇温速度５℃／ｍｉｎで温度２００度まで上昇させ、この状態で１時間保持した（この過程で試料や反応管内表面に付着していた水分はほぼ完全に除去されている）。続いて、ガスをCl2に切り替え、圧力３ｋｇｆ／ｃｍ２（２．９×１０５Ｐａ）となるようにして、この状態で２４時間保持した。
【００６９】
その後、試料を取り出して、試験前と同じ条件で表面粗さの測定、表面観察、組成分析を行った。
【００７０】
表面観察結果を図６に、試験後の組成分析結果を図７に示す。図６では、段差計により測定長５ｍｍで測定した表面粗さが示されている。表面粗さ測定をAFM でなく、段差計により測定したのは、Cl2ガス封止により表面凸凹が大きくなり、AFM における表面粗さ測定の限界を超えるためである。図６に示すように、Cl2に曝される前の試料（試験前の試料）は、２１９．５ｎｍのＲａ、１７８１ｎｍのＰＶを有していた。尚、図６の段差計により測定した表面粗さの値が、図４のAFM により測定した表面粗さの値よりも格段に大きくなっているのは、AFM により測定した表面粗さは□１μｍエリアの微視的な表面粗さを測定したのに対し、段差計により測定長５ｍｍで測定した表面粗さは、測定領域が長く、基材自体の表面凸凹の影響を含むためである。
【００７１】
一方、Ｃｌ２に曝された後の試料（試験後の試料）は、２７７．２ｎｍのＲａ、２２４５ｎｍのＰＶを有し、×１００００の観測において部分的な反応が観測されたが、膜剥離等は観測されなかった。また試験後の試料に見られる部分的な反応ポイントの影響により表面粗さが若干増加していた。
【００７２】
図７（Ａ）を参照すると、表面保護膜の表面から３５０ｎｍの深さまでの組成分析結果が示されており、図３に示された組成分析結果に、Ｃｌの分析結果が加えられていることが分る。図７（Ａ）から、ＣｌはＹ２Ｏ３＋３％ＣｅＯ２表面保護膜の表面で留まっており、Ｎｉ層には検出されていないのが明らかである。
【００７３】
図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の表面部における組成分析結果のうち、表面から深さ５０ｎｍまでの範囲を拡大して示す図であり、Ｃｌは１２ｎｍの深さに留まっていることが分る。因みに、Ｎｉメッキのみの場合、Ｃｌは２０ｎｍの深さまで侵入することが判明した。
【００７４】
図６から明らかなように、実施例（ＳＣＭ４４０＋バリア膜＋表面保護膜）では表面が部分腐食にとどまっており、Ｃｌの侵入量も１２ｎｍと、表面保護膜内部にとどまり、基材まで侵入していないことが分かった。
【００７５】
以上の結果より、基材として、線膨張係数の小さい鉄系材料を用い、基材表面に、Ｎｉからなるバリア膜及びＹ２Ｏ３＋３％ＣｅＯ２表面保護膜を形成することにより、表面保護膜中へのＦｅの侵入を阻止できると共に、Ｃｌガス等に対する耐腐食性を改善できることが分かった。図７の結果は、圧力３Kg/cm2、２００℃で２４時間の結果である。
【００７６】
実際には１５０℃程度でガス圧は高くても３０Torr程度であるから十分な耐腐食性が得られるのである。
【００７７】
尚、ここでは、バリア膜２２の膜厚が１５μｍの場合についてのみ説明したが、基材からのＦｅの侵入及びＣｌの表面保護膜からの侵入を防止するためには、バリア膜２２は０．５μｍ程度以上あれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
上記した実施形態では本発明をスクリューブースターポンプに適用した場合について説明したが、本発明は特にこれに限定されることはなく、例えばル−ツポンプ等のメカニカルポンプにも適用することができるし、減圧中で有毒ガスまたは腐食性ガス等を使用する半導体製造装置、大型薄型ディスプレイ製造装置、太陽電池製造装置における処理工程（プラズマエッチング、減圧気相成長）の装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００７９】
Ａ スクリューポンプ本体
ａ１、ａ２ スクリューロータ
ａ３ ケーシング
ａ４ シャフト
ａ６ タイミングギア
ａ７ 吸入ポート
ａ８ 吐出ポート
ａ１０ 不活性ガス注入口
Ｍ モータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は完全な耐腐食性を備えた表面保護膜が設けられた接ガス部材を有する処理装置に関し、特に、メカニカルポンプのような処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
メカニカルポンプ等のガス排気装置やプロセス処理にガスを用いた処理装置においては、排出すべき気体または処理に用いる気体と接触する接ガス部の部材は、その表面を保護膜で覆う必要がある。
【０００３】
これは、例えば、減圧中で有毒ガスまたは腐食性ガス等を使用する半導体製造装置、大型薄型ディスプレイ製造装置、太陽電池製造装置における処理工程（プラズマエッチング、減圧気相成長）の装置やそのガス排気部に用いられるガス排気ポンプ等において、これらのガスが装置やポンプ内などで反応して接ガス部を腐食させる恐れがあるためである。
【０００４】
また、これらのガスが接ガス部表面を構成する材料の触媒作用によって分解解離し、反応生成物が蓄積して装置やガス排気ポンプなどの正常な動作を阻害させるといった問題があるためである。
【０００５】
より具体的には、例えば従来のメカニカルポンプの接ガス部はニッケル系の処理がなされている場合があるが、ニッケルは半導体製造装置、大型薄型ディスプレイ製造装置、太陽電池製造装置の処理工程（プラズマエッチング、減圧気相成長）においてよく使用されるガスである、ＳｉＨ４、ＡｓＨ３、ＰＨ３、Ｂ２Ｈ６、等の水素化合物分子に対する触媒効果がきわめて強い。
【０００６】
そのため、半導体プロセスで頻繁に使用されるＳｉＨ４、ＡｓＨ３、ＰＨ３、Ｂ２Ｈ６、等の水素化合物分子がポンプ内の接ガス部のニッケルの触媒効果で分解し、Ｓｉ、Ａｓ、Ｐ、Ｂ等が発生し、化学反応によって発生した生成物としてメカニカルポンプ内に堆積するという問題があった。
【０００７】
そのため、接ガス部の表面を、耐腐食性に優れ、触媒効果のないイットリア（酸化イットリウム、Ｙ２Ｏ３）膜で覆うことによって、ガスの分解解離を抑制し、ポンプ内への生成物の堆積を抑えた構造が提案されている（特許文献１）。
【０００８】
さらに、イットリア（Ｙ２Ｏ３）膜の表面欠陥を減少させるために、イットリアにセリウムを含有した膜を用いることも提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−８８９１２号公報
【特許文献２】特願２００９−２６９２０１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１、２記載の技術は、ガスの分解解離を抑制し、ポンプ内への生成物の堆積を抑える効果が得られるという点で、優れた技術である。
【００１１】
しかしながら、本発明者等は、基材に鉄系の金属を用いた場合、その表面保護膜のイットリア膜（セリウム酸化物CeO2入りイットリア膜を含む。以下同じ）に基材からＦｅが侵入して、イットリア膜の耐腐食性を低下させる場合があるという知見を新たに得た。
【００１２】
そこで本発明は、各種ガス分子に対して触媒効果を持たず、腐食性ガスの侵入を抑制することができかつ鉄または鉄合金基材中のＦｅ成分の表面保護膜への侵入を防止できる、コストの安い処理装置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】
【００１３】
本発明者等は、基材からのＦｅの侵入を防止できる構造が必要と考え、鉄合金系基材の表面に、基材からのＦｅの拡散を防ぐバリア膜を設けることを考えた。また、表面保護膜としてイットリア膜、特に、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）をＦｅ合金表面に処理した表面にイットリア膜を試作した。酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）膜を形成するには、クロムを含有する鉄合金の基材を用い、その表面を熱酸化するのが簡便であるが、クロムを含有する鉄合金、例えば、Ｃｒをそれぞれ１６．０〜１８．０％含有するＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ４４０Ｃは、基材コストが高く、ＳＵＳ３１６Ｌに関しては材料の線膨張係数が大きい（１５．９×10-６/℃、０〜１００℃）ことからポンプ等には不向きであるという問題があることが判明した。
【００１４】
本発明によれば、内部を各種のガスが通過または滞留する処理装置において、前記各種のガスと接する部分は、鉄を含有する基材と、前記基材表面に設けられＦｅの拡散を防止することができるバリア膜と、その上に形成された少なくともイットリア（Ｙ２Ｏ３）を主成分とする表面保護膜とを有することを特徴とする処理装置が得られる。バリア膜としてはＮｉが好ましい。またＮｉバリア膜はめっきで形成するのが好ましい。
【００１５】
Niメッキ等のバリア膜を設けた基材の接ガス部の表面にイットリア（Ｙ２Ｏ３）膜、またはＣｅＯ２を酸化物換算の原子比で１％〜１０％、望ましくは２％〜４％、さらに望ましくは３％程度、含有したイットリア（Ｙ２Ｏ３）膜が表面保護膜として設けられる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来よりも腐食性ガスの侵入を抑制することができ、かつ基材中のＦｅ成分の表面保護膜への侵入を防止でき、各種のガスに対して十分な耐腐食性を備えたガス処理装置およびメカニカルポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るスクリューポンプ（メカニカルポンプ）の一例を示した断面図である。
【図２】本発明の実施例に係るメカニカルポンプ部材（試料）の構造を示す断面図である。
【図３】耐腐食性試験前の実施例に係る試料の表面から内部に向かう組成分析結果を示す図である。
【図４】本発明に係る試料すなわち構造材であるSCM440の表面に、バリア膜であるNi-Pメッキを施した表面写真と其の上にCeO2含有Y2O3膜を塗布乾燥した表面電子顕微鏡写真並びに表面凸凹のデータである。
【図５】耐腐食性試験に使用する反応管を示す概略図である。
【図６】耐腐食性試験前後の試料の表面状態を示す表面の電子顕微鏡写真と表面凸凹のデータである。
【図７】（Ａ）は、塩素ガス雰囲気下での耐腐食性試験後の試料の表面から内部に向かう組成分析結果を示す図である。（Ｂ）は、図７（Ａ）の表面部を拡大して示す表面から内部に向かっての組成分析結果を示す図である。
【図８】（ｂ１）〜（ｂ４）はスクリューポンプの各種スクリューロータの写真である。
【図９】不等リード不等傾斜角スクリューブースターポンプの排気速度曲線である。
【図１０】等リードスクリューバックポンプの排気速度曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
まず、図１を参照して、本実施形態に係る処理装置としてのスクリューブースターポンプ（メカニカルポンプ）の構造、および処理装置の接ガス部の構造について説明する。図１はスクリューブースターポンプ本体Ａの構成を断面図によって示したものである。スクリューブースターポンプ本体Ａには、複数の螺旋状の陸部と溝部を有し、互いにかみ合いながら実質的に平行な二軸の回りを回転する一対のスクリューブースターロータａ１（ａ２）が具備されている。
【００２０】
図１のスクリューロータａ１（ａ２）が図８のｂ4の等リードロータであるが、図８のb3の不等リード、図８のb1の不等リードと等リード（１乃至１２リード）、図８のb2の等リードと不等リード或いは等リードと不等リードと等リード（１乃至１２リード）の各歯筋の方程式が接線或いは接線に近い形状で繋いだスクリューも含まれる。
【００２１】
また、スクリューロータａ１（ａ２）は、ケーシングａ３内に収納され、スクリューロータａ１（ａ２）を支持するシャフトａ４は吸入側には軸受が無く、吐出側のみの軸受けによって回転可能に支持されている。
【００２２】
シャフトａ４の一端部には、タイミングギアａ６が取り付けられ、このタイミングギアａ６を介して一対のスクリューロータａ１（ａ２）が同期して回転されるように構成されている。なお、シャフトａ４の他端部にはモータＭが取り付けられる。
【００２３】
一方、前記両スクリューロータａ１（ａ２）を収納するケーシングａ３の上端部には吸入ポートａ７が形成されており、またケーシングａ３の下端部側には吐出ポートａ８が形成されており、モータＭの回転により、前記スクリューロータａ１（ａ２）が同期して回転することにより、気体を吸入ポートａ７から吸入し、吐出ポートａ８より排気するガス排気ポンプの作用がなされるように構成されている。
【００２４】
さらに、スクリューロータの回転軸方向のほぼ中央部におけるケーシングａ３の一部には、不活性ガス注入口ａ１０が穿設されており、この不活性ガス注入口ａ１０より注入されるガスは、一対のスクリューロータａ１（ａ２）に侵入し、両者の間の隙間のガスを希釈し、分子量の小さなガスの排気性能を向上させると共に生成物の発生、腐食を抑える。
【００２５】
図９は不等リード不等傾斜角スクリューブースターポンプの排気速度のグラフである。
【００２６】
排気速度は水素と窒素の差が殆んど無く、３×１０−４Torr〜３Torr 程度まで安定した排気速度を維持している。
【００２７】
図１０は不等リード不等傾斜角スクリューブースターポンプの吐出側に接続されて排気する等リードスクリューバックポンプで１〜７６０Torr程度を安定して排気することができる。
【００２８】
上記したように、スクリューブースターポンプの吐出側にスクリューバックポンプを設けた構成を採用し、スクリューブースターポンプとして、吸入側圧力と吐出側圧力の圧縮比が３００００以上のものを使用した場合、粘性流域から分子流域まで分子の大きさに関係無く水素を含め全てのガスに対して略々一定の排気速度で排気を行えると共に、
スクリューブースターポンプの圧縮比が大きいため、スクリューブースターポンプの吐出側圧力は３０Torr程度に排気することでスクリューブースターポンプの性能は維持できる。このためスクリューバックポンプの吸入側圧力は、３０Torr程度の粘性流域で排気することができるので５００L/min程度の小さな排気速度のスクリューバックポンプで排気する事ができる。これによって一般に使用されているバックポンプの50％程度の消費電力削減ができる。
【００２９】
これらの性能を維持するためポンプ部材に耐腐食性処理及び生成物の発生を抑える表面保護膜を着け、きわめて長時間に亘る安定排気を実現した。
【００３０】
ここで、スクリューブースターポンプ本体Ａのスクリューロータａ１（ａ２）、ケーシングａ３、吸入ポートａ７、吐出ポートａ８、内部等は排気ガスに接触する部材（接ガス部）において、鉄を含む基材の表面に、後述するように、バリア膜を設けると共に、バリア膜上に表面保護膜をコーティングしたものを用いた。
【００３１】
ここで、鉄（Ｆｅ）を含む基材としては、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌより線膨張係数が小さい材料、例えば、ＳＣＭ４４０、Ｓ４５Ｃ、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、ＳＰＲＯＮ、ＩＮＣＯＬＯＹ９０９等がポンプ基材材料として好ましい。換言すれば、本発明に使用される基材材料は、必ずしもＣｒを含まない材料であっても良い。また、バリア膜としては、例えば、Ｎｉ層が好ましく、特に、無電解メッキによって形成されたＮｉ層が好ましい。
【００３２】
表面保護膜の一例は、イットリア（Ｙ２Ｏ３）膜である。この表面保護膜は、例えば構成部材の表面にイットリア（Ｙ２Ｏ３）をゾルゲル、もしくはＭＯＤ（Metal Organic Decomposition 金属の有機化合物を有機溶剤に溶解した溶液）コーティング後、窒素雰囲気下で加熱しながら減圧乾燥（1Torr〜30Torr）した後、例えば酸素が１００％の雰囲気下で２５０℃乃至１０００℃の熱処理をしてイットリア（Ｙ２Ｏ３）を形成することによって得られる。（ここに記載した熱処理方法は一例であり、熱処理の仕方はこれに限定されるものではない。）このような保護膜は耐食性に優れ、触媒効果がないため、ポンプの接ガス部の部材の表面とすることで排気ガスの分解解離を抑制し、ポンプ内への生成物の堆積を抑える。即ち、前記のイットリア（Ｙ２Ｏ３）処理をメカニカルポンプ接ガス部の部材にすることによりポンプの信頼性を向上させ、ポンプの正常な動作を長期間保証することができる。
【００３３】
なお、バリア膜及びイットリア（Ｙ２Ｏ３）膜をポンプの接ガス部の部材に表面処理をしたメカニカルポンプ内部における、生成物の堆積をさらに抑制させるためには、メカニカルポンプ本体の温度を８０℃〜１５０℃程度の温度に維持することが好ましい。
【００３４】
一方、メカニカルポンプの性能を維持するためには、２５０℃以下の温度に維持するのが好ましい。したがって、メカニカルポンプ本体の温度を８０℃乃至２５０℃の範囲内に維持することが好ましく、さらに好ましくは、メカニカルポンプ本体の温度を略々１５０℃に維持するのが良い。温度が１８０℃を超えると、Y2O3膜上でB2H6等の分解解離が始まるからである。
【００３５】
接ガス部の温度を８０〜１８０℃の範囲内に維持するために、スクリューポンプは、温度制御手段を有するのが望ましい。
【００３６】
例えば、この温度制御手段としては、図示はしないが、電気ヒータと、冷却構造とを有するものが挙げられる。冷却構造は、例えばケーシングａ３に空洞部を形成し、そこに冷却用の水やオイル等の冷媒を循環させるものである。電気ヒータと冷却構造は、スクリューブースターポンプ本体Ａの所定箇所に設けられた温度センサによる監視温度に基づいて、接ガス部の温度をフィードバック制御するようなものが挙げられる。
【００３７】
なお、電気ヒータに代えて、スクリューブースターポンプの動作によって発生する気体圧縮熱や動作部材の摩擦熱などを熱源として利用するものであってもよい。
【００３８】
表面保護膜としてイットリア（Ｙ２Ｏ３）を用いる場合、セリウムを含有させるのが望ましい。より具体的には、酸化セリウム（ＣｅＯ２）を含有させる。
【００３９】
この場合、酸化セリウムの含有量は、酸化物換算の原子比で１％乃至１０％が望ましく、より望ましくは１％乃至５％、さらに望ましくは２％乃至４％である。
【００４０】
上記範囲で、酸化セリウムをイットリア（Ｙ２Ｏ３）に含有させることにより、イットリア膜中の微細なポアなどの欠陥を減少させることができ、従来のイットリア（Ｙ２Ｏ３）膜と比較して、腐食性ガスの侵入を徹底的に抑制することができる。
【００４１】
なお、表面保護膜のコーティング厚さは０．０６μｍ乃至１０μｍとするのが望ましい。これはコーティング厚さが０．０６μｍ未満の場合、貫通ポアにより下地が露出されるポイントが存在する可能性があり、１０μｍ以上の場合は、膜ストレスにより膜剥離が発生する可能性があるからである。
【００４２】
次に、基材として鉄または鉄合金が用いられるが、ここでは、基材としてＳＣＭ４４０を用いた場合について説明する。ＳＣＭ４４０は、鉄を主成分とし、Ｓｉ、Ｃ、Ｍｎ、Ｍｏを０．１５乃至０．９原子％含有し、Ｃｒを０．９〜１．２原子％、他の成分の含有量は０．０５原子％以下の材料である。尚、本発明に係る基材材料としては、Ｃｒを含まない材料、例えば、ＩＮＣＯＬＯＹ９０９も使用できる。
【００４３】
ＳＣＭ４４０によって形成された基材表面に、無電解めっきで２μｍ程度〜１５μｍ程度の厚さのＮｉ-Ｐ層がバリア膜として形成される。この無電解めっき工程は水を含む溶液を用いた工程であるので、バリア膜形成後、表面保護膜としてイットリア膜を形成する前に、例えば、窒素ガス雰囲気中で、1Torr〜30Torr程度の減圧下で、４００℃程度に加熱し脱ガスを行うのが好ましい。
【００４４】
このように、Ｎｉのバリア膜を設けることにより、後述するように、基材から表面保護膜へのＦｅの侵入を防止でき、Ｆｅの侵入による耐腐食性の低下を抑制できるのである。
【００４５】
また、基材上にＦｅ拡散を防止するバリア膜を設けることにより、基材として、ＳＵＳ３１６等のように、線膨張係数の大きな材料よりも、線膨張係数の小さい材料が使用できる。例えば、Ｆｅを含有しクロムを少量含有する材料（Ｓ４５Ｃ）、Ｆｅを含有し、クロムを含有しない材料（ＩＮＣＯＬＯＹ９０９）、或いは、Ｆｅを他の成分に比較して少量含有する材料（Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８，ＩｎｃｏｎｅｌＸ−７５０，ＳＰＲＯＮ５１０）等も基材材料として使用することが可能になる。
【００４６】
因みに、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７１８は、重量比でＦｅ18.5％、Ｃｒ18.0％、Ｎｉ54％を含む材料であり線膨張係数は（１３．１×10-６/℃、０〜９３℃）、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）Ｘ−７５０は，重量比でＦｅ7.0％、Ｃｒ15.5％、Ｎｉ73％を含む材料であり（１２．６×10-６/℃、０〜９３℃）の線膨張係数を有している。また、ＳＰＲＯＮ５１０は、重量比でＦｅ1.6％、Ｃｒ20.0％、Ｎｉ32.4％，Ｍｏ10％を含む材料であり（１２〜１３×10-６/℃、２０〜５０℃）の線膨張係数を有している。更に、ＩＮＣＯＬＯＹ９０９は、重量比でＦｅ42％、Ｎｉ38％、Ｃｏ13％、Ｎｂ4.7％を含む材料であり、８．０×10-６/℃（０〜１００℃）ともっとも小さな線膨張係数を有する材料であり、高速回転する用途には最も適する材料である。本発明のCeO2含有Y2O3膜・バリア膜を表面に設けることにより、全てのガスに対して完全な耐腐食性を有し、ガスを分解する触媒効果を全く持たないことからこうした新しい材料が存分に活用できるようになるのである。
【００４７】
このように、基材と表面保護膜との間に、バリア膜を設けることにより、基材として、必ずしもＣｒを含有せず、且つ、ＳＵＳ４４０Ｃ及びＳＵＳ３１６Ｌに比較して線膨張係数の小さい材料を使用して、メカニカルポンプを構成することができる。因みに、ＳＵＳ３１６Ｌの線膨張係数は（１５．９×10-６/℃、０〜１００℃）であるのに反し、ＳＣＭ４４０の線膨張係数は（１１．２×10-６/℃、２０〜１００℃）である。更に、Ｓ４５Ｃ、ＩＮＣＯＬＯＹ９０９、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８，ＩｎｃｏｎｅｌＸ−７５０，ＳＰＲＯＮ５１０の線膨張係数は、前述したように、ＳＵＳ３１６Ｌの線膨張係数（１５．９×10-６/℃、０〜１００℃）以下である。
【００４８】
以上の説明で明らかなように、本発明は、半導体製造装置、大型薄型ディスプレイ製造装置、太陽電池製造装置の処理工程（プラズマエッチング、減圧気相成長等）に用いられる処理装置、あるいはこれらの処理装置に適用できる。具体的には、本発明は、処理装置に含まれるメカニカルポンプの処理ガスや排気ガスの接ガス部を、鉄を含有する基材上にＮｉバリア膜を設け、その上にイットリア（Ｙ２Ｏ３）表面処理を行い、150℃程度の温度に維持することにより反応生成物の付着・堆積を抑制し、接ガス部が耐食性に優れ、触媒効果のない処理装置を構成できるのである。また、基材として、ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ３１６Ｌよりも線膨張係数が小さく、安価な材料を使用できるため、メカニカルポンプを安価に構成できる。
【００４９】
更に、メカニカルポンプ内部は耐腐食性があり、触媒効果が無く、また、メカニカルポンプ本体をある程度の温度に昇温することにより、さらに反応生成物の堆積を抑えるためメカニカルポンプの正常な動作を長期間保証することができる。また前記メカニカルポンプを接続した半導体製造装置、大型薄型ディスプレイ製造装置、太陽電池製造装置は長時間安定した性能を維持するため、前記各装置の長時間に亘る安定稼動が可能となるのである。
【実施例】
【００５０】
以下、実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。
【００５１】
＜試料の作製＞
まず、以下に示す手順に従って試料を作製した。
【００５２】
（実施例１）
図２を参照して、本発明の実施例に係るメカニカルポンプ部材の製造方法を説明する。まず、平面寸法が６ｍｍ×６ｍｍ×２０ｍｍのＳＣＭ４４０からなる直方体の基材２１を用意し、当該基材２１を表面研磨した。次に、表面研磨された基材２１全面に、バリア膜２２を形成した。実施例１では、Ｎｉを含む次亜燐酸水溶液に、基材２１を浸して、加熱することにより、無電解ニッケルリンメッキを行い、厚さ２μｍ程度〜１５μｍ程度のＮｉ層を形成し、当該Ｎｉ層をバリア膜２２とした。
【００５３】
無電解メッキによって形成されたＮｉ層は、水分を含んでいるため、N2をキャリアガスとして４００℃程度の温度で5Torr程度の減圧下で、４．５時間脱ガス処理を行った。
【００５４】
脱ガス処理を行った後に、バリア膜２２の表面にＹ２Ｏ３にＣｅＯ２を３％程度含有させた表面保護膜２３を形成した。
【００５５】
具体的には、まず、表面にバリア膜２２を形成した基材２１にＹ２Ｏ３＋３％ＣｅＯ２用コート材を塗布し、１５００ｒｐｍで６０秒間回転させた。
【００５６】
その後、焼成装置を用いて、１００％Ｎ２ガスを１Ｌ／ｍｉｎの流量で流しながら圧力５Ｔｏｒｒ（６．６７×１０２Ｐａ）程度の減圧下で４００℃まで５℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、４００℃に達した後、その状態で８時間保持して脱ガスを行った。
【００５７】
脱ガス終了後、常圧、４００℃、１００％Ｏ２ガス雰囲気下で１Ｌ／ｍｉｎの流量でＯ２を流しながら１時間保持して酸化焼成を行い、Ｙ２Ｏ３にＣｅＯ２を３％含有させた表面保護膜２３を得た。なお、塗布／焼成は２回繰り返し、膜厚が略々１００ｎｍ（０．１μｍ）となるようにした。
【００５８】
このようにして得られた表面保護膜２３のセリウム含有量は、酸化物換算の原子比で１％〜１０％が好ましく、より好ましくは、酸化物換算の原子比で１〜５％であり、より好ましくは、酸化物換算の原子比で２〜４％である。
【００５９】
以上の手順により、基材２１上に、バリア膜２２及び表面保護膜２３を形成したポンプ部材の試料を作製した。
【００６０】
＜組成分析＞
次に、実施例に係るポンプ部材の試料の深さ方向の組成分析を行った。分析には日本電子株式会社（ＪＥＯＬ）製の光電子分光装置（ＸＰＳ、X-ray Photoelectron Spectroscopy）であるJPS-9010-MXを用い、表面から深さ３５０ｎｍまでの組成を分析した。
【００６１】
結果を図３に示す。尚、図３の横軸は、ＳｉＯ２の膜厚に換算した場合における表面からの深さであり、縦軸は元素の組成比（原子比）である。
【００６２】
図３に示すように、実施例に係る試料では、略々１００ｎｍの膜厚の表面保護膜２３の下に、表面保護膜２３を形成するＹ２Ｏ３＋３％ＣｅＯ２と、バリア膜２２を形成するＮｉとを含む中間層（界面）が１１０ｎｍ〜２３０ｎｍの厚さに亘って生成されていた。図３からも明らかな通り、３５０ｎｍの深さから表面まで、Ｆｅは検出されず、Ｎｉのバリア膜２２を設けることにより、基材に含まれるＦｅの表面保護膜２３への侵入は完全に抑制されていることが分る。他方、Ｎｉは深さ１１０ｎｍから検出されると共に、無電解メッキの際に用いられた次亜リン酸に起因するＰが深さ１５０ｎｍから検出された。
【００６３】
また、表面保護膜２３に起因する酸素（Ｏ）が表面から２３０ｎｍの深さまで検出され、他方、Ｙが表面から２３０ｎｍの深さまで検出された。ＯとＹが２３０ｎｍの深さまで検出されるのは基材表面粗さの影響によるものである。また、微量のＣｅが１００ｎｍの深さまで検出された。
【００６４】
＜表面状態＞
基材２１を形成するＳＣＭ４４０に、脱ガスしたＮｉ層によって形成されたバリア膜２２の表面状態と、バリア膜２２上に表面保護膜２３として形成されたＹ２Ｏ３＋３％ＣｅＯ２の表面を観測した。図４は、倍率×１００００倍と×１０００００倍における表面状態とＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により測定した□１μｍエリアの平均表面粗さＲａ、Peak to valley値ＰＶと共に示されている。
【００６５】
Ｎｉ層によって形成されたバリア膜２２の表面粗さは、Ｒａで０．５４ｎｍで、ＰＶで６．４ｎｍである。他方、表面保護膜２３の表面粗さは、Ｒａで０．３１ｎｍ、ＰＶで３．２ｎｍであった。このことからも明らかな通り、表面保護膜２３の表面がＮｉのバリア膜２２の表面よりも平坦であった。また、表面保護膜２３には膜剥離、ポアなどは見受けられなかった。
【００６６】
＜耐腐食性試験＞
次に、実施例で作製された試料を腐食雰囲気下に置いて、耐腐食性を評価した。具体的な手順は以下の通りである。
【００６７】
まず、試料を図５に示すように、直径１／２インチ、長さ３０ｃｍの表面がＡｌ2Ｏ3処理されているＡｌ−ＳＵＳ製の反応管内部に配置した。
【００６８】
次に、Ｎ２を１Ｌ／ｍｉｎで反応管内に流しながら昇温速度５℃／ｍｉｎで温度２００度まで上昇させ、この状態で１時間保持した（この過程で試料や反応管内表面に付着していた水分はほぼ完全に除去されている）。続いて、ガスをCl2に切り替え、圧力３ｋｇｆ／ｃｍ２（２．９×１０５Ｐａ）となるようにして、この状態で２４時間保持した。
【００６９】
その後、試料を取り出して、試験前と同じ条件で表面粗さの測定、表面観察、組成分析を行った。
【００７０】
表面観察結果を図６に、試験後の組成分析結果を図７に示す。図６では、段差計により測定長５ｍｍで測定した表面粗さが示されている。表面粗さ測定をAFM でなく、段差計により測定したのは、Cl2ガス封止により表面凸凹が大きくなり、AFM における表面粗さ測定の限界を超えるためである。図６に示すように、Cl2に曝される前の試料（試験前の試料）は、２１９．５ｎｍのＲａ、１７８１ｎｍのＰＶを有していた。尚、図６の段差計により測定した表面粗さの値が、図４のAFM により測定した表面粗さの値よりも格段に大きくなっているのは、AFM により測定した表面粗さは□１μｍエリアの微視的な表面粗さを測定したのに対し、段差計により測定長５ｍｍで測定した表面粗さは、測定領域が長く、基材自体の表面凸凹の影響を含むためである。
【００７１】
一方、Ｃｌ２に曝された後の試料（試験後の試料）は、２７７．２ｎｍのＲａ、２２４５ｎｍのＰＶを有し、×１００００の観測において部分的な反応が観測されたが、膜剥離等は観測されなかった。また試験後の試料に見られる部分的な反応ポイントの影響により表面粗さが若干増加していた。
【００７２】
図７（Ａ）を参照すると、表面保護膜の表面から３５０ｎｍの深さまでの組成分析結果が示されており、図３に示された組成分析結果に、Ｃｌの分析結果が加えられていることが分る。図７（Ａ）から、ＣｌはＹ２Ｏ３＋３％ＣｅＯ２表面保護膜の表面で留まっており、Ｎｉ層には検出されていないのが明らかである。
【００７３】
図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の表面部における組成分析結果のうち、表面から深さ５０ｎｍまでの範囲を拡大して示す図であり、Ｃｌは１２ｎｍの深さに留まっていることが分る。因みに、Ｎｉメッキのみの場合、Ｃｌは２０ｎｍの深さまで侵入することが判明した。
【００７４】
図６から明らかなように、実施例（ＳＣＭ４４０＋バリア膜＋表面保護膜）では表面が部分腐食にとどまっており、Ｃｌの侵入量も１２ｎｍと、表面保護膜内部にとどまり、基材まで侵入していないことが分かった。
【００７５】
以上の結果より、基材として、線膨張係数の小さい鉄系材料を用い、基材表面に、Ｎｉからなるバリア膜及びＹ２Ｏ３＋３％ＣｅＯ２表面保護膜を形成することにより、表面保護膜中へのＦｅの侵入を阻止できると共に、Ｃｌガス等に対する耐腐食性を改善できることが分かった。図７の結果は、圧力３Kg/cm2、２００℃で２４時間の結果である。
【００７６】
実際には１５０℃程度でガス圧は高くても３０Torr程度であるから十分な耐腐食性が得られるのである。
【００７７】
尚、ここでは、バリア膜２２の膜厚が１５μｍの場合についてのみ説明したが、基材からのＦｅの侵入及びＣｌの表面保護膜からの侵入を防止するためには、バリア膜２２は０．５μｍ程度以上あれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
上記した実施形態では本発明をスクリューブースターポンプに適用した場合について説明したが、本発明は特にこれに限定されることはなく、例えばル−ツポンプ等のメカニカルポンプにも適用することができるし、減圧中で有毒ガスまたは腐食性ガス等を使用する半導体製造装置、大型薄型ディスプレイ製造装置、太陽電池製造装置における処理工程（プラズマエッチング、減圧気相成長）の装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００７９】
Ａ スクリューポンプ本体
ａ１、ａ２ スクリューロータ
ａ３ ケーシング
ａ４ シャフト
ａ６ タイミングギア
ａ７ 吸入ポート
ａ８ 吐出ポート
ａ１０ 不活性ガス注入口
Ｍ モータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部をガスが通過または滞留する処理装置において、前記ガスと接する部分は鉄を含有する基材と、前記基材表面に設けられたＦｅの拡散を防止するバリア膜と、前記バリア膜上に形成された少なくともイットリア（Ｙ２Ｏ３）を主成分とする表面保護膜とを有することを特徴とする処理装置。
【請求項２】
前記バリア膜がニッケル（Ｎｉ）を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の処理装置。
【請求項３】
前記バリア膜が無電解めっきで形成されたニッケル（Ｎｉ）からなることを特徴とする請求項１に記載の処理装置。
【請求項４】
前記バリア膜はリン（Ｐ）、リン及びタングステン（Ｐ−Ｗ）、もしくはボロン（Ｂ）を含有することを特徴とする請求項２乃至３のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項５】
前記イットリアからなる表面保護膜は酸化セリウムを含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項６】
前記イットリアからなる表面保護膜の酸化セリウム含有量は、酸化物換算の原子比で１％〜１０％であることを特徴とする請求項５に記載の処理装置。
【請求項７】
前記イットリアからなる表面保護膜の酸化セリウム含有量は、酸化物換算の原子比で１〜５％であることを特徴とする請求項５に記載の処理装置。
【請求項８】
前記イットリアからなる表面保護膜の酸化セリウム含有量は、酸化物換算の原子比で２〜４％であることを特徴とする請求項５に記載の処理装置。
【請求項９】
前記イットリアからなる表面保護膜の厚さは０．０６μｍ乃至１０μｍで行うことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１０】
前記処理装置は、ロータを収納したケーシングに気体の吸入ポートと吐出ポートを形成したメカニカルポンプであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１１】
前記処理装置は、ロータを収納したケーシングに気体の吸入ポートと吐出ポートを形成したメカニカルポンプであって、メカニカルポンプ本体の温度を８０℃乃至１８０℃の範囲内に維持する温度制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１２】
前記処理装置は、ロータを収納したケーシングに気体の吸入ポートと吐出ポートを形成したメカニカルポンプであって、該メカニカルポンプのロータは2軸で互いに噛合う不等リード不等傾斜角スクリューでスクリューの歯溝に閉じ込めた吸入ガスを圧縮移送排気の動作をする形状で、スクリュー内部に軸受及びモータ内蔵或いは一部が内蔵され、またモータはいずれか一方の１軸のみ或いは２軸にそれぞれに取り付け、回転異常時にロータとロータの接触防止用タイミングギアが備えたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１３】
前記処理装置は、メカニカルポンプと、該メカニカルポンプによってガスが排出される処理室と、前記処理室とメカニカルポンプとの間に設けられた配管とを有し、前記処理室、前記メカニカルポンプ、および前記配管の接ガス部に、前記表面保護膜を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１４】
前記処理装置は、粘性流域から分子流域まで分子の大きさに関係無く水素を含め全てのガスに対して略一定の排気速度を持ち、吸入側圧力と吐出側圧力の圧縮比が３００００以上のスクリューブースターポンプとスクリューブースターポンプの圧縮比が大きいため吐出側を粘性流域で排気するスクリューバックポンプの組み合わせを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１５】
前記処理装置は、半導体製造装置、薄型ディスプレイ製造装置、および太陽電池製造装置の少なくとも一部であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１６】
鉄を含有する基材と、前記基材表面に設けられたＦｅの拡散を防止するバリア膜と、
前記バリア膜上に形成された少なくともイットリア（Ｙ２Ｏ３）を主成分とする表面保護膜とを有するポンプ部材を特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１７】
前記記載の鉄を含有する基材は線膨張係数が小さいSCM440 或いはINCOLOY909 であることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１】
内部をガスが通過または滞留する処理装置において、前記ガスと接する部分は鉄を含有する基材と、前記基材表面に設けられたＦｅの拡散を防止するバリア膜と、前記バリア膜上に形成された少なくともイットリア（Ｙ２Ｏ３）を主成分とする表面保護膜とを有することを特徴とする処理装置。
【請求項２】
前記バリア膜がニッケル（Ｎｉ）を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の処理装置。
【請求項３】
前記バリア膜が無電解めっきで形成されたニッケル（Ｎｉ）からなることを特徴とする請求項１に記載の処理装置。
【請求項４】
前記バリア膜はリン（Ｐ）、リン及びタングステン（Ｐ−Ｗ）、もしくはボロン（Ｂ）を含有することを特徴とする請求項２乃至３のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項５】
前記イットリアからなる表面保護膜は酸化セリウムを含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項６】
前記イットリアからなる表面保護膜の酸化セリウム含有量は、酸化物換算の原子比で１％〜１０％であることを特徴とする請求項５に記載の処理装置。
【請求項７】
前記イットリアからなる表面保護膜の酸化セリウム含有量は、酸化物換算の原子比で１〜５％であることを特徴とする請求項５に記載の処理装置。
【請求項８】
前記イットリアからなる表面保護膜の酸化セリウム含有量は、酸化物換算の原子比で２〜４％であることを特徴とする請求項５に記載の処理装置。
【請求項９】
前記イットリアからなる表面保護膜の厚さは０．０６μｍ乃至１０μｍで行うことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１０】
前記処理装置は、ロータを収納したケーシングに気体の吸入ポートと吐出ポートを形成したメカニカルポンプであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１１】
前記処理装置は、ロータを収納したケーシングに気体の吸入ポートと吐出ポートを形成したメカニカルポンプであって、メカニカルポンプ本体の温度を８０℃乃至１８０℃の範囲内に維持する温度制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１２】
前記処理装置は、ロータを収納したケーシングに気体の吸入ポートと吐出ポートを形成したメカニカルポンプであって、該メカニカルポンプのロータは2軸で互いに噛合う不等リード不等傾斜角スクリューでスクリューの歯溝に閉じ込めた吸入ガスを圧縮移送排気の動作をする形状で、スクリュー内部に軸受及びモータ内蔵或いは一部が内蔵され、またモータはいずれか一方の１軸のみ或いは２軸にそれぞれに取り付け、回転異常時にロータとロータの接触防止用タイミングギアが備えたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１３】
前記処理装置は、メカニカルポンプと、該メカニカルポンプによってガスが排出される処理室と、前記処理室とメカニカルポンプとの間に設けられた配管とを有し、前記処理室、前記メカニカルポンプ、および前記配管の接ガス部に、前記表面保護膜を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１４】
前記処理装置は、粘性流域から分子流域まで分子の大きさに関係無く水素を含め全てのガスに対して略一定の排気速度を持ち、吸入側圧力と吐出側圧力の圧縮比が３００００以上のスクリューブースターポンプとスクリューブースターポンプの圧縮比が大きいため吐出側を粘性流域で排気するスクリューバックポンプの組み合わせを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１５】
前記処理装置は、半導体製造装置、薄型ディスプレイ製造装置、および太陽電池製造装置の少なくとも一部であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１６】
鉄を含有する基材と、前記基材表面に設けられたＦｅの拡散を防止するバリア膜と、
前記バリア膜上に形成された少なくともイットリア（Ｙ２Ｏ３）を主成分とする表面保護膜とを有するポンプ部材を特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１７】
前記記載の鉄を含有する基材は線膨張係数が小さいSCM440 或いはINCOLOY909 であることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の処理装置。
【図１】
【図２】
【図５】
【図９】
【図１０】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図５】
【図９】
【図１０】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１１７３６９（Ｐ２０１２−１１７３６９Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６３７２５（Ｐ２０１０−２６３７２５）
【出願日】平成２２年１１月２６日（２０１０．１１．２６）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（３９１００５８２４）株式会社日本セラテック (200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２６日（２０１０．１１．２６）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（３９１００５８２４）株式会社日本セラテック (200)
【Ｆターム（参考）】
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