JP2013076153A

JP2013076153A - ステンレス鋼

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Publication number: JP2013076153A
Application number: JP2011218387A
Authority: JP
Inventors: Masami Sato; 正視佐藤
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: JP5739297B2

Abstract

【課題】制振能力及び耐食性を向上させたステンレス鋼を提供すること。
【解決手段】本発明に係るステンレス鋼は、シリコン１．５〜３重量％、マンガン０．２〜０．５重量％、クロム２１〜２３重量％、モリブデン０．５〜１．５重量％、アルミニウム１．５〜３重量％、ニオブ０．２〜０．８重量％を含有し、且つ鉄残量及び不可避的な不純物からなり、フェライト単相である。このような組成及び組織により、本発明に係るステンレス鋼は、高い制振能力及び高い耐食性を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエーハの切削装置又は研削装置等の加工装置の部材に適用可能なステンレス鋼に関するものである。

自動車、精密機器等の分野で、振動及び騒音を軽減する機能を持つ制振材料が用いられている。様々な制振材料が知られているが、例えば、特許文献１には制振性ステンレス鋼が記載されている。

特開２０１０−０９０４７２号公報

ところで、半導体ウエーハに対して切削又は研磨等の加工を施す切削装置又は研磨装置等（以下、必要に応じて加工装置という）は、切削水又は研削水（以下、必要に応じて切削水等という）を用いて半導体材料を切削したり研磨したりする。このため、半導体ウエーハを支持するチャックテーブル及びブレードを保持して回転させるスピンドル等も、切削水等が付着する環境で使用される。半導体ウエーハの加工精度を確保するため、チャックテーブル及びスピンドルは、振動を吸収する能力（以下、制振能力という）が高い制振材料で製造される。

現在知られている制振材料としては、例えば、マンガン系制振合金（Ｍ２０５２）、鉄−アルミニウム系合金（ＡＬＦＥ又はインテリアル）等があるが、これらはいずれも耐食性が低い。このため、これらの制振材料は、切削水等が付着する環境下においては、錆及び溶出が発生するおそれがあるため使用することができない場合が多い。

加工装置のチャックテーブル及びスピンドル等は、ＳＵＳ４３０又はＳＵＳ４３１が用いられることが多いが、これらも切削水等が付着する環境下において使用すると、発錆が生じることがある。また、加工装置のチャックテーブル及びスピンドル等には、さらに高い制振能力が求められる。

本発明は、制振能力及び耐食性を向上させたステンレス鋼を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、シリコン１．５〜３重量％、マンガン０．２〜０．５重量％、クロム２１〜２３重量％、モリブデン０．５〜１．５重量％、アルミニウム１．５〜３重量％、ニオブ０．２〜０．８重量％を含有し、且つ鉄残量及び不可避的な不純物からなり、フェライト単相であるステンレス鋼である。

本発明は、半導体ウエーハを加工する装置の切削水又は研削水が付着する環境下において用いられる部材の材料として用いられることが好ましい。

本発明は、制振能力及び耐食性を向上させたステンレス鋼を提供することができる。このため、従来加工装置に適用されているステンレス鋼に代えて本発明に係るステンレス鋼を適用すれば、加工装置のチャックテーブル及びスピンドル等の制振能力を向上させて加工精度を向上させることができるとともに、錆の発生も抑えることができる。

図１は、制振性能の評価方法の説明図である。図２は、振動減衰特性の評価結果を示す図である。図３は、発錆実験の結果を示す図である。図４は、発錆実験の結果を示す図である。図５は、発錆実験の結果を示す図である。

以下、発明を実施するための形態（実施の形態）について説明する。本発明は、下記に記載する実施の形態の内容に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。

ステンレス鋼とは、耐食性を向上させる目的で、クロム又はクロム及びニッケルを含有させた合金鋼である。一般にはクロム含有量が約１１％以上の鋼をステンレス鋼といい、主としてその組織によって、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系及び析出硬化系の五つに分類される（ＪＩＳＧ０２０３）。

本実施の形態に係るステンレス鋼は、シリコン（Ｓｉ）を１．５〜３重量％、マンガン（Ｍｎ）を０．２〜０．５重量％、クロム（Ｃｒ）を２１〜２３重量％、モリブデン（Ｍｏ）を０．５〜１．５重量％、アルミニウム（Ａｌ）を１．５〜３重量％、ニオブ（Ｎｂ）を０．２〜０．８重量％を含有し、且つ残量が鉄及び不可避的な不純物からなり、組織はフェライト単相である。

このように、本実施の形態に係るステンレス鋼は、一般的なステンレス鋼、例えば、ＳＵＳ３０４等と比較すると、Ｓｉ及びＡｌの含有割合を大きくしてある。Ａｌは、振動減衰能力を向上させることによりステンレス鋼の制振能力を向上させる。ステンレス鋼がＡｌを含有すると耐食性が低下するので、Ｓｉを含有することによりＡｌに起因する耐食性の低下を抑制している。Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂは耐食性を向上させる。特に、Ｍｏ及びＮｂは、隙間腐食、粒界腐食の耐性を向上させる。

このような組成とすることにより、本実施の形態に係るステンレス鋼は、Ａｌによって高い制振能力を有し、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂにより耐食性、特に、発錆に対する高い耐性（高耐発錆性）を有する。このため、本実施の形態に係るステンレス鋼を加工装置のスピンドル及びチャックテーブルに用いると、切削水等の付着による錆はほとんど発生しない。また、制振能力が高いため、切削時又は研磨時において発生した振動は、スピンドル及びテーブルチャックで効率よく吸収されるので、ブレード等の工具及びウエーハの振動が効率よく抑制される。その結果、ウエーハの加工精度を確保することができる。

本実施の形態に係るステンレス鋼の組成について説明する。シリコンの含有量が少なくなるとステンレス鋼の耐食性が低下し、多くなると脆化、すなわち脆くなりやすい。このため、シリコンの含有量は１．５重量％以上３重量％以下であることが好ましい。この範囲であれば、耐食性を確保できるとともに、適度な延性を確保することができる。

アルミニウムの含有量が少なくなるとステンレス鋼の硬度が低下し、多くなると延性が低下する。このため、アルミニウムの含有量は１．５重量％以上３重量％以下が好ましい。この範囲であれば、適度な硬度及び延性を確保することができる。その結果、ステンレス鋼の製造時においては、圧延がしやすくなるので生産性が向上するとともに、品質も向上する。また、加工装置の部材としての性能も確保できる。

Ｃｒの含有量は、２１重量％以上２３重量％以下が好ましい。Ｃｒの含有量をこの範囲とすることにより、ステンレス鋼の組織はフェライトになる。そして、Ｎｉをほとんど添加しなくても、ステンレス鋼の耐食性を確保することができる。Ｎｂの含有量は、０．２重量％以上０．８重量％以下が好ましい。Ｍｏの含有量は、０．５重量％〜１．５重量％が好ましい。このように、Ｎｂ及びＭｏを添加することにより、Ｃｒと炭素とが結合した炭化物が結晶粒界に析出する粒界腐食を抑制して、ステンレス鋼の耐食性を向上させることができる。また、Ｍｏの含有量を上述した範囲とすることにより、本実施の形態に係るステンレス鋼において、不動態皮膜の局部補修能力を向上させる作用を有効に発揮させることができる。Ｍｎの含有量は、０．２重量％以上０．５重量％以下とすることが好ましい。

本実施の形態に係るステンレス鋼は、上記の組成に加えて、チタン（Ｔｉ）とニッケル（Ｎｉ）との少なくとも一方を０．５重量％以下含有していてもよい。これらの元素は、ステンレス鋼の耐食性を向上させる。Ｎｉは、硫酸又は塩酸等の非酸化性の酸に対する耐食性を高める作用がある一方、オーステナイト相を固定化する作用がある。本実施の形態に係るステンレス鋼は、組織がフェライト単相であることから、この組織とするためにＮｉの含有量は上記の範囲内とすることが好ましい。Ｔｉは、ＣｒとＣとが結合した炭化物がステンレス鋼の結晶粒界に析出する粒界腐食を抑制して耐食性を向上させる作用がある。

本実施の形態に係るステンレス鋼は、振動が与えられてから所定の振幅まで減衰するまでの時間が、ＳＵＳ３０３及びＳＵＳ４３０の１／５〜１／４程度である。この結果から、本実施の形態に係るステンレス鋼の制振能力は、ＳＵＳ３０３及びＳＵＳ４３０の４倍〜５倍であるといえる。また、本実施の形態に係るステンレス鋼は、ＳＵＳ３０３及びＳＵＳ４３０比較して、極めて高い耐食性を有している。

（製造方法）
本実施の形態に係るステンレス鋼は、一般的なステンレス鋼と同様の製造方法によって製造することができ、例えば、次のような工程を有する製造方法により製造できる。なお、下記の製造方法には限定されない。
工程１：本実施形態に係るステンレス鋼の成分に調整された鋼材を、真空高周波溶解炉で溶解させる。
工程２：溶融した鋼材を鋳造し、鋼塊を得る。
工程３：得られた鋼塊のスケール及び鋳砂をサンドブラスト等により除去する。
工程４：スケール等が除去された鋼塊を熱間鍛造することにより粗成形する。
工程５：粗成形された鋼塊を圧延して、圧延材を得る。
工程６：圧延材を焼き鈍しする。
上述した工程１〜６により、本実施の形態に係るステンレス鋼が得られる。

このように、本実施の形態に係るステンレス鋼は、一般的なステンレス鋼と同様の製造方法で製造できるので、特別な設備、特別な工程及び特別な処理は不要である。その結果、既存の製造設備を利用して製造できるので新たな設備投資が不要になり、製造コストの増加を抑制できるという利点がある。

以上、本実施の形態に係るステンレス鋼は、高い制振性能と高い耐食性とを両立することができる。このため、本実施の形態に係るステンレス鋼は、半導体ウエーハに対して切削又は研磨等の加工を施す切削装置又は研磨装置等のチャックテーブル、スピンドル及びホイールカバー等といった、切削水又は研削水が付着する環境で使用する部材の材料として好適である。また、本実施の形態に係るステンレス鋼はフェライト系であるため、Ｎｉの使用量を低減でき、コストの上昇を抑制できる。

上述した実施の形態に係るステンレス鋼を、上述した工程１〜６によって製造し、性能を評価した。工程１の真空高周波溶解炉による鋼材の溶融温度は１８００℃、工程４の熱間鍛造の温度は１２００℃とした。製造したステンレス鋼の組成は、Ｓｉが２．０重量％、Ｍｎが０．３重量％、Ｎｉが０．３重量％、Ｃｒが２２重量％、Ｍｏが１．０重量％、Ａｌが２．０重量％、Ｔｉが０．３重量％、Ｎｂが０．５重量％、残量がＦｅである。このステンレス鋼を実施例とした。比較例１としてＳＵＳ３０３を、比較例２としてＳＵＳ４３０を評価した。

（機械的性質の評価）
実施例、比較例１及び比較例２の機械的性質を評価した。評価項目及び評価結果を表１に示す。耐力（０．２％耐力）、引張強さ、伸び及び絞りは、実施例、比較例１及び比較例２に対する引張試験の結果から求めた。硬さは、実施例、比較例１及び比較例２に対するロックウェル硬さ試験により求めた。比重は、２０℃の環境下で、実施例、比較例１及び比較例２の単位体積あたりの質量を求めた。熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により求めた。熱膨張率は、実施例、比較例１及び比較例２の試料を０℃から１００℃まで一定速度で昇温させたときにおける熱膨張率である。０℃のときの試料長をＬ０、１００℃のときの試料長をＬ１００とすると、熱膨張率は、（Ｌ１００−Ｌ０）／（１００×Ｌ０）となる。孔食電位は、ＪＩＳＧ０５７７に規定されるステンレス鋼の孔食電位測定方法により測定した動電位法孔食電位Ｖ’_{Ｃ，ＰＩＴ}である。

表１の結果から理解できるように、実施例は、比較例１、比較例２よりも大きい耐力、引張強さ及び硬さ（ロックウェル硬さ）を有している。加工装置のチャックテーブル、スピンドル及びホイールカバー等には、例えば、ＳＵＳ４３０（比較例２）が用いられることが多いが、上記の評価結果から理解できるように、実施例は、比較例２よりも機械的強度が高いので、チャックテーブル等の材料として好適に使用することができる。

（制振性能の評価）
図１は、制振性能の評価方法の説明図である。制振性能は、供試体を加振することにより供試体に発生する振動が減衰する特性（振動減衰特性）で評価した。振動減衰特性が高い、すなわち振動が早く減衰するほど制振性能は高い。

実施例、比較例１及び比較例２のステンレス鋼を素材として、直径Ｄが２０ｍｍ、長さＬが５００ｍｍの丸棒の供試体２を用意した。図１に示すように、供試体２の一端部に加速度センサ３を装着する。加速度センサ３が検出した信号は、計測装置４に入力される。供試体２を加振する場合、供試体２の長手方向における所定の位置に、供試体２からの高さＨが１００ｍｍの位置から５０ｇの鉄球５を落下させて供試体２に衝突させる。鉄球５が衝突する供試体２の所定の位置は、例えば、加速度センサ３が装着された供試体２の一端部から４×Ｌ／５（本例では４００ｍｍ）の位置とする。このようにして、供試体２を加振する。加速度センサ３は供試体２の加速度を検出する。計測装置４は、加速度センサ３が検出した加速度を取得して供試体２の振動の時間変化を求める。

図２は、振動減衰特性の評価結果を示す図である。図２のＣ１は比較例１の振動減衰特性、Ｃ２は比較例２の振動減衰特性、Ｅは実施例の振動減衰特性である。図２の縦軸は振動の振幅（加速度の大きさ）、横軸は時間（秒）である。図２に示すように、比較例１（ＳＵＳ３０３）及び比較例２（ＳＵＳ４３０）と同等の振幅（振動値）Ａになるのに、ＳＵＳ３０３は０．２秒、ＳＵＳ４３０は０．２７秒要する。これに対して、実施例は、０．０５秒である。このように、実施例は、比較例１、比較例２に対して４倍〜５倍の振動減衰能を有しており、高い制振性能を有するといえる。

（耐食性の評価）
耐食性を評価するため、実施例、比較例１及び比較例２の発錆実験を行った。発錆実験は、直径２０ｍｍ、長さが２０ｍｍの丸棒の供試体を実施例、比較例１及び比較例２それぞれについて用意し、これらに塩水を噴霧して錆が発生する時間を調査した。発錆実験は、ＪＩＳＺ２３７１（平成１２年２月２０日改正、２００５確認）に規定する塩水噴霧試験方法に従った。

図３から図５は、発錆実験の結果を示す図である。図３は比較例１の評価結果、図４は比較例２の評価結果、図５は実施例の評価結果である。上述した表１に、供試体に錆が発生した時間（塩水噴霧発錆時間）を示す。比較例１は塩水の噴霧を開始してから５０時間で、比較例２は２０時間で錆の発生が認められた。そして、図３、図４に示すように、比較例１及び比較例２は２４０時間で相当量の錆が発生している。なお、錆は、図３、図４に現れている黒い斑点状の部分である。

これに対し、実施例の評価結果を示す図５には、図３、図４に見られるような黒い斑点状の部分は現れていない。このことから、実施例は、１０００時間の時点で錆の発生は認められないことが理解できる。このように、実施例は、比較例１（ＳＵＳ３０４）及び比較例２（ＳＵＳ４３０）に対して、高い耐食性を有していることが理解できる。

（添加元素の影響）
Ｓｉ及びＡｌについて含有量を１．０重量％から３．５重量％の間で変化させて、これらの元素の含有量がステンレス鋼の特性に与える影響を調査した。Ｓｉは、含有量が１．０重量％を下回るとステンレス鋼の耐食性が低下する。より具体的には、上述した発錆実験において、１０００時間で錆の発生が認められた。また、Ｓｉは、含有量が３．５重量％を上回るとステンレス鋼の延性が低下し、脆性を呈するようになる。このため、加工装置の部材の材料、特に切削水等が付着する環境で使用される部材の材料としての性能を確保できないおそれがある。なお、延性又は脆性は、引っ張り破断試験によって評価した。

Ａｌは、含有量が１．０重量％を下回るとステンレス鋼の硬度が低下して、加工装置の部材、特にチャックテーブル及びスピンドル等の材料としての性能を確保できないおそれがある。また、Ａｌは、含有量が３．５重量％を上回るとステンレス鋼の延性が低下する。より具体的には、伸び及び絞りの値が小さくなる。その結果、ステンレス鋼の製造時においては圧延が困難になるおそれがある。

上記結果から、Ｓｉ及びＡｌの含有量は、それぞれ１．５重量％以上３．０重量％以下が好ましい。このような範囲であれば、切削水等が付着する環境で使用される加工装置の部材の材料としての性能を確保できるとともに、ステンレス鋼の生産性も向上する。

２供試体
３加速度センサ
４計測装置
５鉄球

Claims

シリコン１．５〜３重量％、マンガン０．２〜０．５重量％、クロム２１〜２３重量％、モリブデン０．５〜１．５重量％、アルミニウム１．５〜３重量％、ニオブ０．２〜０．８重量％を含有し、且つ残量が鉄及び不可避的な不純物からなり、フェライト単相であるステンレス鋼。
半導体ウエーハを加工する装置において、切削水又は研削水が付着する環境下で用いられる部材の材料として用いられる請求項１に記載のステンレス鋼。