JP3545224B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力を検出するのに用いて好適な圧力センサに関し、特にエッチング処理等の半導体製造技術を用いてシリコン基板等に形成される半導体式の圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体式の圧力センサとして、シリコン等の半導体材料からなる基板上でエッチング等の半導体製造技術を用いて形成したものが例えば特開平２−１３２３３７号公報によって知られている。
【０００３】
そこで、図１０ないし図１３に基づき従来技術によるダイヤフラム型の圧力センサをシリコン基板に形成する場合について述べる。
【０００４】
１は従来技術に用いられる圧力センサ、２は該圧力センサ１の基台をなすシリコン基板で、該シリコン基板２は、その表面２Ａと裏面２Ｂとは、シリコンの（１００）面とほぼ一致するように形成されている。
【０００５】
３シリコン基板２の裏面２Ｂ側に略正方形状に凹設された受圧凹溝で、該受圧凹溝３によりシリコン基板２の表面２Ａ側に薄肉のダイヤフラム部４が形成されている。また、ダイヤフラム部４上には該ダイヤフラム部４に生じる撓みを検出するピエゾ抵抗素子５が設けられ、該ピエゾ抵抗素子５にはリード端子６，６が接続されている。
【０００６】
そして、圧力センサ１の作動時には、流体圧等がダイヤフラム部４に作用すると、この圧力に応じてダイヤフラム部４が全体に亘って撓み変形する。このとき、ピエゾ抵抗素子５は撓み変形部分となるダイヤフラム部４に設けられているから、ピエゾ抵抗素子５に歪が生じる。このため、ピエゾ抵抗素子５の抵抗値を各リード端子６間の電圧、電流等によって検出することによって、ダイヤフラム部４に加わる圧力を検出している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、図１２、図１３に示すように、シリコン基板２の厚さ寸法をＡ、（１１１）面と（１００）面とのなす角度を（９０°−α）（但し、α≒３５．３°）、ダイヤフラム部４の一辺の幅寸法をＢとしたとき、幅寸法Ｂのダイヤフラム部４を形成するために必要な受圧凹溝３の開口部３Ａの一辺の長さ寸法Ｃは、下記の数１によって設定される。
【０００８】
【数１】
Ｃ＞２Ａ×ｔａｎα＋Ｂ
【０００９】
そして、この数１からも分かるように、受圧凹溝３の開口部３Ａの大きさは、シリコン基板２の厚さ寸法Ａとダイヤフラム部４の幅寸法Ｂとによって設定され、開口部３Ａの大きさによってシリコン基板２（圧力センサ１）の外形が決められてしまう。このため、シリコン基板２の大きさは開口部３Ａの大きさによって設定されているから、１枚のシリコンウエハから製造される圧力センサ１の個数が決められ、製造コストが悪化してしまうという問題がある。また、圧力センサに加わる総圧力の大きさは、受圧凹溝３の開口部３Ａの面積に比例するため、受圧凹溝３の開口部３Ａの大きさに応じてセンサの構造を強化する必要があり、これも製造コストの悪化の原因となっていた。
【００１０】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明は受圧凹溝の開口部を従来技術に比べて小さくすることにより、製造コストを低減することのできる圧力センサを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明に係る圧力センサは、裏面がシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成された基板と、平行四辺形からなる開口部となって該基板の裏面側から形成された受圧凹溝と、前記基板に該受圧凹溝を形成することにより該基板に設けられたダイヤフラム部と、該ダイヤフラム部の位置で前記基板の表面側に凹設された検出用凹溝と、少なくとも該検出用凹溝内に設けられ前記ダイヤフラム部に生じる撓みを検出する撓み検出素子とを備え、前記受圧凹溝は、その開口部を長尺な辺と短尺な辺とを有する平行四辺形に形成すると共に、前記検出用凹溝よりも大きい面積の底面をもって形成し、前記検出用凹溝を構成する辺を前記受圧凹溝の開口部を構成する長尺な辺に平行に設け、前記ダイヤフラム部は前記検出用凹溝の内側部分を薄肉部とすると共に、前記検出用凹溝の外側部分を厚肉部として形成し、前記撓み検出素子は前記薄肉部に配置する構成としている。
【００１２】
このように構成することにより、ダイヤフラム部のうち検出用凹溝の内側部分だけを撓み変形部分とすることができ、ダイヤフラム部に圧力が作用したとき、検出用凹溝の内側の部分を撓み変形させ、このときの撓みを撓み検出素子によって検出し、圧力を検出することができる。
【００１３】
また、基板の裏面をシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成すると共に、受圧凹溝の開口部を、例えば該基板の裏面内に含まれる［１００］軸とのなす角度が５４．７°である一対の辺を有する平行四辺形としたから、シリコンの結晶方向に沿って基板の裏面から形成される受圧凹溝は、従来技術のように、基板の裏面をほぼ（１００）面に沿って形成したときの受圧凹溝の開口部に比べて、小さくすることができる。
また、ダイヤフラム部には検出用凹溝の内側部分を薄肉部とし、検出用凹溝の外側部分を厚肉部としたから、ダイヤフラム部に圧力が作用したときに、厚肉部に撓みが生じるのを防止しつつ、薄肉部を撓み変形させることができる。そして、薄肉部に設けた撓み検出素子によってダイヤフラム部に作用する圧力を正確に検出することができる。
さらに、受圧凹溝の底面は検出用凹溝よりも大きい面積をもつから、ダイヤフラム部の表面側に検出用凹溝を容易に凹設することができる。これにより、受圧凹溝と検出用凹溝との間に位置ずれが生じたときでも、検出用凹溝の内側部分に撓み変形部分となる薄肉部を形成することができる。
また、受圧凹溝の開口部を、基板の裏面内に含まれる［１００］軸とのなす角度が５４．７°である一対の辺を有する平行四辺形としたから、シリコンの結晶方向に沿って基板の裏面から形成される受圧凹溝は、従来技術のように、基板の裏面をほぼ（１００）面に沿って形成したときの受圧凹溝の開口部に比べて、小さくすることができる。
【００２０】
請求項２の発明は、裏面がシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成された基板と、平行四辺形からなる開口部となって該基板の裏面側から形成された受圧凹溝と、前記基板に該受圧凹溝を形成することにより該基板に設けられたダイヤフラム部と、該ダイヤフラム部の位置で前記基板の表面側に凹設された検出用凹溝と、少なくとも該検出用凹溝内に設けられ前記ダイヤフラム部に生じる撓みを検出する撓み検出素子とを備え、前記受圧凹溝は前記検出用凹溝よりも大きい面積の底面をもって形成し、前記ダイヤフラム部は前記検出用凹溝の内側部分を薄肉部とすると共に、前記検出用凹溝の外側部分を厚肉部として形成し、前記撓み検出素子は前記薄肉部に配置し、前記受圧凹溝の開口部を平行四辺形とした場合、検出用凹溝よりも大きいダイヤフラム部を形成するための平行四辺形は、前記基板の厚さ寸法をａ、前記検出用凹溝の溝幅寸法をｂとしたとき、長尺な辺の長さ寸法ｃを、
とし、
短尺な辺の長さ寸法ｄを、
として形成したことにある。
【００２１】
請求項３の発明は、裏面がシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成された基板と、平行四辺形からなる開口部となって該基板の裏面側から形成された受圧凹溝と、前記基板に該受圧凹溝を形成することにより該基板に設けられたダイヤフラム部と、該ダイヤフラム部の位置で前記基板の表面側に凹設された検出用凹溝と、少なくとも該検出用凹溝内に設けられ前記ダイヤフラム部に生じる撓みを検出する撓み検出素子とを備え、前記受圧凹溝は前記検出用凹溝よりも大きい面積の底面をもって形成し、前記ダイヤフラム部は前記検出用凹溝の内側部分を薄肉部とすると共に、前記検出用凹溝の外側部分を厚肉部として形成し、前記撓み検出素子は前記薄肉部に配置し、前記受圧凹溝の開口部を平行四辺形に形成し、前記検出用凹溝を正方形に形成し、該検出用凹溝を構成する正方形の辺を前記受圧凹溝の開口部を構成する長尺な辺に平行に設けた場合、検出用凹溝よりも大きいダイヤフラム部を形成するための平行四辺形は、前記基板の厚さ寸法をａ、前記検出用凹溝の溝幅寸法をｂとしたとき、長尺な辺の長さ寸法ｃを、
とし、
短尺な辺の長さ寸法ｄを、
として形成したことにある。
【００２２】
このように構成することにより、従来技術のように、基板の裏面をほぼ（１００）面に沿って形成したときの受圧凹溝の開口部に比べて、開口部を小さくすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧力センサの実施の形態を、添付した図１ないし図９に従って詳細に説明する。なお、実施の形態では、（１１０）面、（−１１０）面等のシリコンの結晶面を代表して（１１０）面と呼び、異方性エッチングによって形成される（１１１）、（−１−１−１）面等の結晶面を代表して（１１１）面と呼ぶ。
【００２４】
まず、本発明による第１の実施の形態に係る圧力センサを、図１ないし図６を参照しつつ述べる。
【００２５】
１１は本実施の形態に用いられる圧力センサ、１２は該圧力センサ１１の基台をなすシリコン基板で、該シリコン基板１２は、シリコン単結晶からなる基底部１２Ａと、該基底部１２Ａの表面側に形成された他のシリコン単結晶からなる表層部１２Ｂと、該表層部１２Ｂと前記基底部１２Ａとの間に介在した酸化膜としての絶縁層部１２Ｃとを備えたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板として構成されている。
【００２６】
そして、表層部１２Ｂは、リン等の不純物が添加されることによりｎ型半導体となっている。また、基底部１２Ａの裏面１２Ｄ側にはシリコンの酸化膜１３と窒化膜１４とが設けられている。さらに、シリコン基板１２の裏面１２Ｄは、シリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成されている。
【００２７】
１５は基底部１２Ａの中央に位置して裏面１２Ｄ側に凹設された受圧凹溝で、該受圧凹溝１５は、基底部１２Ａの裏面１２Ｄ側にシリコンの酸化膜１３，窒化膜１４の開口部１３Ａ，１４Ａとを介して異方性のエッチング処理等を施すことにより、裏面１２Ｄから絶縁層部１２Ｃに達している。また、受圧凹溝１５の開口部１５Ａは、（１１０）面と（１１１）面との交線からなる１個の平行四辺形となって形成されている。
【００２８】
また、シリコン基板１２の基底部１２Ａの厚さ寸法がａ、側壁１５Ｂと底面１２Ｄとのなす角度、即ち（１１１）面と（１１０）面とのなす角度が（９０°−α′）（但し、α′≒５４．７°）となっている。
【００２９】
さらに、受圧凹溝１５の開口部１５Ａは、長尺な辺１５Ｃと短尺な辺１５Ｄとを有し、長尺な辺１５Ｃはシリコンの結晶方向として例えば［００１］軸方向に角α′をなして延びると共に、短尺な辺１５Ｄは［００１］軸方向に角−α′をなして延びている。
【００３０】
また、２つの側壁１５Ｂは長尺な辺１５Ｃと短尺な辺１５Ｄに挟まれて略四角形状をなして形成されている。そして、前記長尺な辺１５Ｃと短尺な辺１５Ｄの間に位置した鋭角βは約７０．６°となり、鈍角γは約１０９．４°となっている。
【００３１】
１６は受圧凹溝１５によってシリコン基板１２に設けられたダイヤフラム部で、該ダイヤフラム部１６は、図２に示すように、受圧凹溝１５の底部に位置して、長尺な辺１５Ｃの一部が平行な辺となった四角形状をなしている。そして、ダイヤフラム部１６は後述の検出用凹溝１７の内側では薄肉部１８を形成し、検出用凹溝１７の外側では厚肉部１９を形成している。また、ダイヤフラム部１６は、受圧凹溝１５の２本の対角線の交点位置に設けられている。
【００３２】
１７は受圧凹溝１５に対向して表層部１２Ｂの表面側に凹設された検出用凹溝で、該検出用凹溝１７は浅溝状をなして形成されている。そして、検出用凹溝１７上には後述の絶縁膜２２、保護膜２４により凹陥部１７Ａが設けられている。また、検出用凹溝１７は、凹陥部１７Ａと実質的には同一の形状となり、ダイヤフラム部１６の面積よりも小さい面積を有し、一辺の溝幅寸法がｂとなった正方形の凹面部１７Ｂとなっている（図２参照）。
【００３３】
１８は検出用凹溝１７の位置で表層部１２Ｂ、絶縁層部１２Ｃに形成された薄肉部で、該薄肉部１８は、ダイヤフラム部１６に圧力が作用したときに、その圧力に応じて撓み変形するものである。
【００３４】
１９は検出用凹溝１７の外側に形成された厚肉部で、該厚肉部１９は、薄肉部１８の外側を取囲み、略四角形の枠状をなしてシリコン基板１２の表層部１２Ｂ、絶縁層部１２Ｃに形成されている。
【００３５】
２０，２０，…は検出用凹溝１７内に設けられた例えば４個のピエゾ抵抗素子（２個のみ図示）で、該各ピエゾ抵抗素子２０は、ホウ素等の不純物をシリコン基板１２の表層部１２Ｂに注入、拡散し、その一部を略長方形状にピエゾ抵抗化することによって、撓み検出素子として構成されている。
【００３６】
２１，２１，…はシリコン基板１２上に設けられた拡散層配線、２２はピエゾ抵抗素子２０と拡散層配線２１との上側に形成された絶縁膜、２３はシリコン基板１２上に絶縁膜２２上に設けられた金属配線である。２４は金属配線２３を保護するための絶縁性の保護膜で、該保護膜２４はシリコン基板１２の表面側で全面に亘って設けられている。
【００３７】
２５は検出用凹溝１７を閉塞する閉塞板を示し、該閉塞板２５は、陽極接合法等を用いることによって、絶縁膜２２と保護膜２４とを介して厚肉部１９の表面側に固着されている。そして、閉塞板２５は凹陥部１７Ａとの間に基準圧室Ｓを構成している。
【００３８】
本発明による圧力センサ１１は、上述の如き構成を有するもので、シリコン基板１２の基底部１２Ａには裏面１２Ｄから受圧凹溝１５を形成することにより、絶縁層部１２Ｃにダイヤフラム部１６を形成し、表層部１２Ｂには検出用凹溝１７を形成し、ダイヤフラム部１６には検出用凹溝１７の内側部分を薄肉部１８としたから、ダイヤフラム部１６に圧力が作用したときに、厚肉部１９に撓みが生じるのを防止しつつ、薄肉部１８を撓み変形させることができる。そして、薄肉部１８に設けた各ピエゾ抵抗素子２０によってダイヤフラム部１６に作用する圧力を正確に検出することができる。
【００３９】
また、受圧凹溝１５によって形成されるダイヤフラム部１６は、検出用凹溝１７の凹面部１７Ｂの面積よりも大きい面積をもつから、ダイヤフラム部１６の表面側に検出用凹溝１７を容易に凹設することができる。これにより、受圧凹溝１５と検出用凹溝１７との間に位置ずれが生じたときでも、検出用凹溝１７の内側部分に撓み変形部分となる薄肉部１８を形成することができる。
【００４０】
次に、受圧凹溝１５の開口部１５Ａの形状について説明する。なお、図２ないし図５ではシリコン基板１２の表層部１２Ｂの部分は省略している。
【００４１】
また、一辺の溝幅寸法ｂを有する凹面部１７Ｂ（検出用凹溝１７）を形成するために必要な受圧凹溝１５の開口部１５Ａは、下記の数２のようになる。
【００４２】
なお、シリコン基板１２の裏面１２Ｄはシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成しているから、図２に示すように、受圧凹溝１５の開口部１５Ａの形状は、シリコンの結晶方向から、長尺な辺と短尺な辺の間に位置した鋭角βが約７０．６°、鈍角γが約１０９．４°となる。さらに、開口部１５Ａの長尺な辺１５Ｃの長さ寸法をｃ1 、短尺な辺１５Ｄの長さ寸法をｄ1 とする。
【００４３】
【数２】
【００４４】
そして、数２によって明らかなように、角度α′，β，γはシリコン結晶により設定される固定値となっているから、長尺な辺の長さ寸法ｃ1 と短尺な辺の長さ寸法ｄ1 は、基底部１２Ａの厚さ寸法ａ、凹面部１７Ｂ（検出用凹溝１７）の溝幅寸法ｂによってのみ設定される。そして、本実施の形態では、受圧凹溝１５の開口部１５Ａは、長尺な辺１５Ｃと短尺な辺１５Ｄがシリコン基板１２の長さ方向と角α′をなして延びている。
【００４５】
次に、図６に基づいてシリコンウエハの裏面から受圧凹溝１５を形成する構成について説明する。
【００４６】
まず、３１は複数個の圧力センサを形成するためのシリコンウエハで、該シリコンウエハ３１の表層部に図示しない検出用凹溝１７、ピエゾ抵抗素子２０、配線２１，２３、絶縁膜２２、保護膜２４等が形成されている。また、シリコンウエハ３１の裏面３１Ａはほぼ（１１０）面に沿って形成されている。
【００４７】
３２はシリコンウエハ３１の裏面３１Ａに受圧凹溝１５を形成するための露光マスクで、該露光マスク３２は、シリコンウエハ３１のうち圧力センサが形成される位置に対応した複数のエリア３２Ａ，３２Ａ，…を有し、該各エリア３２Ａには、受圧凹溝に対応した平行四辺形の露光パターン３３が形成されている。
【００４８】
そして、裏面３１Ａに酸化膜等を形成した上で、感光性のレジスト（いずれも図示せず）等を塗布し、このレジストを露光マスク３２の露光パターン３３を通して感光させることにより、これらの露光パターン３３をレジストに転写する。さらに、酸化膜に対してエッチング処理を施すことにより、受圧凹溝１５に対応した酸化膜の開口部をシリコンウエハ３１の裏面３１Ａに形成する。
【００４９】
次に、例えばＫＯＨ、ヒドラジン等のエッチング液を用いることにより、酸化膜をマスクとしてシリコンウエハ３１の裏面３１Ａ側に異方性のエッチング処理を施し、開口部１５Ａが平行四辺形、底部がダイヤフラム部１６となった受圧凹溝１５が形成される。そして、各圧力センサを二点鎖線部分でシリコンウエハ３１から切り離して、圧力センサを複数個製造する。
【００５０】
かくして、本実施の形態では、シリコン基板１２の裏面１２Ｄを、シリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成すると共に、受圧凹溝１５の開口部１５Ａを、長尺な辺１５Ｃと短尺な辺１５Ｄとを有する平行四辺形に形成している。これにより、圧力の検出部分となる凹面部１７Ｂの溝幅寸法ｂを確保した上で、短尺な辺１５Ｄの長さ寸法ｄ1 の最小値は、従来技術による受圧凹溝３の開口部３Ａの長さ寸法Ｃに対して小さくなる。
【００５１】
この結果、開口部１５Ａの短尺な辺１５Ｄの長さ寸法ｄ1 を従来技術に比べて小さくすることにより、シリコン基板１２の幅方向を小さくでき、１枚のシリコンウエハ３１から製造される圧力センサ１１の個数を従来技術に比べて多くすることができ、歩留を向上することができる。
【００５２】
そして、本実施の形態では、圧力センサ１１のコスト低減を図ることができる。また、圧力を受ける面積、受圧面積を小さくすることができるため、圧力センサ１１に加わる総圧力が小さくなり、同一の接合強度を有する材料、接合技術等を利用した場合、接合面積を小さくすることが可能となる。従って、１枚のシリコンウエハ３１から製造される圧力センサ１１の個数を従来技術に比べて多くすることができる。
【００５３】
次に、図７ないし図１０を参照しつつ、本発明に係る第２の実施の形態について述べるに、本実施の形態の特徴は、検出用凹溝を構成する正方形の辺を前記受圧凹溝の開口部を構成する長尺な辺に平行に設けたことにある。なお、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、シリコン基板の表面側には検出用凹溝１７、ピエゾ抵抗素子２０、配線２１，２３、絶縁膜２２、保護膜２４等が形成されているものとする。
【００５４】
４１は本実施の形態に用いられる圧力センサで、該圧力センサ４１はシリコン基板４２等によって構成されている。また、該シリコン基板４２は、前述した第１の実施の形態による基底部１２Ａ、表層部１２Ｂ、絶縁層部１２Ｃからなるシリコン基板１２とほぼ同様に、基底部４２Ａ、表層部４２Ｂ、絶縁層部４２Ｃを備えたＳＯＩ基板として構成されている。また、シリコン基板４２の裏面４２Ｄは、シリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成されている。さらに、基底部４２Ａの裏面４２Ｄ側には酸化膜４３と窒化膜４４とが設けられ、該酸化膜４３，窒化膜４４の開口部４３Ａ，４４Ａは後述する受圧凹溝３５の開口部４５Ａと同じ形状に形成されている。
【００５５】
４５は中央に位置して裏面４２Ｄ側に凹設された受圧凹溝で、該受圧凹溝３５は、酸化膜４３，窒化膜４４の開口部４３Ａ，４４Ａとを通して異方性エッチング処理等を施すことにより、裏面４２Ｄから絶縁層部４２Ｃに達している。また、該受圧凹溝３５の開口部４５Ａは、平行四辺形となっている。また、平行四辺形は、その開口部が、長尺な辺４５Ｂと短尺な辺４５Ｃとを有し、前記長尺な辺４５Ｂの端部に位置した鋭角βは約７０．６°となり、鈍角γは約１０９．４°となり、シリコンの（１１１）面と（１１０）面とのなす角度が（９０°−α′）（但し、α′≒５４．７°）となっている。
【００５６】
４６は受圧凹溝３５によってシリコン基板４２に設けられたダイヤフラム部で、該ダイヤフラム部４６は、図７に示すように、受圧凹溝３５の底部に位置して、四角形状をなしている。また、ダイヤフラム部４６は検出用凹溝１７の内側では薄肉部１８を形成し、検出用凹溝１７の外側では厚肉部１９を形成している。そして、ダイヤフラム部４６は、長尺な辺４５Ｂ上で平行四辺形の長さ寸法の中間位置に設けられている。ここで、受圧凹溝３５の開口部４５Ａの形状について説明する。シリコン基板４２の裏面４２Ｄはシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成されているから、図７に示すように、受圧凹溝３５の開口部４５Ａの形状は、平行四辺形に形成されている。
【００５７】
また、一辺の溝幅寸法ｂを有する凹陥部１７Ａ（検出用凹溝１７）を形成するのに必要な受圧凹溝３５の開口部４５Ａは、下記の数３によって設定される。
【００５８】
なお、シリコン基板４２の裏面４２Ｄは、シリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成されているから、図７に示すように、長尺な辺４５Ｂと短尺な辺４５Ａに挟まれた鋭角βは約７０．６°となり、鈍角γは約１０９．４°となっている。さらに、開口部４５Ａの長尺な辺４５Ｂの長さ寸法をｃ2 、短尺な辺４５Ｃの長さ寸法をｄ2 とする。
【００５９】
【数３】
【００６０】
そして、数３によって明らかなように、鋭角βと鈍角γ間の辺の長さ寸法ｄ2 は、シリコン基板４２の厚さ寸法ａ、凹面部１７Ｂ（検出用凹溝１７）の溝幅寸法ｂによってのみ設定され、受圧凹溝３５の開口部４５Ａは、長尺な辺４５Ｂがシリコン基板４２の長さ方向に延びている。
【００６１】
また、シリコンウエハ（シリコン基板４２）の裏面に受圧凹溝３５を形成する工程では、露光マスクに形成した露光パターンの形状を前述した平行四辺形とすることにより、第１の実施の形態と同様にしてシリコン基板４２に受圧凹溝３５を形成している。
【００６２】
かくして、本実施の形態では、シリコン基板４２の裏面４２Ｄを、シリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成すると共に、受圧凹溝３５の開口部４５Ａを構成する平行四辺形の長尺な辺４５Ｂと正方形の検出用凹溝部１７を構成する辺の一部を平行に形成している。これにより、圧力の検出部分となる検出用凹溝１７の溝幅寸法ｂを確保した上で、シリコン基板４２の幅方向に延びる短尺な辺４５Ｃの長さ寸法ｄ2 は、従来技術による受圧凹溝３の開口部３Ａの長さ寸法Ｃに対して小さくすることができる（数３参照）。
【００６３】
この結果、開口部４５Ａの辺の長さ寸法ｄ2 をより小さくすることにより、シリコン基板４２の幅を第１の実施の形態に比べてより小さくでき、１枚のシリコンウエハから製造される圧力センサの数を増やすことができ、圧力センサのコスト低減を図ることができる。
【００６４】
なお、各実施の形態では基板にＳＯＩ基板を用いる場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、裏面に（１１０）面を有するシリコン基板を用いてもよい。
【００６５】
また、撓み検出阻止の形成されるＳＯＩ基板の表層部には、表面が（１００）面もしくは（１１１）面を有するシリコン基板を用いてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳述した如く、請求項１の本発明によれば、基板には裏面側から受圧凹溝、表面側から検出用凹溝とをそれぞれ設けたから、ダイヤフラム部に圧力が作用したときに撓み変形する撓み変形部分を、前記基板に容易に形成することができる。そして、撓み変形部分に設けた撓み検出素子によって、ダイヤフラム部に作用する圧力を正確に検出することができる。
【００６７】
また、基板の裏面をシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成すると共に、受圧凹溝の開口部を、例えば該基板の裏面内に含まれる［１００］軸とのなす角度が５４．７°である一対の辺を有する平行四辺形としたから、シリコンの結晶方向に沿って基板の裏面から形成される受圧凹溝は、従来技術のように、基板の裏面をほぼ（１００）面に沿って形成したときの受圧凹溝の開口部に比べて、短尺な辺の分だけ小さくして形成することができる。そして、１枚のシリコンウエハから製造される圧力センサの個数を、従来技術に比べて多くでき、歩留を向上することができる。
また、ダイヤフラム部には検出用凹溝の内側部分を薄肉部とし、検出用凹溝の外側部分を厚肉部としたから、ダイヤフラム部に圧力が作用したときに、厚肉部に撓みが生じるのを防止しつつ、薄肉部を撓み変形させることができる。そして、薄肉部に設けた撓み検出素子によってダイヤフラム部に作用する圧力を正確に検出することができる。
さらに、受圧凹溝の底面は検出用凹溝よりも大きい面積をもつから、ダイヤフラム部の表面側に検出用凹溝を容易に凹設することができる。これにより、受圧凹溝と検出用凹溝との間に位置ずれが生じたときでも、検出用凹溝の内側部分に撓み変形部分となる薄肉部を形成することができる。
また、検出用凹溝を構成する辺を受圧凹溝の開口部を構成する平行四辺形の長尺な辺に平行に設けたから、シリコンの結晶方向に沿って基板の裏面から形成される受圧凹溝は、従来技術のように、基板の裏面をほぼ（１００）面に沿って形成したときの受圧凹溝の開口部に比べ、短尺な辺の分だけ小さくして形成することができる。これにより、１枚のシリコンウエハから製造される圧力センサの個数を、従来技術に比べて多くでき、歩留を向上することができる。
【００７１】
請求項２の発明では、受圧凹溝の開口部を平行四辺形とした場合、検出用凹溝よりも大きいダイヤフラム部を形成するための平行四辺形を、基板の厚さ寸法をａ、前記検出用凹溝の溝幅寸法をｂとしたとき、長尺な辺の長さ寸法ｃを、
とし、短尺な辺の長さ寸法ｄを、
として形成したことにある。
【００７２】
また、請求項３の発明では、受圧凹溝の開口部を平行四辺形に形成し、検出用凹溝を正方形に形成し、該検出用凹溝を構成する正方形の辺を前記受圧凹溝の開口部を構成する長尺な辺に平行に設けた場合、検出用凹溝よりも大きいダイヤフラム部を形成するための平行四辺形を、基板の厚さ寸法をａ、前記検出用凹溝の溝幅寸法をｂとしたとき、長尺な辺の長さ寸法ｃを、
とし、短尺な辺の長さ寸法ｄを、
として形成したことにある。
【００７３】
このように請求項２，３の発明では、従来技術のように、基板の裏面をほぼ（１００）面に沿って形成したときの受圧凹溝の開口部に比べて、短尺な辺の部分を小さくでき、１枚のシリコンウエハから製造される圧力センサの個数を増やし、歩留を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態による圧力センサを示す断面図である。
【図２】第１の実施の形態による圧力センサを下側からみた底面図である。
【図３】図２中の矢示III −III 方向からみた縦断面図である。
【図４】図２中の矢示IV−IV方向からみた縦断面図である。
【図５】図２中の矢示Ｖ−Ｖ方向からみた縦断面図である。
【図６】シリコンウエハ、露光マスクを示す斜視図である。
【図７】第２の実施の形態による圧力センサを下側からみた底面図である。
【図８】図７中の矢示VIII−VIII方向からみた縦断面図である。
【図９】図７中の矢示IX−IX方向からみた縦断面図である。
【図１０】従来技術による圧力センサを示す斜視図である。
【図１１】従来技術による圧力センサを示す縦断面図である。
【図１２】従来技術による圧力センサを下側からみた底面図である。
【図１３】図１２中の矢示XIII−XIII方向からみた縦断面図である。
【符号の説明】
１１，４１ 圧力センサ
１２，４２ シリコン基板
１２Ｄ，３１Ａ，４２Ｄ 裏面
１５，４５ 受圧凹溝
１５Ａ，４５Ａ 開口部
１５Ｃ，４５Ｂ 長尺な辺
１５Ｄ，４５Ｃ 短尺な辺
１６，４６ ダイヤフラム部
１７ 検出用凹溝
１７Ｂ 凹面部
１８ 薄肉部
１９ 厚肉部
２０ ピエゾ抵抗素子（撓み検出素子）
３１ シリコンウエハ
３２ 露光マスク
３３ 露光パターン
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力を検出するのに用いて好適な圧力センサに関し、特にエッチング処理等の半導体製造技術を用いてシリコン基板等に形成される半導体式の圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体式の圧力センサとして、シリコン等の半導体材料からなる基板上でエッチング等の半導体製造技術を用いて形成したものが例えば特開平２−１３２３３７号公報によって知られている。
【０００３】
そこで、図１０ないし図１３に基づき従来技術によるダイヤフラム型の圧力センサをシリコン基板に形成する場合について述べる。
【０００４】
１は従来技術に用いられる圧力センサ、２は該圧力センサ１の基台をなすシリコン基板で、該シリコン基板２は、その表面２Ａと裏面２Ｂとは、シリコンの（１００）面とほぼ一致するように形成されている。
【０００５】
３シリコン基板２の裏面２Ｂ側に略正方形状に凹設された受圧凹溝で、該受圧凹溝３によりシリコン基板２の表面２Ａ側に薄肉のダイヤフラム部４が形成されている。また、ダイヤフラム部４上には該ダイヤフラム部４に生じる撓みを検出するピエゾ抵抗素子５が設けられ、該ピエゾ抵抗素子５にはリード端子６，６が接続されている。
【０００６】
そして、圧力センサ１の作動時には、流体圧等がダイヤフラム部４に作用すると、この圧力に応じてダイヤフラム部４が全体に亘って撓み変形する。このとき、ピエゾ抵抗素子５は撓み変形部分となるダイヤフラム部４に設けられているから、ピエゾ抵抗素子５に歪が生じる。このため、ピエゾ抵抗素子５の抵抗値を各リード端子６間の電圧、電流等によって検出することによって、ダイヤフラム部４に加わる圧力を検出している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、図１２、図１３に示すように、シリコン基板２の厚さ寸法をＡ、（１１１）面と（１００）面とのなす角度を（９０°−α）（但し、α≒３５．３°）、ダイヤフラム部４の一辺の幅寸法をＢとしたとき、幅寸法Ｂのダイヤフラム部４を形成するために必要な受圧凹溝３の開口部３Ａの一辺の長さ寸法Ｃは、下記の数１によって設定される。
【０００８】
【数１】
Ｃ＞２Ａ×ｔａｎα＋Ｂ
【０００９】
そして、この数１からも分かるように、受圧凹溝３の開口部３Ａの大きさは、シリコン基板２の厚さ寸法Ａとダイヤフラム部４の幅寸法Ｂとによって設定され、開口部３Ａの大きさによってシリコン基板２（圧力センサ１）の外形が決められてしまう。このため、シリコン基板２の大きさは開口部３Ａの大きさによって設定されているから、１枚のシリコンウエハから製造される圧力センサ１の個数が決められ、製造コストが悪化してしまうという問題がある。また、圧力センサに加わる総圧力の大きさは、受圧凹溝３の開口部３Ａの面積に比例するため、受圧凹溝３の開口部３Ａの大きさに応じてセンサの構造を強化する必要があり、これも製造コストの悪化の原因となっていた。
【００１０】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明は受圧凹溝の開口部を従来技術に比べて小さくすることにより、製造コストを低減することのできる圧力センサを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明に係る圧力センサは、裏面がシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成された基板と、平行四辺形からなる開口部となって該基板の裏面側から形成された受圧凹溝と、前記基板に該受圧凹溝を形成することにより該基板に設けられたダイヤフラム部と、該ダイヤフラム部の位置で前記基板の表面側に凹設された検出用凹溝と、少なくとも該検出用凹溝内に設けられ前記ダイヤフラム部に生じる撓みを検出する撓み検出素子とを備え、前記受圧凹溝は、その開口部を長尺な辺と短尺な辺とを有する平行四辺形に形成すると共に、前記検出用凹溝よりも大きい面積の底面をもって形成し、前記検出用凹溝を構成する辺を前記受圧凹溝の開口部を構成する長尺な辺に平行に設け、前記ダイヤフラム部は前記検出用凹溝の内側部分を薄肉部とすると共に、前記検出用凹溝の外側部分を厚肉部として形成し、前記撓み検出素子は前記薄肉部に配置する構成としている。
【００１２】
このように構成することにより、ダイヤフラム部のうち検出用凹溝の内側部分だけを撓み変形部分とすることができ、ダイヤフラム部に圧力が作用したとき、検出用凹溝の内側の部分を撓み変形させ、このときの撓みを撓み検出素子によって検出し、圧力を検出することができる。
【００１３】
また、基板の裏面をシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成すると共に、受圧凹溝の開口部を、例えば該基板の裏面内に含まれる［１００］軸とのなす角度が５４．７°である一対の辺を有する平行四辺形としたから、シリコンの結晶方向に沿って基板の裏面から形成される受圧凹溝は、従来技術のように、基板の裏面をほぼ（１００）面に沿って形成したときの受圧凹溝の開口部に比べて、小さくすることができる。
また、ダイヤフラム部には検出用凹溝の内側部分を薄肉部とし、検出用凹溝の外側部分を厚肉部としたから、ダイヤフラム部に圧力が作用したときに、厚肉部に撓みが生じるのを防止しつつ、薄肉部を撓み変形させることができる。そして、薄肉部に設けた撓み検出素子によってダイヤフラム部に作用する圧力を正確に検出することができる。
さらに、受圧凹溝の底面は検出用凹溝よりも大きい面積をもつから、ダイヤフラム部の表面側に検出用凹溝を容易に凹設することができる。これにより、受圧凹溝と検出用凹溝との間に位置ずれが生じたときでも、検出用凹溝の内側部分に撓み変形部分となる薄肉部を形成することができる。
また、受圧凹溝の開口部を、基板の裏面内に含まれる［１００］軸とのなす角度が５４．７°である一対の辺を有する平行四辺形としたから、シリコンの結晶方向に沿って基板の裏面から形成される受圧凹溝は、従来技術のように、基板の裏面をほぼ（１００）面に沿って形成したときの受圧凹溝の開口部に比べて、小さくすることができる。
【００２０】
請求項２の発明は、裏面がシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成された基板と、平行四辺形からなる開口部となって該基板の裏面側から形成された受圧凹溝と、前記基板に該受圧凹溝を形成することにより該基板に設けられたダイヤフラム部と、該ダイヤフラム部の位置で前記基板の表面側に凹設された検出用凹溝と、少なくとも該検出用凹溝内に設けられ前記ダイヤフラム部に生じる撓みを検出する撓み検出素子とを備え、前記受圧凹溝は前記検出用凹溝よりも大きい面積の底面をもって形成し、前記ダイヤフラム部は前記検出用凹溝の内側部分を薄肉部とすると共に、前記検出用凹溝の外側部分を厚肉部として形成し、前記撓み検出素子は前記薄肉部に配置し、前記受圧凹溝の開口部を平行四辺形とした場合、検出用凹溝よりも大きいダイヤフラム部を形成するための平行四辺形は、前記基板の厚さ寸法をａ、前記検出用凹溝の溝幅寸法をｂとしたとき、長尺な辺の長さ寸法ｃを、
短尺な辺の長さ寸法ｄを、
【００２１】
請求項３の発明は、裏面がシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成された基板と、平行四辺形からなる開口部となって該基板の裏面側から形成された受圧凹溝と、前記基板に該受圧凹溝を形成することにより該基板に設けられたダイヤフラム部と、該ダイヤフラム部の位置で前記基板の表面側に凹設された検出用凹溝と、少なくとも該検出用凹溝内に設けられ前記ダイヤフラム部に生じる撓みを検出する撓み検出素子とを備え、前記受圧凹溝は前記検出用凹溝よりも大きい面積の底面をもって形成し、前記ダイヤフラム部は前記検出用凹溝の内側部分を薄肉部とすると共に、前記検出用凹溝の外側部分を厚肉部として形成し、前記撓み検出素子は前記薄肉部に配置し、前記受圧凹溝の開口部を平行四辺形に形成し、前記検出用凹溝を正方形に形成し、該検出用凹溝を構成する正方形の辺を前記受圧凹溝の開口部を構成する長尺な辺に平行に設けた場合、検出用凹溝よりも大きいダイヤフラム部を形成するための平行四辺形は、前記基板の厚さ寸法をａ、前記検出用凹溝の溝幅寸法をｂとしたとき、長尺な辺の長さ寸法ｃを、
短尺な辺の長さ寸法ｄを、
【００２２】
このように構成することにより、従来技術のように、基板の裏面をほぼ（１００）面に沿って形成したときの受圧凹溝の開口部に比べて、開口部を小さくすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧力センサの実施の形態を、添付した図１ないし図９に従って詳細に説明する。なお、実施の形態では、（１１０）面、（−１１０）面等のシリコンの結晶面を代表して（１１０）面と呼び、異方性エッチングによって形成される（１１１）、（−１−１−１）面等の結晶面を代表して（１１１）面と呼ぶ。
【００２４】
まず、本発明による第１の実施の形態に係る圧力センサを、図１ないし図６を参照しつつ述べる。
【００２５】
１１は本実施の形態に用いられる圧力センサ、１２は該圧力センサ１１の基台をなすシリコン基板で、該シリコン基板１２は、シリコン単結晶からなる基底部１２Ａと、該基底部１２Ａの表面側に形成された他のシリコン単結晶からなる表層部１２Ｂと、該表層部１２Ｂと前記基底部１２Ａとの間に介在した酸化膜としての絶縁層部１２Ｃとを備えたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板として構成されている。
【００２６】
そして、表層部１２Ｂは、リン等の不純物が添加されることによりｎ型半導体となっている。また、基底部１２Ａの裏面１２Ｄ側にはシリコンの酸化膜１３と窒化膜１４とが設けられている。さらに、シリコン基板１２の裏面１２Ｄは、シリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成されている。
【００２７】
１５は基底部１２Ａの中央に位置して裏面１２Ｄ側に凹設された受圧凹溝で、該受圧凹溝１５は、基底部１２Ａの裏面１２Ｄ側にシリコンの酸化膜１３，窒化膜１４の開口部１３Ａ，１４Ａとを介して異方性のエッチング処理等を施すことにより、裏面１２Ｄから絶縁層部１２Ｃに達している。また、受圧凹溝１５の開口部１５Ａは、（１１０）面と（１１１）面との交線からなる１個の平行四辺形となって形成されている。
【００２８】
また、シリコン基板１２の基底部１２Ａの厚さ寸法がａ、側壁１５Ｂと底面１２Ｄとのなす角度、即ち（１１１）面と（１１０）面とのなす角度が（９０°−α′）（但し、α′≒５４．７°）となっている。
【００２９】
さらに、受圧凹溝１５の開口部１５Ａは、長尺な辺１５Ｃと短尺な辺１５Ｄとを有し、長尺な辺１５Ｃはシリコンの結晶方向として例えば［００１］軸方向に角α′をなして延びると共に、短尺な辺１５Ｄは［００１］軸方向に角−α′をなして延びている。
【００３０】
また、２つの側壁１５Ｂは長尺な辺１５Ｃと短尺な辺１５Ｄに挟まれて略四角形状をなして形成されている。そして、前記長尺な辺１５Ｃと短尺な辺１５Ｄの間に位置した鋭角βは約７０．６°となり、鈍角γは約１０９．４°となっている。
【００３１】
１６は受圧凹溝１５によってシリコン基板１２に設けられたダイヤフラム部で、該ダイヤフラム部１６は、図２に示すように、受圧凹溝１５の底部に位置して、長尺な辺１５Ｃの一部が平行な辺となった四角形状をなしている。そして、ダイヤフラム部１６は後述の検出用凹溝１７の内側では薄肉部１８を形成し、検出用凹溝１７の外側では厚肉部１９を形成している。また、ダイヤフラム部１６は、受圧凹溝１５の２本の対角線の交点位置に設けられている。
【００３２】
１７は受圧凹溝１５に対向して表層部１２Ｂの表面側に凹設された検出用凹溝で、該検出用凹溝１７は浅溝状をなして形成されている。そして、検出用凹溝１７上には後述の絶縁膜２２、保護膜２４により凹陥部１７Ａが設けられている。また、検出用凹溝１７は、凹陥部１７Ａと実質的には同一の形状となり、ダイヤフラム部１６の面積よりも小さい面積を有し、一辺の溝幅寸法がｂとなった正方形の凹面部１７Ｂとなっている（図２参照）。
【００３３】
１８は検出用凹溝１７の位置で表層部１２Ｂ、絶縁層部１２Ｃに形成された薄肉部で、該薄肉部１８は、ダイヤフラム部１６に圧力が作用したときに、その圧力に応じて撓み変形するものである。
【００３４】
１９は検出用凹溝１７の外側に形成された厚肉部で、該厚肉部１９は、薄肉部１８の外側を取囲み、略四角形の枠状をなしてシリコン基板１２の表層部１２Ｂ、絶縁層部１２Ｃに形成されている。
【００３５】
２０，２０，…は検出用凹溝１７内に設けられた例えば４個のピエゾ抵抗素子（２個のみ図示）で、該各ピエゾ抵抗素子２０は、ホウ素等の不純物をシリコン基板１２の表層部１２Ｂに注入、拡散し、その一部を略長方形状にピエゾ抵抗化することによって、撓み検出素子として構成されている。
【００３６】
２１，２１，…はシリコン基板１２上に設けられた拡散層配線、２２はピエゾ抵抗素子２０と拡散層配線２１との上側に形成された絶縁膜、２３はシリコン基板１２上に絶縁膜２２上に設けられた金属配線である。２４は金属配線２３を保護するための絶縁性の保護膜で、該保護膜２４はシリコン基板１２の表面側で全面に亘って設けられている。
【００３７】
２５は検出用凹溝１７を閉塞する閉塞板を示し、該閉塞板２５は、陽極接合法等を用いることによって、絶縁膜２２と保護膜２４とを介して厚肉部１９の表面側に固着されている。そして、閉塞板２５は凹陥部１７Ａとの間に基準圧室Ｓを構成している。
【００３８】
本発明による圧力センサ１１は、上述の如き構成を有するもので、シリコン基板１２の基底部１２Ａには裏面１２Ｄから受圧凹溝１５を形成することにより、絶縁層部１２Ｃにダイヤフラム部１６を形成し、表層部１２Ｂには検出用凹溝１７を形成し、ダイヤフラム部１６には検出用凹溝１７の内側部分を薄肉部１８としたから、ダイヤフラム部１６に圧力が作用したときに、厚肉部１９に撓みが生じるのを防止しつつ、薄肉部１８を撓み変形させることができる。そして、薄肉部１８に設けた各ピエゾ抵抗素子２０によってダイヤフラム部１６に作用する圧力を正確に検出することができる。
【００３９】
また、受圧凹溝１５によって形成されるダイヤフラム部１６は、検出用凹溝１７の凹面部１７Ｂの面積よりも大きい面積をもつから、ダイヤフラム部１６の表面側に検出用凹溝１７を容易に凹設することができる。これにより、受圧凹溝１５と検出用凹溝１７との間に位置ずれが生じたときでも、検出用凹溝１７の内側部分に撓み変形部分となる薄肉部１８を形成することができる。
【００４０】
次に、受圧凹溝１５の開口部１５Ａの形状について説明する。なお、図２ないし図５ではシリコン基板１２の表層部１２Ｂの部分は省略している。
【００４１】
また、一辺の溝幅寸法ｂを有する凹面部１７Ｂ（検出用凹溝１７）を形成するために必要な受圧凹溝１５の開口部１５Ａは、下記の数２のようになる。
【００４２】
なお、シリコン基板１２の裏面１２Ｄはシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成しているから、図２に示すように、受圧凹溝１５の開口部１５Ａの形状は、シリコンの結晶方向から、長尺な辺と短尺な辺の間に位置した鋭角βが約７０．６°、鈍角γが約１０９．４°となる。さらに、開口部１５Ａの長尺な辺１５Ｃの長さ寸法をｃ1 、短尺な辺１５Ｄの長さ寸法をｄ1 とする。
【００４３】
【数２】
そして、数２によって明らかなように、角度α′，β，γはシリコン結晶により設定される固定値となっているから、長尺な辺の長さ寸法ｃ1 と短尺な辺の長さ寸法ｄ1 は、基底部１２Ａの厚さ寸法ａ、凹面部１７Ｂ（検出用凹溝１７）の溝幅寸法ｂによってのみ設定される。そして、本実施の形態では、受圧凹溝１５の開口部１５Ａは、長尺な辺１５Ｃと短尺な辺１５Ｄがシリコン基板１２の長さ方向と角α′をなして延びている。
【００４５】
次に、図６に基づいてシリコンウエハの裏面から受圧凹溝１５を形成する構成について説明する。
【００４６】
まず、３１は複数個の圧力センサを形成するためのシリコンウエハで、該シリコンウエハ３１の表層部に図示しない検出用凹溝１７、ピエゾ抵抗素子２０、配線２１，２３、絶縁膜２２、保護膜２４等が形成されている。また、シリコンウエハ３１の裏面３１Ａはほぼ（１１０）面に沿って形成されている。
【００４７】
３２はシリコンウエハ３１の裏面３１Ａに受圧凹溝１５を形成するための露光マスクで、該露光マスク３２は、シリコンウエハ３１のうち圧力センサが形成される位置に対応した複数のエリア３２Ａ，３２Ａ，…を有し、該各エリア３２Ａには、受圧凹溝に対応した平行四辺形の露光パターン３３が形成されている。
【００４８】
そして、裏面３１Ａに酸化膜等を形成した上で、感光性のレジスト（いずれも図示せず）等を塗布し、このレジストを露光マスク３２の露光パターン３３を通して感光させることにより、これらの露光パターン３３をレジストに転写する。さらに、酸化膜に対してエッチング処理を施すことにより、受圧凹溝１５に対応した酸化膜の開口部をシリコンウエハ３１の裏面３１Ａに形成する。
【００４９】
次に、例えばＫＯＨ、ヒドラジン等のエッチング液を用いることにより、酸化膜をマスクとしてシリコンウエハ３１の裏面３１Ａ側に異方性のエッチング処理を施し、開口部１５Ａが平行四辺形、底部がダイヤフラム部１６となった受圧凹溝１５が形成される。そして、各圧力センサを二点鎖線部分でシリコンウエハ３１から切り離して、圧力センサを複数個製造する。
【００５０】
かくして、本実施の形態では、シリコン基板１２の裏面１２Ｄを、シリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成すると共に、受圧凹溝１５の開口部１５Ａを、長尺な辺１５Ｃと短尺な辺１５Ｄとを有する平行四辺形に形成している。これにより、圧力の検出部分となる凹面部１７Ｂの溝幅寸法ｂを確保した上で、短尺な辺１５Ｄの長さ寸法ｄ1 の最小値は、従来技術による受圧凹溝３の開口部３Ａの長さ寸法Ｃに対して小さくなる。
【００５１】
この結果、開口部１５Ａの短尺な辺１５Ｄの長さ寸法ｄ1 を従来技術に比べて小さくすることにより、シリコン基板１２の幅方向を小さくでき、１枚のシリコンウエハ３１から製造される圧力センサ１１の個数を従来技術に比べて多くすることができ、歩留を向上することができる。
【００５２】
そして、本実施の形態では、圧力センサ１１のコスト低減を図ることができる。また、圧力を受ける面積、受圧面積を小さくすることができるため、圧力センサ１１に加わる総圧力が小さくなり、同一の接合強度を有する材料、接合技術等を利用した場合、接合面積を小さくすることが可能となる。従って、１枚のシリコンウエハ３１から製造される圧力センサ１１の個数を従来技術に比べて多くすることができる。
【００５３】
次に、図７ないし図１０を参照しつつ、本発明に係る第２の実施の形態について述べるに、本実施の形態の特徴は、検出用凹溝を構成する正方形の辺を前記受圧凹溝の開口部を構成する長尺な辺に平行に設けたことにある。なお、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、シリコン基板の表面側には検出用凹溝１７、ピエゾ抵抗素子２０、配線２１，２３、絶縁膜２２、保護膜２４等が形成されているものとする。
【００５４】
４１は本実施の形態に用いられる圧力センサで、該圧力センサ４１はシリコン基板４２等によって構成されている。また、該シリコン基板４２は、前述した第１の実施の形態による基底部１２Ａ、表層部１２Ｂ、絶縁層部１２Ｃからなるシリコン基板１２とほぼ同様に、基底部４２Ａ、表層部４２Ｂ、絶縁層部４２Ｃを備えたＳＯＩ基板として構成されている。また、シリコン基板４２の裏面４２Ｄは、シリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成されている。さらに、基底部４２Ａの裏面４２Ｄ側には酸化膜４３と窒化膜４４とが設けられ、該酸化膜４３，窒化膜４４の開口部４３Ａ，４４Ａは後述する受圧凹溝３５の開口部４５Ａと同じ形状に形成されている。
【００５５】
４５は中央に位置して裏面４２Ｄ側に凹設された受圧凹溝で、該受圧凹溝３５は、酸化膜４３，窒化膜４４の開口部４３Ａ，４４Ａとを通して異方性エッチング処理等を施すことにより、裏面４２Ｄから絶縁層部４２Ｃに達している。また、該受圧凹溝３５の開口部４５Ａは、平行四辺形となっている。また、平行四辺形は、その開口部が、長尺な辺４５Ｂと短尺な辺４５Ｃとを有し、前記長尺な辺４５Ｂの端部に位置した鋭角βは約７０．６°となり、鈍角γは約１０９．４°となり、シリコンの（１１１）面と（１１０）面とのなす角度が（９０°−α′）（但し、α′≒５４．７°）となっている。
【００５６】
４６は受圧凹溝３５によってシリコン基板４２に設けられたダイヤフラム部で、該ダイヤフラム部４６は、図７に示すように、受圧凹溝３５の底部に位置して、四角形状をなしている。また、ダイヤフラム部４６は検出用凹溝１７の内側では薄肉部１８を形成し、検出用凹溝１７の外側では厚肉部１９を形成している。そして、ダイヤフラム部４６は、長尺な辺４５Ｂ上で平行四辺形の長さ寸法の中間位置に設けられている。ここで、受圧凹溝３５の開口部４５Ａの形状について説明する。シリコン基板４２の裏面４２Ｄはシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成されているから、図７に示すように、受圧凹溝３５の開口部４５Ａの形状は、平行四辺形に形成されている。
【００５７】
また、一辺の溝幅寸法ｂを有する凹陥部１７Ａ（検出用凹溝１７）を形成するのに必要な受圧凹溝３５の開口部４５Ａは、下記の数３によって設定される。
【００５８】
なお、シリコン基板４２の裏面４２Ｄは、シリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成されているから、図７に示すように、長尺な辺４５Ｂと短尺な辺４５Ａに挟まれた鋭角βは約７０．６°となり、鈍角γは約１０９．４°となっている。さらに、開口部４５Ａの長尺な辺４５Ｂの長さ寸法をｃ2 、短尺な辺４５Ｃの長さ寸法をｄ2 とする。
【００５９】
【数３】
そして、数３によって明らかなように、鋭角βと鈍角γ間の辺の長さ寸法ｄ2 は、シリコン基板４２の厚さ寸法ａ、凹面部１７Ｂ（検出用凹溝１７）の溝幅寸法ｂによってのみ設定され、受圧凹溝３５の開口部４５Ａは、長尺な辺４５Ｂがシリコン基板４２の長さ方向に延びている。
【００６１】
また、シリコンウエハ（シリコン基板４２）の裏面に受圧凹溝３５を形成する工程では、露光マスクに形成した露光パターンの形状を前述した平行四辺形とすることにより、第１の実施の形態と同様にしてシリコン基板４２に受圧凹溝３５を形成している。
【００６２】
かくして、本実施の形態では、シリコン基板４２の裏面４２Ｄを、シリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成すると共に、受圧凹溝３５の開口部４５Ａを構成する平行四辺形の長尺な辺４５Ｂと正方形の検出用凹溝部１７を構成する辺の一部を平行に形成している。これにより、圧力の検出部分となる検出用凹溝１７の溝幅寸法ｂを確保した上で、シリコン基板４２の幅方向に延びる短尺な辺４５Ｃの長さ寸法ｄ2 は、従来技術による受圧凹溝３の開口部３Ａの長さ寸法Ｃに対して小さくすることができる（数３参照）。
【００６３】
この結果、開口部４５Ａの辺の長さ寸法ｄ2 をより小さくすることにより、シリコン基板４２の幅を第１の実施の形態に比べてより小さくでき、１枚のシリコンウエハから製造される圧力センサの数を増やすことができ、圧力センサのコスト低減を図ることができる。
【００６４】
なお、各実施の形態では基板にＳＯＩ基板を用いる場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、裏面に（１１０）面を有するシリコン基板を用いてもよい。
【００６５】
また、撓み検出阻止の形成されるＳＯＩ基板の表層部には、表面が（１００）面もしくは（１１１）面を有するシリコン基板を用いてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳述した如く、請求項１の本発明によれば、基板には裏面側から受圧凹溝、表面側から検出用凹溝とをそれぞれ設けたから、ダイヤフラム部に圧力が作用したときに撓み変形する撓み変形部分を、前記基板に容易に形成することができる。そして、撓み変形部分に設けた撓み検出素子によって、ダイヤフラム部に作用する圧力を正確に検出することができる。
【００６７】
また、基板の裏面をシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成すると共に、受圧凹溝の開口部を、例えば該基板の裏面内に含まれる［１００］軸とのなす角度が５４．７°である一対の辺を有する平行四辺形としたから、シリコンの結晶方向に沿って基板の裏面から形成される受圧凹溝は、従来技術のように、基板の裏面をほぼ（１００）面に沿って形成したときの受圧凹溝の開口部に比べて、短尺な辺の分だけ小さくして形成することができる。そして、１枚のシリコンウエハから製造される圧力センサの個数を、従来技術に比べて多くでき、歩留を向上することができる。
また、ダイヤフラム部には検出用凹溝の内側部分を薄肉部とし、検出用凹溝の外側部分を厚肉部としたから、ダイヤフラム部に圧力が作用したときに、厚肉部に撓みが生じるのを防止しつつ、薄肉部を撓み変形させることができる。そして、薄肉部に設けた撓み検出素子によってダイヤフラム部に作用する圧力を正確に検出することができる。
さらに、受圧凹溝の底面は検出用凹溝よりも大きい面積をもつから、ダイヤフラム部の表面側に検出用凹溝を容易に凹設することができる。これにより、受圧凹溝と検出用凹溝との間に位置ずれが生じたときでも、検出用凹溝の内側部分に撓み変形部分となる薄肉部を形成することができる。
また、検出用凹溝を構成する辺を受圧凹溝の開口部を構成する平行四辺形の長尺な辺に平行に設けたから、シリコンの結晶方向に沿って基板の裏面から形成される受圧凹溝は、従来技術のように、基板の裏面をほぼ（１００）面に沿って形成したときの受圧凹溝の開口部に比べ、短尺な辺の分だけ小さくして形成することができる。これにより、１枚のシリコンウエハから製造される圧力センサの個数を、従来技術に比べて多くでき、歩留を向上することができる。
【００７１】
請求項２の発明では、受圧凹溝の開口部を平行四辺形とした場合、検出用凹溝よりも大きいダイヤフラム部を形成するための平行四辺形を、基板の厚さ寸法をａ、前記検出用凹溝の溝幅寸法をｂとしたとき、長尺な辺の長さ寸法ｃを、
【００７２】
また、請求項３の発明では、受圧凹溝の開口部を平行四辺形に形成し、検出用凹溝を正方形に形成し、該検出用凹溝を構成する正方形の辺を前記受圧凹溝の開口部を構成する長尺な辺に平行に設けた場合、検出用凹溝よりも大きいダイヤフラム部を形成するための平行四辺形を、基板の厚さ寸法をａ、前記検出用凹溝の溝幅寸法をｂとしたとき、長尺な辺の長さ寸法ｃを、
【００７３】
このように請求項２，３の発明では、従来技術のように、基板の裏面をほぼ（１００）面に沿って形成したときの受圧凹溝の開口部に比べて、短尺な辺の部分を小さくでき、１枚のシリコンウエハから製造される圧力センサの個数を増やし、歩留を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態による圧力センサを示す断面図である。
【図２】第１の実施の形態による圧力センサを下側からみた底面図である。
【図３】図２中の矢示III −III 方向からみた縦断面図である。
【図４】図２中の矢示IV−IV方向からみた縦断面図である。
【図５】図２中の矢示Ｖ−Ｖ方向からみた縦断面図である。
【図６】シリコンウエハ、露光マスクを示す斜視図である。
【図７】第２の実施の形態による圧力センサを下側からみた底面図である。
【図８】図７中の矢示VIII−VIII方向からみた縦断面図である。
【図９】図７中の矢示IX−IX方向からみた縦断面図である。
【図１０】従来技術による圧力センサを示す斜視図である。
【図１１】従来技術による圧力センサを示す縦断面図である。
【図１２】従来技術による圧力センサを下側からみた底面図である。
【図１３】図１２中の矢示XIII−XIII方向からみた縦断面図である。
【符号の説明】
１１，４１ 圧力センサ
１２，４２ シリコン基板
１２Ｄ，３１Ａ，４２Ｄ 裏面
１５，４５ 受圧凹溝
１５Ａ，４５Ａ 開口部
１５Ｃ，４５Ｂ 長尺な辺
１５Ｄ，４５Ｃ 短尺な辺
１６，４６ ダイヤフラム部
１７ 検出用凹溝
１７Ｂ 凹面部
１８ 薄肉部
１９ 厚肉部
２０ ピエゾ抵抗素子（撓み検出素子）
３１ シリコンウエハ
３２ 露光マスク
３３ 露光パターン
Claims (3)
- 裏面がシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成された基板と、平行四辺形からなる開口部となって該基板の裏面側から形成された受圧凹溝と、前記基板に該受圧凹溝を形成することにより該基板に設けられたダイヤフラム部と、該ダイヤフラム部の位置で前記基板の表面側に凹設された検出用凹溝と、少なくとも該検出用凹溝内に設けられ前記ダイヤフラム部に生じる撓みを検出する撓み検出素子とを備え、
前記受圧凹溝は、その開口部を長尺な辺と短尺な辺とを有する平行四辺形に形成すると共に、前記検出用凹溝よりも大きい面積の底面をもって形成し、
前記検出用凹溝を構成する辺を前記受圧凹溝の開口部を構成する長尺な辺に平行に設け、
前記ダイヤフラム部は前記検出用凹溝の内側部分を薄肉部とすると共に、前記検出用凹溝の外側部分を厚肉部として形成し、
前記撓み検出素子は前記薄肉部に配置する構成としてなる圧力センサ。 - 裏面がシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成された基板と、平行四辺形からなる開口部となって該基板の裏面側から形成された受圧凹溝と、前記基板に該受圧凹溝を形成することにより該基板に設けられたダイヤフラム部と、該ダイヤフラム部の位置で前記基板の表面側に凹設された検出用凹溝と、少なくとも該検出用凹溝内に設けられ前記ダイヤフラム部に生じる撓みを検出する撓み検出素子とを備え、
前記受圧凹溝は前記検出用凹溝よりも大きい面積の底面をもって形成し、前記ダイヤフラム部は前記検出用凹溝の内側部分を薄肉部とすると共に、前記検出用凹溝の外側部分を厚肉部として形成し、前記撓み検出素子は前記薄肉部に配置し、
前記受圧凹溝の開口部を平行四辺形とした場合、検出用凹溝よりも大きいダイヤフラム部を形成するための平行四辺形は、前記基板の厚さ寸法をａ、前記検出用凹溝の溝幅寸法をｂとしたとき、長尺な辺の長さ寸法ｃを、
とし、
短尺な辺の長さ寸法ｄを、
として形成する構成としてなる圧力センサ。 - 裏面がシリコンのほぼ（１１０）面に沿って形成された基板と、平行四辺形からなる開口部となって該基板の裏面側から形成された受圧凹溝と、前記基板に該受圧凹溝を形成することにより該基板に設けられたダイヤフラム部と、該ダイヤフラム部の位置で前記基板の表面側に凹設された検出用凹溝と、少なくとも該検出用凹溝内に設けられ前記ダイヤフラム部に生じる撓みを検出する撓み検出素子とを備え、
前記受圧凹溝は前記検出用凹溝よりも大きい面積の底面をもって形成し、前記ダイヤフラム部は前記検出用凹溝の内側部分を薄肉部とすると共に、前記検出用凹溝の外側部分を厚肉部として形成し、前記撓み検出素子は前記薄肉部に配置し、
前記受圧凹溝の開口部を平行四辺形に形成し、前記検出用凹溝を正方形に形成し、該検出用凹溝を構成する正方形の辺を前記受圧凹溝の開口部を構成する長尺な辺に平行に設けた場合、検出用凹溝よりも大きいダイヤフラム部を形成するための平行四辺形は、前記基板の厚さ寸法をａ、前記検出用凹溝の溝幅寸法をｂとしたとき、長尺な辺の長さ寸法ｃを、
とし、
短尺な辺の長さ寸法ｄを、
として形成する構成としてなる圧力センサ。
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