JP2008223694A

JP2008223694A - 熱遷移駆動型真空ポンプ

Info

Publication number: JP2008223694A
Application number: JP2007065832A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Sano; 豊佐野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2008-09-25

Abstract

【課題】ポンプ主要機構を三次元化した実用的な熱遷移駆動型真空ポンプを実現する。
【解決手段】平面的に配置されたキャピラリ集合体４と支持体５の上下に２つのコネクタ７が配置されており、ポンプ主要機構が三次元化された構造である。支持体５に設けられた貫通窓６を通じて前段と後段のコネクタが接続され、多段カスケード接続の熱遷移駆動型真空ポンプを実現しやすい。キャピラリ集合体４は、陽極酸化によるマクロポーラス・シリコンからなり、均一なクヌーセン数を持つ垂直方向に貫通した細孔又は細間隙を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱遷移作用によって駆動する熱遷移駆動型真空ポンプに関する。

まず、熱遷移駆動型真空ポンプ、いわゆるクヌーセン・ポンプの動作原理について説明する。

異なる温度に保たれた二つのコネクタ（接続室）を、気体分子の平均自由行程より小さな径のキャピラリ（細管）で接続すると、高温側コネクタ内の気体の圧力が高くなり、低温側コネクタ内の気圧は低くなる。この現象は、１９１０年にクヌーセンによって発見された。そして、クヌーセン・コンプレッサ（Ｋｎｕｄｓｅｎｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）、あるいはクヌーセン・ポンプ（Ｋｎｕｄｓｅｎｐｕｍｐ）として、気体の圧縮や減圧を行うアクチュエータへの応用が提案されている。

隣り合う二つのコネクタが等温度にある場合を図４６に、異なる温度にある場合を図４７に示す。図４６において、キャピラリのクヌーセン数ＫｎはＫｎ＞＝１であり、コネクタのクヌーセン数ＫｎはＫｎ＜＜１である。
Ｋｎ＝λ／Ｌ（無次元）
λ：規定の平均自由工程（長さの単位）、
Ｌ：キャピラリ又はコネクタの断面形状の大きさ（長さの単位）

圧力と温度の関係は以下のように表される。
ｐＬ／ｐＨ＝（ＴＬ／ＴＨ）^１／２
ＴＨ：高温側コネクタ内部の気体の温度
ＴＬ：低温側コネクタ内部の気体の温度
ｐＨ：高温側コネクタ内部の気体の圧力
ｐＬ：低温側コネクタ内部の気体の圧力

一つのコネクタと一つのキャピラリによる最小単位をカスケードに接続した場合を、図４８に示す。段数をｓとすると、圧力と温度の関係は以下のように表される。
Ｐvac／Ｐoutlet＝（ＴＬ／ＴＨ）^Ｓ／２
Ｐｏｕｔｌｅｔ：出口側圧力
Ｐｖａｃ：到達圧力

図４９は、クヌーセン・ポンプを理論的に解析するためのモデルを表している。キャピラリ内部およびコネクタ内部に生ずる希薄気体の流れを、性質の異なる二種類の流れに分けることが大きな特徴である。一つは圧力勾配によって誘起されるポアズイユ流（
Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅｆｌｏｗ）である。もう一つは壁面の温度勾配によって誘起される熱遷移流（ｔｈｅｒｍａｌｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎｆｌｏｗ）である。後者は熱ほふく流（ｔｈｅｒｍａｌｃｒｅｅｐｆｌｏｗ）とも呼ばれており、古典流体力学では予測できない希薄気体特有の流れである。

図５０に、熱遷移流もしくは熱ほふく流の生ずる原因を簡単に図示する。低温側から高温側へ向かう流れが誘起されるのは、以下の理由による。

「高温側から管壁に到着する分子の平均速さ」は、「低温側から管壁に到着する分子の平均速さ」に較べて大きい。また、管壁から離れていく分子の速度分布は、拡散反射の場合は等方的である。その結果、気体から管壁には、高温側から低温側に向かう運動量が与えられる。一方、その反作用として、気体には「低温側から高温側に向かう逆方向の運動量」が与えられる。

実際のクヌーセン・ポンプにおいては、キャピラリ内部とコネクタ内部の両方に、熱遷移流とポアズイユ流、二つの流れを仮定することにより、精度の高い解析が行われている（非特許文献１参照）。基礎となっているのは、曽根らの変形クヌーセン数展開法である（非特許文献２参照）。

ここでは、数値解析の詳細については触れない。しかし、現象を定性的に理解することは、後に述べる本発明の目的を理解する上で役に立つと思われるので、遷移流の生ずる様子を時間の経過に従って観察した結果を、簡単に紹介する。

（１）熱遷移流
キャピラリ（細管）の軸方向に沿って管壁に温度勾配が生じ、管壁近傍の気体分子は、低温コネクタから高温コネクタに向かって、「キャピラリ」の管壁に沿いながら、移動を始める。この流れが熱遷移流もしくは熱ほふく流である。

（２）ポアズイユ流
熱遷移流は、やがて両コネクタ間に圧力差を生じさせる。その結果、今度は差圧によって、高温コネクタから低温コネクタに向かって、熱遷移流と対向するように、気体分子の移動すなわちポアズイユ流が誘起される。

（３）定常状態
やがて、熱遷移流とポアズイユ流の両者は、逆向きで釣合う状態で落ち着く。すなわち、両コネクタは、キャピラリを通した見かけ上の物質移動はないものの、ある圧力差を保った状態になる。

以上が、熱遷移駆動型真空ポンプ、いわゆるクヌーセン・ポンプの動作原理の説明である。

従来、クヌーセン・ポンプにおいて、キャピラリの両端間に温度勾配を生じさせるために、以下の方法が取られてきた（図５１参照）。
（ａ）コネクタ内部の気密空間に、抵抗加熱ヒータを置く方法。
（ｂ）コネクタ内部の気密空間に、温度差形成用のペルチェ素子を置く。
（ｃ）キャピラリの一端に光を照射し熱に変換する。

例えば特許文献１（図５２参照）、非特許文献３（図５３参照）、非特許文献４（図５５参照）には、キャピラリの両端に温度勾配を形成するための抵抗加熱ヒータをコンテナ内部に作り込んだ例が示されている。ヒータで発生した熱が構造体を通して伝導するのを極力抑えるため、特許文献１と非特許文献３では、発熱体を空中に浮かせるエアブリッジ構造を採用している。非特許文献４では、サーマルガードの上にヒータ線を配置している。

また、非特許文献５（図５４参照）には、キャピラリ集合体として高分子アエロゲル膜を用い、その一面に光照射窓を通し赤外光を照射して昇温させることにより、キャピラリ集合体に温度勾配を形成する。すなわち、この例ではキャピラリ集合体が発熱体としての機能を兼ねる。

米国特許第５，８７１，３３６号公報Ｅ．Ｐ．Ｍｕｎｔｚ，Ｙ．Ｓｏｎｅ，Ｋ．Ａｏｋｉ，Ｓ．ＶａｒｇｏａｎｄＭ．Ｙｏｕｎｇ，"ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓｆｏｒａＫｎｕｄｓｅｎｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｉｎｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌｆｌｏｗ"，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ２０（１），２００２，ｐｐ．２１４−２２４曽根良夫，板倉英二，"任意Ｋｎｕｄｓｅｎ数の平面および円管Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ流と熱遷移流の変形Ｋｎｕｄｓｅｎ数展開による解析とデータベース"，真空，３３（３），１９９０，ｐｐ．９２−９７ＳｈａｍｕｓＭｃＮａｍａｒａｎｄＹｏｇｅｓｈＧｉａｎｃｈａｎｄａｎｉ，"ＡＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＫｎｕｄｓｅｎＰｕｍｐＯｎ−ＣｈｉｐＶａｃｕｕｍ"，Ｔｈｅ１２ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＳｅｎｓｏｒｓ，ＡｃｔｕａｔｏｒｓａｎｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｂｏｓｔｏｎ，Ｊｕｎｅ８−１２，２００３，ｐｐ．１９１９−１９２２ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎａｓａｔｅｃｈ．ｃｏｍ／Ｂｒｉｅｆｓ／Ｆｅｂ０３／ＮＰＯ２１１１０．ｈｔｍｌＭ．Ｙｏｕｎｇ，Ｙ．Ｌ．Ｈａｎ，Ｅ．Ｐ．ＭｕｎｔｚａｎｄＧ．Ｓｈｉｆｌｅｔｔ， "ＳｔａｔｕｓｏｆｔｈｅＫｎｕｄｓｅｎＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒｆｏｒＵｓｅｉｎＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｎｄＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＳａｍｐｌｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓ"，４ｔｈＨａｒｓｈ−ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＭａｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙＷｏｒｋｓｈｏｐ，Ｓｔ．ＰｅｔｅｒｓｂｕｒｇＢｅａｃｈ，ＦＬ，Ｏｃｔ．７−１０，２００３

従来のクヌーセン・ポンプには高性能化、小型化、集積化を図る上で解決すべき多くの課題がある。これについて次に説明する。

Ａ）キャピラリ集合体関連
キャピラリ集合体の細孔又は細間隙の方向を、基板に対し垂直な方向に揃えることができると、ポンプ主要機構の三次元化が可能となり、かつ、細孔又は細間隙に誘起される圧力差を均一化することができる。しかし、高分子アエロゲル膜は、三次元化には適しているが、個々の細孔の方向がランダムであるため細孔により誘起される圧力差が不均一になる難点がある。表面ＭＥＭＳによって作製される細間隙は同一キャピラリ内では全て同じ値の圧力差を生じるが、気体分子の流れが平面方向なのでポンプ主要機構の三次元化に難がある。

Ｂ）熱源関連
細孔又は細間隙の一端を昇温させるための熱源としては、高抵抗金属材料を用いたヒータが使われることが多い。しかし、基板表面に設けられるため配線領域が制約される上、成膜、フォトリソグラフィ、エッチングといった煩雑な配線プロセスが必要になる。微細で複雑な表面形状を持つキャピラリ集合体を均一かつ安定に昇温させることが難しい等の難点がある。熱源として、赤外光との相互作用により光子エネルギーを熱に変換する金黒や白金黒の膜が用いられることもある。しかし、メッキや真空蒸着によって成膜されたこれらの膜は、物理的強度が小さく、一般的なシリコン微細加工プロセスを適用できない。支持体領域に回りこんだ赤外迷光が、支持体をも昇温してしまうという問題もある。

Ｃ）支持体関連
細孔又は細間隙の一端を高温部、他端を低温部とし、細孔又は細間隙の両端間に大きな温度勾配を形成することが、大きな圧力差を得るための必要条件である。しかし、高温部の熱が低温部へ拡散するという問題があった。このような熱の拡散を防ぐためには、キャピラリ集合体自体の細孔又は細間隙の軸方向の熱伝導率が小さいことは勿論、キャピラリ集合体の外周に接する支持体の熱伝導率も同様に小さいことが望ましい。キャピラリ集合体を断熱性の高い支持体で保持すべく、別々に製作されたキャピラリ集合体と支持体を組み立てる方法があるが、接着や組付けといった煩雑なアセンブル工程を伴うという難点がある。

Ｄ）システム化関連
クヌーセン・ポンプ（コンプレッサ）は、駆動機構を必要としない原理に基づいているため、気体分子を長期間にわたって、脈流を生じさせることなく移動させることができる。その反面、非力であるため、基本要素単体では実用に耐える真空度（圧力）を得ることは難しい。したがって、目標とする到達真空度（圧力）に応じて基本要素を多段接続することが必須である。このような多段接続のポンプの実用化には、上記Ａ〜Ｃに述べた基本要素単体に関わる課題を解決しない限り困難である。

よって、本発明の目的は、上に述べたような諸点について改善した熱遷移駆動型真空ポンプを実現することにある。

本発明は、キャピラリ集合体と、該キャピラリ集合体の各側に接続された２つのコネクタと、該キャピラリ集合体を保持する支持体とを備える改良された熱遷移駆動型真空ポンプを提供する。

請求項１記載の発明による熱遷移駆動型真空ポンプにおいては、
前記キャピラリ集合体及び前記支持体は平面的に配置され、
前記キャピラリ集合体は、表面から裏面へ垂直に貫通する複数の細孔又は細間隙が形成された多孔質シリコン膜からなり、
前記キャピラリ集合体の一方の側に前記細孔又は細間隙の一端を昇温させるための熱源が設けら、
前記キャピラリ集合体の前記熱源が設けられた側に接続した前記コネクタ内に開口する貫通窓が前記支持体に設けられる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記多孔質シリコン膜はシリコン基板の陽極酸化により形成されたものとされ、前記多孔質シリコン膜の一面に前記細孔又は細間隙に対応した傾斜面を持つ凹部が設けられ、該凹部はその底に陽極酸化時に電界が集中する部位を有する形状のものとされる。

請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
シリコン基板の陽極酸化により前記多孔質シリコン膜を形成する時に該シリコン基板の表面から内部に広がる空乏層幅より前記凹部の底までの深さが大きく設定される。

請求項４記載の発明によれば、請求項１記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記多孔質シリコン膜はマクロポーラス・シリコンとされる。

請求項５記載の発明によれば、請求項１記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記キャピラリ集合体に赤外光を照射するための光照射窓が設けられ、
前記熱源は前記光照射窓を通して照射された赤外光を吸収して光子エネルギーを熱に変換する赤外光吸収層とされる。

請求項６記載の発明によれば、請求項５記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記赤外光吸収層は前記キャピラリ集合体の表面から内部へボロン原子を拡散させたボロン拡散層とされる。

請求項７記載の発明によれば、請求項６記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記キャピラリ集合体の中央部分の所定領域より外側の領域にのみ前記ボロン拡散層が設けられる。

請求項８記載の発明によれば、請求項６記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記キャピラリ集合体の前記細孔又は細間隙が形成されている領域より広い領域に前記ボロン拡散層が設けられる。

請求項９記載の発明によれば、請求項６記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記キャピラリ集合体の中央領域から離れるほど前記ボロン拡散層のボロン原子濃度が高くなるように制御される。

請求項１０記載の発明によれば、請求項５記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記光照射窓に赤外光を集光するマイクロレンズがさらに設けられる。

請求項１１記載の発明によれば、請求項５記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記支持体への赤外光の入射を防止するため遮光手段がさらに設けられる。

請求項１２記載の発明によれば、請求項５記載の熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記支持体の表面の少なくとも前記キャピラリ集合体の近傍領域に赤外光反射層が設けられる。

請求項１３記載の発明によれば、請求項１記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記熱源は埋め込み抵抗発熱体とされ、
前記埋め込み抵抗発熱体に通電するための電極がさらに設けられる。

請求項１４記載の発明によれば、請求項１３記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記埋め込み抵抗発熱体は、前記キャピラリ集合体の表面から内部へ不純物原子を拡散させた不純物拡散層とされる。

請求項１５記載の発明によれば、請求項１４記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記キャピラリ集合体の中央部分の所定領域には前記不純物拡散層が設けられない。

請求項１６記載の発明によれば、請求項１４記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記キャピラリ集合体の中央部分の所定領域には前記細孔又は細間隙が形成されないが、該所定領域にも前記不純物拡散層が設けられる。

請求項１７記載の発明によれば、請求項１４記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記キャピラリ集合体の中央領域から離れるほど前記不純物拡散層の不純物原子濃度が高くなるように制御される。

請求項１８記載の発明によれば、請求項１４記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記不純物拡散層は複数の部分に分割され、該分割された部分毎に前記電極が設けられる。

請求項１９記載の発明によれば、請求項１４記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記不純物拡散層は不純物としてボロン原子を拡散させたボロン拡散層とされ、
前記キャピラリ集合体に赤外光を照射するための光照射窓がさらに設けられる。

請求項２０記載の発明によれば、請求項１記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記支持体は、その少なくとも前記キャピラリ集合体の近傍領域が多孔質シリコン膜とされる。

請求項２１記載の発明によれば、請求項１記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記支持体はバルク単結晶シリコンとされる。

請求項２２記載の発明によれば、請求項２１記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記支持体の表面は、前記熱源により昇温される側の前記細孔又は細間隙の端に比べ低い位置にあるものとされる。

請求項２３記載の発明によれば、請求項１乃至２２のいずれか１項記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
前記キャピラリ集合体及び前記支持体が一体形成されたものとされる。

請求項２４記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプは、請求項１乃至２２のいずれか１項記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプであって、
前記キャピラリ集合体、前記２つのコネクタ、前記熱源及び前記支持体からなる基本単位を各段に対応して複数有し、
各段に対応した前記基本単位におけるキャピラリ集合体の昇温される側の端に接続したコネクタが支持体の貫通窓を介して、次段に対応した前記基本単位におけるキャピラリ集合体の昇温されない側に接続したコネクタと接続されることにより、
複数の前記基本単位が多段カスケード接続されたことを特徴とするものである。

請求項２５記載の発明によれば、請求項２４記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
全ての前記基本単位のキャピラリ集合体及び支持体が一体形成されたものとされる。

請求項２６記載の発明によれば、請求項２４記載の発明に係る熱遷移駆動型真空ポンプにおいて、
全段のコンダクタンスが均等になるように、各段に対応した前記基本単位におけるキャピラリ集合体の細孔又は細間隙の総面積が調整されたものとされる。

（請求項１）
キャピラリ集合体と支持体が平面的に配置され、キャピラリ集合体の細孔又は細間隙の方向は垂直方向に揃っているため、ポンプ主要機構を三次元化した熱遷移駆動型真空ポンプを容易に実現することができ、全体として薄型化することも容易である。また、キャピラリ集合体の高温側に接続したコネクタ内に開口する貫通窓が支持体に設けられているため、多段カスケード接続の熱遷移駆動型真空ポンプを容易に実現できる。

（請求項２，３）
陽極酸化時に多孔質シリコン膜表面の凹部の底の電界が集中する部位から細孔又は細間隙の形成が開始するため、細孔又は細間隙の位置及び密度を精度よく制御することができる。特に、凹部の底を空乏層より下に位置させることより（請求項３）、凹部の底の電界集中部位により確実に電界を集中させ、所定サイズの細孔又は細間隙をより確実に形成することができる。

（請求項４）
サイズの均一な細孔又は細間隙（マクロ・ポア）を形成することができるため、キャピラリ集合体の細孔又は細間隙のクヌーセン数を容易に均一化することできる。

（請求項５）
キャピラリ集合体の細孔又は細間隙の一端を昇温させるための熱源として赤外光吸収層を用いるため、高抵抗金属材料のヒータを用いる場合の様々な問題を回避できる。

（請求項６）
赤外光吸収層としてボロン拡散層を用いることにより、その形成に一般的なシリコン微細加工プロセスを適用できる。

（請求項７−９）
キャピラリ集合体の細孔又は細間隙の温度勾配を均一化することにより、細孔又は細間隙により誘起される圧力差を均一化することができる。

（請求項１０）
光源からの赤外光を光照射窓に集光させることにより、光源からの赤外光を効率的に利用することができる。

（請求項１１，１２）
光照射窓から照射された赤外光の迷光による支持体の温度上昇を抑えることができ、これはキャピラリ集合体上の細孔又は細間隙の両端間の温度勾配の均一化・安定化に寄与する。

（請求項１３）
熱源を埋め込み抵抗発熱体とすることにより、高抵抗率金属材料を用いたヒータで問題となっていた熱源の配置上の制約や形成プロセス状の問題を回避することができる。

（請求項１４）
埋め込み抵抗発熱体を不純物拡散層とすることにより、その形成に一般的なシリコン微細加工プロセスを適用可能となる。

（請求項１５−１８）
キャピラリ集合体の細孔又は細間隙の温度勾配を均一化することにより、細孔又は細間隙により誘起される圧力差を均一化することができる。

（請求項１９）
細孔又は細間隙の一端の昇温に、抵抗加熱と赤外光加熱を併用することができる。

（請求項２０，２２）
キャピラリ集合体の高温部から、その周囲の支持体への熱伝導を抑えることができ、これは細孔又は細間隙の両端間の温度勾配の安定化に寄与する。

（請求項２３）
キャピラリ集合体及び支持体を共通の製造プロセスで効率的に製作することができるとともに、相互の位置や寸法を高精度に制御することができる。また、キャピラリ集合体と支持体を別々に製作する場合のように、両者の接着・組付けといった煩雑なアセンブル工程が不要となる。

（請求項２４−２６）
ポンプ主要機構を三次元化した多段カスケード接続の実用的な熱遷移駆動型真空ポンプを実現することができ、また全体的に薄型化することも容易である。全段のキャピラリ集合体及び支持体を一体形成とすることにより（請求項２５）、それらの製造プロセスを共通化し、相互の位置や寸法を高精度に制御することができ、またキャピラリ集合体と支持体の煩雑なアセンブル工程が不要となる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１に、本発明の実施例１に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す。図１において、上段の図はＡ−Ａ’線断面図、中段の図はＢ−Ｂ’線断面図、下段の図は、ａ−ａ’線平面図である。

本実施例の熱遷移駆動型真空ポンプは、共通したシリコン基板１に、キャピラリ集合体（ｃａｐｉｌｌａｒｙ）４とそれを保持する支持体（ｂａｃｋｉｎｇ）５を一体形成したものである。シリコン基板１は全体が、基板面に垂直な細孔（もしくは細間隙）が多数形成された多孔質シリコン膜となっている。ただし、キャピラリ集合体４の領域では細孔が貫通しているのに対し、支持体５の領域では細孔が未貫通である。本実施例では、キャピラリ集合体４、支持体５及びキャピラリ集合体４の各側に接続された２つのコネクタ（接続室）７からなる基本単位が２段、直列に接続された構成となっている。

なお、細孔もしくは細間隙が形成された多孔質シリコン膜は、細孔径もしくは細間隙幅（ｄ）によって、通常、次のように分類されている。
マイクロポーラス（ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ）シリコン：ｄ＜２ｎｍ
メソポーラス（ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ）シリコン：２ｎｍ＜ｄ＜５０ｎｍ
マクロポーラス（ｍａｃｒｐｏｒｏｕｓ）シリコン：５０ｎｍ＜ｄ

シリコン基板１のキャピラリ集合体４に対応する領域は、細孔の直線性及びサイズの均一性が良好なマクロポーラス・シリコンとするのが良く、細孔のクヌーセン数を均一化することができる。支持体５に対応する領域については、マクロポーラス・シリコンであってもメソポーラス・シリコンであっても構わない。

キャピラリ集合体４と支持体５が一体形成されたシリコン基板（本実施例では全体が多孔質シリコン膜となっている）１は、ベース（ｂａｓｅ）２と、パイレックスガラス（
ｐｙｒｅｘｇｌａｓｓ）キャップ３との間に挟まれ、それらとキャピラリ集合体４及び支持体５とにより、コネクタ７となる密閉空間（ａｉｒｔｉｇｈｔｓｐａｃｅ）が画成されている。

ベース２には、パイレックスガラス板あるいはアルミニウム板が使用される。パイレックスガラス・キャップ３と支持体５、支持体５とベース２は、Ｏリングによってシールされる。ベース２にパイレックスガラス板を使う場合には、パイレックスガラス・キャップ３と支持体５、支持体５とベース２をそれぞれ陽極接合によって接合してシールすることもできる。ここでは、陽極接合によってシールした例を示している。

支持体５には、キャピラリ集合体４の高温側に接続したコネクタ内部に開口する貫通窓（ｔｈｒｏｕｇｈｗｉｎｄｏｗ）６が設けられている。基本単位間の接続は、支持体５の貫通窓６を介して行われる。この貫通窓６は、気体の流れを妨げない大きさのものとされる。ポンプの吸入口（ｉｎｌｅｔ）８と排出口（ｏｕｔｌｅｔ）９は、それぞれベース２に設けられている。

キャピラリ集合体４には、細孔又は細間隙の一端を昇温させるための熱源が埋め込まれる。本実施例では、キャピラリ集合体４の上側の面から内部へボロン原子を高濃度に拡散した高濃度ボロン拡散層（Ｂｏｒｏｎｈｉｇｈｄｏｐｅｄｌａｙｅｒ）１０が熱源もしくは赤外光吸収層として形成されている。外部の赤外光源から赤外光を照射し（ＩＲｒａｄｉａｔｉｏｎ）、パイレックスガラス・キャップ３の光照射窓１１を透過した赤外光を高濃度ボロン拡散層１０に吸収させることによりボロン拡散層１０が発熱に、キャピラリ集合体４の細孔の上端を昇温することにより細孔の上下端間に温度勾配が形成される。

この温度勾配によって、細孔内部の気体分子に熱遷移流が誘起される。やがて、キャピラリ集合体４で仕切られた密閉空間、すなわち２つのコネクタ７の間に圧力の差が生まれる。図１の上段の図に、気体分子の移動の様子を細矢線で示した。

キャピラリ集合体４の周囲に接する支持体５を熱伝導率の低い多孔性シリコン膜とすると、キャピラリ集合体４の高温部から支持体５への熱伝導が抑えられる。これは、キャピラリ集合体４の細孔の温度勾配を均一か・安定化に寄与する。

ここでは、２段分の最小単位の熱遷移駆動型ポンプを示している。２個の基本単位は、貫通窓６を介しシリアルにつながれている。より高い到達真空度を得るには、多数の基本単位をカスケード接続し、ポンプ全体を多段の構成とすればよい。また、より大きな排気速度が必要な場合には、キャピラリ集合体４となる多孔質シリコン膜の貫通領域面積を大きくするか、単位面積あたりの貫通細孔数を増やすことにより対応することができる。

ここまでの説明及び図１より理解されるように、本実施例に係る熱遷移駆動型真空ポンプは、平面的に配置されたキャピラリ集合体４と支持体５の上下に２つのコネクタ７が配置されており、ポンプ主要機構が三次元化された構造である。そして、支持体５に貫通窓６が設けられ、この貫通窓６を通じて前段と後段のコネクタを容易に接続されるため、多段カスケード接続の熱遷移駆動型真空ポンプを実現しやすい構造となっている。

図２は、多孔質シリコン膜を陽極酸化によってシリコンウエハに形成する方法の説明図である。図２の左側の図はシリコンウエハの表面（酸化浴側面）を表しており、中央の図はシリコンウエハの裏面（光照射側面）を表している。右側の図は陽極酸化の様子を示している。

ここで例に挙げるシリコンウエハは、不純物元素としてリンを含み、面方位（１００）のＮ型単結晶シリコンウエハ（ｎ⁻Ｓｉ wafer）であり、厚さは約５００μｍである。

陽極酸化浴液は、数パーセント重量のフッ酸を含む水溶液（ＨＦｓｏｌｕｔｉｏｎ）である。陽極酸化浴槽（ｃｅｌｌ）の内壁とシリコンウエハに挟まれる空間は、Ｏリング（Ｏ−ｒｉｎｇ）でシールされ、そこに浴液が保持される。単結晶シリコンは、裏面のアルミニウム電極（Ａl ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）によりバイアス用電源（ｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅ）の陽極側に接続され、白金電極（Ｐt ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）は陰極側にそれぞれ接続される。電流計（ａｍｍｅｔｅｒ）は陽極酸化時の電流値を測定するためのものである。

シリコンの導電型がＮタイプの場合、多数キャリアである電子が陽極側に引き寄せられ、フッ酸水溶液に接するシリコンウエハ表面近傍に空乏層が生じる。つまり、シリコン基板が逆バイアスされた状態では、電気化学反応である陽極酸化反応が進まない。そこで、単結晶シリコンウエハの裏面側からハロゲンランプ等によって赤外光を照射する。裏面で生じた電子正孔対のうち、少数キャリアのホールが陰極側に引っ張られる。ホールが、その寿命時間内に、フッ酸水溶液とシリコン表面に作られた凹部の底（あらかじめウエハ表面に形成された細孔の開始点、ｉｎｉｔｉａｌｐｉｔｓ）に達することができれば、陽極酸化反応が進行する。

シリコンウエハの裏面には、アルミニウム電極がフォトリソグラフィによってパターンニングされている。裏面にハロゲンランプ光が照射されると、対応する表面領域に、陽極酸化により細孔（もしくは細間隙）が形成される。裏面のアルミニウム電極とシリコンウエハがオーミックに接続されるよう、ウエハ裏面にリンイオンをイオン注入しｎ^＋層（ｎ^＋ｌａｙｅｒ）を設けている。

細孔（もしくは細間隙）がシリコン表面に無秩序に生じないよう、細孔の生じる位置及び密度を精度良く制御することができる。細孔の開始点は、陽極酸化時に電界が集中しやすい点である。ここで、細孔開始点の作製方法について、簡単に説明する。

シリコンウエハ表面に１０００℃の温度で熱酸化膜を約１００ｎｍ形成後、減圧ＣＶＤ法により膜厚１００〜５００ｎｍのシリコン窒化膜を成膜する。この際の堆積温度は８５０℃、ＳｉＨ４／ＮＨ３混合ガスを用いる。シリコンウエハ上に設けられた、酸化膜（下層）／シリコン窒化膜（上層）の二層膜が陽極酸化時における耐フッ酸マスクとなる。

酸化膜（下層）／シリコン窒化膜（上層）をパターニングしマスクパターン（ｉｎｉｔｉａｌｐｉｔｓｐａｔｔｅｒｎ）を作る。上層のシリコン窒化膜上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィにより所定のマスクパターンを作製する。シリコン窒化膜は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってエッチングされる。引き続き、開口部に現れたシリコン酸化膜を、緩衝フッ酸水溶液中でウエットエッチングする。そして、底面に露出した単結晶シリコン（１００）面を、８０℃の２５％ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）水溶液中で異方性エッチングを行う。

こうして図３に示すように、鋭角逆ピラミッド（ｉｎｖｅｒｔｅｄｐｙｒａｍｉｄ）形状の凹部１００が形成され、この凹部の底の頂点が細孔開始点１０１となる。図３の上段の図は断面図であり、下段の図は平面図である。陽極酸化時においては、各々の鋭角逆ピラミッド形状凹部の底の頂点に電位が集中し、そこを開始点として、細孔の形成が始まる。

シリコン窒化膜は、陽極酸化反応が進む間に、フッ酸水溶液によって少しずつエッチングされて薄くなる。ウエハを貫通させる直前まで、長時間に渡って陽極酸化を行う場合、細孔形成部以外のシリコン基板表面を完全に保護するためには、かなり厚いシリコン窒化膜、あるいは、フッ酸耐性の大きなマスク材料が必要になる。減圧ＣＶＤ法によるシリコン窒化膜は、フッ酸耐性は大きいものの、大きな引張張力がストレスとなり、厚膜になるとクラックが発生してしまう。ストレスが小さく薬品に対する耐性の大きな窒化膜として、Ｃａｔ−ＣＶＤ法や、液体原料によるプラズマＣＶＤ法によるシリコン窒化膜が知られている。そうした材料を使うことで、問題を回避することができる。ただし、細孔形成部以外のシリコン基板表面を完全に保護する必要がない場合は、この限りではない。

凹部形成のために使うマスク開口部の大きさについて、簡単に触れる。ここでは、細孔開始点は、鋭角逆ピラミッド形状の凹部の底の頂点である。シリコン表面から頂点までの深さが、空乏層１０２の幅ＷＳＣＲより大きくなるよう、マスクサイズを決める。
ＷＳＣＲ＝［２・ε０・εＳｉ・（Ｖappl−Ｖbi）／（ｅ・ＮＤ）］^１／２
ε０：真空の誘電率
εＳｉ：シリコンの比誘電率
Ｖappl ：印加電圧
Ｖbi ：内蔵電位
ｅ：単位電荷量
ＮＤ：シリコンの不純物濃度

凹部の底までの深さを空乏層幅より大きくし、細孔開始点１０１を空乏層幅よりも深い位置に置くと、陽極酸化時に電界の集中が起き易くなるので、ねらいの径や深さを持った細孔を、再現性良く形成することができる。例えば、比抵抗１０Ωｃｍのシリコンウエハを、印加電圧５Ｖで陽極酸化する場合、空乏層幅ＷＳＣＲは約１μｍなので、凹部形成用マスクとしては、一辺が２μｍよりも大きな正方形を考えれば十分である。

図４は陽極酸化の様子を示す。図４の上段の図は断面図、下段の図は平面図である。鋭角逆ピラミッドの頂点に対し、１つの細孔１０３が形成される。ここでは細孔１０３はマクロポア（ｍａｃｒｏｐｏｒｅ）である。つまりマクロポーラス・シリコンを形成するわけである。バイアス・光強度・時間等をコントロールしながら、細孔１０３の到達深さが約４００μｍとなるまで陽極酸化を続ける。これはシリコンウエハの厚さ約５００μｍに対し、未貫通部分を裏面側に残すためである。

図５は、キャピラリ集合体４の表面にボロン拡散層１０を形成した様子を示す。上段の図は断面図、下段の図は平面図である。後にキャピラリ集合体４となる領域に、ボロンイオンを注入後、拡散炉で熱処理する。シリコン表面および逆ピラミッド形状凹部の斜面に、ボロン拡散層１０すなわち赤外光を吸収し光子エネルギーを熱に変換する赤外光吸収層ができあがる。この後、キャピラリ集合体４となる領域の裏側から残ったシリコン層を除去すれば、キャピラリ集合体４となる領域の細孔１０３はシリコンウエハをその表面から裏面へ垂直に貫通する。

図６は、キャピラリ集合体４及び支持体５を形成する一連のプロセスに沿って、シリコンウエハの断面形状を時系列に並べたものである。（ａ）は陽極酸化工程が終わった段階の断面を示す。（ｂ）はボロンイオン注入と拡散処理工程を示す。（ｃ）はキャピラリ集合体４および貫通窓６のエッチング工程を終わった段階の断面を示す。キャピラリ集合体４および貫通窓６の形成を行う際には、シリコンウエハ裏面からＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）エッチングを行った。なお、（ｄ）は次に説明する実施例２に関連するもので、赤外光反射層の形成工程後の断面を示している。

図７に、本発明の実施例２に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す。図７において、上段の図はＡ−Ａ’線断面図、中段の図はＢ−Ｂ’線断面図である。下段の図は、ａ−ａ’線平面図である。

本実施例と前記実施例１との相違点は、熱遷移駆動型真空ポンプを更に効率よく機能させるため、支持体５上に赤外光反射層（ＩＲｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｌａｙｅｒ）１２を設けたことである。ここでは、赤外光に対する反射率の高い金をマスク蒸着することにより赤外光反射層１２を形成した。

図８に、赤外光反射層１２の詳細を示す。図８の上段の図は断面図であり、下段の図は平面図である。支持体５の領域におけるシリコン表面と鋭角逆ピラミッド形状の凹部の斜面に赤外光反射層１２が形成されている様子が分かる。

光照射窓１１より入射した赤外光はキャピラリ集合体４の表面に埋め込まれたボロン拡散層１０に吸収され、熱に変換される。このとき、支持体５の表面にも漏れた赤外光（迷光）が照射される場合がある。赤外光反射層１２は、こうした迷光を反射して支持体５の温度上昇を防ぐ。これはキャピラリ集合体４における細孔の温度勾配の均一化・安定化に寄与する。

以上説明した点以外の構造は前記実施例１と同様である。また、製作方法は、赤外光反射層１２を形成する工程（図６の（ｄ）参照）が追加される以外は、前記実施例１と同様である。

図９に、本発明の実施例３に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す。図９において、上段の図はＡ−Ａ’線断面図、中段の図はＢ−Ｂ’線断面図、下段の図はａ−ａ’線平面図である。

前記実施例２においては、支持体５に全面的に赤外光反射層１２を形成したが、本実施例では赤外光反射層１２を支持体５のキャピラリ集合体４に近い領域にのみ形成している。赤外光の照射領域をキャピラリ集合体４の領域に絞った赤外光源を使った場合、あるいは、キャピラリ集合体４直上の照射窓１１を除く部分に赤外光透過率が低いキャップ３を使った場合、支持体５側に赤外光が照射されるとしても、キャピラリ集合体４に近い部分に限られる。したがって、本実施例のようにキャピラリ集合体４に近い支持体５の一部領域にのみ赤外光反射層１２を設けても、支持体５の温度上昇を防止する目的は達成される。

以上説明した点以外の構造は前記実施例１と同様である。また、製作方法は前記実施例２と同様である。

図１０に、本発明の実施例４に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す。図１０において、上段の図はＡ−Ａ’線断面図、中段の図はｂ−ｂ’線平面図、下段の図はａ−ａ’線平面図である。

本実施例においては、赤外光照射によるキャピラリ集合体４の加熱をより効率良く行うために、光照射窓１１に集光用のマイクロレンズアレイ（ｍｉｃｒｏｌｅｎｓａｒｒａｙ）１３を設けている。不図示の赤外光源からの赤外光はマイクロレンズ１３により光照射窓１１に集光されるため、光源からの光を有効に利用することができる。

ここでは、別途製作したマイクロレンズアレイ１３をキャップ３に貼り付けてあるが、パイレックスガラス・キャップ３の表面を等方性エッチングで加工してマイクロレンズアレイ１３を一体的に形成することも可能である。また、赤外光反射層１２を、前記実施例３と同様にキャピラリ集合体４に近い領域にのみ形成するようにしてもよい。

以上説明した点以外の構造は前記実施例２と同様である。また、製作方法は、マイクロレンズ１３を設けることを除けば前記実施例２と同様である。

図１１に、本発明の実施例５に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す。図１１において、上段の図はＡ−Ａ’線断面図、中段の図はｂ−ｂ’線平面図、下段の図はａ−ａ’線平面図である。

本実施例においては、パイレックスガラス・キャップ３の上面の光照射窓１１以外の領域に、不図示の赤外光源からの赤外光のキャピラリ集合体４以外の部分への入射を防ぐための遮光手段として赤外光反射層１４が設けられている。ここでは、アルミニウム膜をスパッタ法で成膜して赤外光反射層１４とした。前記実施例３，４において支持体５上に設けられていた赤外光反射層１２は本実施例では設けられていない。ただし、キャピラリ集合体４に近い支持体５の領域に赤外光が入射する可能性がある場合には、前記実施例４と同様に支持体５のキャピラリ集合体４近傍の領域に赤外光反射層を設けてもよい。

以上説明した点以外の構成は前記実施例４と同様である。また、製作方法も、パイレックスガラス・キャップ３に赤外光反射層１４を設ける以外は前記実施例４と同様である。

＜細孔もしくは細間隙の形成に関する様々な態様＞
前記実施例１〜５においては、鋭角逆ピラミッド形状の凹部の底の頂点を開始点として細孔が形成されていた。細孔の開始点もしくは細間隙の開始線は、陽極酸化時に電界の集中する点もしくは線であるから、他にも様々な凹部形状が考えられる。その例を以下に説明する。なお、いずれの例でも支持体５上に赤外光反射層１２が設けられるもとしているが、これは必須ではない。

（例Ａ）
図１２乃至図１５により説明する。図１２に示すように、シリコン表面にＶ字溝（Ｖ−ｓｈａｐｅｄｇｒｏｏｖｅ）形状の凹部１００が形成され、その底の稜線が細間隙の開始線１０１となる。陽極酸化により、図１３のように細間隙（ｍａｃｒｏｐｏｒｅ）１０３がシリコン面から垂直に伸びる。その後、図１４に示すように、キャピラリ集合体４となる領域のシリコン表面及び凹部の斜面に赤外光吸収層としてのボロン拡散層１０が形成される。次に、図１５に示すように、支持体５となる領域のシリコン表面及び凹部の斜面に赤外光反射層１２が形成される。

（例Ｂ）
図１６乃至図１９により説明する。図１６に示すように、シリコン表面に台形逆ピラミッド（ｔｒａｐｅｚｉｕｍｉｎｖｅｒｔｅｄｐｙｒａｍｉｄ）形状の凹部１００が形成され、その底の４つの角部が細孔の開始点１０１となる。陽極酸化により、図１７のように、各凹部の４つの開始点より細孔（ｍａｃｒｏｐｏｒｅ）１０３がシリコン面から垂直に伸びる。その後、図１８に示すように、キャピラリ集合体４となる領域のシリコン表面、凹部の斜面と底面に赤外光吸収層としてのボロン拡散層１０が形成される。次に、図１９に示すように、支持体５となる領域のシリコン表面、凹部の斜面と底面に赤外光反射層１２が形成される。

（例Ｃ）
図２０乃至図２３により説明する。図２０に示すように、シリコン表面に、台形溝（
ｔｒａｐｅｚｉｕｍｓｈａｐｅｄｇｒｏｏｖｅ）形状の凹部１００が形成され、その底の４本の稜線が細間隙の開始線１０１となる。陽極酸化により、図２１のように、各凹部の４本の開始線より細間隙（ｍａｃｒｏｐｏｒｅ）１０３がシリコン面から垂直に伸びる。その後、図２２に示すように、キャピラリ集合体４となる領域のシリコン表面、凹部の斜面と底面に赤外光吸収層としてのボロン拡散層１０が形成される。次に、図２３に示すように、支持体５となる領域のシリコン表面、凹部の斜面と底面に赤外光反射層１２が形成される。

（例Ｄ）
図２４乃至図２７により説明する。図２４に示すように、シリコン表面に、楕円球（
ｏｖａｌｓｐｈｅｒｅ）形状の凹部１００が形成され、その最も下の部位が開始点１０１となる。陽極酸化により、図２５のように、各凹部の開始点より細孔１０３がシリコン面から垂直に伸びる。その後、図２６に示すように、キャピラリ集合体４となる領域のシリコン表面と凹部の内面に赤外光吸収層としてのボロン拡散層１０が形成される。次に、図２７に示すように、支持体５となる領域のシリコン表面と凹部の内面に赤外光反射層１２が形成される。

（例Ｅ）
図２８乃至図３１により説明する。図２８に示すように、シリコン表面に楕円溝（
ｏｖａｌｓｈａｐｅｄｇｒｏｏｖｅ）形状の凹部１００が形成され、その最も下の部位が開始線１０１となる。陽極酸化により、図２２９のように、各凹部の開始線より細間隙（ｍａｃｒｏｐｏｒｅ）１０３がシリコン面から垂直に伸びる。その後、図３０に示すように、キャピラリ集合体４となる領域のシリコン表面と凹部の内面に赤外光吸収層としてのボロン拡散層１０が形成される。次に、図３１に示すように、支持体５となる領域のシリコン表面と凹部の内面に赤外光反射層１２が形成される。

なお、陽極酸化により形成されるキャピラリ集合体４の領域における細孔又は細間隙の内面に、熱酸化等によりシリコン酸化膜を形成させることによって、細孔の径又は細間隙の幅をさらに縮小させることもできる。こうすると、細孔又は細間隙の内面が物理的・化学的により安定な状態なるという効果もある。

ここまで説明した熱遷移駆動型ポンプにおいては、共通のシリコンウエハ上に形成された多孔質シリコン膜によりキャピラリ集合体と支持体が形成された。次に、共通のシリコンウエハ上に、キャピラリ集合体は多孔質シリコン膜で形成され、支持体はバルク単結晶シリコンで形成され、また、個々のキャピラリ集合体の細孔径あるいは細間隙間隔の総面積を変えることによりコンダクタンスの最適化が図られた熱遷移駆動型ポンプの例を説明する。

図３２に、本発明の実施例６に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す。図３２において、上段の図はＡ−Ａ’線断面図、中段の図はａ−ａ’線平面図、下段の図はｂ−ｂ’線断面図である。

本実施例においては、シリコン基板１は、キャピラリ集合体４の領域のみが多孔質シリコン膜（マイクロポーラス・シリコン）とされ、支持体５の領域はバルク単結晶シリコンとされている。

支持体５に関し、キャピラリ集合体４の細孔又は細間隙の高温側端と低温側端との間に温度勾配を効率的かつ安定に維持するため二つの工夫が施されている。一つは、支持体５の領域のバルク単結晶シリコンの厚さをエッチングにより他の領域より薄くすることにより、熱の伝導率を下げた点である。もう一つは、支持体５表面をキャピラリ集合体４の細孔開始点又は細間隙開始線より深い位置することにより、支持体５をキャピラリ集合体４の高温端と接触しないようにした点である。なお、支持体５の表面には赤外光反射層１２（金蒸着膜）が形成されている。

また、低圧側（左側）のキャピラリ集合体４と高圧側（右側）のキャピラリ集合体４について、コンダクタンスの最適化が図られている。図３３と図３４はその説明のための図であり、各図中の上段は断面図、下段は平面図である。

左側のキャピラリ集合体４については、図３３に示すように、鋭角逆ピラミッド形状の凹部の底の頂点を開始点として細孔が垂直に貫通している。右側のキャピラリ集合体４については、図３４に示すようにＶ字溝形状の凹部の底の稜線を開始線として細間隙が垂直に貫通している。後者は、前者に比べ、より大きなコンダクタンスを得ることができる。

さて、キャピラリ集合体の各細孔又は細間隙が均等な圧力差を作り出すためには、全ての細孔又は細間隙の両端間に均等な温度勾配が形成される必要がある。温度勾配の均等化のための工夫を施した３つの実施例について以下に説明する。

図３５に、本発明の実施例７に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す。図３５において、上段の図はＡ−Ａ’線断面図、中段の図はａ−ａ’線平面図、下段の図はｂ−ｂ’線断面図である。

本実施例においては、赤外光吸収層（熱源）としてのボロン拡散層１０を、キャピラリ集合体４の中央部の所定領域には形成しないようにしている。キャピラリ集合体４の全領域にボロン拡散層１０を設けた場合、キャピラリ集合体４の中央部が蓄熱により外周領域より高温になる現象が起きやすい。本実施例では、そのような現象を抑制し、キャピラリ集合体の全ての細孔又は細間隙の上端温度を均等化することができる。以上に説明した以外の構造は前記実施例６と同じである。

図３６に、本発明の実施例８に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す。図３６において、上段の図はＡ−Ａ’線断面図、中段の図はａ−ａ’線平面図、下段の図はｂ−ｂ’線断面図である。

本実施例においては、ボロン拡散層１０のボロン原子濃度を、キャピラリ集合体４の中央部から外周部へ向かって順次高くしている。具体的には、赤外光照射により最も昇温しやすい中央領域では拡散濃度を最も低くし、最も昇温しにくい外周領域では最も高濃度とし、中間領域では中間的濃度としている。なお、拡散濃度を４段階以上にもしくは連続的に変化させることも可能である。これ以外の構造は、前記実施例６と同じである。

図３７に、本発明の実施例９に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す。図３７において、上段の図はＡ−Ａ’線断面図、中段の図はａ−ａ’線平面図、下段の図はｂ−ｂ’線断面図である。

本実施例においては、赤外光吸収層（熱源）としてのボロン拡散層１０は、キャピラリ集合体４の細孔又は細間隙が形成されている領域より広い範囲に形成されている。換言すれば、ボロン拡散層１０が形成されている領域の外周領域、すなわち、温度勾配が小さくかつ温度変化の大きな領域には細孔又は細間隙が形成されず、温度勾配が大きくかつ温度変化の小さな中心領域にのみ細孔又は細間隙が形成されている。これ以外の構造は前記実施例６と同じである。

図３８に、本発明の実施例１０に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す。図３８において、上段の図はＡ−Ａ’線断面図、下段の図はａ−ａ’線平面図である。

本実施例に係る熱遷移駆動型真空ポンプは、キャピラリ集合体４、支持体５及び２つのコネクタ７を含む基本単位を各段に対応して３個有し、それらをカスケード接続したのものである。前段と後段の基本単位のコネクタ間は、支持体５に設けられた貫通窓６を介し接続されている。各段のキャピラリ集合体４と支持体５は、共通のシリコン基板１上に多孔質シリコン膜によって一体形成されている。キャピラリ集合体４の細孔の径又は細間隙の間隔は、圧力が高い後段（右側）のものほど次第に小さくなるようにしている。気体分子の受ける抵抗は後段ほど次第に大きくなる方向にあるので、キャピラリ集合体４の面積あるいは細孔（もしくは細間隙）の総面積を調整し、コンダクタンスが一定となるように工夫してある。他の構造は前記実施例１と同様である。

図３９に、キャピラリ集合体４の細孔もしくは細間隙の総面積の調整方法を例示する。図３９において、左側の図は鋭角逆ピラミッド形状の凹部の底の頂点を開始点として形成した細孔を示し、中央の図はＶ字溝形状の凹部の底の稜線を開始線として形成した細間隙を示し、右画の図は二つのＶ字溝形状の凹部の底の稜線を開始線として形成した細間隙を９０度回転させて重ねたものである。この順番に、細孔もしくは細間隙の総面積が増加することが分かる。

なお、シリコンの陽極酸化法によって形成可能な細孔の径又は細間隙の間隔は、通常、数十ナノメートルから数ミクロンメートルの範囲である。一方、空気の平均自由行程は、７６０Ｔｏｒｒ（大気圧）で約６０ｎｍ、１０Ｔｏｒｒで約５μｍである。したがって、キャピラリ集合体に多孔質シリコン膜を使うと、大気圧から１／１００気圧といった低真空領域で動作する真空ポンプをシリコンウエハ上に実現することも可能となる。

図４０に本発明の実施例１１に係る２段構成の熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す。図４０において、左側上段の図はＡ−Ａ’線断面図、左側中段の図はシリコン基板１の平面図、左側下段の図はベース２の平面図、右側中段の図はＢ−Ｂ’線断面図、右側下段の図はＣ−Ｃ’線断面図である。

前記実施例６との相違点を中心に説明する。本実施例においても、陽極酸化によりシリコン基板１に形成された多孔質シリコン膜（マクロポーラス・シリコン）がキャピラリ集合体４として用いられる。ただし、前記実施例６と違い、後段のキャピラリ集合体４にも貫通した細孔が形成されている。支持体５はバルク単結晶シリコンとされている。ただし、前記実施例６と違って、支持体５には赤外光反射層（１２）は形成されていない。本実施例ではキャピラリ集合体４への赤外光照射を行わないからである。

キャピラリ集合体４には、埋め込み抵抗発熱体としてのボロン拡散層１５が形成されている。このボロン拡散層５は、図４０の左側中段の図に見られるようなジグザグ状パターンとされており、その両端（端子）１６にパイレックス・キャップ３に設けられた貫通電極２０が接触する。この貫通電極２０を通じてボロン核酸層１５に電流を流すと、ボロン拡散層１５が発熱することによりキャピラリ集合体４の細孔又は細間隙の上端を昇温させ、細孔又は細間隙に温度勾配を形成する。

図４１に、シリコンウエハ上にキャピラリ集合体４、埋め込み抵抗発熱体としてのボロン拡散層１５、支持体５、支持体５の貫通窓６を形成する工程を示している。
（ａ）は、キャピラリ集合体４の領域に細孔を形成するための陽極酸化プロセスを終了した状態である。
（ｂ）は、キャピラリ集合体となる多孔質シリコン膜領域に、ボロンイオンを注入し埋め込み発熱抵抗体としてのボロン拡散層１５を形成する工程を示している。ボロンイオン注入用マスクとしてフォトリソグラフィで形成したレジスト膜を用いる。
（ｃ）は、多孔質シリコン膜（マクロポーラス・シリコン）領域を裏面側から、支持体となるバルク単結晶シリコン領域を表面側から、それぞれＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ
ＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）エッチングを行った後の断面を示している。この段階で、キャピラリ集合体４の細孔群が貫通し、キャピラリ集合体４を周囲から保持する支持体５の基本形状が出来上がる。支持体５となる領域のエッチング深さは、ボロン拡散層１５の深さ以上とする。ここでは、エッチング深さを約２００μｍとした。
（ｄ）は、支持体５にＩＣＰエッチングにより貫通窓６を開けた後の断面図である。

＜埋め込み発熱体としてのボロン拡散層の様々な態様＞
キャピラリ集合体４の細孔又は細間隙の上端の温度を均一化し、均一な温度勾配を形成するためには、埋め込み発熱体としてのボロン拡散層１５の抵抗率に二次元分布を持たせると有効である。そのようなボロン拡散層の様々な態様を図４２及び図４３に示す。また、ボロン拡散層１５を複数の部分に分割し、各分割部分に独立に通電することにより同様の効果を達成する例を図４４に示す。

図４２（Ａ）は、キャピラリ集合体領域の熱が蓄積されやすい中央部分の所定領域を避けて、渦巻き状パターンのボロン拡散層１５を形成する例を示している。
図４２（Ｂ）は、図４０の左側中段に示したものと同じジグザグ状パターンのボロン拡散層１５を示している。
図４２（Ｃ）は、同様のジグザグ状パターンのボロン拡散層１５を形成した例を示しているが、キャピラリ集合体領域の中央部分には細孔が形成されていない。
図４３（Ａ）は、キャピラリ集合体の全域に渦巻き状パターンのボロン拡散層１５が形成されているが、キャピラリ集合体領域の中央部分から周辺部分へ向かって次第に抵抗率を増大させるように、例えば、中心領域を低抵抗率、中間領域を中抵抗率、外周領域を高抵抗率とするように、ボロン原子濃度を変化させている（図中、ボロン原子濃度の違いが濃淡もしくは色合いの違いで表されている）。
図４３（Ｂ）は、キャピラリ集合体領域に全域にジグザグ状パターンのボロン拡散層１５が形成されているが、キャピラリ集合体領域の中央部分から周辺部分へ向かって次第に抵抗率を増大させるように、例えば、中心領域を低抵抗率、中間領域を中抵抗率、外周領域を高抵抗率とするように、拡散濃度を変化させている（図中、拡散濃度の違いが濃淡もしくは色合いの違いで表されている）。
図４４は、抵抗率が均一なボロン拡散層１５を、全体として渦巻き状パターンに形成するが、複数の独立した部分に分割する例を示している。この場合、各分割部分の両端（端子）に対応した貫通電極２０がパイレックスガラス・キャップ３に設けられる。このような貫通電極２０を介して、ボロン拡散層１５の各分割部分に流す電流値を調整することにより、図４２乃至図４３に示したようなボロン拡散層の抵抗率に二次元分布を持たせた場合と同様の効果を達成することができる。

図４５に本発明の実施例１２に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す。本実施例と前記実施例１１との相違点は、不図示の赤外光源からパイレックスガラス・キャップ３の光照射窓１１を通しキャピラリ集合体４に赤外光を照射することにより、ボロン拡散層１５を埋め込み抵抗発熱体として、かつ、赤外光吸収層として機能させる点である。これ以外の構造は前記実施例１１と同じである。なお、前記実施例６と同様に支持体５の上面に赤外光反射層（例えば金蒸着膜）を形成してもよい。

以上、本発明の実施形態を説明した。しかし、本発明はそれら実施形態のみに限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

実施例１に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す断面図及び平面図である。シリコン陽極酸化の説明図である。凹部と細孔開始点を説明する断面図及び平面図である。細孔の形成の様子を示す断面図及び平面図である。ボロン拡散層を様子を示す断面図及び平面図である。キャピラリ集合体及び支持体の形成工程を説明するための断面図である。実施例２に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す断面図及び平面図である。ボロン拡散層及び赤外光反射層を示す断面図及び平面図である。実施例３に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す断面図及び平面図である。実施例４に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す断面図及び平面図である。実施例５に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す断面図及び平面図である。凹部と細間隙開始線を説明するための断面図及び平面図である。細間隙が形成される様子を示す断面図及び平面図である。ボロン拡散層の様子を示す断面図及び平面図である。赤外光反射層の様子を示す断面図及び平面図である。凹部と細孔開始点を説明する断面図及び平面図である。細孔が形成される様子を示す断面図及び平面図である。ボロン拡散層の様子を示す断面図及び平面図である。赤外光反射層の様子を示す断面図及び平面図である。凹部と細間隙開始線を説明する断面図と平面図である。細間隙が形成される様子を示す断面図及び平面図である。ボロン拡散層の様子を示す断面図及び平面図である。赤外光反射層の様子を示す断面図及び平面図である。凹部と細孔開始点を説明する断面図及び平面図である。細孔が形成される様子を示す断面図及び平面図である。ボロン拡散層の様子を示す断面図及び平面図である。赤外光反射層の様子を示す断面図及び平面図である。凹部と細間隙開始線を説明する断面図及び平面図である。細間隙の形成の様子を示す断面図及び平面図である。ボロン拡散層の様子を示す断面図及び平面図である。赤外光反射層の様子を示す断面図及び平面図である。実施例６に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す断面図及び平面図である。ボロン拡散層及び赤外光反射層の様子を示す断面図及び平面図である。ボロン拡散層及び赤外光反射層の様子を示す断面図及び平面図である。実施例７に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す断面図及び平面図である。実施例８に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す断面図及び平面図である。実施例９に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す断面図及び平面図である。実施例１０に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す断面図及び平面図である。キャピラリ集合体の細孔又は細間隙の層面積の調整方法を説明するための平面図である。実施例１１に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す断面図及び平面図である。キャピラリ集合体及び支持体の形成工程を説明するための断面図である。埋め込み抵抗発熱体としてのボロン拡散層の変形例を説明するための平面図である。埋め込み抵抗発熱体としてのボロン拡散層の変形例を説明するための平面図である。埋め込み抵抗発熱体としてのボロン拡散層の変形例を説明するための平面図である。実施例１２に係る熱遷移駆動型真空ポンプの構造を示す断面図である。クヌーセン・ポンプ／コンプレッサの原理説明図である。クヌーセン・ポンプ／コンプレッサの原理説明図である。多段接続されたクヌーセン・ポンプ／コンプレッサの動作説明図である。希薄気体中における熱遷移流とポアズイユ流の説明図である。熱遷移流（熱ほふく流）の説明図である。従来のクヌーセン・ポンプにおける加熱方法の説明図である。従来例を示す斜視図と断面図である。従来例を示す断面図である。従来例を示す分解斜視図である。従来例を示す分解断面図及び平面図である。

符号の説明

１シリコン基板
２ベース
３パイレックスガラス・キャップ
４キャピラリ集合体
５支持体
６貫通窓
７コネクタ
８吸気口
９排気口
１０ボロン拡散層（赤外光吸収層）
１１光照射窓
１２赤外光反射層
１３マイクロレンズ
１５ボロン拡散層（埋め込み抵抗発熱体／赤外光吸収層）
２０貫通電極

Claims

キャピラリ集合体と、該キャピラリ集合体の各側に接続された２つのコネクタと、該キャピラリ集合体を保持する支持体とを備える熱遷移駆動型真空ポンプであって、
前記キャピラリ集合体及び前記支持体は平面的に配置され、
前記キャピラリ集合体は、表面から裏面へ垂直に貫通する複数の細孔又は細間隙が形成された多孔質シリコン膜からなり、
前記キャピラリ集合体の一方の側に前記細孔又は細間隙の一端を昇温させるための熱源が設けられており、
前記キャピラリ集合体の前記熱源が設けられた側に接続した前記コネクタ内に開口する貫通窓が前記支持体に設けられていることを特徴とする熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記多孔質シリコン膜はシリコン基板の陽極酸化により形成されたものであり、前記多孔質シリコン膜はその一面に前記細孔又は細間隙に対応した傾斜面を持つ凹部を有し、該凹部はその底に陽極酸化時に電界が集中する部位を有する形状のものであることを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
シリコン基板の陽極酸化により前記多孔質シリコン膜を形成する時に該シリコン基板の表面から内部に広がる空乏層幅より前記凹部の底までの深さが大きいことを特徴とする請求項２記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記多孔質シリコン膜はマクロポーラス・シリコンであることを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記キャピラリ集合体に赤外光を照射するための光照射窓をさらに有し、
前記熱源は前記光照射窓を通して照射された赤外光を吸収して光子エネルギーを熱に変換する赤外光吸収層であることを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記赤外光吸収層は前記キャピラリ集合体の表面から内部へボロン原子を拡散させたボロン拡散層であることを特徴とする請求項５記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記キャピラリ集合体の中央部分の所定領域より外側の領域にのみ前記ボロン拡散層が設けられたことを特徴とする請求項６記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記キャピラリ集合体の前記細孔又は細間隙が形成されている領域より広い領域に前記ボロン拡散層が設けられたことを特徴とする請求項６記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記キャピラリ集合体の中央領域から離れるほど前記ボロン拡散層のボロン原子濃度を高くしたことを特徴とする請求項６記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記光照射窓に赤外光を集光するマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項５記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記支持体への赤外光の入射を防止するため遮光手段をさらに有することを特徴とする請求項５記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記支持体の表面の少なくとも前記キャピラリ集合体の近傍領域に赤外光反射層が設けられていることを特徴とする請求項５記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記熱源は埋め込み抵抗発熱体であり、
前記埋め込み抵抗発熱体に通電するための電極をさらに有することを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記埋め込み抵抗発熱体は、前記キャピラリ集合体の表面から内部へ不純物原子を拡散させた不純物拡散層であることを特徴とする請求項１３記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記キャピラリ集合体の中央部分の所定領域には前記不純物拡散層が設けられていないことを特徴とする請求項１４記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記キャピラリ集合体の中央部分の所定領域には前記細孔又は細間隙が形成されておらず、該所定領域にも前記不純物拡散層が設けられていることを特徴とする請求項１４記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記キャピラリ集合体の中央領域から離れるほど前記不純物拡散層の不純物原子濃度を高くしたことを特徴とする請求項１４記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記不純物拡散層は複数の部分に分割され、該分割された部分毎に前記電極が設けられたことを特徴とする請求項１４記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記不純物拡散層は不純物としてボロン原子を拡散させたボロン拡散層であり、
前記キャピラリ集合体に赤外光を照射するための光照射窓をさらに有することを特徴とする請求項１４記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記支持体の少なくとも前記キャピラリ集合体の近傍領域は多孔質シリコン膜からなることを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記支持体はバルク単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記支持体の表面が、前記熱源により昇温される側の前記細孔又は細間隙の端に比べ低い位置にあることを特徴とする請求項２１記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記キャピラリ集合体及び前記支持体が一体形成されたことを特徴とする請求項１乃至２２のいずれか１項記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
前記キャピラリ集合体、前記２つのコネクタ、前記熱源及び前記支持体からなる基本単位を各段に対応して複数有し、
各段に対応した前記基本単位におけるキャピラリ集合体の昇温される側の端に接続したコネクタが支持体の貫通窓を介して、次段に対応した前記基本単位におけるキャピラリ集合体の昇温されない側に接続したコネクタと接続されることにより、
複数の前記基本単位が多段カスケード接続されたことを特徴とする請求項１乃至２２のいずれか１項記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
全ての前記基本単位のキャピラリ集合体及び支持体が一体形成されたことを特徴とする請求項２４記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。
全段のコンダクタンスが均等になるように、各段に対応した前記基本単位におけるキャピラリ集合体の細孔又は細間隙の総面積が調整されていることを特徴とする請求項２４記載の熱遷移駆動型真空ポンプ。