UHV環境向けにモーションシステムを改良

ミラン・ゼーマン、ジェイ・ティタス

超高真空（UHV）環境用アプリケーションの増加に対応すべく、モーションシステムは、UHVチャンバー内の光学素子や、粒子線、測定器を操作できるように変更する必要がある。

現在、圧力が10⁻⁷Pa（10⁻⁹torr）以下のUHV環境を必要とするアプリケーションは、研究や製造分野の幅広い分野で見られるようになった。高エネルギー粒子加速器や、レーザを使用する重力波検出器、薄膜蒸着用精密システムなどは、まさにUHV領域で信頼性の高い動作が不可欠な例だろう（図1）。
　このほか、原子／イオントラップや、ボーズ＝アインシュタイン凝縮研究などのアプリケーションは、短時間のポンプダウン（排気）が可能で、極低圧を長時間保つことができる真空システムを必要とする。さらに、高出力または遠紫外線（DUV）レーザを使用するアプリケーションの多くは、試料の汚染や、高感度の光部品や検出器、光源の損傷閾値を大幅に低下させる可能性のある汚染を防ぐために、揮発物質が極低レベルのモーション部品を要求する。
　本稿は、こうした環境用のモーションシステムに向けて、米ニューフォーカス社が最近発表した製品を紹介するとともに、重要な設計事項、材料の適切な選択と準備、品質の試験方法について概説する。さらに、標準仕様デバイスとUHV仕様デバイスの試験結果の比較や、真空性能をさらに向上するための新しい取り組みについても述べる。

UHVモーションシステムの設計

UHVチャンバー内の光学素子や粒子線、測定機器を操作、制御するモーションメカニズムにおいて、超高真空アプリケーションのニーズは高まっている。こうしたアクチュエータは、高精度で遠隔制御が行えなければならない。しかも、真空システムの汚染を防ぐために、アウトガスを低く抑えて設計、製造することが要求される。
　さらに、設計と材料の選択の両方が複雑化するなか、アクチュエータは、吸収した水分を真空チャンバーから取り除くために、その場での高温ベークアウト処理が必要な場合も多い。最後に、部品や筐体の設計は、空気の封入（仮想リーク）と粒子の発生を排除するために慎重に検討される必要がある。
　米ニューフォーカス社のPicomotorのようなアクチュエータは、当初は標準的な研究環境で使用するために設計された。しかし、UHV環境で使用できる高精度のアクチュエータに対する顧客のニーズに対応するために、大幅な設計変更が要求された。本稿で述べる材料と手法は、標準アクチュエータをUHV環境用（本稿の例ではUHV Picomotor）に改良する際に成功のカギとなった。
　元のアクチュエータの設計を変更するためには、機械設計や、材料の選択と製造、洗浄方法、組み立て工程のすべての側面について、慎重に評価、管理する必要があった。摩耗やそれに関連する粒子の発生を抑えるためにほとんどいつも潤滑油が必要とされることから、アクチュエータには追加の変更が要求される。
　機械素子を真空システムで使用するために準備すべき最初のステップは、設計を見直して、止り穴やツマミなど、空気を閉じ込めることのできるすべての部品を明らかにし、再設計することである。例えば、当社のアクチュエータは、アクチュエータのねじの末端にボールチップを圧入している。圧入することによって、エポキシ樹脂（潜在的な揮発物質の発生源）は不要になるが、ボールとねじの間に空気が入ると仮想リークの原因になりうる。
　中実ねじを、化学的に洗浄しベントしたアクチュエータねじで置き換えることによって、閉じ込められた空気は直ちに排出される。すべての機械インタフェースと筐体は、完全に密閉してリークの試験を行うか、またはポンプダウン中に空気と揮発物質を直ちに排出するパスを準備するかのいずれかでなければならない。
　次に、接着剤、プライマー、潤滑剤、溶剤、断熱材を含むすべての材料について、揮発物質の濃度と化学的な成分を検討する必要がある。カスタム金属が設計に使用されている場合は、メーカーが使用する切削油剤や潤滑剤などの製造材料を考慮する必要がある。そうすれば、残留物を最低限に保ち、残留している材料を洗浄している間に、容易に取り除くことができる。例えば、水溶性切削油剤は通常、高真空アプリケーションや汚染に対する感度の高いアプリケーション向けの部品に特定される。
　もう1つの一般的な汚染源は、変則的に硬化したエポキシ樹脂などの接着剤である。すべての接着剤の硬化温度と硬化の過程を理解し、真空仕様の材料のみを確実に使用するように、明確な作業手順書を準備する必要がある。硬化時間と揮発物質に関する情報は通常、メーカーから提供されている。重要なアプリケーションにおいては、経年数や保存状態、湿度など、分析の難しい条件が硬化度に影響する可能性があることから、当社は、独自の仕様を用いることが重要であると判断した（顧客からもそうした要求があった）。
　一般に、試験中の材料で作られた「ボタン」は、さまざまな条件下で硬化する。そのため、各材料の試料を真空チャンバーの中に置いて、残留ガス分析器（RGA: Residual Gas Analyzer）を使用して揮発物質の分圧を確認および測定する。
　UHVアクチュエータ用の材料を選択する際に、最も重要なものの1つが潤滑剤である。当社のアクチュエータの80ピッチねじには、長期の信頼性と性能が変わらないことを保証するために、非常に正確な量の潤滑剤が使用される。潤滑剤は、スレッドに損傷を与えないで均一に塗布できるように低粘度でなければならないが、周囲に流れ出る量を最小限に抑えられるだけの粘度は必要である。
　高真空装置メーカーの多くは、独自の潤滑剤を要求する。しかし、その多くはPicomotorの要求と適合しないことが証明されている。当社は、PEPE/PTFE系の潤滑剤が、要求される粘度、潤滑性、低アウトガスを提供することを見出した。しかし、PEPE/PTFE系の中ですら、化学式によって粘度と化学的安定性がかなり異なることがある。
　最後に、アクチュエータは、対象の市場の要求に則した条件とプロトコルの下で洗浄、組立て、パッケージングが行われる。例えば、当社の一般の研究アプリケーション向けアクチュエータである標準仕様Picomotorは、クラス10000のプロトコル（清浄度）の下で製造される。UHVバージョンは、半導体製造市場や医療市場で使用されるため、クラス100の作業環境で製造され、2重にパッケージングされる。内側のパッケージに使用される材料は、クリーンルーム仕様であるため、十分に管理された環境で開けることができ、顧客による追加の処理や予防措置は必要ない。

UHVモーションシステムの試験

真空アプリケーション用材料の試験を行う際は、2つの重要な特性を測定する必要がある。1つは、アウトガス反応速度である。アウトガス反応速度は、要求された真空レベルをどの程度効率的に維持できるかを決定づけるほか、効果的なベークアウト時間と温度を見極めるために有効である。ベークアウト反応速度を理解することは、アクチュエータに対する潜在的な損傷によって最高温度が決まる場合に特に重要である。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2012/07/201207_0020feature01.pdf