シンクロトロンにおけるゲッター薄膜の研究

シンクロトロンに新しいNEG技術を採用し、超高真空を実現

現代の科学の進歩は、高度な技術と科学的インフラに支えられています。シンクロトロンは、最も複雑な設備の一つで、高強度で高輝度の放射線を科学者に提供し、原子スケールでの物質の奇異性に光を当てることができます。最新のブラジルのシンクロトロンSIRIUSは、2015年に建設を開始しました。周囲518mの大きな真空リングの中に電子を誘導し、特徴的な放射線を放出しています。シンクロトロン・リングの詳細については、[Link to the other article]をご覧ください。

シンクロトロン・リングのような複雑な施設でUHVを実現または維持することは困難だといえるでしょう。新しい真空排気技術のひとつに、「NEG(非蒸発性ゲッター)薄膜コーティング」というものがあり、そのアイデアはシンプルです。超高真空中に残った分子は、まっすぐ前に飛んでテーブルや選手のラケットに跳ね返る卓球ボールのような役割を果たします。ここで、卓球台やラケットに瞬間接着剤を塗ってみましょう。ボールが接着剤に触れるたびに、ボールは接着剤にしっかりとくっつきますが、すぐにボールが足りなくなってしまいます。同じように、超高真空では、分子は真空管の壁の間を飛び回ります。真空管の内側から特殊な反応性薄膜をコーティングすることで、スプリアスガス分子は薄膜に吸着し、表面と反応して壁に残ります。こうすることで、真空管の中心部を飛んでいる電子との相互作用ができなくなるのです。

「この技術はCERNが開発したもので、CERNはスイスで当社のエンジニアにコーティングプロセスのトレーニングを行いました。真空システムを計画する際、SIRIUSの蓄積リングにこの手法を使うことをすぐに決めました。」とブラジル放射光研究所（LNLS）の真空グループ責任者であるRafael Molena Seraphim氏は説明し、「しかし、このコーティングをうまく機能させるためには、私たち独自のアプリケーションに適合させることが非常に重要でした。そこでLNLSは、長さ3.2mまでのチューブ内に薄膜を成膜できる独自の装置を開発しました。スパッタリング技術により、厚さや組成を非常に正確に調整することができるのです。」とも付け加えました。

スパッタリングとは、真空チャンバーの中で、イオン化したガス分子をミサイルのように標的の表面にぶつけることで薄膜を形成するプロセスです。イオン化されたガス分子の衝撃により、ターゲットから原子や分子が放出され、それが成膜面に移動します。このように、チューブの中にターゲットとなる材料を入れることで、チューブ内の表面に材料が非常に制御された状態で蒸着されます。しかし、NEGの機能は、膜厚や組成だけでなく、膜の質にも大きく依存します。「最初の実験では、キャリアガスの流量を正確に制御できなかったため、最終的な膜の均一性を達成することができませんでした。とRafael Seraphim氏は振り返りました。

VAT社によるスパッタリングプロセス制御のための正確なソリューション提供

「スパッタリングのような薄膜形成プロセスにおいて、ガスの流れを制御することがいかに重要であるかを私たちは認識しています。そのためには、非常に正確であると同時に、フィルム組成に混入する不要な汚染を避ける必要があります。」とVAT社のセールスエンジニアであるJürg Öhri氏は理解しています。さらに、Öhri氏は「このような市場動向を見越して、当社ではすでに斬新なオールメタル製のリークバルブの開発に着手していました。幸運なことに、2012年にLNLSから連絡を受けたときには、ちょうど市場投入の準備ができていました。これで彼らの問題を解決できると確信しました。」 と述べています。59.0シリーズは、エラストマーシールを一切使用していない可変式リークバルブです。高精度なステッピングモーターを搭載しているため、他の定量弁に比べて最大100倍の精度で超高真空状態のガス流量を調整することができます。

「VAT社が全金属製のリークバルブを提示してきたとき、これこそ我々が必要としていたものだとすぐに気付きました。正確なバルブ調整により、キャリアガスの流れが安定し、コーティングプロセスをコントロールできるようになりました。」とRafael Seraphim氏は振り返りました。2018年にSIRIUSのストレージリング全体が完成するまで、500m以上のストレージリングがチューブごとにコーティングされました。真空システムだけでも、最終的には1,000万ユーロ以上の費用がかかっています。

顧客を理解することで新たな基準を設定

「SIRIUSリングに対する彼らの特定のニーズにNEGスパッタリングプロセスを最適化するために、LNLSのエンジニアが献身的に取り組んでいるのを見て感銘を受けました。彼らの装置は、当社の新製品である全金属製リークバルブ59.0シリーズの最初の応用例の一つでした。」とJürg Öhri氏と述べ、「今では、多くの用途でその目的が証明され、化学的または物理的気相成長（CVD/PVD）、原子層成長（ALD）、パルスレーザー成長（PLD）などの薄膜プロセスにおける重要なガス流量制御の業界標準となっています。」 とまとめました。

また、NLSのRafael Seraphim氏は「SIRIUSは、当社のエンジニアや科学者の本物のノウハウを駆使して作られたブラジルのプロジェクトです。しかし、弊社はVAT社と一緒に仕事ができることを嬉しく思っています。彼らは、単純なサプライヤーのように多くの真空部品を提供するだけでなく、プロジェクトパートナーとして市場のニーズを予見してくれます。これは、市場の他のプレーヤーとは明らかに異なる点です。」と結論付けています。2020年、SIRIUSはその施設を科学者に開放し、最初の実験を開始しました。世界中の人々は、これから起こるであろう新しい科学的ブレークスルーに興味津々であることに違いありません。