JP5321157B2

JP5321157B2 - 単結晶炭化珪素基板の加工方法

Info

Publication number: JP5321157B2
Application number: JP2009055805A
Authority: JP
Inventors: 芳生平野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: JP2010207845A

Description

本発明は、単結晶炭化珪素基板の加工方法に関するものである。

珪素材料(シリコン材料)を用いた半導体材料は、ＣＰＵやメモリ、発信器等のデジタル素子用の材料として使用される他に、交流の１００Ｖ電圧を５Ｖ等の所望の直流電圧に変換する電源機器やモーター用インバータ等の電力変換、あるいは携帯電話等の基地局で信号を増幅するアンプ等のアナログ素子として用いられる等、デジタル機器、アナログ機器の電力変換素子として、広範囲に利用されている。

一方、近年では、シリコン材料より真性半導体温度が高く、高温での動作が可能でかつ高い飽和ドリフト速度、絶縁破壊電界を持つことが判明しているワイドバンドギャップ材料の炭化珪素(SiC)の素子を用いたデバイスの開発や実用化が進みつつある。デバイスの製造方法として具体的には、結晶が４Ｈ、又は６Ｈの構造を有する単結晶インゴットを円形状の基板に加工し、表面研磨をした基板上に、１５００℃以上の高温ＣＶＤでホモエピ膜を形成し、さらにそのエピ膜上に各種デバイス構造を形成し半導体素子とするのが一般的である。

このような半導体基板をデバイスプロセスに投入する際には品質管理上、基板に何らかの識別番号を付与する必要があるが、シリコン基板等においては、基本波長が１０６４nmである汎用の固体ＹＡＧレーザーを用いた汎用走査型レーザー印字装置やＹＡＧレーザーの第２高調波を用いた５３２nmの波長を有するレーザーを用いた印字装置を使用し、それらレーザーのエネルギーを基板表面に照射して、表面を溶解し、溝を形成することにより、識別可能な印字をする方法が一般的に知られている。

また、ガラス基板のような透明基板に対して印字を行う方法としては、固体レーザーのさらなる高調波を利用して、波長を３００nm以下のパルスレーザビームを発信させ、このパルス状レーザービームによるスポットをガラスの表面の同一箇所に複数照射してマーキングする方法がある(特許文献１)。

また、透明ガラス基板の片面にクモリ状散乱部分によるパターンを形成し、十分にレーザー光を遮光できる凹凸面を有するレーザマーキング用マスクを用いる方法がある(特許文献２)。

特許第3412416号公報特開平7-323387号公報

両面に研磨を施した単結晶炭化珪素基板は、表面の平均粗さRaが５０nm以下になると、透明で光透過が顕著になり、波長が５００nm以上の汎用で安価な固体レーザーでは印字ができなかった。このため固体レーザーの高調波成分を用いたレーザーや同じくガスレーザーを用いた特殊で高価な印字装置が必要であった。また、透明性を無くす目的で、基板表面の粗度を変えるために、粗い番手の研磨材を用いて印字面だけ磨き直すか、あるいはサンドブラストを行う等の工程で、印字面の粗度を上げクモリガラス状仕上げて、５００nm以上の汎用の固体レーザーで印字することもできるが、そのための加工工程が必要となり、コスト上昇の要因となっていた。さらに片面だけ粗度を変えた基板をエピ成膜工程に投入すると、表裏での残留応力の違い等により基板にソリ等の形状の乱れが発生し、エピ品質やその後のデバイス品質を損なう原因となっていた。

別の手段として、基板に有機物等のマスク材を貼ってレーザーを照射する手段もあるが、それらマスク材に含まれる重金属成分等の不純物が基板に残留し、デバイスプロセスに悪影響を与える等の問題が発生していた。

そこで、本発明では、従来技術での上記問題点を解決し、光透過性の高い単結晶炭化珪素基板に対して、安価な固体レーザーを用いて、加工時の基板への不純物汚染が殆ど無い加工方法を提供することを目的とする。

本発明では、平均の面粗度Ｒaが５０nm以下であって光透過性を有する両面鏡面研磨後の単結晶炭化珪素基板の表面の少なくとも一部に、ポリシリコン、一酸化珪素、二酸化珪素、炭化珪素、及び窒化珪素から選ばれた１種又は２種以上の珪素系粉末を塗布し、その塗布部位にレーザー照射を行い、前記基板表面に溝を形成する単結晶炭化珪素基板の加工方法を提供する。本発明で言う光透過性を有する単結晶炭化珪素基板とは、好適には波長５００nm以上の光に対して透明性を有するものであり、具体的には、波長５００nm以上の光に対して１５％以上の透過率を有するような単結晶炭化珪素基板に溝を形成することができる方法である。

単結晶炭化珪素基板の結晶形は、４Ｈ型、又は６Ｈ型であることが好ましい。また、炭化珪素基板の表面粗さの平均値Raは５０nm以下であることが好ましい。なお、表面粗さRaはJIS B0601:2001に準拠する算術平均粗さである。

さらに、用いる珪素系粉末を溶剤と混合して、単結晶炭化珪素基板に塗布し、乾燥して溶剤を飛ばした後、レーザー照射を行うことが好ましい。また、本レーザーの波長は５００nm以上であることが好ましい。

珪素系粉末は入手し易い高純度のポリシリコンで良いが、酸素を除く基板の主たる成分以外で基板を汚さないという理由から一酸化珪素、二酸化珪素、炭化珪素、窒化珪素等の高純度粉体を選択するのがよい。勿論前記粉体を２種類以上混ぜた混合粉体でもよい。炭化珪素粉体については、基板と同じ元素であり問題は無いが、窒化珪素については、成分中の窒素が炭化珪素基板の導電性を変化させる元素であるため、厳密な基板表面の導電率制御を要求される場合には他の珪素系粉末を用いる方が好ましい。

また、珪素系粉末は、平均粒径が１μm以下の微粉を用いることが好ましく、汎用の固体レーザーの波長である、１０６４nm、５３２nm等、５００nm以上の波長を有した汎用のレーザー光は塗布物表面で散乱、吸収され易くなり、基板表面溶解のための熱エネルギーへの変換が促進され、少ないエネルギー照射で効果的に溝を形成できる。さらに微粉を使う効果として、印字する場合の溝幅の広がり、即ち、文字の滲みを最小に抑えることができ、鮮明な印字が可能となる効果がある。加工後の単結晶炭化珪素基板の残留不純物の影響を考慮して、使用する珪素系粉末は、好ましくは金属不純物濃度が１ppm以下のものを用いるのがよい。また、単結晶炭化珪素基板に塗布する量については、目視にて基板表面が見えなくなる程度の厚さであるのがよい。なお、珪素系粉末を溶剤と混合して塗布する場合、用いる溶剤については水又は揮発性の良好なアルコール等の溶剤であるのがよい。

本発明において、単結晶炭化珪素基板の表面の溝加工とは、例えば識別番号の印字や、マーキング、バーコート等の形成を目的とするものが好適な例であるが、レーザーを照射して形成することができるものであれば、これらに制限されない。

本発明によれば、研磨により透明となった単結晶炭化珪素基板の表面に珪素系粉末を塗布することにより光遮断性を高め、レーザー光を吸収し、そのエネルギーで下層の単結晶炭化珪素（SiC）基板を一旦溶解させてその溶解の連鎖により下地の単結晶SiC基板を溶解させていき、所望の溝を設けることができる。塗布する粉が基板の主成分の一つである珪素と同じであり、粉末溶解後の物質は元の粉体成分以外としては主としてデバイスプロセスで汎用的に用いられるシリコンの酸化物(SiO₂)が主体となるため、デバイスプロセスと親和性があり、他に重大な悪影響を与えるような想定外の残留物にはならない。一般のデバイスプロセスに要求されるシリコン基板材料の金属不純物濃度は１ppm程度未満であるため、その濃度以下の不純物含有量の珪素系粉末でマスクすれば、レーザー照射時にさらにそれら不純物が蒸発する効果も相俟って、デバイスプロセスを汚染するような不純物レベルに達することは無い。

本発明第１の実施形態に係わる構成図本発明第１の実施形態に係わる基板の平面図本発明第１の実施形態に係わる印字本発明第１の実施形態に係わる印字部位断面図本発明第３の実施形態に係わる溝加工概念図本発明第３の実施形態に係わる光センサー構成図

図１は、本発明の第１の実施形態を説明するための構成図である。
符号１は、走査型レーザー照射装置であり、ＹＡＧ固体レーザー発振のものである。予め設定した文字を対象物に対して自身が走査し、照射できる。波長は１０６４nmであり、レーザー出力は２ワットとした。符号２は、両面鏡面研磨し平均の面粗度Raが５０nm以下となり透明化した４Ｈ型単結晶炭化珪素基板であり、直径５０mm、厚さ０．３５mmのものである。符号３は、レーザー光の軌跡を表現したものであり、線先にある部位４が予め炭化珪素基板に炭化珪素粉を塗布してある部分である。図２は、塗布部位を示す平面図である。符号４の塗布の具体的な方法を述べる。金属不純物濃度が１ppm以下、平均粒径が１μｍの市販の炭化珪素単結晶粉を２０gほど、５０mlのエチルアルコールの入ったビーカーに攪拌しながら徐々に投入した。その溶液を、柔らかい刷毛を用いて、基板の印字加工部位周辺に塗り、８０℃のホットプレート上で基板を温め、エタノールを昇華させることにより基板上に粉を定着させた。塗布した量は目視にてムラ無く基板表面が見えなくなる程度であり、別途用意した同方法にて塗布した基板の粉体付着部分の厚さ断面を顕微鏡で観察したところ、約１０〜２０μｍであった。

印字は、長さ２mm、幅０．７mmの外形で、線幅が平均で０．２mmとなる文字サイズに走査型レーザー照射装置を設定して印字した。図３は、文字５を印字したものであり、視認性の良好な文字となった。図４は、図３の断面６に沿って切断し研磨した断面図を観察した図である。微粉を用いたため、必要以上に溝７が広がることなく、符号８の断面のように線の滲みも無く良好なものであった。また、比較として、炭化珪素単結晶粉を塗布していない部位に同じ条件で印字を行ったが、レーザー光がそのまま透過して印字できなかった。

また、印字後に有機洗浄を行い、誘導結合プラズマ質量分析計(ICP-MS)にて基板上のＦｅ等の重金属残留物を測定したが、検出感度以下であった。
さらに同様の実験構成で、基板の表面粗さだけ変えた、Raが２５nm、５０nm、及び７５nmの３種類の基板を用意し、溶剤に混ぜた炭化珪素単結晶粉末を塗布することなくレーザー照射を行ったところ、Ra２５nmの基板ではレーザーが透過し印字不能であった。Ra５０nmの基板ではレーザー熱で加工痕が見られ、視認性はあるものの文字の線が部分的に途切れていた。Ra７５nmの基板では視認性のあるはっきりとした文字が印字できた。Ra７５nmの基板では表面の凹凸でレーザー光が乱反射して、レーザー光が熱に変わり、基板表面を溶かして、レーザーによる加工を促進したため、と思われる。反対にRaが５０nm以下では光透過性が増し、レーザー光が基板を通過し、熱に変換できずに、印字が困難になった。

第２の実施形態として、不純物濃度が５ppm以下で平均粒径が５μmの市販の珪素粉を２０gほど、５０mlのエチルアルコールの入ったビーカーに攪拌しながら徐々に投入した溶液を用いて、今度は両面研磨された透明な６Ｈ炭化珪素基板にスピンコーターを用いて全面に塗布して８０℃のホットプレート上で基板を乾燥させた。基板の大きさは直径７５mm、厚さ０．２５mm、表面粗さはRaで１．０nmのものである。塗布した量は目視にてムラ無く基板表面が見えなくなる程度であり、別途用意した同方法にて塗布した基板の粉体付着部分の厚さ断面を顕微鏡で観察したところ、約３〜５μｍであった。

第1の実施形態と同じ条件で印字を行ったが、同じく良好に印字でき、重金属等の不純物も検出されなかった。レーザーにより印字された溝部位の深さを多点測定すると、スピンコーターで実施した場合の方が、０．０２５mm〜０．０３５mm程度であり、刷毛で塗った場合の０．０２５mm〜０．０６mmに比べて深さバラツキは少なかった。これはスピンコーターで塗った場合の方が均質に塗布できた効果である。同様な構成で、平均粒径が１０μmの珪素粉に変えて実験を行ったところ、視認は可能であるが文字に滲みが見られた。これは粒径の大きな粉体がレーザー光で溶けた際に、レーザービーム径の外まで広がったために生じたものであった。

第３の実施形態として、不純物濃度が１０ppmで平均粒径が５μmの市販の二酸化珪素粉を２０gほど、５０mlの超純水の入ったビーカーに攪拌しながら徐々に投入した溶液を用いて、その溶液を、柔らかい刷毛を用いて、図２に示した基板の印字加工部位周辺に塗り、８０℃のホットプレート上で基板を温め、超純水を昇華させることにより塗布した。基板の大きさは直径７５mm、厚さ０．２５mm、Raが５nmのものである。塗布した量は目視にてムラ無く基板表面が見えなくなる程度であり、別途用意した同方法にて塗布した基板の粉体付着部分の厚さ断面を顕微鏡で観察したところ、約２０〜５０μｍであった。

第１の実施形態と同じレーザーで加工を行ったが、搬送装置等で基板の位置決めを行うための光センサーに反応するよう、図５の符号９に示すようなメッシュ状の加工を行った。溝の幅は５０μm、ピッチも５０μmであり、５mm×５mmの領域に均等にメッシュ加工した。同じく重金属残留物の測定を行ったが、検出されなかった。また別途、本実施形態で二酸化珪素粉の不純物濃度が２０ppmの材料を用いて同実験を行い、重金属残留物の測定を行ったところ、Ｆｅ元素が１５×１０¹⁰原子/cm²ほど検出され、一般にデバイス工程で要求される重金属汚染レベルである１０×１０¹⁰原子/cm²以下は満たせなかった。本メッシュの光センサーでの検出を実験するために、図６のような透過型フォトインタラプタを用意した。符号１０は発光素子、符号１１はその光を受ける受光素子である。向かい合う素子間の光を遮るものが通過した際に検出感知するように設定してある。この装置に先述したメッシュ部位を有する炭化珪素基板１２を通過させると、センサーが反応し、検出可能であった。比較用にメッシュの無い基板を通過させても、反応は無かった。

第４の実施形態として、不純物濃度が１ppmで平均粒径が５μmの市販の炭化珪素粉を、基板の大きさが直径１００mm、厚さが０．４mm、表面粗さRaが１０nmの４Ｈ珪素基板上の一部に薄く満遍なく振りかけてその上から、レーザー照射する実験を実施したところ、視認可能な文字が加工できたが、振りかけた粉の濃密により、印字深さのバラツキは０．１mm〜０．０１mmと幅広いものとなった。また、レーザー装置への設置の際のハンドリングで粉が一部、装置内に飛散した。塗布した量は目視にてムラ無く基板表面が見えなくなる程度であり、別途用意した同方法にて塗布した基板の粉体付着部分の厚さ断面を顕微鏡で観察したところ、約０〜３０μｍであった。

以上、透明性を有する研磨された炭化珪素基板に溝加工する方法について述べたが、溝形成の目的は印字やメッシュに限らず、例えばバーコードのようなパターンであっても良い。さらに、塗布後に不要となった粉体を除去する目的で、有機洗浄を実施するのが望ましい。あるいは有機洗浄後に、ブラシスクラブ洗浄、あるいはジェットスクラブ洗浄、超音波スクラブ洗浄等を実施することにより、余剰の粉体除去を促進することが可能である。

１ : レーザー照射装置
２ : 基板
３ : レーザー光
４ : 粉体塗布部位
５ : 印字
６ : 切断部位
７ : 溝
８ : 基板断面
９ : 切断部位
１０ : 発光素子
１１ : 受光素子
１２ : 基板

Claims

平均の面粗度Ｒaが５０nm以下であって光透過性を有する両面鏡面研磨後の単結晶炭化珪素基板の表面の少なくとも一部に、ポリシリコン、一酸化珪素、二酸化珪素、炭化珪素、及び窒化珪素から選ばれた１種又は２種以上の珪素系粉末を塗布し、その塗布部位にレーザー照射を行い、前記基板表面に溝を形成することを特徴とする単結晶炭化珪素基板の加工方法。
前記単結晶炭化珪素基板の結晶が、４Ｈ型、又は６Ｈ型である請求項１に記載の単結晶炭化珪素基板の加工方法。
前記珪素系粉末を溶剤と混合し、単結晶炭化珪素基板に塗布、乾燥した後、レーザー照射を行う請求項１又は２に記載の単結晶炭化珪素基板の加工方法。
前記レーザーの波長が５００nm以上である請求項１〜３のいずれかに記載の単結晶炭化珪素基板の加工方法。