JPH01308938A - 金属材中のガス分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、アルミニウム、銅、鉄、マグネシウム等か
らなる金属材中の極微量のガスを分析する装置に関する
。

この明細書において、「アルミニウム」、「銅」、「鉄
」、「マグネシウム」という語は、それぞれ純金属の他
に各合金を含むものとする。

従来技術とその問題点 たとえばアルミニウム材は、内部ガスおよび表面に吸着
したガスを含んでいるとともに、その表面にはアルミニ
ウムと反応してガスを発生する水等の物質が吸着せしめ
られている。これらのガスは、主にＨ２ガスであり、そ
の他にきわめて少量のＣＯガス、Ｃｏ２ガス、Ｈ２０ガ
スなどが存在する。アルミニウム材の用途によっては、
上記ガスはきわめて有害となるためこれらの量を微量に
する必要があり、表面に吸着したガスおよび表面に吸着
した物質とアルミニウムとの反応により生じるガス（以
下両者を総称して表面ガスという）についてはその成果
はある程度上っている。ところが、内部ガスについては
未だに十分な研究がなされていないのが実情である。

アルミニウム材の内部ガス量、とくにＨ２ガス量が多い
と次のような問題がある。すなわち、アルミニウム材を
真空用アルミニウム材、たとえばシンクロトロンなどの
加速器に使用される粒子加速用バイブ（ビームライン）
に使用した場合、バイブの内９部にビームを走らせると
大量のガスが放出され、バイブ内部の圧力が非常に高く
なるという問題がある。これはビームから放たれるシン
クロトロン放射光がノくイブ内面に入射し、アルミニウ
ム材の内部ガスをたたき出す結果である。また、アルミ
ニウム材を、蒸着基板に使用する場合には、基板表面に
Ｓ’ｅ、ａ−３ｉ等を蒸着するさいに「ふくれ」という
現象が起こるが、これも内部ガスの放出の影響によるも
のだということがわかっている。さらに、圧延時に生じ
る「割れ」、「ふくれ」、「皮きず」等の表面欠陥も、
アルミニウム材の内部ガスの影響によるものだというこ
とがわかっている。したがって、内部ガス量のきわめて
微量なアルミニウム材の開発が要望されているが、内部
ガスの微量なアルミニウム材を開発するにあたっては、
正確に内部ガスを分析することが必要である。

そこで、金属材に表面ガス除去処理を施した後、この金
属材を高真空中で加熱溶融させて内部ガスを抽出し、定
量する方法が考えられている。

しかしながら、表面ガス除去処理を施すことにより除去
した表面ガスが、再び金属材の表面に吸着することは不
可避であり、再吸着物質によるガス分析精度の低下も避
は得ない。

この発明の目的は、上記問題を解決した金属材中のガス
分析装置を提供することにある。

問題点を解決するための手段 この発明による金属材中のガス分析装置は、表面ガス除
去処理室を備えており、表面ガス除去処理室に水素吸蔵
合金を内蔵したゲッタポンプが設けられているものであ
る。

作　　　用 この発明の金属材中のガス分析装置によれば、金属材の
表面から除去された表面ガスの大部分を占めるＨ２は、
ゲッタポンプ内の水素吸蔵合金の内部に吸蔵されるとと
もに、表面に吸着され、ＣＯは水素吸蔵合金の表面に吸
着される。

実　　施　　例 以下、この発明の実施例を図面を参照しながら説明する
。

この発明の装置の原理を示す第１図および第２図におい
て、極微量のガスを分析する装置は、真空チャンバ（１
）（表面ガス除去処理室）と、真空チャンバ（１）内の
上部で金属材からなる試Ｅｌ（Ｓ）を保持する２つのマ
ニピュレータ（２）と、真空チャンバ（１）の後側に、
先端がチャンバ（１）内におけるマニピュレータ（２）
に保持された試料（Ｓ）を向くように取付けられたイオ
ンビームエツチング用のイオン銃（３）とを備えている
。

真空チャンバ（１）の内部には、載置台（４）上に載せ
られた試料溶融用アルミナ製るつぼ（５）と、るつぼ（
５）の周囲に巻回されたヒータ（６）とが設けられてい
る。ヒータ（６）の両端は、それぞれ真空チャンバ（１
）の底壁に設けられた端子（７）に接続されている。ま
た、真空チャンバ（１）の頂壁には、イオンビームエツ
チング後の試料の表面状態をオージェ電子分光分析によ
り分析する分析装置（８）が設けられている。真空チャ
ンバ（１）の外部には、４つの真空排気装置（１０）　
（１１）（１２）　（１３）、ベイアートアルパート真
空計（１４）、試料（Ｓ）から抽出されたガスを分析す
る４極子マスフイルタ（１５）および端子（７）に接続
された外部導線（ＩＢ）が設けられている。第１の真空
排気装置（１０）は、オリフィス（１７）を介して真空
チャンバ（１）に接続されたアルミニウム製真空引き用
排気管（１８）と、排気管（１８）に下記順序で真空チ
ャンバ（１）側から直列状に設けられたバルブ（１９）
、ターボ分子ポンプ（２０）およびロータリポンプ（２
１）とよりなる。そして、排気管（１８）におけるバル
ブ（１９）よりも真空チャンバ（１）側の部分にもベイ
アートアルバート真空計（２２）が設けられている。第
２の真空排気装置（１１）は、真空チャンバ（１）に接
続されたアルミニウム製真空引き用排気管（２３）と、
排気管（２３）に下記順序で真空チャンバ（１）側から
直列状に設けられたバルブ（２４）、ターボ分子ポンプ
（２５）およびロークリポンプ（２Ｂ）とよりなる。第
３および第４の真空排気装置（１２）　（１３）は、そ
れぞれ真空チャンバ（１）に接続されたアルミニウム製
真空引き用排気管（２７）と、排気管（２７）に下記順
序で真空チャンバ（１）側から直列状に設けられたバル
ブ（２８）およびゲッタポンプ（２９）とよりなる。

ゲッタポンプ（２９）は、水素吸蔵合金を内蔵しており
、真空チャンバ（１）内の水素ガスを吸着しうるように
なっている。

マニピュレータ（２）は軸線方向に移動自在である。ま
た、マニピュレータ（２）の周面の真空チャンバ（１）
の周壁との間は、シール部材によってシールされている
。

イオン銃（３）のケーシング（３１）には、真空排気装
置（３２）および不活性ガス供給装置（３３）が設けら
れている。真空排気装置（３２〉は、ケーシング（３１
）に接続されたアルミニウム製真空引き用排気管（３４
）と、排気管（３４）に下記順序でケーシング（３１）
側から直列状に設けられたバルブ（３５）、ターボ分子
ポンプ（３Ｇ）およびロータリポンプ（３７）とよりな
る。不活性ガス供給装置（３３）は、アルミニウム製供
給管（３８）を介してケーシング（３■）に接続された
不活性ガスボンベ（３９）と、供給管（３８）の途上に
設けられるとともに、内部に液体窒素が入れられて不活
性ガスに含まれる不純物を除去するトラップ（４０）と
、供給管（３８）におけるケーシング（３Ｉ）とトラッ
プ（４０）との間に設けられた可変式リークバルブ（４
１）とよりなる。

また、イオン銃（３）のケーシング（３１）と真空チャ
ンバ（１）との間には、スロットルノズル（４２）が介
在せしめられている。そして、イオン銃（３）内に導入
され、かつイオン化されるとともに加速された不活性ガ
スは、スロットルノズル（４２）を通って真空チャンバ
（１）内に入り、試料（Ｓ）に衝突するようになってい
る。

第３図および第４図には、ガス分析装置の具体例が示さ
れている。

真空チャンバ（１）は直方体状のチャンバ用箱状体（５
０）と、箱状体（５０）の周、壁における左側面の上部
および右側面の上部にそれぞれ設けられた、マニピュレ
ータ差込口（５１）と、箱状体（５１）の後面上部に設
けられたイオン銃取付口（５２）と、箱状体（５０）の
周壁下部に設けられた、４つの排気口（５３）〜（５６
）、ベイアートアルバート真空計取付口（５７）および
４極子マスフィルタ取付口（５８）とよりなる。

箱状体（５０）は、周壁、頂壁および底壁のすべてが加
熱流体通路と冷却流体通路とを兼ね、かつ入口および出
口を有する管状膨出部（５９）を備えたアルミニウム板
で形成されたものである。

管状膨出部（５９）は、第４図に示すように横断面半円
形で、チャンバ（１）の内方にのみ膨出している。管状
膨出部（５９）の横断面形状は、第５図に示すように６
角形状であってもよい。横断面６角形状管状膨出部を（
７０）で示す。また、管状膨出部の横断面形状は、これ
らの形状に限るものではない。また、第３図および第４
図には省略したが、管状膨出部（５９）の入口には、加
熱および冷却流体供給管が、出口には同排出管がそれぞ
れ接続されている。

各日（５１）〜（５８）は、箱状体（５０）に設けられ
た短い円筒状突出部と、突出部の先端に設けられたフラ
ンジとよりなる。フランジを利用して各排気口（５３）
〜（５６）にアルミニウム製排気管（１８）（２３）（
２７）が接続され、ベイアートアルバート真空計（１４
）および４極子マスフイルタ（１５）がそれぞれの取付
口（５７）　（５８）に取付けられている。排気口（５
３）の先端のフランジ（５３ａ）と、排気管（１８）の
先端のフランジ（１８ａ）との間には仕切板（６０）が
介在させられ、この仕切板（６０）にオリフィス（１７
）が形成されている。また、排気管（１８）における端
部寄りの部分にはベイアートアルバート真空計取付口（
６１）が設けられ、ここにベイアートアルバート真空計
（２２）が取付けられている。

この取付口（６１）も短い円筒状突出部と、突出部先端
のフランジとよりなる。

そして、真空チャンバ（１）の内面、すなわち、箱状体
（５０）の内面およびすべての取付口（５１）〜（５８
）、（６１）の突出部内面には、ちみつな酸化皮膜が形
成されている。真空チャンバ（１）内面にちみつな酸化
皮膜を形成する方法としては、たとえば次の２つの方法
がある。

その１は、アルミニウム板製真空チャンバ（１）の内面
を洗浄するとともに乾燥させて清浄でかつ水和酸化皮膜
が除去された乾燥面とした後、真空チャンバ（１）の内
面を、水分を含んだ大気と接触せず、かつ酸素含有ガス
と接触させた状態で加熱し、真空チャンバ（１）の内面
に酸化皮膜を形成する方法である。真空チャンバ（１）
の内面を洗浄するとともに乾燥させる具体的方法として
は、たとえば苛性ソーダを用いたアルカリ洗浄または硫
酸を用いた酸洗浄を施して加工油を洗い流すとともに真
空チャンバ（１）内面に形成されている水和酸化皮膜を
除去し、その後不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気中
で低温にて乾燥させる方法がある。上記において、アル
カリ洗浄または酸洗浄後の乾燥は、真空雰囲気中で行な
うのがよい。上記洗浄後、真空炉内に入れて真空引きし
ながら乾燥させることができるからである。この乾燥は
常温〜１２０℃とくに７０〜９０℃の温度範囲で行なう
のがよい。

乾燥温度が１２０℃を越えるとこの乾燥工程中に水和酸
化皮膜が生成するおそれがあるからである。また、アル
カリ洗浄または酸洗浄後乾燥させる前に、真空チャンバ
（１）を水和酸化皮膜形成抑制用処理液中に浸漬して水
和酸化皮膜形成抑制処理を施すことが好ましい。水和酸
化皮膜形成抑制用処理液としては、クロム酸、ケイ酸、
バナジン酸、ジルコン酸、リン酸（ポリリン酸）、過マ
ンガン酸、タングステン酸およびモリブデン酸ならびに
これらの塩のうちの１種を含む水溶液が用いられる。処
理液中の溶質濃度は０．００００００１〜５ｖｔ％、好
ましくは０．０００００１〜０．０００５ｖｔ％の範囲
内にあるのがよい。

真空チャンバ（１）を、水分を含んだ大気と接触させず
、かつ酸素含有ガスと接触させた状態で加熱するには、
真空チャンバ（１）を酸素混合不活性ガス雰囲気中、市
販の不活性ガス雰囲気中もしくは工業的に得られる不活
性ガス雰囲気中に配置するか、またはこれらの不活性ガ
スを真空チャンバ（１）内に充填しかつ真空チャンバ（
１）を密封して行なう。また、真空チャンバ（１）を真
空雰囲気中に配置するか、または真空チャンバ（１）内
を真空引きして行なってもよい。

さらに、真空チャンバ（１）を純度１００％の酸素また
は乾燥空気の雰囲気中に配置するか、またはこれらを真
空チャンバ（１）内に充填しかつ真空チャンバ（１）を
密封して行なってもよい。

酸素混合不活性ガスとしては、酸素０．５〜３０ｖｏ１
％とくに１〜１０ｖｏ１％を含み、残部不活性ガスより
なるものを用いるのがよい。また、市販の不活性ガスお
よび工業的に得られる不活性ガスには不純物として微量
の酸素が含まれている。さらに、真空雰囲気中、および
真空引きした真空チャンバ（１）内にも、真空チャンバ
（１）内面に酸化皮膜を形成しうる程度の酸素は含まれ
ている。また、加熱温度は１２０〜５００℃特に２００
〜３００℃とし、加熱時間は０．１〜２４時間特に０．
５〜６時間とするのがよい。

加熱温度および加熱時間が上記下限値未満であると、酸
化皮膜の形成がうまくいかず、上限値を越えると非結晶
質皮膜の一部が結晶化して混在した状態となり、ちみつ
な皮膜が形成されなくなるおそれがあるからである。

その２は、ドライエツチングを施して清浄でかつ水和酸
化皮膜が除去された乾燥面とした後、真空チャンバ（１
）の内面を、水分を含んだ大気と接触せず、かつ酸素含
有ガスと接触させた状態で加熱し、真空チャンバ（１）
の内面に酸化皮膜を形成する方法である。ドライエツチ
ングの具体例としては、放電洗浄、反応性ガスエツチン
グ、プラズマエツチング、反応性イオンエツチング、反
応性イオンビームエツチング、イオンビームエツチング
、反応性レーザビームエツチングなどをあげることがで
きる。ドライエツチングによりアルミニウム製真空チャ
ンバ（１）の内面を清浄でかつ水和酸化皮膜が除去され
た乾燥面とした場合には、酸洗浄やアルカリ洗浄によっ
て加工油を洗い流すとともに水和酸化皮膜を除去する場
合のように、洗浄後乾燥工程を必要としない。真空チャ
ンバ（１）の内面を、水分を含んだ大気と接触させずか
つ酸素含有ガスと接触させた状態で加熱する方法は、上
記第１の方法の場合と同様である。

また、各排気管（１Ｂ）　（２３）　（２７）の内面に
もちみつな酸化皮膜が形成されている。

イオン銃（３）のケーシング（３１）は、アルミニ。

ラム製であって、取付口（５２）に取付けられている。

また、ケーシング（３１）には、排気口（６３）および
不活性ガス供給口（Ｂ４）が設けられている。

両日（＄３）（６４）は、それぞれケーシング（３１）
に設けられた短い円筒状のアルミニウム製突出部と、突
出部の先端に設けられたフランジとよりなる。

このフランジを利用して排気管（３４）および不活性ガ
ス供給管（３８）が接続されている。そして、両日（６
３）　（８４）の突出部を含むケーシング（３１）内面
にちみつな酸化皮膜が形成されている。また、ケーシン
グ取付口（５２）の先端のフランジ（５２ａ）と、ケー
シング（３１）のフランジ（３１ａ）との間に、スロッ
トルノズル（４２）の外端に形成されたフランジ（４２
ａ）が挟着されている。

次に、この発明による装置を用いてアルミニウム材中の
極微量ガスを分析する方法について説明する。

まず、管状膨出部（５９）内に加熱されたフレオン等の
加熱流体を流通させて真空チャンバ（１）にベーキング
処理を施した後これを常温まで冷却する。ついで、管状
膨出部（５９）内に液体窒素等の冷却流体を流通させる
。そして、マニピュレータ（２）に試料（Ｓ）をセット
した後真空チャンバ（１）内にマニピュレータ（２）の
先端を差込む。その後、バルブ（２Ｂ）を開くとともに
、真空排気装置（１０）〜（１３）、（３２）により真
空排気して真空チャンバ（１）およびイオン銃（３）内
を高真空状態とする。この状態でイオン銃（３）内にＮ
ｅ、Ａｒ等の不活性ガスを導入し、これをイオン化する
。イオン化された不活性ガスを引出し電極および加速電
極により加速し、スロットルノズル（４２）を通過させ
て試料（Ｓ）に弾性衝突させる。こうして試料（Ｓ）に
イオンビームエツチングを施す。このとき、イオン銃（
３）内の圧力は不活性ガスを導入することによって上昇
するが、スロットルノズル（４２）の働きにより、真空
チャンバ（１）内の圧力上昇の度合いはイオン銃（３）
内の圧力上昇の度合いよりも小さくなり、当然のことな
がら真空チャンバ（１）内の不純物量は少なくなり、約
１７３００程度となる。また、除去された表面ガスの大
部分を占めるＨ２は、ゲッタポンプ（２９）内の水素吸
蔵合金の内部に吸蔵されるとともに、表面に吸着され、
ｃｏは水素吸蔵合金の表面に吸着される。したがって、
イオンビームエツチング後の試料（Ｓ）表面に再吸着す
る不純物ガス量を少なくできる。そして、バルブ（２８
）を閉じ、分析装置（８）を用いて、試料（Ｓ）の表面
が酸化皮膜が存在せず、かつ不純物ガスが吸着していな
い清浄表面であることを確認した後、マニピュレータ（
２）から試料（Ｓ）を離脱させてるつぼ（５）内に落と
し、ヒータ（６）でるつぼ（５）を加熱することにより
試料（Ｓ）を溶融させて内部ガスを抽出し、そのガス量
を４極子マスフイルタ（１５）で定量する。

以下に、この発明による装置を用いて行った実験例につ
いて述べる。

すなわち、下記の条件でガス分析を行った。

試　　料 ・・・純度９９．９９％の高純度アルミニウム、イオン
ビームエツチング前の真空チャンバおよびイオン銃内の
圧力・・・ｌＸｌ０−’°、イオンビームエツチングに
使用する不活性ガスおよびその圧力−Ｎ　ｅ　、　３　
Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒｓイオンビームエツチング時の加
速電圧 ・・・２ｋＶ。

イオンビームエツチング時のエミッション電流・・・３
０ｍＡ。

イオンビームエツチング時のドーズ量 −１，ＯＸ　１０”Ｉｏｎｓ／ｃｍ　２上記条件でイオ
ンビームエツチングを行ったところイオンビームエツチ
ング中の真空チャンバ（１）内の圧力はＩ　Ｘ　１０−
６Ｔｏｒｒ　　となっていた。その後、真空チャンバ（
１）内をさらに真空引きしてその圧力をＩ　Ｘ　１０−
”　Ｔｏｒｒとし、引き続いてガス分析を行ったところ
内部Ｈ２ガスは０．０００５ｃｃ／ｌｏｏｇＡＩであっ
た。

発明の効果 この発明の金属材中のガス分析装置によれば、上述のよ
うにして、表面ガス除去処理室において表面ガス除去処
理を施すことにより除去されたガスは、ゲッタポンプに
より取り除かれる。

したがって、−旦除去されたガスが再吸着するのを防止
することができ、その後工程におけるガス分析の精度を
向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の装置の原理を説明する正面図、第２
図は同じく平面図、第３図はこの発明の装置を具体的に
示す斜視図、第４図は第３図の部分拡大水平断面図、第
５図は管状膨出部の変形例を示す断面図である。 （１）・・・真空チャンバ（表面ガス除去処理室）、（
２９）・・・ゲッタポンプ。 以　　上 特許出願人　　昭和アルミニウム株式会社第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 表面ガス除去処理室を備えており、表面ガス除去処理室
   に水素吸蔵合金を内蔵したゲッタポンプが設けられてい
   る金属材中のガス分析装置。