JP2012183549A - ＳｉＣ半導体ウェハのマーキング方法およびＳｉＣ半導体ウェハ - Google Patents

Abstract

【課題】ＳｉＣウェハへのレーザマーキングにおいて、刻印したパターンの高い視認性を確保しつつ、パーティクルの発生を抑制する。
【解決手段】ＳｉＣウェハ１００への識別子１０１のマーキングは、ＹＡＧレーザの４倍高調波を用いたパルスレーザの照射によって行われる。その際、パルスレーザのパルス毎のパルス照射痕１が、互いに重ならないように、レーザヘッドが移動する速度および軌道、照射するパルスレーザの出力パワーおよびＱスイッチ周波数等が設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素半導体ウェハへのレーザマーキング技術に関するものである。

近年、高耐電圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた半導体素子が有望視されており、インバータなどのパワー半導体装置への適用が期待されている。

一方、半導体装置の製造においては、大量生産される半導体ウェハの識別・管理を容易にするために、半導体ウェハプロセスの初期段階でウェハの表面に識別子を刻印するマーキング処理を行うのが一般的である。従来の珪素（Ｓｉ）半導体ウェハ（以下「Ｓｉウェハ」）へのマーキング手法としては、例えばＳｉウェハにレーザを照射してできる窪み状の照射痕によるマーキング（レーザマーキング）や、Ｓｉウェハの表面をダイヤモンドカッターなどで切削して行うマーキング等がある。

従来のＳｉウェハのレーザマーキングでは、所定周期で点滅を繰り返すパルスレーザが用いられており、１つのパルスで形成される照射痕（パルス照射痕）は数十〜数百μｍ程度の比較的大きなものであった。そして視認性を確保するために、複数のパルス照射痕を部分的に重ねて連続的な照射痕を形成し、さらに、照射するレーザの出力パワーを高くして照射痕の窪みを深く形成していた。

Ｓｉウェハのレーザマーキングに用いるレーザとしては、ＹＡＧの基本レーザ（λ＝１０６４ｎｍ）やグリーンレーザ（λ＝５３２ｎｍ）などが主流である。ＹＡＧの基本レーザ（λ＝１０６４ｎｍ）によるマーキングは「ハードマーキング」と呼ばれ、パーティクルが発生しやすいが、視認性の高い照射痕を形成できる。一方、吸収率が高い（透過率が低い）ため出力パワーを低くできるグリーンレーザ（λ＝５３２ｎｍ）を用いたマーキングは「ソフトマーキング」と呼ばれ、照射痕の視認性は劣るが、パーティクルの発生を抑制できる。

また上記のように、従来のレーザマーキングでは、パルス照射痕を部分的に重ねて連続的な照射痕とすることでその視認性を高めていたが、パルス照射痕を重ねて形成すると、その重なった部分にスプラッシュ状の突起物が形成され、それが飛散することでパーティクルの発生量が増加する。このようにレーザマーキングにおいては、パーティクル抑制と視認性の確保は、トレードオフの関係にある。

また下記の特許文献１には、窒化ガリウム基板等の無機窒化物部材に対するマーキングにおいて、ＹＡＧレーザの４倍高調波（λ＝２６６ｎｍ）を用いる例が示されている。

特開２００５−１０１３０５号公報

半導体ウェハプロセスでは、クリーンルーム内や半導体製造装置内、ウェハ上など、あらゆる環境でのパーティクル管理が重要である。これを怠るとパーティクルに起因して、クリーンルーム内や製造装置内への２次汚染や、製造プロセス不良、ひいては形成された半導体デバイスの特性不良など、多くの悪影響が及ぶ。そのため各製造装置において、パーティクル発生量の低減や、発生したパーティクルへの対策を図ることは、重要な課題である。

特に、半導体ウェハへのマーキング処理は、レーザ等で半導体ウェハを直接加工するため、大量のパーティクルを発生させる。マーキング処理で生じたパーティクルはマーキング装置内での集塵や、半導体ウェハの工程などで除去しているが、除去しきれなかったパーティクルが上記の問題を引き起こす場合がある。

ところで、ＳｉＣ半導体ウェハ（以下「ＳｉＣウェハ」）は、従来のＳｉウェハに比べレーザ透過性が高いので、グリーンレーザなど比較的波長が短いレーザを用いてマーキングを行う場合でも、照射痕の視認性を確保するためには、より高い出力パワーによるレーザ照射が必要となる。そのため従来のＳｉウェハと同じマーキング手法では、ＳｉＣ結晶構造の破壊などによってパーティクルが過剰に発生する問題が生じる。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、ＳｉＣウェハへのレーザマーキングにおいて、刻印したパターンの高い視認性を確保しつつ、パーティクルの発生を抑制できるマーキング方法を提供することを目的とする。

本発明に係るＳｉＣ半導体ウェハのマーキング方法は、ＳｉＣ半導体ウェハを用意する工程と、レーザヘッドから前記ＳｉＣ半導体ウェハにレーザを照射しつつ、前記レーザヘッドを前記ＳｉＣ半導体ウェハに対して移動させることにより、前記ＳｉＣ半導体ウェハの表面に前記レーザの照射痕から成る所定パターンを刻印するマーキング工程とを備え、前記レーザは、ＹＡＧレーザの４倍高調波を用いたパルスレーザであり、前記マーキング工程において、前記レーザヘッドが、前記パルスレーザの連続するパルスの照射痕が重ならない速度で、且つ、先に形成された前記照射痕に重ねて前記パルスレーザが照射されない軌道で移動するものである。

本発明によれば、ＳｉＣ半導体ウェハに対して吸収率の高い（透過率の低い）ＹＡＧレーザの４倍高調波を用いたパルスレーザを使用するためパルスレーザの出力パワーを低くでき、且つ、パルス毎の照射痕を重ねないことにより、照射痕の形状を安定（スプラッシュ状の突起物が形成されない）する。よってパーティクルの発生が抑制される。低い出力パワーで形成した照射痕は単独では視認性に問題があるが、レーザヘッドを移動させながら連続して形成することで照射痕が密集するため、その集合体であるパターンの視認性は確保される。

本発明の実施の形態に係るＳｉＣウェハおよびそれに刻印された識別子の一例を示す図である。 本発明の実施の形態におけるレーザヘッドの移動方向とパルス照射痕との関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係るＳｉＣウェハの識別子を構成するドットの拡大図である。 パルスレーザの出力パワーとパルス照射痕の深さとの関係を示す図である。 レーザヘッドの移動速度とパルス照射痕の間隔との関係を示す図である。 パルスレーザのＱスイッチ周波数と、パルス照射痕の深さおよび間隔との関係を示す図である。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係るＳｉＣウェハ１００の構成の一例を示す図である。同図の如く、ＳｉＣウェハ１００の表面にはレーザマーキングによって識別子１０１のパターンが刻印されている。ここでは識別子１０１の例として「ＡＢＣ１２３…」の文字を示している。

図１（ｂ）は、識別子１０１の文字「Ａ」のパターンを含む領域１０１ａの拡大図である。識別子１０１のパターンは、互いに重ならない複数のドット１０の集合体である。例えば図１（ｂ）に示す文字「Ａ」は１６個のドット１０の集合体である。ドット１０はパルスレーザの照射によって形成されるが、それぞれのドット１０において、パルスレーザの一つのパルスで形成される照射痕（パルス照射痕）１は互いに重なっていない。つまりドット１０は、それぞれ独立したパルス照射痕１が密集した集合体である。

本実施の形態では、パルス照射痕１は、直径１０μｍ程度の小さいものとしている。小さいパルス照射痕１は、単独では視認性が悪いが、それを密集させてドット１０を構成することにより、ドット１０の視認性（すなわち識別子１０１の視認性）は確保される。

以下、本実施の形態に係るＳｉＣウェハのマーキング方法を説明する。本発明では、マーキングに用いるレーザとして、比較的吸収率が高い（透過率が低い）ＹＡＧレーザの４倍高調波（ＵＶレーザ）（λ＝２６６ｎｍ）を用いたパルスレーザを使用する。

まず、マーキングの対象となるＳｉＣウェハ１００を用意し、ＵＶレーザを用いたパルスレーザを出力可能なマーキング装置に固定する。そしてマーキング装置のレーザヘッドからＳｉＣウェハ１００にＵＶレーザのパルスレーザを照射しつつ、レーザヘッドをＳｉＣウェハ１００に対して移動させることにより、ＳｉＣウェハ１００の表面にパルス照射痕１から成る識別子１０１のパターンを刻印するマーキングを行う。

このマーキング工程は、互いに重ならない複数のパルス照射痕１によって１つのドット１０を描画する第１マーキング工程と、その第１マーキング工程を繰り返し行うことで複数のドット１０から成る識別子１０１のパターン（例えば文字「Ａ」のパターン）を描画する第２マーキング工程とから成る。

第１マーキング工程において、ドット１０を、独立したパルス照射痕１の集合体として形成するには、レーザヘッドを、連続するパルス照射痕１が重ならない速度で、且つ、先に形成されたパルス照射痕１に重ねてレーザが照射されないように移動させながら、パルスレーザをＳｉＣウェハ１００の所定個所に照射する必要がある。

上記のとおり、パルスレーザは点滅を繰り返す間欠的なレーザである。本実施の形態ではパルスレーザにおけるレーザ照射時間（パルス幅）よりも間欠時間（パルス間隔）を充分に長くしている。そのためレーザヘッドの移動速度（レーザヘッド速度）を一定以上にすると、レーザヘッドがレーザの間欠時間内にパルス照射痕の直径よりも長く移動するようになり、連続するパルス照射痕が重ならなくなる。つまり図２のようにレーザヘッドの移動方向に並ぶ独立したパルス照射痕１が形成されるようになる。なお図２において、長さｄ１はパルス照射痕１の直径を示しており、長さｄ２は連続するパルス照射痕１の中心間の距離を示している。

また第１マーキング工程において、先に形成されたパルス照射痕１に重ねてレーザが照射されないようにする方法としては、レーザヘッドを同じところを通らない軌道で移動させるのが最も簡単である。図３は、ドット１０の拡大図である。本実施の形態では、レーザヘッドをらせん状の軌道（破線矢印）で移動させてドット１０を描画している。らせん状の軌道は同じところを通らないため、先に形成されたパルス照射痕１に重ねてレーザが照射されることは防止される。

また第１マーキング工程を行う際、パルスレーザの照射に関する各種のパラメータ（照射パラメータ）が設定される。照射パラメータとしては、例えば出力パワー［Ｗ］、レーザヘッド速度［ｍｍ／ｓ］、Ｑスイッチ（Ｑ−ＳＷ）周波数［Ｈｚ］などが挙げられる。ここではそれらの照射パラメータについて説明する。

出力パワーは、パルスレーザの照射強度に対応し、形成されるパルス照射痕１の深さに寄与するパラメータである。図４は、パルスレーザの出力パワーとパルス照射痕１の深さとの関係を示す図である。Ｑスイッチ周波数が一定の場合、パルスレーザの出力パワーを大きくすると、１パルス当たりのエネルギー（パルスエネルギー）［Ｊ］が大きくなるため、パルス照射痕１は深く形成されるようになる。パルス照射痕１の深さが大きければドット１０の視認性は向上するが、その反面、形成時にパーティクルが生じやすくなる。

レーザヘッドの移動速度（レーザヘッド速度）は、連続して形成されるパルス照射痕１の間隔に寄与するパラメータである。図５は、レーザヘッド速度とパルス照射痕１の間隔との関係を示す図である。Ｑスイッチ周波数が一定の場合、レーザヘッド速度が高くなると、パルス照射痕１の間隔は広くなる。パルス照射痕１の間隔を広げればパルス照射痕１の重複を防止してパーティクルの発生を抑えることができるが、間隔が広すぎるとパルス照射痕１が疎になるためドット１０の視認性が下がる。

Ｑスイッチ周波数は、パルスレーザのパルス周期［ｓ］と１パルス当たりのエネルギー（パルスエネルギー）［Ｊ］に寄与するパラメータである。図６は、パルスレーザのＱスイッチ周波数と、パルス照射痕１の深さおよび間隔との関係を示す図である。出力パワーおよびレーザヘッド速度が一定の場合、Ｑスイッチ周波数を小さくすると、パルスレーザのパルス周期が長くなると共に１パルス当たりのエネルギーが大きくなるので、パルス照射痕１の深さと間隔の両方が大きくなる。逆にＱスイッチ周波数を大きくすると、パルスレーザのパルス周期が短くなると共に１パルス当たりのエネルギーが小さくなるので、パルス照射痕１の深さと間隔の両方が小さくなる。

なお、パルスレーザの出力パワー［Ｗ／ｓ］、Ｑスイッチ周波数［Ｈｚ］およびパルスエネルギー［Ｊ］は、
（パルスエネルギー）＝（出力パワー）÷（Ｑスイッチ周波数） …（１）
の関係が成り立つ。

以上のように本実施の形態では、ＳｉＣウェハ１００に刻印する識別子１０１が、独立したパルス照射痕１の集合体である（より具体的には、識別子１０１を構成するドット１０のそれぞれがパルス照射痕１の集合体である）。パルス照射痕１同士が重ならないことにより、各パルス照射痕１の形状が安定するため（スプラッシュ状の突起物が形成されない）、パーティクルの発生が抑制される。

さらにマーキングに使用するパルスレーザは、吸収率が高い（透過率が低い）ＵＶレーザ（λ＝２６６ｎｍ）であるので、出力パワーを小さくでき、それによっても照射痕の形状が安定するため、パーティクルの発生が抑えられる。

また本実施の形態では、パルス照射痕１を約１０μｍ程度の小さいものとしている。従来のように大きな照射痕を形成する場合、レーザの出力パワーを大きくする必要があり照射痕の形状が安定しなかったが、小さいパルス照射痕１は出力パワーの小さいレーザで形成できるため、パーティクルの発生がさらに抑制される。小さいパルス照射痕１は単独では視認性が悪いが、それが密集して成るドット１０およびその集合体である識別子１０１のパターンは、充分な視認性を確保できる。

このように本実施の形態によれば、ＳｉＣウェハ１００に形成する識別子１０１の視認性を確保しつつ、パーティクルの発生・飛散・残留・液垂れ等が低減され、その後のプロセスがパーティクルに起因する汚染の影響を受けることを防止できる。

なお、第１マーキング工程で設定される各照射パラメータは一定の値でなくてもよく、必要に応じて変更してもよい。例えばパルス照射痕１の間隔を大きくするとドット１０の視認性が低下するが、パーティクルの発生量が少なくなりスループットが向上するという利点もある。識別子１０１に要求される視認性と、パーティクルの発生量およびスループットとのトレードオフの関係を考慮して、各照射パラメータを適宜調整することにより、マーキングの目的に応じた効率的なレーザ照射が可能になる。

またマーキング装置の性能の観点から、パルス照射痕１の位置や大きさのバラツキを考慮して、照射パラメータを決定することも有効である。例えば図２において、連続するパルス照射痕１の中心間の距離ｄ２を、パルス照射痕１の直径ｄ１の２倍以上とすれば、パルス照射痕１の位置や径に、直径ｄ１の半分程度のバラツキが生じたとしても、パルス照射痕１同士が重なることを防止することができる。

また本発明者は実験により、パルスレーザの１パルス当たりのエネルギー（パルスエネルギー）を５μＪ以上にすれば、ＳｉＣウェハ１００に刻印する識別子１０１の充分な視認性を確保できることを確認している。一方、パルスエネルギーが１０μＪを超えると、ＳｉＣウェハ１００の結晶ダメージが生じたり、パルス照射痕１が過剰に深く形成されてパーティクルが増加したりする問題が確認された。つまり視認性の確保とパーティクル抑制の両立の観点からは、パルスエネルギーが５〜１０μＪの範囲となるように出力パワーおよびＱスイッチ周波数を決定することが好ましい。

またパルス照射痕１の深さに注目すると、その深さは０．１μｍ以上であれば、ＳｉＣウェハ１００に刻印する識別子１０１の充分な視認性を確保できることが確認された。またパルス照射痕１の深さを０．７μｍ以上にすると、パーティクルの増大が目立つようになった。よって視認性の確保とパーティクル抑制の両立の観点から、パルス照射痕１の深さが０．１μｍ〜０．７μｍの範囲となるように出力パワーおよびＱスイッチ周波数を決定することが好ましい。

１ パルス照射痕、１０ ドット、１００ ＳｉＣウェハ、１０１ 識別子。

Claims (9)

1. ＳｉＣ半導体ウェハを用意する工程と、
   レーザヘッドから前記ＳｉＣ半導体ウェハにレーザを照射しつつ、前記レーザヘッドを前記ＳｉＣ半導体ウェハに対して移動させることにより、前記ＳｉＣ半導体ウェハの表面に前記レーザの照射痕から成る所定パターンを刻印するマーキング工程とを備え、
   前記レーザは、ＹＡＧレーザの４倍高調波を用いたパルスレーザであり、
   前記マーキング工程において、前記レーザヘッドは、前記パルスレーザの連続するパルスの照射痕が重ならない速度で、且つ、先に形成された前記照射痕に重ねて前記パルスレーザが照射されない軌道で移動する
   ことを特徴とするＳｉＣ半導体ウェハのマーキング方法。
2. 前記所定パターンは、互いに重ならないドットの集合体であり、
   前記マーキング工程は、
   互いに重ならない複数の前記照射痕により１つのドットを描画する第１マーキング工程と、
   前記第１マーキング工程を繰り返し行うことで複数のドットから成る前記所定パターンを描画する第２マーキング工程とを含む
   請求項１記載のＳｉＣ半導体ウェハのマーキング方法。
3. 前記レーザヘッドの移動速度および前記パルスレーザのＱスイッチ周波数の少なくとも片方を調整することにより、連続して形成される前記照射痕の中心間の距離を設定する工程をさらに含む
   請求項１または請求項２記載のＳｉＣ半導体ウェハのマーキング方法。
4. 連続して形成される前記照射痕の中心間の距離は、当該照射痕の直径の２倍以上になるように設定される
   請求項３記載のＳｉＣ半導体ウェハのマーキング方法。
5. 前記パルスレーザの１パルス当たりのエネルギーは５〜１０μＪである
   請求項１から請求項４のいずれか一項記載のＳｉＣ半導体ウェハのマーキング方法。
6. 前記照射痕の深さは０．１〜０．７μｍである
   請求項１から請求項４のいずれか一項記載のＳｉＣ半導体ウェハのマーキング方法。
7. 表面にレーザの照射痕から成る所定パターンが刻印されたＳｉＣ半導体ウェハであって、
   前記所定パターンは、互いに重ならない深さ０．１〜０．７μｍの前記照射痕の集合体により構成されている
   ことを特徴とするＳｉＣ半導体ウェハ。
8. 前記所定パターンは、互いに重ならないドットの集合体であり、
   前記ドットのそれぞれが前記照射痕の集合体である
   請求項７記載のＳｉＣ半導体ウェハ。
9. 隣接する前記照射痕の中心間の距離は、当該照射痕の直径の２倍以上である
   請求項７または請求項８記載のＳｉＣ半導体ウェハ。

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