JPH07314157A - 金属管の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低い温度において、短時間で簡単に効率よく
平滑な接合面を形成することが可能であり、半導体チッ
プ製造装置等に用いる配管部材の作製に有用な、金属管
と金属管または配管部品との接合方法を提供する。 【構成】 金属管と金属管または配管部品とを接合する
に際して、金属管材料および配管部品材料よりも低い融
点を有するインサート材を接合面の間に挿入して接合面
に加圧力を加えて圧接し、かつ、金属管および配管部品
の内圧を不活性ガスを用いて雰囲気圧力以上に保持しつ
つ、該インサート材が挿入された接合部を該インサート
材の融点よりも高く、金属管材料および配管部品材料の
融点よりも低い温度に加熱して該インサート材を溶融さ
せ、拡散接合させることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体チップ製造装置
用の配管材料の作製に適した金属管と金属管または配管
部品との接合方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、記憶容量増大の要求に伴い、高集
積度化された半導体チップの作製が行われ、さらにその
集積度を高めることが求められている。これら高集積度
化のためには半導体チップの素子の細線化加工技術が必
要となる。微細線を加工するには、チップ上のパターン
の焼き付け工程と共に、その後のエッチング工程が極め
て重要である。エッチング工程は、ウエット法とドライ
法に大別されるが、現在ではドライ法が主流となってい
る。このドライ法においては、その後の薄膜形成／拡散
工程も含め、反応性をよくするために、各種のガスが使
用されているが、特に腐蝕性の大きいハロゲン系ガスが
多用されている。これら腐蝕性ガスは、半導体チップ製
造装置にガス供給系配管によって供給されるが、特に水
分と反応して、部品の腐蝕、パーティクル発生の原因と
なり、それにより半導体チップ製品は不良品となってし
まう。ところで、半導体チップの品質を確保するには、
これらの腐蝕性ガスを配管内で汚染させないことが必要
である。したがって、高純度の原料ガス、高純水、薬液
などから、あらかじめ不要成分や不純物を完全に除去す
るための高清浄化プロセスが不可欠となる。高清浄化プ
ロセスにおいて、高純度の原料ガス等の内部流体の高純
度化とこれらを供給する管、継手などの配管材料自身の
清浄化と内表面の平滑化が要求される。

【０００３】従来、半導体チップ製造装置のガス供給系
配管或いは高清浄化プロセスの配管には、ステンレス鋼
を素材としたパイプ、バルブ、継手等の部品を溶接によ
って接合したパイプラインが使用されているが、パイプ
等の接合のためには突合わせ溶接法（ＴＩＧ溶接）が使
用されている。ＴＩＧ溶接を実施するにあたり、以下の
点が特に重要である。１．外部にリークがないこと、
２．パーティクルの発生がないこと、すなわち、流体供
給時に含まれる様々なゴミ（空気中に浮遊している塵
や、人体或いは衣服から発生する異物、化粧パウダー、
繊維等）の外、配管内面より発生する各種非金属介在物
や金属片の発生がないこと、３．デッドゾーンがないこ
と、すなわち、ＴＩＧ溶接した場合、溶接部の内面に裏
波ビードが形成されるが、この形成が不十分ないしは過
多になり、接合部が谷状または山状になって流体のスム
ースな流れが妨げられる領域がないこと等が要求され
る。これらの要求が満たされない場合には、例えば、パ
ーティクルが発生すると、流体に混入し、半導体チップ
の機能の低下、故障の原因になり、歩留まりの悪化を招
く。また、デッドゾーンが発生すると、その部分に流体
が滞留し、清浄化の妨げとなるばかりでなく、滞留物の
影響により腐蝕の原因になる。

【０００４】これらの要求を満足させるためには、溶接
面を平滑にすると共に、溶接時にパイプ内面に発生する
裏波ビードの幅および高さを極力小さく管理できる溶接
技術が必須となるが、ＴＩＧ溶接法は、これらの要求を
ある程度満足させるために、従来から一般的に採用され
ている。図２は、ＴＩＧ溶接法を説明するための説明図
である。被接合材であるパイプ９および１０の接合部
が、タングステン電極１４の頂点の延長線上にくるよう
に位置合わせを行い、クランプ１１および１２で固定す
る。次に、バックシールドガスノズル１６よりアルゴン
ガスをパイプ内に流入させ、シールキャップ１７にてパ
イプ内のガス圧力を調整して、接合のセッティングを終
えた後、電源をオンにすると、電極ローター１３が回転
を開始すると同時に、シールドガスノズル１５より接合
面に向けアルゴンガスが放出され、タングステン電極よ
り放出されるアークの熱により母材を溶融し、溶接が行
われる。この際の電流値、ローターの回転数は、コント
ローラーによりあらかじめ設定の上、自動制御されるよ
うに構成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＴＩＧ
溶接法には、以下に示す問題点があることが指摘されて
いる。（１）溶接作業開始前に、マスターサンプルの作
製、テストピースの作製、マスターサンプルとの比較、
溶接条件の確定と設定、等の溶接条件設定のための事前
作業に膨大な手間がかかり、作業能率が低下すること、
（２）溶接の施工、条件の設定には熟練した作業者が必
要であること、（３）溶接条件の設定には、施工日の気
温、温度等の外的要因により、しばしば変更する必要が
生じ、施工回数が限られること、（４）溶接機が熱を持
つことにより溶接条件が変化するため、交換のために複
数の溶接機を必要とすること、（５）母材がマンガンを
含む場合、マンガンヒュームの発生、付着により溶接部
周辺の耐蝕性が劣化し、腐蝕によりパーティクルが発生
すること、（６）母材の硫黄成分の含有量の相違からく
る溶接部の湯流れの変化による溶接条件の変更が度々発
生すること、等の問題点を有している。さらにまた、溶
接面の平滑性の点でも未だ十分なものではなく、裏波ビ
ードの幅および高さを一層小さくすることが要求されて
いる。

【０００６】本発明は、従来の技術における上記のよう
な問題点を解決することを目的としてなされたものであ
る。すなわち、本発明の目的は、ＴＩＧ溶接法における
上記の問題点がなく、半導体チップ製造装置用の配管材
料の作製に適した金属管と金属管または配管部品との接
合方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、鋭意検討
の結果、ＴＩＧ溶接法と異なり、母材を溶融せず、極め
て薄いインサート材のみを溶融させ、併せて接合すべき
管内に、不活性ガスを導入して内圧を制御することによ
り、インサート材の溶融に伴う裏波ビードの形状を狭
く、かつ、低くコントロールでき、溶接部の平滑化が可
能であると共に、デッドスペースの発生が防止できるこ
とを見出だし、本発明を完成するに至った。すなわち、
本発明は、金属管と金属管または配管部品との接合方法
に関するものであって、金属管と金属管または配管部品
とを接合するに際して、金属管材料および配管部品材料
よりも低い融点を有するインサート材を接合面の間に挿
入して接合面に加圧力を加えて圧接し、かつ、金属管お
よび配管部品の内圧を不活性ガスを用いて雰囲気圧力以
上に保持しつつ、該インサート材が挿入された接合部を
該インサート材の融点よりも高く、金属管材料および配
管部品材料の融点よりも低い温度に加熱して該インサー
ト材を溶融させ、拡散接合させることを特徴とする。

【０００８】次に、本発明について詳細に説明する。本
発明においては、接合される金属管と金属管、または金
属管と継手等の配管部品は、半導体チップ製造装置にお
けるガス供給系配管に使用されるものであって、ステン
レス鋼等何如なる材質より作製されたものでもよいが、
ＣｒおよびＮｉを主成分とする鉄合金を採用するのが好
ましい。また、そのサイズは、長さ７ｍ以下、外径１／
８〜１インチ、肉厚０．７〜１．７ｍｍの範囲にあるも
のが好適に溶接される。これらの被接合材の接合面の間
に、インサート材の薄膜を挿入する。インサート材とし
ては、金属管材料および配管部品材料よりも低い融点を
有するアモルファス金属材料から構成されるものが使用
されるが、具体的には、ニッケル基合金等が好ましく使
用される。また、インサート材の膜厚は、２０〜５０μ
ｍの範囲が好ましい。また、インサート剤の片面または
両面には接着剤を塗布してもよい。それにより、溶接に
先だって被接合材の接合面にインサート材を貼り付ける
ことができ、位置合わせ作業が容易になる。上記の被接
合材の溶接面の間に、インサート材の薄膜を挿入した
後、接合面に加圧力を加えて圧接する。加圧力は、一般
に０．５ＭＰａ〜１０ＭＰａ、好ましくは３ＭＰａ〜１
０ＭＰａの範囲が好ましい。加圧力が０．５ＭＰａより
も低くなると、被接合材の溶接面とインサート材との接
触が十分でなくなり、また１０ＭＰａよりも高くなる
と、接合部の被接合材が座屈し変形する。

【０００９】本発明においては、加熱による溶接に際し
て、さらに、圧接された金属管と金属管、または金属管
と配管部品の内部に、または内部および外部に、不活性
ガス、例えば、アルゴンガス、窒素ガス等を導入して、
内圧を雰囲気圧力以上に保持することが必要である。不
活性ガスを導入して内圧を高めることにより、溶融した
インサート材が酸化されるのが防止でき、また、裏波ビ
ードを小さく制御することができる。次いで、インサー
ト材が挿入された接合部を、該インサート材の融点より
も高く、金属管材料および配管部品材料の融点よりも低
い温度に加熱して該インサート材を溶融させ、拡散接合
させる。加熱は、接合時の熱影響部が１ｍｍ以下である
ように行うことが好ましく、また、加熱手段としては、
レーザー加熱、高周波加熱等が採用できるが、接合部を
取り囲むように配置された高周波誘導加熱コイルを用い
て行うのが好ましい。また、その際、接合部表面をアル
ゴン等の不活性ガスで保護しつつ加熱するのが好まし
い。上記のようにして溶接された接合部は、極めて平滑
であって、インサート材が金属管に拡散して金属組織的
に検知できない状態になっている。

【００１０】

【実施例】次に本発明の実施例を図面を参酌して説明す
る。図１は、本発明の接合方法を説明するための説明図
である。パイプ９とパイプ１０との間に、インサート材
６を挾み、クランプ２および３に固定すると同時に、加
圧装置７によって接合面に加圧力を加える。その後、シ
ールドガスノズル５およびパージガスノズル８のガスノ
ズルより、酸化防止とパイプの内圧コントロールを兼ね
たアルゴンガスを流入し、高周波誘導加熱コイル４にて
接合部をパイプの融点より低く、かつインサート材６の
融点より高い温度に加熱し、接合する。この温度は、放
射温度計１によって計測され、図示していない自動制御
装置により制御されるようになっている。

【００１１】次に、上記図１の溶接方法によって溶接を
行った場合の具体例を示す。被接合材として、外径１／
４インチ、肉厚１ｍｍ、長さ１００ｍｍのＳＵＳ３１６
Ｌパイプ（Ｃ：０．００７、Ｓｉ：０．２２、Ｍｎ：
０．２６、Ｐ：０．０２０、Ｓ：０．００２、Ｎｉ：１
４．６２、Ｃｒ：１６．８１、残部Ｆｅ）を用いた。ま
た、インサート材として、厚さ４０μｍのＮｉ基合金
（Ｓｉ：４．５％、Ｂ：３％、残部：Ｎｉ）を使用し
た。接合条件として、次の条件を採用した。接合温度：
１２００℃、保持時間：６０ｓｅｃ、加圧力：３．９Ｍ
Ｐａ、シールドガス：（外側）Ａｒ ３０Ｌ／ｍｉｎ，
（内側）Ａｒ １５Ｌ／ｍｉｎ。

【００１２】比較例として、上記の被接合材について、
図２に示すＴＩＧ溶接法によって接合を行った。接合条
件は次の通りであった。アークガス：７％ Ｈ₂ ／Ａｒ
１５Ｌ／ｍｉｎ、バックシールガス：１００％Ａｒ
５Ｌ／ｍｉｎ、電極回転速度：７．５ｒｐｍ、前パー
ジ：２０ｓｅｃ、後パージ：２０ｓｅｃ、電圧：１５
Ｖ、電流：１４Ａ。

【００１３】（溶接後の溶接部の品質測定方法および評
価結果）接合後のパイプの片方の端にパーティクルカウ
ンターを取り付け、もう一方のパイプの端より高純度ア
ルゴンガスを、１５Ｌ／ｍｉｎで連続２４時間供給し、
パーティクルの発生状況を判定した。本発明の接合方法
による接合と従来のＴＩＧ溶接法による接合の品質評価
結果を表１に示す。

【００１４】

【表１】

【００１５】上記表１の結果から、従来のＴＩＧ溶接法
による金属管の接合の場合は、裏波ビード幅および高さ
が本発明の場合に比して大きく、しかもバラツキがあ
り、また、パーティクル発生もしばしば認められること
が分かる。これに対して、本発明の接合方法は、溶接を
短時間で実施することができると共に、裏波ビード幅お
よび高さが小さく、しかもバラツキがなく、また、パー
ティクルの発生もない。

【００１６】

【発明の効果】本発明は、上記の構成を有するから、低
い温度において、短時間で簡単に効率よく接合を行うこ
とができ、そして溶接された接合部は、極めて平滑であ
って、インサート材が金属管に拡散して金属組織的に検
知できない状態になっており、半導体チップ製造装置等
に用いる配管部材の作製に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の接合方法を説明するための説明図で
ある。

【図２】 ＴＩＧ溶接法を説明するための説明図であ
る。

【符号の説明】

１…放射温度計、２，３…クランプ、４…高周波誘導加
熱コイル、５…シールドガスノズル、６…インサート
材、７…加圧装置、８…パージガスノズル、９，１０…
パイプ、１１，１２…クランプ、１３…電極ローター、
１４…タングステン電極、１５…シールドガスノズル、
１６…バックシールドガスノズル、１７…シールキャッ
プ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属管と金属管または配管部品とを接合
   するに際して、金属管材料および配管部品材料よりも低
   い融点を有するインサート材を接合面の間に挿入して接
   合面に加圧力を加えて圧接し、かつ、金属管および配管
   部品の内圧を不活性ガスを用いて雰囲気圧力以上に保持
   しつつ、該インサート材が挿入された接合部を該インサ
   ート材の融点よりも高く、金属管材料および配管部品材
   料の融点よりも低い温度に加熱して該インサート材を溶
   融させ、拡散接合させることを特徴とする金属管と金属
   管または配管部品との接合方法。
2. 【請求項２】 接合部を取り囲むように配置された高周
   波誘導加熱コイルを用いて接合部を加熱することを特徴
   とする請求項１記載の金属管と金属管または配管部品と
   の接合方法。
3. 【請求項３】 接合部表面を不活性ガスで保護しつつ加
   熱することを特徴とする請求項１記載の金属管と金属管
   または配管部品との接合方法。