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Patent Searching and Data


Title:
MICRO VACUUM GAUGE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/096504
Kind Code:
A1
Abstract:
A micro vacuum gauge comprises a substrate, a floating structure which is held above the substrate by a support structure extending from the substrate in such a state that the floating structure is thermally isolated from the substrate, a heat generation element which is disposed on the floating structure and generates heat, and a temperature sensor which is disposed on the floating structure and measures the difference in temperature between the substrate and the floating structure. A second member having a radiation rate lower than that of a first member surrounding the heat generation element and the temperature sensor is so joined to the first member as to be provided on at least the surface of the floating structure.

Inventors:
KIMATA, Masafumi (C/O FACULTY OF SCIENCE AND ENGINEERING, RITSUMEIKAN UNIVERSITY BIWAKO-KUSATSU CAMPUS, 1-1, Nojihigashi 1-chom, Kusatsu-shi Shiga 77, 5258577, JP)
Application Number:
JP2009/051533
Publication Date:
August 06, 2009
Filing Date:
January 30, 2009
Export Citation:
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Assignee:
THE RITSUMEIKAN TRUST (1-7 Toganoocho, Nishinokyo Nakagyo-k, Kyoto-shi Kyoto 20, 6048520, JP)
学校法人立命館 (〒20 京都府京都市中京区西ノ京栂尾町1番地の7 Kyoto, 6048520, JP)
International Classes:
G01L21/12
Foreign References:
JPH07325002A1995-12-12
JP2006153782A2006-06-15
JPH08166269A1996-06-25
JPH0989617A1997-04-04
JP2003323072A2003-11-14
Other References:
A.W. VAN HERWAARDEN; P.M. SARRO J.VAC. SCI. TECHNOL. vol. A5, no. 4, 1987, pages 2454 - 2457
See also references of EP 2237009A1
Attorney, Agent or Firm:
WATANABE, Mitsuhiko (OSAKA NIKKO BUILDING, 11-8 Sonezaki 2-chome,Kita-ku, Osaka-sh, Osaka 57, 5300057, JP)
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Claims:
 基板と、該基板から延びる支持構造体によって前記基板から熱分離された状態で前記基板の上方に保持された浮遊構造体と、該浮遊構造体に配置されて発熱する発熱体と、前記浮遊構造体に配置されて前記基板と前記浮遊構造体との温度差を計測する温度センサと、を備えてなるマイクロ真空計において、
 前記浮遊構造体の少なくとも表面に、前記発熱体及び前記温度センサの周囲を覆う第1部材より放射率の低い第2部材が、前記第1部材に接合して形成されたことを特徴とするマイクロ真空計。
 前記第2部材が、前記第1部材よりも反射率が高いことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ真空計。
 前記第1部材が酸化シリコンまたは窒化シリコンであって、前記第2部材がアルミニウム、チタン、金、タングステン、または白金であることを特徴とする請求項2に記載のマイクロ真空計。
 前記第2部材が、前記第1部材よりも透過率が高いことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ真空計。
 前記第1部材が酸化シリコンまたは窒化シリコンであって、前記第2部材が単結晶シリコン、多結晶シリコン、またはアモルファスシリコンであることを特徴とする請求項4に記載のマイクロ真空計。
 前記第1部材が平面板状に形成され、前記第2部材が前記第1部材の上面及び下面を覆って形成されたことを特徴とする請求項2又は3に記載のマイクロ真空計。
 前記基板の上面に窪み部が形成され、前記浮遊構造体が前記支持構造体によって前記窪み部の上方に保持されることを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載のマイクロ真空計。
 前記基板の上面が平坦に形成され、前記浮遊構造体が前記支持構造体によって前記基板の上面より上方に持ち上げるように保持されることを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載のマイクロ真空計。
 前記第2部材が、複数の薄膜の積層構造からなることを特徴とする請求項1から8の何れかに記載のマイクロ真空計。
 基板と、該基板から延びる支持構造体によって前記基板から熱分離された状態で前記基板の上方に保持された浮遊構造体と、該浮遊構造体に配置されて発熱する発熱体と、前記浮遊構造体に配置されて前記基板と前記浮遊構造体との温度差を計測する温度センサと、を備えてなるマイクロ真空計において、
 前記基板に、赤外線を反射して前記浮遊構造体からの輻射によるエネルギー損失を減少させる部材が形成されたことを特徴とするマイクロ真空計。
 前記基板の上面に窪み部が形成されるとともに該窪み部の上方に前記浮遊構造体が前記支持構造体によって保持される一方、前記赤外線を反射する部材が前記基板の裏面に形成されることを特徴とする請求項10に記載のマイクロ真空計。
 前記基板の上面に窪み部が形成されるとともに該窪み部の上方に前記浮遊構造体が前記支持構造体によって保持される一方、前記赤外線を反射する部材が前記基板から延出して前記浮遊構造体の上方を覆うように形成されることを特徴とする請求項10に記載のマイクロ真空計。
 前記基板の上面が平坦に形成されるとともに前記浮遊構造体が前記支持構造体によって前記基板の上面より上方に持ち上げるように保持される一方、前記赤外線を反射する部材が前記基板の上面に形成されることを特徴とする請求項10に記載のマイクロ真空計。
 前記基板の上面が平坦に形成されるとともに前記浮遊構造体が前記支持構造体によって前記基板の上面より上方に持ち上げるように保持される一方、前記赤外線を反射する部材が前記基板から延出して前記浮遊構造体の上方を覆うように形成されることを特徴とする請求項10に記載のマイクロ真空計。
 基板と、該基板から延びる支持構造体によって前記基板から熱分離された状態で前記基板の上方に保持された浮遊構造体と、該浮遊構造体に配置されて発熱する発熱体と、前記浮遊構造体に配置されて前記基板と前記浮遊構造体との温度差を計測する温度センサと、を備えてなるマイクロ真空計において、
 前記基板を実装するパッケージ基板に、赤外線を反射して前記浮遊構造体からの輻射によるエネルギー損失を減少させる部材が形成されたことを特徴とするマイクロ真空計。
 前記浮遊構造体の下方に前記基板を上下方向に貫通して空洞が形成され、該空洞を囲む前記基板の内面に、前記赤外線を反射する部材が形成されたことを特徴とする請求項15に記載のマイクロ真空計。
 基板と、該基板から延びる支持構造体によって前記基板から熱分離された状態で前記基板の上方に保持された浮遊構造体と、該浮遊構造体に配置されて発熱する発熱体と、前記浮遊構造体に配置されて前記基板と前記浮遊構造体との温度差を計測する温度センサと、を備えてなるマイクロ真空計において、
 前記浮遊構造体を上方から覆い囲うパッケージキャップに、赤外線を反射して前記浮遊構造体からの輻射によるエネルギー損失を減少させる部材が形成されたことを特徴とするマイクロ真空計。
Description:
マイクロ真空計

 本発明は、大気圧以下に減圧された真空容 内の圧力を計測するマイクロ真空計に関す 。特に、MEMS(Micro-Electro-Mechanical
Systems)技術を利用したデバイスに必要な低圧 を測定するマイクロ真空計に関する。

 電子デバイスのうちMEMS技術を利用したデ バイス等の中には、真空封止されたパッケー ジに実装することによって性能が飛躍的に向 上するものがある。

 例えば、熱型赤外線センサにおいては、 ンサ構造体からの熱放散が性能に大きな影 を与え、大気を通した熱伝導を可能な限り らすことが望まれている。また、加速度セ サや角速度センサにおいては、特定の用途 は大気によるダンピング(空気の機械的な抵 抗)を減らすために真空環境で動作させる必 があるものもある。さらに、高周波デバイ においては、振動するデバイスであるレゾ ーターの特性を向上させる目的や、スイッ など機械的接触を伴うデバイスのスティッ ング(可動構造体の基板への付着)を防止する 目的で真空封止が行われている。

 こうした真空封止が必要な電子デバイス 信頼性試験あるいは自己診断(製品が正常に 動作していることをチェックするために製品 に搭載された機能)のために、デバイスを収 するパッケージ内の圧力(気圧)を計測する必 要がある。

 電子デバイスのパッケージのような微小空 の気体の圧力測定としては、半導体プロセ で作製可能な微小なヒータを半導体基板か 断熱(熱コンダクタンスの低い状態)に保持 、この気体の熱伝導の圧力依存性を利用し 熱伝導方式のマイクロ真空計等が知られて る(例えば、非特許文献1参照。)。
A. W. van Herwaarden and P. M. Sarro, J.Vac.  Sci. Technol., Vol. A 5, No. 4, pp. 2454- 2457, 19 87.

 従来の熱伝導方式のマイクロ真空計90は 図16および図17に基本構造を示すように、半 体基板91に形成された空洞Sの上方に保持さ た浮遊構造体92を有しており、浮遊構造体92 にはヒータ93と温度センサ94が配置されてい 。図で示した例では、浮遊構造体92が半導体 基板91の上面とほぼ同じ高さに支持するよう 支持構造体98にて支持されているが、浮遊 造体92を半導体基板91の上面から上方に持ち げた構造とすることも可能である。

 次に、マイクロ真空計90の動作について 明する。ヒータ93に電流を流してジュール熱 を発生させると浮遊構造体92の温度が上昇す 。温度上昇は、ヒータ93に投入する電力と 遊構造体92からヒートシンクとなる半導体基 板91および図示しない周囲の構造に流れる熱 失(伝達される熱量)とにより決まる。この 損失は、浮遊構造体92を取り巻く気体を通し た熱伝導、支持構造体98を通した熱伝導、浮 構造体92からの熱輻射の3つからなる。

 浮遊構造体92からの熱損失Qと周囲の気体 圧力Pとの関係は、縦軸、横軸ともに対数軸 をとった図18に示すように、3つの領域R1、R2 R3に分割して考えることができる。領域R1は 高い気圧の領域であるので気体の平均自由 程が空洞Sの長さに比べて短く、気体の熱伝 導が圧力Pに依存しないことを反映して、対 の効果により僅かな圧力依存性は有するが 熱損失Qが圧力Pにほとんど依存しない領域で ある。領域R2は、気体の平均自由行程が空洞S の長さより長いため、気体を通した熱伝導が 気体の圧力(分子密度)に比例し、圧力の減少 ともに熱損失が減少する領域である。領域R 3は、気体の圧力Pには依存せず、支持構造体9 8を通した熱伝導による熱損失と浮遊構造体92 からの熱放射(熱輻射)による熱損失を加算し 最低レベルの熱損失Qとなる低圧領域である 。

 上述した熱損失の周囲の気体の圧力依存 を考慮すると、温度センサ94にて計測され 温度は、ヒータ93に一定電流を投入した場合 、領域R1では変化なく圧力の計測はできない 、領域R2では気体を通した熱伝導が圧力の 下とともに減少するので温度が上昇し、領 R3では再び圧力依存性がなくなり一定温度と なる。従って、従来の熱伝導方式のマイクロ 真空計90は、領域R2の範囲内でのみ圧力を計 することができ、その下限は1Pa程度であっ 。

 従来の熱伝導方式のマイクロ真空計90は 十分に低い圧力を計測することができない いう問題があった。特に、真空封止されて 用される熱型赤外線センサのパッケージ内 圧力変化を計測することができないという 題があった。すなわち、熱伝導方式マイク 真空計の熱損失メカニズムは、真空封止さ て使用される熱型赤外線センサの熱損失メ ニズムと同じであり、熱型赤外線センサの 度が封止されたパッケージ内の気体の圧力 依存する圧力領域は、領域R2とほぼ一致して いる。そのため、通常パッケージ内の気体の 圧力が感度に影響を与えないよう十分低い圧 力に保たれているので、パッケージ内の圧力 変化を計測することができず、信頼性試験や 自己診断を行う際に問題となっていた。僅か な真空度の劣化を検出することが可能となれ ば、欠陥の発生等を早期に検出できる利点が ある。

 熱型赤外線センサ以外の真空封止デバイ でも、パッケージ内の僅かな真空度の劣化 検出することは、デバイス開発の中で重要 あるが、これまでこうした要求を満たすマ クロ真空計は存在しなかった。

 本発明は、かかる問題を解決すべくなさ たものであり、MEMSデバイスなどに集積化さ れた熱伝導方式のマイクロ真空計によりデバ イスの信頼性試験や自己診断を行えるよう低 圧側に計測可能な圧力範囲を拡大し、計測下 限を向上することを目的とする。さらに、微 小な空間の圧力計測が可能な超小型の熱伝導 方式のマイクロ真空計の計測範囲を拡大する ことにより、マイクロ真空計の応用分野を拡 大することを目的とする。

 上記目的を達成するための本発明に係る イクロ真空計は、基板と、該基板から延び 支持構造体によって前記基板から熱分離さ た状態で前記基板の上方に保持された浮遊 造体と、該浮遊構造体に配置されて発熱す 発熱体と、前記浮遊構造体に配置されて前 基板と前記浮遊構造体との温度差を計測す 温度センサと、を備えてなるマイクロ真空 において、前記浮遊構造体の少なくとも表 に、前記発熱体及び前記温度センサの周囲 覆う第1部材より放射率の低い第2部材が、 記第1部材に接合して形成されたことを特徴 している。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 記第2部材が、前記第1部材よりも反射率が いことを特徴としている。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 記第1部材が酸化シリコンまたは窒化シリコ ンであって、前記第2部材がアルミニウム、 タン、金、タングステン、または白金であ ことを特徴としている。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 記第2部材が、前記第1部材よりも透過率が いことを特徴としている。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 記第1部材が酸化シリコンまたは窒化シリコ ンであって、前記第2部材が単結晶シリコン 多結晶シリコン、またはアモルファスシリ ンであることを特徴としている。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 記第1部材が平面板状に形成され、前記第2 材が前記第1部材の上面及び下面を覆って形 されたことを特徴としている。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 記基板の上面に窪み部が形成され、前記浮 構造体が前記支持構造体によって前記窪み の上方に保持されることを特徴としている

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 記基板の上面が平坦に形成され、前記浮遊 造体が前記支持構造体によって前記基板の 面より上方に持ち上げるように保持される とを特徴としている。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 記第2部材が、複数の薄膜の積層構造からな ることを特徴としている。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 板と、該基板から延びる支持構造体によっ 前記基板から熱分離された状態で前記基板 上方に保持された浮遊構造体と、該浮遊構 体に配置されて発熱する発熱体と、前記浮 構造体に配置されて前記基板と前記浮遊構 体との温度差を計測する温度センサと、を えてなるマイクロ真空計において、前記基 に、赤外線を反射して前記浮遊構造体から 輻射によるエネルギー損失を減少させる部 が形成されたことを特徴としている。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 記基板の上面に窪み部が形成されるととも 該窪み部の上方に前記浮遊構造体が前記支 構造体によって保持される一方、前記赤外 を反射する部材が前記基板の裏面に形成さ ることを特徴としている。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 記基板の上面に窪み部が形成されるととも 該窪み部の上方に前記浮遊構造体が前記支 構造体によって保持される一方、前記赤外 を反射する部材が前記基板から延出して前 浮遊構造体の上方を覆うように形成される とを特徴としている。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 記基板の上面が平坦に形成されるとともに 記浮遊構造体が前記支持構造体によって前 基板の上面より上方に持ち上げるように保 される一方、前記赤外線を反射する部材が 記基板の上面に形成されることを特徴とし いる。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 記基板の上面が平坦に形成されるとともに 記浮遊構造体が前記支持構造体によって前 基板の上面より上方に持ち上げるように保 される一方、前記赤外線を反射する部材が 記基板から延出して前記浮遊構造体の上方 覆うように形成されることを特徴としてい 。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 板と、該基板から延びる支持構造体によっ 前記基板から熱分離された状態で前記基板 上方に保持された浮遊構造体と、該浮遊構 体に配置されて発熱する発熱体と、前記浮 構造体に配置されて前記基板と前記浮遊構 体との温度差を計測する温度センサと、を えてなるマイクロ真空計において、前記基 を実装するパッケージ基板に、赤外線を反 して前記浮遊構造体からの輻射によるエネ ギー損失を減少させる部材が形成されたこ を特徴としている。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 記浮遊構造体の下方に前記基板を上下方向 貫通して空洞が形成され、該空洞を囲む前 基板の内面に、前記赤外線を反射する部材 形成されたことを特徴としている。

 また、本発明に係るマイクロ真空計は、 板と、該基板から延びる支持構造体によっ 前記基板から熱分離された状態で前記基板 上方に保持された浮遊構造体と、該浮遊構 体に配置されて発熱する発熱体と、前記浮 構造体に配置されて前記基板と前記浮遊構 体との温度差を計測する温度センサと、を えてなるマイクロ真空計において、前記浮 構造体を上方から覆い囲うパッケージキャ プに、赤外線を反射して前記浮遊構造体か の輻射によるエネルギー損失を減少させる 材が形成されたことを特徴としている。

 本発明に係るマイクロ真空計によれば、 熱体および温度センサの周囲を覆う第1部材 よりも放射率の低い第2部材が浮遊構造体の なくとも表面に形成されるので、浮遊構造 全体が第1部材と同じ材質からなる従来のマ クロ真空計に比べて、浮遊構造体からの熱 射による熱損失が小さくなる。そのため、 イクロ真空計にて計測可能な圧力範囲を低 側に拡大することが可能となる。

 また、本発明に係るマイクロ真空計によ ば、第2部材が第1部材よりも反射率が高い で、第2部材の放射率を第1部材よりも低くす ることが可能となる。

 また、本発明に係るマイクロ真空計によ ば、第2部材が第1部材よりも透過率が高い で、第2部材の放射率を第1部材よりも低くす ることが可能となる。

 また、本発明に係るマイクロ真空計によ ば、浮遊構造体が基板の上面に形成された み部の上方に保持されるので、浮遊構造体 基板との間に容易に空洞を設けることがで る。

 また、本発明に係るマイクロ真空計によ ば、基板の上面が平坦に形成され、浮遊構 体が支持構造体によって基板の上面より上 に持ち上げるように保持されるので、浮遊 造体と基板との間に容易に空洞を設けるこ ができる。

 また、本発明に係るマイクロ真空計によ ば、基板に、赤外線を反射して浮遊構造体 らの輻射によるエネルギー損失を減少させ 部材が形成されるので、浮遊構造体から輻 されたエネルギーのうち前記部材が形成さ た側に輻射されたものが減少し、熱損失が さくなる。そのため、マイクロ真空計にて 測可能な圧力範囲を低圧側に拡大すること 可能となる。

 また、本発明に係るマイクロ真空計によ ば、赤外線を反射する部材が基板の裏面に 成されるので、当該部材を容易に形成する とができる。また、当該部材の追加も容易 行なうことができる。

 また、本発明に係るマイクロ真空計によ ば、赤外線を反射する部材が基板から延出 て浮遊構造体の上方を覆うように形成され ので、当該部材を容易に形成することがで る。また、当該部材の追加も容易に行なう とができる。

 また、本発明に係るマイクロ真空計によ ば、基板の上面が平坦に形成されるととも 浮遊構造体が支持構造体によって基板の上 より上方に持ち上げるように保持される一 、赤外線を反射する部材が基板の上面に形 されるので、当該部材を容易に形成するこ ができる。また、当該部材の追加も容易に なうことができる。

 また、本発明に係るマイクロ真空計によ ば、基板を実装するパッケージ基板に、赤 線を反射して浮遊構造体からの輻射による ネルギー損失を減少させる部材が形成され ので、当該部材を容易に形成することがで る。また、当該部材の追加も容易に行なう とができる。

 また、本発明に係るマイクロ真空計によ ば、浮遊構造体の下方に基板を上下方向に 通して空洞が形成され、該空洞を囲む基板 内面に、赤外線を反射する部材が形成され ので、浮遊構造体からの輻射によるエネル ー損失を減少させる効果をさらに高めるこ ができる。

 また、本発明に係るマイクロ真空計によ ば、浮遊構造体を上方から覆い囲うパッケ ジキャップに、赤外線を反射して浮遊構造 からの輻射によるエネルギー損失を減少さ る部材が形成されるので、当該部材を容易 形成することができる。また、当該部材の 加も容易に行なうことができる。

本発明の第1の実施形態に係るマイクロ 真空計10を示す平面図である。 マイクロ真空計10を示し、図1におけるA -A断面図である。 マイクロ真空計10の熱損失-圧力特性を すグラフである。 本発明の第2の実施形態に係るマイクロ 真空計20を示す断面図である。 本発明の第3の実施形態に係るマイクロ 真空計30を示す平面図である。 マイクロ真空計30を示し、図5におけるB -B断面図である。 本発明の第4の実施形態に係るマイクロ 真空計40を示す平面図である。 マイクロ真空計40を示し、図7におけるC -C断面図である。 本発明の第5の実施形態に係るマイクロ 真空計50を示す断面図である。 本発明の第5の実施形態の変形に係る イクロ真空計50´を示す断面図である。 本発明の第6の実施形態に係るマイク 真空計60を示す断面図である。 本発明の第6の実施形態の変形に係る イクロ真空計60´を示す断面図である。 本発明の第7の実施形態に係るマイク 真空計70を示す断面図である。 本発明の第7の実施形態の変形に係る イクロ真空計70´を示す断面図である。 本発明の第8の実施形態に係るマイク 真空計80を示す断面図である。 従来のマイクロ真空計90を示す平面図 ある。 従来のマイクロ真空計90を示し、図16 おけるD-D断面図である。 従来のマイクロ真空計90の熱損失-圧力 特性を示すグラフである。

符号の説明

10、20、30、40、50、50´、60、60´、70、70´、80  マイクロ真空計
11、41、71 半導体基板(基板)
12、22、32、42、52、62、72 浮遊構造体
13 ヒータ(発熱体)
14 温度センサ
15、25、55、55´、75 第1部材
16、26a、26b 第2部材(高反射率薄膜)
36 第2部材(高透過率薄膜)
17 窪み部
18、48、78 支持構造体
19、49、79 絶縁膜
56、56´、66、66´、76、76´、86 部材(高反射薄 )
 L マイクロ真空計素子
 M パッケージ基板
 N パッケージキャップ
 S 空洞

 以下、本発明の第1の実施形態に係るマイ クロ真空計10について、図面に基づき説明す 。マイクロ真空計10は、図1および図2に示す ように、半導体基板(基板)11と、半導体基板11 から熱分離された浮遊構造体12とを備える熱 導方式のマイクロ真空計である。浮遊構造 12には、ヒータ(発熱体)13および温度センサ1 4が配置されている。浮遊構造体12は、ヒータ 13および温度センサ14の周囲を覆う第1部材15 、第1部材15よりも放射率の低い第2部材16と らなっている。半導体基板11の上面に窪み部 17が形成され、浮遊構造体12が窪み部17の上方 に支持構造体18にて保持されており、半導体 板11と浮遊構造体12との間に空洞(空隙)Sを有 し空間を隔てている。

 半導体基板11および第1部材15は、MEMS技術の 表的な材料であるシリコン酸化膜SiO 2 またはシリコン窒化膜SiNを用いることができ る。半導体基板11は、窪み部17が形成された 分以外の上面は、絶縁体薄膜19で覆われてい る。支持構造体18は、絶縁物質からなり、半 体基板11の窪み部17の周囲から延びて浮遊構 造体12を窪み部17の上方にて保持する支持脚 して構成されている。

 ヒータ13は、ポリシリコンからなる抵抗 などを用いることができる。温度センサ14と しては、抵抗ボロメータ、ダイオード、熱電 素子(熱電対またはサーモパイル)などを用い ことができる。ただし、半導体基板11と浮 構造体12との温度差を計測する必要があるの で、温度差に対応した出力が得られる熱電素 子以外では、図示しないが、半導体基板11上 基準温度センサを配設することが好ましい また、ヒータ13にはヒータ配線13a、13bが接 されており、温度センサ14には温度センサ配 線14a、14bが接続されている。温度センサ14に 電素子の1つであるサーモパイルを用いた場 合には、浮遊構造体12と半導体基板11がヒー シンクとして働く領域の間に多数の配線を 成する必要が生じることもある。

 マイクロ真空計10は、図16および図17に示 た前記従来のマイクロ真空計90と同様に、 導体基板11との間に空洞Sを介する浮遊構造 12を有している。そして、マイクロ真空計10 、浮遊構造体12以外の構造は、従来のマイ ロ真空計90と同様である。しかし、浮遊構造 体12のうち第1部材15の平面的な(上面視におけ る)大きさは、ヒータ13と温度センサ14を配置 るために必要な最小サイズにすることが好 しく、従来のマイクロ真空計90における浮 構造体92が占めていたそれ以外の領域は第1 材15および浮遊構造体92と比較して放射率の い第2部材である高反射率薄膜16にて構成さ ている。

 高反射率薄膜16は、半導体製造プロセスに 配線金属材料として用いられるアルミニウ から形成されている。これにより、マイク 真空計10を製造する際に、半導体製造プロセ スを適応することができ、容易に製造するこ とが可能となる。しかしながら、アルミニウ ムに限定されるものではなく、放射率が低い ものであればチタン、金等の金属を含めてど のような材料を用いてもいい。なお、第1部 15は通常シリコン酸化膜SiO 2 、シリコン窒化膜SiN、またはこれらを基本と して他の元素を付加したものや、化学的組成 を若干変更したものに、技術的およびコスト 的観点から限定される。そのため、高反射率 薄膜16は、第1部材15を構成するこれらの材料 比較して高い反射率であればよい。また、 反射率薄膜16として、例えばフォトニック リスタルのような複数の薄膜の積層構造を 用することもできる。高反射率薄膜16は、厚 さ1μm程度でよい。また、高反射率薄膜16は、 表面がザラザラであると反射率が低くなるの で、表面は平坦かつ平滑であることが好まし い。

 支持構造体18を通した熱伝導は、支持構 体18の材料と形状により低減することが可能 である。例えば、図1および図2にて示したよ な単純な平板形状の構造ではなく、蛇行形 などを採用することにより、支持構造体18 通した熱伝導による熱損失を第1部材15と高 射率薄膜16からの熱輻射による熱損失に比べ て小さくすることが可能である。本発明は、 支持構造体18の熱伝導による熱輻射が、浮遊 造体12の熱伝導による熱損失と同等レベル たは小さい場合に特に有効である。

 マイクロ真空計10は、図1および図2におい ては、第1部材15と第2部材としての高反射率 膜16は、側面で接するような構造が示されて いる。しかし、実際にはこれらの2つの部材15 、16は、機械的および熱的に強固に接合され よう、製造プロセスと設計ルールを満たす うに構成される。例えば、高反射率薄膜16 第1部材15の一部に乗り上げた構造、第1部材1 5が複数の薄膜の積層構造からなり高反射率 膜16が第1部材15の一部に食い込んだ構造、高 反射率薄膜16が第1部材15の下に潜り込んだ構 にて構成される。

 次に、マイクロ真空計10の動作を説明す 。マイクロ真空計10は、ヒータ13と温度セン 14を配置した第1部材15と高反射率薄膜16から の熱損失を温度変化または投入する電力変化 として計測する。ここでは動作の一例として ヒータ13に一定電力を投入する場合について 明する。

 ヒータ13にヒータ配線13a、13bを通して一 電流を流し、ヒータ13にて一定電力を消費す るように駆動すると、第1部材15および第1部 15と熱的に強固に結合した高反射率薄膜16の 度は上昇する。このとき、ヒータ13に通電 ていない時からの温度変化(半導体基板11と 1部材15および高反射率薄膜16との温度差)は ヒータ13に投入した電力、支持構造体18の熱 導による熱損失、第1部材15と高反射率薄膜1 6からこれらを取り巻く気体を通しての熱伝 による熱損失、第1部材15と高反射率薄膜16か らの熱輻射による熱損失により決まる。

 上記3種類の熱損失メカニズムを考慮した 第1部材15および高反射率薄膜16全体としての 損失の気体の圧力依存性は、図3に示すよう に、従来のマイクロ真空計90と同様に、高い 圧の領域で気体の熱伝導が圧力に依存しな ことを反映して熱損失が圧力に依存しない 域R1、気体を通した熱伝導が気体の圧力の 例し圧力の減少とともに熱損失が減少する 域R2と、気体の圧力に依存しない支持構造体 18を通した熱伝導による熱損失と第1部材15と 反射率薄膜16からの熱輻射による熱損失を 算した熱損失により決まる最低レベルとな 低圧領域R3に分かれる。

 光の透過、吸収、反射に関しては、キル ホッフの法則が成立し、1つの部材では、こ れらを全て加えたものが入射した光の全体を 与えるため、それぞれの割合を加えたものは 1になる。物体からの輻射を決定する放射率 、吸収率に一致するため、反射率が1に近い 質の放射率は非常に小さくなる。

 従来のマイクロ真空計90の特性は、図3に いて点線にて示されている。これから理解 れるように、マイクロ真空計10においては 従来の浮遊構造体92を高反射率薄膜16に置き えた部分からの輻射による熱損失が減少す ことにより、支持構造体18を通した熱伝導 よる熱損失と第1部材15と高反射率薄膜16から の熱輻射による熱損失を加算した熱損失がδQ だけ小さくなる。例えば、従来の支持構造体 98を通した熱伝導による熱損失を浮遊構造体9 2からの熱輻射による熱損失に比べ無視でき ほど小さくし、従来の浮遊構造体92のほとん どを高反射率薄膜16で置き換え、さらに支持 造体18を通した熱伝導による熱損失を第1部 15と高反射率薄膜16からの熱輻射による熱損 失に比べ無視できるほど小さくした場合、す なわち、従来と本実施形態における計測可能 領域(領域R2)の下限を熱輻射が決める場合に 、領域R3の熱損失をほぼ従来の浮遊構造体92 高反射率薄膜16の放射率の比だけ小さくす ことができる。

 領域R2の特性は、従来の浮遊構造体92を高反 射率薄膜16で置き換えることにより、構造表 における気体とのエネルギー交換率が変化 る。この変化は放射率の変化に比べ十分小 いので、本マイクロ真空計10を使用するこ により、領域R2から領域R3に移行する圧力は 輻射による熱損失が低下した分のδPだけ低 側に移動し、計測可能な圧力範囲は低圧側 拡大されることになる。計測可能な圧力下 は、例えば、1×10 -2 Pa程度となる。

 マイクロ真空計10においては、支持構造 18は1つであり、長方形の平面板状構造であ が、支持構造体18は複数本からなるものであ ってもよく、蛇行形状などの複雑な形状であ ってもよい。また、支持構造体18は、第1部材 15だけでなく、高反射率薄膜16に接続する構 としてもよい。

 また、マイクロ真空計10においては、第1 材15は支持構造体18に接続した長方形の平面 板状構造であるが、製造プロセス、設計ルー ルによる制約や応力調整、構造体強度強化の ために高反射率薄膜16の周囲の全部または一 に帯状に形成することや、高反射率薄膜16 広がった面に枝状に配置することも可能で る。また、高反射率薄膜16は、その上面視に おける面積は大きい方が好ましいが、様々な 設計的制約により面積が少なくなっても、比 率的に効果が生ずる。

 次に、本発明による第2の実施形態に係る マイクロ真空計20について、図面に基づいて 明する。マイクロ真空計20は、図4に示すよ に、浮遊構造体22が窪み部17の上方をほぼ覆 うように支持構造体18にて保持されており、 遊構造体22の平面的な(上面視における)大き さとほぼ同一の第1部材25が形成され、この第 1部材25の上面および下面の全面に渡って第2 材としての高反射率膜26a、26bが形成されて る。上面視にては、前記マイクロ真空計10に おける第1部材15および高反射率膜16が占めて た領域を、第1部材25が占めることになる。 なわち、マイクロ真空計20は、図16および図 17に示した従来のマイクロ真空計90の浮遊構 体92の上面および下面に高反射率薄膜26a、26b を追加して形成した構造を有している。

 反射は最表面層の材料と構造にて決まる で、マイクロ真空計20も前記マイクロ真空 10と同様に、高反射率膜26a、26bからの輻射の 減少により領域R3の熱損失を低減し、計測可 範囲を低圧側に拡大することができる。マ クロ真空計20においては、高反射率薄膜26a 26bを浮遊構造体22の上下全面を覆うように第 1部材25の上下両面に全面に渡って形成してい るが、全面に渡っていなくともよく、上面ま たは下面の一方のみに形成してもよい。

 次に、本発明による第3の実施形態に係る マイクロ真空計30について、マイクロ真空計1 0との相違点についてのみ説明する。マイク 真空計30は、図5および図6に示すように、図1 および図2に示したマイクロ真空計10の高反射 率薄膜16を高透過率薄膜36に置き換えた以外 全てマイクロ真空計10と同じ構造である。

 上述したキルヒホッフの法則を考慮すれ 、透過率が1に近い材料は放射率が非常に小 さくなる。そのため、マイクロ真空計10の動 の説明で述べた理由と同様の理由にて、測 可能な圧力範囲を低圧側に拡大できる。通 マイクロ真空計が動作する環境の温度領域 高い場合でも200℃から300℃であり、輻射さ る光は赤外線領域の光になる。高透過率薄 36に用いる材料は、この領域の光に対して い透過性を有する低濃度ドーピングポリシ コンなどが好ましいが、これに限定されず 作温度付近の黒体が輻射する赤外線に対し 透過性の高い材料であれば同様の効果が得 れる。また、マイクロ真空計30は、図5およ 図6に示した構造、形状に限定されず、マイ ロ真空計10に関して述べた設計上の変更を 宜行うことも可能である。

 次に、本発明による第4の実施形態に係る マイクロ真空計40について、マイクロ真空計1 0との相違点についてのみ説明する。マイク 真空計40は、図7および図8に示すように、マ クロ真空計10等のように浮遊構造体12を半導 体基板11の上面とほぼ同一の高さに保持する ではなく、浮遊構造体42を支持構造体48にて 半導体基板41の上面から上方に持ち上げた状 で保持している。そのため、半導体基板41 上面に窪み部を形成する必要がない。

 このマイクロ真空計40の動作についても マイクロ真空計10と同様であり、高反射率薄 膜16からの輻射の減少により領域R3の熱損失 低減し、計測可能範囲を低圧側に拡大する とができる。また、マイクロ真空計40は、図 7および図8に示した構造、形状に限定されず マイクロ真空計10に関して述べた設計上の 更を適宜行うことも可能である。

 次に、本発明による第5の実施形態に係る マイクロ真空計50について説明する。マイク 真空計50は、図9に示すように、前記従来の イクロ真空計90に対して高反射率薄膜56を半 導体基板11の下面に追加した構成である。半 体基板11の上面には窪み部17が形成されてい る。この窪み部17の上面に高反射率薄膜を形 することは困難である。そこで、半導体基 11の裏面に高反射率薄膜56を追加して形成し ている。

 輻射によるエネルギーの授受は浮遊構造 52と周辺物体の間にてなされるが、いずれ の物体の反射率が高くなると伝達されるエ ルギーが減少する。そのため、マイクロ真 計50においては、周辺物体の反射率を高めて 輻射によるエネルギー損失を減少させ、領域 R3の熱損失を低減することにより、計測可能 囲を低圧側に拡大している。輻射のエネル ーを運ぶ赤外線に対し半導体基板11の材料 あるシリコンは透明性が高いので、このよ な効果を得ることができる。

 次に、本発明による第5の実施形態の変形 に係るマイクロ真空計50´について説明する マイクロ真空計50´は、図10に示すように、 記マイクロ真空計40と同様に半導体基板41の 面に窪み部が形成されておらず、浮遊構造 52´が支持構造体48にて持ち上げられ保持さ ている。高反射率薄膜56´は、半導体基板41 に形成した絶縁膜49の上面に形成されてい 。マイクロ真空計50´は、マイクロ真空計50 同様に、浮遊構造体52´の周辺物体の反射率 高めて輻射によるエネルギー損失を減少さ 、領域R3の熱損失を低減することにより、 測可能範囲を低圧側に拡大している。

 浮遊構造体52、52´は、上側と下側の両方 赤外線を輻射する。そのため、マイクロ真 計50、50´においては、浮遊構造体52、52´か 輻射されるエネルギーのうち下側に輻射さ たものだけを減少させる効果があり、マイ ロ真空計20に比べて効果がほぼ半分になる なお、他の実施形態と組み合わせてマイク 真空計の効果を補完するために使用するこ もできる。

 次に、本発明による第6の実施形態に係る マイクロ真空計60について説明する。マイク 真空計60は、図11に示すように、前記従来の マイクロ真空計90に対して、浮遊構造体52の 方を空間を隔てて覆う高反射率薄膜66を追加 した構成である。半導体基板11の上面には窪 部17が形成されている。高反射率薄膜66は、 半導体基板11上の絶縁膜19の上面に上方に延 するように形成されている。高反射率薄膜66 は、上面視にて浮遊構造体52と重なり合うよ に形成されている。マイクロ真空計60は、 イクロ真空計50とは上下逆に、浮遊構造体52 ら輻射されるエネルギーのうち上側に輻射 れたものだけを減少させる効果がある。な 、他の実施形態に付加した形で実現するこ もでき、マイクロ真空計の効果をさらに向 することが可能となる。

 次に、本発明による第6の実施形態の変形 に係るマイクロ真空計60´について説明する マイクロ真空計60´は、図12に示すように、 遊構造体52´の上方を空間を隔てて覆う高反 率薄膜66´が半導体基板41上に形成した絶縁 49の上面に形成されている。高反射率薄膜66 ´は、上面視にて浮遊構造体52´と重なり合う ように形成されている。マイクロ真空計60´ 、マイクロ真空計50´とは上下逆に、浮遊構 体52´から輻射されるエネルギーのうち上側 に輻射されたものだけを減少させる効果があ る。なお、他の実施形態に付加した形で実現 することもでき、マイクロ真空計の効果をさ らに向上することが可能となる。

 次に、本発明による第7の実施形態に係る マイクロ真空計70について説明する。マイク 真空計70においては、図13に示すように、半 導体基板11、浮遊構造体52や支持構造体18等か らなるマイクロ真空計素子Lは従来と同じ構 を有している(前記従来のマイクロ真空計90 全く同じ構成である。)が、マイクロ真空計 子Lを実装するパッケージ基板Mのマイクロ 空計素子Lとの接合面に高反射率薄膜76が形 されている。高反射率薄膜76は、上面視にて 浮遊構造体52と重なり合うように形成されて る。マイクロ真空計70は、マイクロ真空計50 と同様に、浮遊構造体52から輻射されるエネ ギーのうち下側に輻射されたものだけを減 させる効果がある。なお、他の実施形態に 加した形で実現することもでき、マイクロ 空計の効果をさらに向上することが可能と る。

 次に、本発明による第7の実施形態の変形 に係るマイクロ真空計70´について説明する マイクロ真空計70´においては、図14に示す うに、そのマイクロ真空計素子L´の半導体 板71に上下方向に貫通した空洞S´が形成され ているとともに、浮遊構造体72が支持構造体7 8により両持ちにて支持されている。そして マイクロ真空計素子L´を実装するパッケー 基板Mのマイクロ真空計素子L´との接合面に 反射率薄膜76が形成されている。さらに、 洞S´は半導体基板71を貫通して形成するため に、半導体基板71の裏面からの異方性エッチ グを行うのが一般的であり、この場合、空 S´は下面に開いた形状となる。そのため、 洞S´を囲む半導体基板71の内面上に高反射 薄膜76´を形成することができ、さらに効果 高めることが可能となる。

 本発明による第8の実施形態に係るマイク ロ真空計80について説明する。マイクロ真空 80においては、図15に示すように、マイクロ 真空計素子Lを実装するパッケージ基板Mに装 されてマイクロ真空計素子Lを上方から覆い 囲うパッケージキャップNの内面に高反射率 膜86が形成されている。高反射率薄膜86は、 面視にて浮遊構造体52と重なり合うように 成されている。マイクロ真空計80は、マイク ロ真空計60と同様に、浮遊構造体52から輻射 れるエネルギーのうち上側に輻射されたも だけを減少させる効果がある。なお、他の 施形態に付加した形で実現することもでき マイクロ真空計の効果をさらに向上するこ が可能となる。

 以上のように、本発明に係るマイクロ真 計は、従来のマイクロ真空計に比べ低圧側 測定範囲を拡大したので、熱型赤外線セン などで上限圧力として要求される圧力レベ より低い圧力の計測を可能にした。本発明 係るマイクロ真空計は、熱型赤外線センサ 作製する製造プロセスと同じ技術で作製す ことができるので、熱型赤外線センサに集 化して、信頼性試験における真空度劣化の 響の解析や、実フィールドで使用される製 の自己診断に適用することができる。MEMSデ バイスでは、物理量センサである加速度セン サや角速度センサや、RF MEMS(高周波MEMS)と呼 れる技術分野でも真空封止技術が高性能化 高信頼性化のキー技術と考えられており、 うしたデバイスの中に集積化されて使用さ ることも期待できる。また、MEMS技術により 作製していない本発明に係るマイクロ真空計 は、サイズが大きいため使用する対象が限定 されているが、マイクロ真空計が計測範囲で 従来の真空計に匹敵する性能を有するように なると、応用分野はMEMSデバイス以外の微小 域圧力計測にも広がると考えられる。