真空用材料

真空用材料について

真空用材料とは、真空装置の真空チャンバーや真空部品などを構成するために用いられる材料の総称です。これらの材料は、通常の機械用材料とは異なり、真空中での放出ガスが極めて少なく、その成分が詳細に分析されている必要があります。また、半導体プロセスで使用されるCVD装置などでは、プロセスガスに対する耐性も重要な選定基準となります。

金属材料

真空用材料として、多様な金属材料が使用されており、その目的も様々です。

鉄と鋼

鉄や鋼は、強度が高く比較的安価であるため、真空装置に広く利用されています。しかし、放出ガスが問題となる場合には、表面処理（サンドブラスト、ガラスビーズブラスト、バフ研磨、Crめっき、Cr研磨、Ni電気めっき、Ni化学めっき、Ni研磨など）を施すことで、放出ガスを抑制することができます。真空構造材としては、10^-4[Pa]以下の環境であれば、SS400や配管用のSGPなどが使用されます。ただし、鉄を真空材料として使用する際には、錆びが発生していると放出ガスが大幅に増加するため、錆びの管理が重要になります。

ステンレス鋼

ステンレス鋼は、高真空用材料として広く使用されており、真空用材料の代表格と言えます。特に、オーステナイト系のSUS304は、放出ガスが少なく加工性に優れています。また、耐薬品性や耐食性も高く、酸化しにくい特性から最も多く使用されています。その他にも、SUS304L、SUS316、SUS316Lなどがよく使用されます。さらに、高温での強度向上のために、窒素を添加したSUS304N1やSUS316Nなどの材料も使用されています。

ニッケル

ニッケルは、加工性、放出ガスの少なさ、融点の高さ、点溶接性の良さなど、多くの点で優れた特性を持っており、高真空装置部品に多く使用されています。

銅

銅は、熱伝導率と加工性が良好です。電気伝導率にも優れ、ガラスとの溶着性も良いことから、様々な真空部品に使用されています。使用される銅は、無酸素銅、電気銅、脱酸銅の3種類です。特に無酸素銅は、ガスケット、真空配管、真空ポンプ底板、ジェットノズル、バッフル、冷却管、電子管陽極、電子線加速管などに用いられます。放射光施設では、光脱離した無酸素銅が加速器の真空チャンバーを構成しています。

金

純金は柔らかく、化学的に安定しており、蒸気圧も低いのが特徴です。主に超高真空用ガスケットやろう付け材料として使用されます。

アルミニウム

アルミニウムとその合金は、柔らかく加工しやすいため、ガスケットをはじめ、油拡散ポンプ、ガイスラー管電極などの部材、真空蒸着用材料、さらには真空チャンバーにも使用されます。純度の高いアルミニウムは、導電率が大きく、引張強さや硬さは小さくなりますが、耐食性は高くなります。近年では、コスト削減のため、アルミニウム合金による真空チャンバーの鋳物製作も増えています。

水銀

水銀は、水銀拡散ポンプ、水銀整流器、マクラウド真空計など、古くから真空装置用部品として使用されてきました。化学的には貴金属に近く、常温で空気や酸素と反応しにくい性質を持ちます。ただし、室温でも少しずつ蒸発し、人体に有害であるため、パラフィン油などで表面を覆い、蒸発を抑制する必要があります。

タングステン

タングステンは、金属の中で最も高い融点（3640℃）を持ち、高温引張強度が大きく、放出ガスも非常に少ないため、電子管をはじめ、各種電球のフィラメントなど、真空部品として広く利用されています。また、白金族に次ぐ密度と防錆性を有しています。さらに、Ta（タンタル）やMo（モリブデン）を添加することで、純タングステンよりも電気抵抗が増加し、強度や伸展性が向上するため、電子管のヒーターによく使用されます。

モリブデン

モリブデンは、融点がタングステンより低いものの、2880℃と非常に高いのが特徴です。タングステンと化学的特性が似ていますが、より柔らかく加工性に優れるため、電子管の陽極材料や真空炉の遮蔽板、反射板、高温部の支持材料などに使用されます。

チタン

チタンは、軽量で強度が高く、腐食しにくい材料です。また、耐熱性も良好です。特に真空用途では、化学的に活性が高くガスと反応しやすいという性質を利用して、チタンゲッターポンプのゲッター材料や、活性合金法によるセラミック電子管などに使用されます。チタンは、酸素、窒素、水素と活発に反応して化合物を生成します。また、真空用構造材としてもチタン合金が使用されています。

タンタル

タンタルは、比較的高温でゲッター作用があり、高温強度が優れているため、直熱フィラメントのスプリングに使用されます。また、加工性が良く放出ガスが少ないほか、高温でガス抜きしたものはガス吸着性が高くなります。ただし、水素中で熱処理すると脆い水素化合物を生成するため、必ず真空処理を行う必要があります。

ジルコニウム

ジルコニウムは、ゲッター、真空管陽極の熱ふく射増加、格子二次電子防止塗布材として使用されます。ガスに対する活性度が非常に高い金属です。

非金属材料

真空用材料としては、非金属材料も多く使用されます。シール材や真空グリースなどの有機材料と、絶縁材や窓などに使用される無機材料があります。

有機材料

真空ポンプ油

真空ポンプ油は、油回転ポンプ、ブースター、エジェクター、油拡散ポンプなどに使用され、それぞれに適した油を使用する必要があります。基本的には、ポンプメーカーが推奨する油を使用します。真空ポンプ油に求められる性質としては、蒸気圧が低いこと、大気圧あるいはそれに近い圧力下で加熱したときに酸化しにくいこと、揮発成分を含まないこと、化学的に不活性であること、適度な粘度があること、ポンプ作用を効果的にするために分子量が大きいこと、金属表面などに固体となって付着しないことなどが挙げられます。

真空グリース

真空グリースは、真空装置のゴムガスケット面の気密保持や、駆動機構（ベアリングやガイド）の潤滑、真空バルブのコックの摩擦面の潤滑などに使用されてきました。近年では、温度変化による粘度変化が少なく、高低温で使用可能で、室温で蒸気圧が低いシリコングリースが広く使用されています。最近では、より蒸気圧の低いフッ素系オイルなども開発されており、グリースとしての性能も向上しています。ただし、真空グリースは潤滑性に劣るため、駆動部に使用する場合には、荷重や周速条件などを大きく制限する必要があり、また、水分を取り込みやすいため、使用量に注意が必要です。

ゴム（エラストマー）

ゴムは、真空チャンバー全体の密封のために、チャンバーとの接続部や真空バルブのシール材として多く使用されています。真空中に使用されるゴムには、天然ゴムと合成ゴムがありますが、ネオプレンゴム、ニトリルゴム、シリコンゴム、フッ素ゴムなどの合成ゴムが、真空用途に広く用いられています。合成ゴムは、耐高温性、ガス透過性が小さいものが多く、耐油性、耐酸性、耐アルカリ性も天然ゴムに比べて優れています。代表的な材料としては、デュポン社が開発したバイトンがあり、真空用のゴムガスケットシールに多く使用されています。また、より高温で使用するために開発されたカルレッツなどの材料もあります。

エンジニアプラスチック

一般的に使用されるプラスチックは、真空中でガスを多く放出するため、真空環境には適していません。しかし、近年は、放出ガスが非常に少ない高性能エンジニアプラスチックが多く開発されており、真空中に使用される例が増えています。代表的なエンジニアプラスチックとしてはPEEKがあり、耐熱温度が高く、機械加工が容易で、機械的性質にも優れ、放出ガスも少ないため、真空環境に適しています。

無機材料

ガラス

ガラスは、主にのぞき窓や高温プロセスに使用される場合の内部構造体、溶融するシリコンの坩堝などに使用されます。軟質ガラス、硬質ガラス、石英ガラスに大別され、用途によって組成や特性が異なります。一般的な特徴は、透明性、絶縁性、高放射率であり、セラミックスに比べて加工性があり安価です。のぞき窓に使用する場合は、ヘリウムガスの透過率が高いことに注意が必要です。高温環境で使用する場合には、ガラスと金属との熱膨張率が大きく異なるため、構造に注意する必要があります。

セラミックス

セラミックスは、真空への電気導入のための電気フィードスルーの絶縁シールや、電極支持の絶縁材料として使用されます。セラミックスの特徴は、金属と接着でき、抵抗率が高いことです。また、熱的にガラスやマイカよりも強く、熱膨張係数が直線的で、機械的に寸法精度を高くすることが可能です。

封着加工材

真空チャンバーや内部の構造は、複雑な金属構造体であることが多く、溶接によって加工される場合が多くあります。金属の溶接は、融接、圧接、ろう接に大別されます。どの溶接方法を選択するかは、用途、構造などの機能、性能、対象金属、真空中で行われるプロセス、温度などを考慮して決定する必要があります。真空装置や真空部品の接合には、ろう接のはんだ付けやろう付けが広く用いられており、ろう材としては、銀ろう、金ろう、銅ろうなどが一般的に使用されます。

金属とガラス封着材

金属とガラスを接着して真空シールを行うためには、お互いによく馴染むことと、両者の熱膨張特性が適当であることが必要です。金属の熱膨張率が大きいときにはガラスの外側から、反対の場合には内側から封着するのが一般的です。銅は、熱膨張係数が大きいものの、ガラスによく馴染み、機械的なクリープ特性も良好なため、ガラスにクラックを生じることなく封着することができます。ガラス絶縁部の加熱に対して丈夫な硬質ガラスを用いる必要がある場合には、熱膨張特性が硬質ガラスに近いコバールがよく用いられます。

金属とセラミックス封着材

金属とセラミックスの封着は、セラミックスがガラスに比べて常温から高温に至るまで強度が高い点や、接着寸法精度の高さなどを利用して行われます。付着の方法は、セラミック表面にメタライズ処理を行った後、金属とろう付けします。現在、最も安定した方法として用いられるメタライズ処理は、Mo（モリブデン）、Mo-Mn（マンガン）微粉末ペーストを用いた高融点金属法と、Ti（チタン）、Zr（ジルコニウム）と共晶組成となるNi（ニッケル）、Cu（銅）などを用いた活性化金属法です。

参考文献

真空基礎講座・真空応用講座　日本真空工業会監修
真空用語事典日本真空工業会編 ISBN 978-4-7693-2156-9

真空用材料