JP5002861B2

JP5002861B2 - マイクロ真空計

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Publication number: JP5002861B2
Application number: JP2009551589A
Authority: JP
Inventors: 雅章木股
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Current assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2029-01-30
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Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気圧以下に減圧された真空容器内の圧力を計測するマイクロ真空計に関する。特に、ＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical
Systems)技術を利用したデバイスに必要な低圧域を測定するマイクロ真空計に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
例えば、熱型赤外線センサにおいては、センサ構造体からの熱放散が性能に大きな影響を与え、大気を通した熱伝導を可能な限り減らすことが望まれている。また、加速度センサや角速度センサにおいては、特定の用途で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要があるものもある。さらに、高周波デバイスにおいては、振動するデバイスであるレゾネーターの特性を向上させる目的や、スイッチなど機械的接触を伴うデバイスのスティッキング（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。
【０００４】
こうした真空封止が必要な電子デバイスの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、デバイスを収納するパッケージ内の圧力（気圧）を計測する必要がある。
【０００５】
電子デバイスのパッケージのような微小空間の気体の圧力測定としては、半導体プロセスで作製可能な微小なヒータを半導体基板から断熱（熱コンダクタンスの低い状態）に保持し、この気体の熱伝導の圧力依存性を利用した熱伝導方式のマイクロ真空計等が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【非特許文献１】
A. W. van Herwaarden and P. M. Sarro, J.Vac. Sci. Technol., Vol. A 5, No. 4, pp. 2454- 2457, 1987.
【０００６】
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、半導体基板９１に形成された空洞Ｓの上方に保持された浮遊構造体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が配置されている。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に支持構造体９８にて支持されているが、浮遊構造体９２を半導体基板９１の上面から上方に持ち上げた構造とすることも可能である。
【０００７】
次に、マイクロ真空計９０の動作について説明する。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の温度が上昇する。温度上昇は、ヒータ９３に投入する電力と浮遊構造体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損失（伝達される熱量）とにより決まる。この熱損失は、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、浮遊構造体９２からの熱輻射の３つからなる。
【０００８】
浮遊構造体９２からの熱損失Ｑと周囲の気体の圧力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行程が空洞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、対流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、圧力の減少とともに熱損失が減少する領域である。領域Ｒ３は、気体の圧力Ｐには依存せず、支持構造体９８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た最低レベルの熱損失Ｑとなる低圧領域である。
【０００９】
上述した熱損失の周囲の気体の圧力依存性を考慮すると、温度センサ９４にて計測される温度は、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が、領域Ｒ２では気体を通した熱伝導が圧力の低下とともに減少するので温度が上昇し、領域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測することができ、その下限は１Ｐａ程度であった。
【発明の開示】
発明が解決しようとする課題
［００１０］
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という問題があった。特に、真空封止されて使用される熱型赤外線センサのパッケージ内の圧力変化を計測することができないという問題があった。すなわち、熱伝導方式マイクロ真空計の熱損失メカニズムは、真空封止されて使用される熱型赤外線センサの熱損失メカニズムと同じであり、熱型赤外線センサの感度が封止されたパッケージ内の気体の圧力に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。
［００１１］
熱型赤外線センサ以外の真空封止デバイスでも、パッケージ内の僅かな真空度の劣化を検出することは、デバイス開発の中で重要であるが、これまでこうした要求を満たすマイクロ真空計は存在しなかった。
［００１２］
本発明は、かかる問題を解決すべくなされたものであり、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。
課題を解決するための手段
［００１３］
上記目的を達成するための本発明に係るマイクロ真空計は、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、前記浮遊構造体は、前記発熱体と前記温度センサの周囲を覆う第１部材と、前記第１部材の少なくとも表面に接合される前記第１部材より放射率の低い第２部材とにより形成され、該第２部材の上面視での面積が前記第１部材より大きいことを特徴としている。
［００１４］
また、本発明に係るマイクロ真空計は、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している。
［００１５］
また、本発明に係るマイクロ真空計は、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している。
［００１６］
また、本発明に係るマイクロ真空計は、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、前記浮遊構造体は、前記発熱体と前記温度センサの周囲を覆う第１部材と、前記第１部材の少なくとも表面に接合される前記第１部材より放射率の低い第２部材とにより形成され、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している。
［００１７］
また、本発明に係るマイクロ真空計は、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している。
［００１９］
また、本発明に係るマイクロ真空計は、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している。
［００２０］
また、本発明に係るマイクロ真空計は、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している。
［００２１］
また、本発明に係るマイクロ真空計は、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している。
【００２３】
また、本発明に係るマイクロ真空計は、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測定する温度センサと、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、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、前記基板の裏面に形成されることを特徴としている。
［００２４］
［００２５］
［００２６］
［００２７］
［００２８］
［００２９］
発明の効果
［００３０］
本発明に係るマイクロ真空計によれば、浮遊構造体は、発熱体と温度センサの周囲を覆う第１部材と、第１部材の少なくとも表面に接合される第１部材より放射率の低い第２部材とにより形成され、該第２部材の上面視での面積が第１部材より大きいので、浮遊構造体全体が第１部材と同じ材質からなる従来のマイクロ真空計に比べて、浮遊構造体からの熱輻射による熱損失が小さくなる。そのため、マイクロ真空計にて計測可能な圧力範囲を低圧側に拡大することが可能となる。
［００３１］
また、本発明に係るマイクロ真空計によれば、第２部材が第１部材よりも反射率が高いので、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。
［００３２］
また、本発明に係るマイクロ真空計によれば、第２部材が第１部材よりも透過率が高いので、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。
［００３３］
また、本発明に係るマイクロ真空計によれば、浮遊構造体が基板の上面に形成された窪み部の上方に保持されるので、浮遊構造体と基板との間に容易に空洞を設けることができる。
［００３４］
また、本発明に係るマイクロ真空計によれば、基板の上面が平坦に形成され、浮遊構造体が支持構造体によって基板の上面より上方に持ち上げるように保持されるので、浮遊構造体と基板との間に容易に空洞を設けることができる。
［００３５］
［００３６］
また、本発明に係るマイクロ真空計によれば、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浮遊構造体が支持構造体によって保持される一方、赤外線を反射して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、基板の裏面に形成されるので、当該部材を容易に形成することができる。また、当該部材の追加も容易に行なうことができる。
［００３７］
［００３８］
［００３９］
［００４０］
［００４１］
【図面の簡単な説明】
［００４２］
［図１］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。
［図２］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。
［図３］マイクロ真空計１０の熱損失−圧力特性を示すグラフである。
［図４］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。
［図５］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。
［図６］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。
［図７］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。
［図８］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。
［図９］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。
［図１０］本発明の第５の実施形態の変形に係るマイクロ真空計５０´を示す断面図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係るマイクロ真空計６０を示す断面図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態の変形に係るマイクロ真空計６０´を示す断面図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態に係るマイクロ真空計７０を示す断面図である。
【図１４】本発明の第７の実施形態の変形に係るマイクロ真空計７０´を示す断面図である。
【図１５】本発明の第８の実施形態に係るマイクロ真空計８０を示す断面図である。
【図１６】従来のマイクロ真空計９０を示す平面図である。
【図１７】従来のマイクロ真空計９０を示し、図１６におけるＤ−Ｄ断面図である。
【図１８】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】
【００４３】
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（高反射薄膜）
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
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
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る。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とを備える熱伝導方式のマイクロ真空計である。浮遊構造体１２には、ヒータ（発熱体）１３および温度センサ１４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と、第１部材１５よりも放射率の低い第２部材１６とからなっている。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、半導体基板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。
【００４５】
半導体基板１１および第１部材１５は、ＭＥＭＳ技術の代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が形成された部分以外の上面は、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、半導体基板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として構成されている。
【００４６】
ヒータ１３は、ポリシリコンからなる抵抗体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）などを用いることができる。ただし、半導体基板１１と浮遊構造体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上に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が接続されており、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に熱電素子の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がヒートシンクとして働く領域の間に多数の配線を形成する必要が生じることもある。
【００４７】
マイクロ真空計１０は、図１６および図１７に示した前記従来のマイクロ真空計９０と同様に、半導体基板１１との間に空洞Ｓを介する浮遊構造体１２を有している。そして、マイクロ真空計１０は、浮遊構造体１２以外の構造は、従来のマイクロ真空計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を配置するために必要な最小サイズにすることが好ましく、従来のマイクロ真空計９０における浮遊構造体９２が占めていたそれ以外の領域は第１部材１５および浮遊構造体９２と比較して放射率の低い第２部材である高反射率薄膜１６にて構成されている。
【００４８】
高反射率薄膜１６は、半導体製造プロセスにて配線金属材料として用いられるアルミニウムから形成されている。これにより、マイクロ真空計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部材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と比較して高い反射率であればよい。また、高反射率薄膜１６として、例えばフォトニッククリスタルのような複数の薄膜の積層構造を採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。
【００４９】
支持構造体１８を通した熱伝導は、支持構造体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にて示したような単純な平板形状の構造ではなく、蛇行形状などを採用することにより、支持構造体１８を通した熱伝導による熱損失を第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、浮遊構造体１２の熱伝導による熱損失と同等レベルまたは小さい場合に特に有効である。
【００５０】
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薄膜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るよう、製造プロセスと設計ルールを満たすように構成される。例えば、高反射率薄膜１６が第１部材１５の一部に乗り上げた構造、第１部材１５が複数の薄膜の積層構造からなり高反射率薄膜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造にて構成される。
【００５１】
次に、マイクロ真空計１０の動作を説明する。マイクロ真空計１０は、ヒータ１３と温度センサ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説明する。
【００５２】
ヒータ１３にヒータ配線１３ａ、１３ｂを通して一定電流を流し、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部材１５と熱的に強固に結合した高反射率薄膜１６の温度は上昇する。このとき、ヒータ１３に通電していない時からの温度変化（半導体基板１１と第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の熱伝導による熱損失、第１部材１５と高反射率薄膜１６からこれらを取り巻く気体を通しての熱伝導による熱損失、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。
【００５３】
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全体としての熱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、高い気圧の領域で気体の熱伝導が圧力に依存しないことを反映して熱損失が圧力に依存しない領域Ｒ１、気体を通した熱伝導が気体の圧力の比例し圧力の減少とともに熱損失が減少する領域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により決まる最低レベルとなる低圧領域Ｒ３に分かれる。
【００５４】
光の透過、吸収、反射に関しては、キルヒ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は、吸収率に一致するため、反射率が１に近い物質の放射率は非常に小さくなる。
【００５５】
従来のマイクロ真空計９０の特性は、図３において点線にて示されている。これから理解されるように、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に置き換えた部分からの輻射による熱損失が減少することにより、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９２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、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、さらに支持構造体１８を通した熱伝導による熱損失を第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は、領域Ｒ３の熱損失をほぼ従来の浮遊構造体９２と高反射率薄膜１６の放射率の比だけ小さくすることができる。
【００５６】
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、構造表面における気体とのエネルギー交換率が変化する。この変化は放射率の変化に比べ十分小さいので、本マイクロ真空計１０を使用することにより、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だけ低圧側に移動し、計測可能な圧力範囲は低圧側に拡大されることになる。計測可能な圧力下限は、例えば、１×１０^−２Ｐａ程度となる。
【００５７】
マイクロ真空計１０においては、支持構造体１８は１つであり、長方形の平面板状構造であるが、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に接続する構造としてもよい。
【００５８】
また、マイクロ真空計１０においては、第１部材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部に帯状に形成することや、高反射率薄膜１６の広がった面に枝状に配置することも可能である。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。
【００５９】
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、図面に基づいて説明する。マイクロ真空計２０は、図４に示すように、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、浮遊構造体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部材としての高反射率膜２６ａ、２６ｂが形成されている。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が占めていた領域を、第１部材２５が占めることになる。すなわち、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の浮遊構造体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。
【００６０】
反射は最表面層の材料と構造にて決まるので、マイクロ真空計２０も前記マイクロ真空計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、計測可能範囲を低圧側に拡大することができる。マイクロ真空計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。
【００６１】
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１０との相違点についてのみ説明する。マイクロ真空計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に置き換えた以外は全てマイクロ真空計１０と同じ構造である。
【００６２】
上述したキルヒホッフの法則を考慮すれば、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の動作の説明で述べた理由と同様の理由にて、測定可能な圧力範囲を低圧側に拡大できる。通常マイクロ真空計が動作する環境の温度領域は高い場合でも２００℃から３００℃であり、輻射される光は赤外線領域の光になる。高透過率薄膜３６に用いる材料は、この領域の光に対して高い透過性を有する低濃度ドーピングポリシリコンなどが好ましいが、これに限定されず動作温度付近の黒体が輻射する赤外線に対して透過性の高い材料であれば同様の効果が得られる。また、マイクロ真空計３０は、図５および図６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変更を適宜行うことも可能である。
【００６３】
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１０との相違点についてのみ説明する。マイクロ真空計４０は、図７および図８に示すように、マイクロ真空計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のではなく、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態で保持している。そのため、半導体基板４１の上面に窪み部を形成する必要がない。
【００６４】
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の熱損失を低減し、計測可能範囲を低圧側に拡大することができる。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変更を適宜行うことも可能である。
【００６５】
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。マイクロ真空計５０は、図９に示すように、前記従来のマイクロ真空計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。半導体基板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成することは困難である。そこで、半導体基板１１の裏面に高反射率薄膜５６を追加して形成している。
【００６６】
輻射によるエネルギーの授受は浮遊構造体５２と周辺物体の間にてなされるが、いずれかの物体の反射率が高くなると伝達されるエネルギーが減少する。そのため、マイクロ真空計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、計測可能範囲を低圧側に拡大している。輻射のエネルギーを運ぶ赤外線に対し半導体基板１１の材料であるシリコンは透明性が高いので、このような効果を得ることができる。
【００６７】
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、前記マイクロ真空計４０と同様に半導体基板４１の上面に窪み部が形成されておらず、浮遊構造体５２´が支持構造体４８にて持ち上げられ保持されている。高反射率薄膜５６´は、半導体基板４１上に形成した絶縁膜４９の上面に形成されている。マイクロ真空計５０´は、マイクロ真空計５０と同様に、浮遊構造体５２´の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、計測可能範囲を低圧側に拡大している。
【００６８】
浮遊構造体５２、５２´は、上側と下側の両方に赤外線を輻射する。そのため、マイクロ真空計５０、５０´においては、浮遊構造体５２、５２´から輻射されるエネルギーのうち下側に輻射されたものだけを減少させる効果があり、マイクロ真空計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ロ真空計の効果を補完するために使用することもできる。
【００６９】
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。マイクロ真空計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の上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の上面には窪み部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の上面に上方に延出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と重なり合うように形成されている。マイクロ真空計６０は、マイクロ真空計５０とは上下逆に、浮遊構造体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。
【００７０】
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、浮遊構造体５２´の上方を空間を隔てて覆う高反射率薄膜６６´が半導体基板４１上に形成した絶縁膜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´は、マイクロ真空計５０´とは上下逆に、浮遊構造体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。
【００７１】
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。マイクロ真空計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は従来と同じ構造を有している（前記従来のマイクロ真空計９０と全く同じ構成である。）が、マイクロ真空計素子Ｌを実装するパッケージ基板Ｍのマイクロ真空計素子Ｌとの接合面に高反射率薄膜７６が形成されている。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いる。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ルギーのうち下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。
【００７２】
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に示すように、そのマイクロ真空計素子Ｌ´の半導体基板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７８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ジ基板Ｍのマイクロ真空計素子Ｌ´との接合面に高反射率薄膜７６が形成されている。さらに、空洞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ングを行うのが一般的であり、この場合、空洞Ｓ´は下面に開いた形状となる。そのため、空洞Ｓ´を囲む半導体基板７１の内面上に高反射率薄膜７６´を形成することができ、さらに効果が高めることが可能となる。
【００７３】
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。マイクロ真空計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に装着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の内面に高反射率薄膜８６が形成されている。高反射率薄膜８６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８０は、マイクロ真空計６０と同様に、浮遊構造体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。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
以上のように、本発明に係るマイクロ真空計は、従来のマイクロ真空計に比べ低圧側の測定範囲を拡大したので、熱型赤外線センサなどで上限圧力として要求される圧力レベルより低い圧力の計測を可能にした。本発明に係るマイクロ真空計は、熱型赤外線センサを作製する製造プロセスと同じ技術で作製することができるので、熱型赤外線センサに集積化して、信頼性試験における真空度劣化の影響の解析や、実フィールドで使用される製品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、ＲＦＭＥＭＳ（高周波ＭＥＭＳ）と呼ば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、こうしたデバイスの中に集積化されて使用され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領域圧力計測にも広がると考えられる。

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、
前記浮遊構造体は、前記発熱体と前記温度センサの周囲を覆う第１部材と、前記第１部材の少なくとも表面に接合される前記第１部材より放射率の低い第２部材とにより形成され、該第２部材の上面視での面積が前記第１部材より大きい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。
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、
前記浮遊構造体は、前記発熱体と前記温度センサの周囲を覆う第１部材と前記第１部材の少なくとも表面に接合される前記第１部材より放射率の低い第２部材とにより形成され、
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５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７の何れか１項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測定する温度センサと、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、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、前記基板の裏面に形成されることを特徴とするマイクロ真空計。