JP2004263689A - 分子真空ポンプ用の振動ポンピングステージおよび振動ポンピングステージを備えた分子真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】真空ポンプ用のマイクロ電気機械ポンピングステージおよび１段以上のこの様なステージを備えた真空ポンプを提供する。
【解決手段】マイクロ電気機械振動ポンピングステージは、シリコン基板１５を備え、基板に対する振動を提供するために、基板上に、振動膜と膜制御装置とを有する単層または多層振動アセンブリ２７；１２７；２２７；３２７が形成されている。分子真空ポンプは、この振動ポンピングステージを組み込んでいる。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、真空ポンプ用の振動ポンピングステージおよび真空ポンピングステージを備えた真空ポンプに関する。
詳細には、本発明は、ＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）の製造に用いられる技術により得られるマイクロ電気機械振動ポンピングステージに関する。
さらに、本発明は、振動ＭＥＭＳポンピングステージを利用した分子真空ポンプに関する。

例えば、ヴァンデン・ブランデ(Vanden Brande)らによる下記特許文献１に、振動部材を備えた分子真空ポンプが開示されている。
ヴァンデン・ブランデらは、一方側が脱気すべきチャンバに吸気ポートを介して連通し、他方側が外部環境に排気ポートを介して連通するボックスの内部に一組の交互配列の双極子を配置することによって、分子真空ポンプを製造することを教示している。さらに、この特許の教示によると、双極子は、前記ボックスの内壁と一体的な各支持体に取り付けられた圧電素子により得られる。

しかし、ヴァンデン・ブランデらは、振動素子の動作や、所望のポンピング効果を得る実際的な方法について肝要な詳細を開示していない。
彼らの教示に従って真空ポンプを製造する試みがなされたが、不本意な結果が得られた。特に、開示された原則に基づく真空ポンプの動作に要するパワーは、達成可能な結果に対比して過大であることが判明した。
欧州特許第１１２５０６５号明細書

したがって、本発明の目的は、真空ポンプ用のマイクロ電気機械ポンピングステージおよび１段以上のこの様なステージを備えた真空ポンプを提供することであり、この様なステージやポンプにより、妥当な対価で工業的に適用可能な結果を得ることができ、ポンピング速度や圧縮比の面で利点を得ることができる。
上記およびその他の目的は、添付の特許請求の範囲に請求されているマイクロ電気機械ポンピングステージおよび真空ポンプにより達成される。

本発明によれば、好ましくは、振動マイクロ電気機械ポンピングステージは、ＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）装置の開発で公知の技術により得られる。
公知のように、「ＭＥＭＳ」という用語は、シリコン基板上に機械部材、センサ、駆動装置、関連電子装置を集積した小型化電気機械システムを意味する。通常、ＭＥＭＳ部材は、選択的にシリコンをエッチングしてシリコンウェーハの選択部分を除去したり、新たな構成層を付加して機械的／電気機械的部材を形成したりするマイクロ加工プロセスによって得られる。この技術により、マイクロ駆動装置などの完全システムをチップ上に形成することができる。

好ましいことに、ＭＥＭＳを製造する技術は、集積回路に使用される製造方法と同様の製造方法を利用するので、集積回路と同様の品質、信頼性、精巧度、および低価格性を享受することができる。
以下、添付の図面を参照しながら、非限定的な例示として本発明の典型的な実施形態を説明する。

図１ａおよび図１ｂを参照して、本発明の第１の実施形態に係るマイクロ電気機械ポンピングステージを示す。
この実施形態によると、平板状の弾性振動膜１２１が、支持ベース１５に形成されたキャビティ１３上方に懸架されている。
膜１２１は、略矩形であり、支持ベース１５に形成されたキャビティ１３を取り囲む周縁部に、膜１２１の短辺側の２つの矩形の取付領域１２３ａ、１２３ｂにおいて取り付けられている。

さらに、膜１２１には、部分的に周縁部１７と重なる側方延長部１２５が設けられており、対応する接触領域１２７を形成している。
支持ベース１５は、従来のエッチング技術によりキャビティ１３が形成されたシリコン基板またはウェーハであることが好ましい。
金属製制御電極２１が、キャビティ１３内部において底部１９に接して配置されており、この金属製制御電極２１には、キャビティ１３の側壁２５に対して折り曲げられた側方延長部２３が設けられている。この側方延長部２３は、支持ベース１５の周縁部１７を部分的に覆い、対応する接触領域２７を形成している。

制御電極２１および膜１２１のそれぞれにおける領域２７および１２７に電圧信号を印加することによって、制御電極２１と膜１２１との間に電界が形成され、膜１２１は電極２１に引き付けられる。
接触領域２７、１２７に印加される電圧信号を周期的に中断すると、膜１２１の振動が得られる。特に、前記信号が、膜１２１の共振周波数とは異なる周波数を有する正弦波形である場合、膜１２１は信号周波数において振動し始める。

気体分子に対する振動膜によるポンピング効果を得るために、振動膜は、非常に高速で、通常、ポンピングされる気体分子の速度、すなわち、膜共振速度とほぼ同程度の速度で、振動するように形成しなければならない。
典型的な実施形態において、制御電極２１および振動膜１２１のそれぞれにおける接触領域２７、１２７により構成される端子に印加される電圧は、約１００Ｖである。

膜１２１の形成に適切な材料は、アルミニウム、モリブデン、ＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓｉ（単結晶）であり、高膜振動速度を得るためには後者のものが好ましい。
さらに、ＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄などの誘電体で形成された膜は、膜振動を電界で制御できるように金属層を２つの誘電層で挟んだサンドイッチ構造（誘電体−金属−誘電体）を有する。

一般的に、短尺で肉厚の膜は高速で動くが、短尺の膜や肉厚の膜は、周囲の気体分子を要件どおりに偏向するために高エネルギーを必要とする。
本発明の典型的な実施形態において、膜１２１は、表面が１００μｍ×２０μｍで、厚さが１μｍである。
さらに、膜１２１は、振動中にベース１５から脱離しないように、充分に広い固定領域１２３ａ、１２３ｂを有している。例えば、１００μｍ×２０μｍ×１μｍの膜の場合、固定領域は、表面が少なくとも２０μｍ×２０μｍであることが好ましい。

制御電極２１の寸法は、膜１２１への引力が膜表面の約５０％、膜１２１の長手方向に２５μｍ〜７５μｍの長さ、および膜１２１の全幅に及ぶようにすることが好ましい。膜１２１と制御電極２１との間隔は、使用材料や、制御電極２１および膜１２１の接触領域に印加される電圧にもよるが、５μｍ〜１５μｍの範囲であることが好ましい。
図１ａおよび図１ｂに示されている素子と同一の素子は省略されている図２を参照して、本発明の第２の実施形態が示されており、この実施形態において、振動ポンピングステージは、２つの平行な長手方向のビーム２２１ａ、２２１ｂと横方向の中央ビーム２２１ｃとを備えた略Ｈ字形状平板状の弾性膜により得られる。

図１ａおよび図１ｂに示す実施形態と同様に、平行ビーム２２１ａ、２２１ｂは、それらの両端部２２３ａ、２２３ｂにおいて、支持ベース１５の周縁部１７に取り付けられている。この様に、Ｈ字形状の膜２２１は、支持ベース１５内に形成されたキャビティ１３の上方に懸架されている。
この様な構成により、Ｈ字形状の膜は、ねじり振動が付与され、高共振周波数と大振幅とを得ることができる。

実際、ねじり共振周波数は、屈曲共振周波数よりもはるかに高い。例えば、長さ１５０μｍ、幅１５μｍ、厚さ１．５μｍのアルミニウム膜は、屈曲共振周波数が３．５×１０⁵Ｈｚであり、ねじり共振周波数が２．０×１０⁶Ｈｚである。
Ｈ字形状の膜２２１の横方向のビーム２２１ｃにより引き起こされる周囲の気体分子の偏向は、屈曲にさらされる単一膜の場合よりも増幅される。中央の横方向のビーム２２１ｃは、このアセンブリの共振周波数が極度に低下しないように、軽量かつ肉薄であることが好ましい。

次に、図３を参照して、本発明の第３の実施形態が示されており、この実施形態において、多層振動アセンブリ３２１が提供されている。
この実施形態によれば、アセンブリ３２１は、略Ｓ字形状の弾性部材またはサスペンションスプリング３３３により支持されている略剛性の膜３３１を備えており、弾性部材またはサスペンションスプリング３３３は、膜３３１の両端３２３ａ、３２３ｂの下方に配置されている。

さらに、弾性部材３３３は、直線的な支持ベース１５’に取り付けられており、ベース１５’上には制御電極２１’が設けられており、電極２１’と膜３３１との間に電界を印加することによってアセンブリ３２１を振動させる。
本発明の第４の実施形態を示す図４を参照して、膜３３１は、充分な剛性を有するトレリス（格子）構造を提供するために、開口部３２９を有することが好ましく、膜が、遊動状態に保持されている平面に略平行に振動する。

単純膜（図１ａおよび図１ｂ）またはＨ字形状の膜（図２）の場合と対比して、図３および図４に示す実施形態の多層構造により、膜３３１の全表面が所定の速度で作用するという好ましい結果が得られる。
膜３３１は、振動中において略平面的に保たれ、結果的に、屈曲のために膜の限られた一部分のみが最適な偏向を有する前記の他の構成で発生する事象とは対照的に、全膜表面が、気体分子を同様に偏向させる。

したがって、固定領域が振動表面の下方に位置するので、多層アセンブリは、能動振動表面に関して高効率を達成することができるという利点がある。
典型的な実施形態において、多層アセンブリ３２１は、以下のような寸法を有している。
膜厚： １μｍ
振動表面長： １５〜２５μｍ
スプリング長： ２〜３μｍ
アセンブリ厚： ５μｍ
スプリング厚： ０．５μｍ
好ましいことに、本発明によれば、振動ポンピングセットは、上記のように、複数の振動ポンピングステージを結合することによって形成することができる。例えば、これらのポンピングステージを同一の平面内に配置して、得るべきポンピング容量により、例えば、ディスク形状など、大小の表面を有する異なる幾何学的形状を形成することができる。ポンピングステージ間の間隔は、振動アセンブリの種類によって異なるが、数マイクロメートル程度、例えば３μｍである。

図５を参照して、複数のマイクロ電気機械振動ポンピングステージを備えた分子真空ポンプが、概略的に示されている。
図５において、参照番号５１は、円筒形のケーシングを表し、その内部に、ディスク形状の部材５５ａ、５５ｂ、５５ｃからなるポンピングセットが配置されており、これらディスク形状部材５５ａ、５５ｂ、５５ｃは、前記の図面を参照しながら説明した実施形態の１つにより形成された複数のマイクロ電気機械ポンピングステージを担持している。

これらのディスク形状ポンピングセット５５ａ、５５ｂ、５５ｃは、円筒ケーシング５１の内径よりも小さな直径を有し、ディスク５５ａ〜５５ｃとケーシング５１の内壁との間に気体流を流すための相応の自由環状部を形成する。
管状ケーシング５１は、第１の端部５３ａおよび第２の端部５３ｂを有する。第１の端部５３ａは、ポンピングされる気体の吸気ポートに対応し、脱気すべきチャンバに接続される。第２の端部５３ｂは、排気ポートに対応し、好ましくは前ポンプを介して外部環境に接続される。

本発明によれば、振動表面５７は、それぞれ前記ディスク形状部材５５ａ、５５ｂ、５５ｃ上に形成され、前後に移動する複数の振動ポンピングステージを並列に配置することによって得られ、これによって、気体分子の偏向をケーシング５１内部で起こし、結果的に気体を排気ポート５３ｂ方向にポンピングする。
さらに、前記ポンピング装置は、電源用の１対の導線を導出する集積ユニットを形成するために、ディスク形状部材５５ａ、５５ｂ、５５ｃ上で電気的に相互接続されていることが好ましい。

この様にして得られた真空ポンプの最適な動作のために、振動表面の振動速度は、ポンプを介してポンピングすべき気体分子の熱じょう乱速度と同程度であることが好ましい。
振動表面による気体分子に対するポンピング作用は、実質的に、ケーシング５１内の分子経路に付与された指向性振動によって与えられる。
振動表面が、前方、すなわち、排気側端部５３ｂに向かって移動すると、振動表面が静止状態にある場合よりも大量の分子を捉え、後方、すなわち、吸気側に向かって移動すると、少量の分子を捉える。

この様な事象は、後方焦点ズレ効果よりも前方突出効果の方が強調されるなど不均衡な効果を生ずる結果となり、気体分子が排気側５３ｂに送られる可能性が非常に高まる。
好ましい実施形態において、分子ポンプは、各ポンピングユニットを形成する多数のディスク形状の偏向部材５５を収容する多数のケーシング５１を備えている。
さらに、各ポンピングユニット５５は、独立制御可能であり、ポンプ性能を測定することによって振動表面の振動速度および振幅を変更可能な制御装置または「フィードバック」装置を介してモニタされる。

好ましいことに、提案されている構成によれば、集積真空ポンプは、気体流のためのダクト内に設けることができ、これにより、非線形形状など、用途によって異なる形状および異なる長さを有する能動ダクトが得られる。
開示された例示において、膜振動は、静電気力を利用して、静止支持体と一体的な電極に膜を周期的に近接移動することによって得られる。しかし、電磁場を利用して膜を移動することもでき、この様な電磁場はより大きな力を発生することができる。

もちろん、異なる構造、構成、材料を用いて膜を形成することができるが、最良の構成の選択は、気体の種類や、得るべきポンピング速度や圧縮比によって決定される。

本発明の第１の実施形態に係るポンピングステージの上面斜視図である。 図１ａに示すポンピングステージの上面図である。 本発明の第２の実施形態に係るポンピングステージの斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係るポンピングステージの斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係るポンピングステージの正面図である。 本発明に係る振動ポンピングステージを備えた真空ポンプの図解図である。

Claims (20)

1. 支持ベース（１５；１５’）と、
   前記支持ベース（１５；１５’）に取り付けられた振動アセンブリ（１２１；２２１；３２１）であって、この振動アセンブリの振動中に周囲の気体分子を偏向させる能動表面を備えた振動アセンブリと、
   前記振動アセンブリを振動させ、結果的に前記気体分子の偏向を起こすために、前記支持ベース（１５；１５’）上に配置された制御装置（２１）とを備えた真空ポンプ用の振動ポンピングステージ。
2. 前記支持ベース（１５；１５’）が、シリコンウェーハを備えた請求項１に記載の振動ポンピングステージ。
3. 前記制御装置（２１）が、前記支持ベース（１５；１５’）と前記振動アセンブリ（１２１；２２１；３２１）との間に配置されている請求項２に記載の振動ポンピングステージ。
4. 前記制御装置（２１）が電極であり、前記支持ベースに対して前記振動アセンブリの振動を発生させるために、前記電極と前記振動アセンブリとの間に可変電界が印加される請求項３に記載の振動ポンピングステージ。
5. 前記電界を正弦波信号により発生させ、前記正弦波信号が前記振動アセンブリの共振周波数に近い周波数を有する請求項４に記載の振動ポンピングステージ。
6. 前記電極を収容するキャビティ（１３）が、前記支持ベース内において前記振動アセンブリの下方に形成されている請求項５に記載の振動ポンピングステージ。
7. 前記振動アセンブリが、平板状の弾性膜である請求項６に記載の振動ポンピングステージ。
8. 前記膜が略矩形であり、前記矩形の短辺側に相当するその端部（１２３ａ，１２３ｂ）において前記支持ベースに取り付けられている請求項７に記載の振動ポンピングステージ。
9. 前記膜が、略Ｈ字形状であり、その４つの端部（２２３ａ，２２３ｂ）において前記支持ベースに取り付けられている請求項７に記載の振動ポンピングステージ。
10. 前記膜が、前記キャビティ（１３）を取り囲む周縁部（１７）に沿って前記支持ベースに取り付けられており、これによって、前記膜が前記キャビティの上方に懸架されている請求項９に記載の振動ポンピングステージ。
11. 前記膜が、前記周縁部に部分的に重なる側方延長部（１２５）を備え、対応する第１の接触領域（１２７）を形成し、前記電極が、前記支持ベース（１５）の周縁部（１７）に部分的に重なる様な側方延長部（２３）を備え、対応する第２の接触領域（２７）を形成する請求項１０に記載の振動ポンピングステージ。
12. 前記正弦波信号が、前記第１および第２の接触領域に印加されて前記振動アセンブリと前記制御装置との間に可変電界を生成し、前記電界が、前記アセンブリを振動させる請求項１１に記載の振動ポンピングステージ。
13. 前記振動アセンブリが、前記膜（３３１）と前記支持ベースとの間に配置された、弾性部材またはサスペンションスプリング（３３３）により支持されている剛性膜（３３１）を備え、前記弾性部材が、前記支持ベースに取り付けられている請求項４に記載の振動ポンピングステージ。
14. 前記膜および前記支持ベースが、略直方体直線形状である請求項１３に記載の振動ポンピングステージ。
15. 前記弾性部材が、Ｓ字形状である請求項１４に記載の振動ポンピングステージ。
16. 前記膜が、開口部（３２９）を有し、充分剛性のあるトレリス構造を形成し、前記膜が、遊動状態に保持されている平面に略平行に振動する請求項１４に記載の振動ポンピングステージ。
17. 吸気ポート（５３ａ）および排気ポート（５３ｂ）を有する円筒ケーシング（５１）を備え、
    前記ケーシングが、少なくとも１つのディスク形状の振動ポンピングセットを収容しており、
    前記ポンピングセットが、少なくとも１つの振動ポンピングステージを備えており、
    前記少なくとも１つの振動ポンピングステージが、支持ベース（１５；１５’）と、前記支持ベース（１５；１５’）に取り付けられた振動アセンブリ（１２１；２２１；３２１）と、前記支持ベース（１５；１５’）と前記振動アセンブリ（１２１；２２１；３２１）との間に配置された制御装置（２１）とを有する分子真空ポンプ。
18. 前記少なくとも１つのディスク形状のポンピングセットが、複数の振動ポンピングステージを備えている請求項１７に記載の分子真空ポンプ。
19. 前記ディスク形状の振動ポンピングセット（５５）が、前記円筒ケーシング（５１）の軸に垂直に配置され、前記ディスク形状の振動ポンピングセットと前記ケーシングとの間に気体通路用の自由環状部が設けられている請求項１８に記載の分子真空ポンプ。
20. 前記ケーシングが、気体流のための非線形のダクトである請求項１９に記載の分子真空ポンプ。

Images