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。