JPWO2012093684A1 - 炭化珪素単結晶基板への識別マークの形成方法、及び炭化珪素単結晶基板 - Google Patents

Abstract

本発明の炭化珪素単結晶基板への識別マーク形成方法は、炭化珪素単結晶基板の主面に溝が形成される第１のエネルギ密度で、前記炭化珪素単結晶基板の主面をレーザビームによって走査し、１つ以上の溝によって構成される識別マークを前記炭化珪素単結晶基板の主面に形成する工程（ａ）と、前記第１のエネルギ密度よりも低い第２のエネルギ密度で前記前記炭化珪素単結晶基板の主面に形成された溝内を前記レーザビームによって走査する工程（ｂ）とを包含する。

Description

本発明は、炭化珪素単結晶基板への識別マークの形成方法に関し、特に、レーザビームを用いて炭化珪素単結晶基板に識別マークを形成する方法に関する。

炭化珪素半導体は、シリコン半導体よりも絶縁破壊電界、電子の飽和ドリフト速度および熱伝導率が大きい。このため、炭化珪素半導体を用いて、従来のシリコンデバイスよりも高温、高速で大電流動作が可能なパワーデバイスを実現する研究・開発が活発になされている。なかでも、電動二輪車、電気自動車やハイブリッドカーに使用されるモータは交流駆動あるいはインバータ制御されるため、こうした用途に使用される高効率なスイッチング素子の開発が注目されている。このようなパワーデバイスを実現するためには、高品質な炭化珪素半導体層をエピタキシャル成長させるための炭化珪素単結晶基板が必要である。

また、高密度で情報を記録するための光源として青色レーザダイオード、および、蛍光灯や電球に替わる光源としての白色ダイオードへのニーズが高まっている。このような発光素子は窒化ガリウム半導体を用いて作製され、高品質な窒化ガリウム半導体層を形成するための基板として炭化珪素単結晶基板が使用される場合がある。したがって、炭化珪素半導体素子や窒化ガリウム半導体素子など、今後、大きな成長が予想される半導体素子を作製するための基板として、炭化珪素単結晶基板が求められている。

半導体素子の製造に用いられる半導体基板には、半導体基板を識別し、施された製造工程のプロセス条件を半導体基板ごとに管理するため、識別用の情報が識別マークとして付される。一般に識別マークは人間の目で認識できる程度の大きさを有しているが、カメラなどによって撮影され、画像処理を行うことにより、半導体製造装置等に認識される場合もある。

半導体基板への識別マークの形成には、通常、レーザビームが用いられる。レーザビームが照射された領域の半導体を溶融し、蒸発させることによって半導体基板の表面に凹部が形成され、凹部により識別マークが構成される。この凹部の深さによって、識別マークの形成方法は２つに大別される。具体的には、凹部の深さが０．１μｍから５μｍ程度である識別マークの形成はソフトマーキングと呼ばれ、凹部の深さが５μｍから１００μｍ程度である識別マークの形成はハードマーキングと呼ばれる。また、識別マークが独立したドット状の凹部により構成される場合と、１つ以上の線状の溝により構成される場合とがある。

炭化珪素は新しい半導体材料であり、広く利用されているシリコンや、ガリウムヒ素などの他の化合物半導体に比べて、融点が高く、また、硬度も高い。このため、シリコン基板に識別マークを形成する条件で、炭化珪素単結晶基板に良好な識別マークを形成することは、一般に難しい。特許文献１は、所定のパルス形状を有するパルスレーザ光を炭化珪素単結晶基板に照射することにより、炭化珪素を溶融し、僅かに窪んだ炭素またはシリコンの多い領域を形成し、視認性の良好な識別マークを形成する技術を開示している。

特開２００６−４３７１７号公報

特許文献１の方法によれば、僅かに窪んだドットからなる識別マークが形成される。このため、特許文献１の方法は、ドットにより構成される識別マークをソフトマーキングによって形成すると考えられる。ソフトマーキングによる識別マークの形成は、一般に、鏡面仕上げされた半導体基板に施される場合が多い。しかし、識別マークの形成により基板に隆起が生じるため、基板の平滑性が損なわれるという課題がある。

特許文献１は、識別マークを構成するドット状の凹部を炭素またはシリコンの多い領域で構成することにより、反射光および透過光による認識性が高められると記載している。しかし、ドットにより構成される識別マークはもともと、ラインにより構成される識別マークに比べて視認性が低いという課題があった。また、識別マークを構成するドット状の凹部はサイズが小さいため、レーザ照射によって溶融した炭化珪素の凝固物などのレーザ屑や研磨砥粒、その他半導体の製造工程の途中で生じる微小な異物がドット状の凹部に残存しやすい。このような凹部内の異物は、その後の基板の製造工程や半導体装置の製造工程において、凹部から離脱することによって基板の表面を汚染したり、表面に傷を発生させたりする原因となる。

本発明は、このような従来技術の課題のすくなくとも１つを解決し、炭化珪素単結晶基板に視認性の高い識別マークを形成する方法を提供することを目的とする。

本発明の炭化珪素単結晶基板への識別マーク形成方法は、炭化珪素単結晶基板の主面に溝が形成される第１のエネルギ密度で、前記炭化珪素単結晶基板の主面をレーザビームによって走査し、１つ以上の溝によって構成される識別マークを前記炭化珪素単結晶基板の主面に形成する工程（ａ）と、前記第１のエネルギ密度よりも低い第２のエネルギ密度で前記炭化珪素単結晶基板の主面に形成された溝内をレーザビームによって走査する工程（ｂ）とを包含する。

ある好ましい実施形態において、前記溝の幅は５０μｍ以上であり、前記溝の深さは２０μｍ以上である。

ある好ましい実施形態において、前記溝の内表面の少なくとも底面での表面粗さＲａは１μｍ以下である。

ある好ましい実施形態において、炭化珪素単結晶基板への識別マーク形成方法は、前記工程（ｂ）の後、前記炭化珪素単結晶基板の前記主面を機械研磨する工程（ｃ）をさらに包含する。

ある好ましい実施形態において、炭化珪素単結晶基板への識別マーク形成方法は、前記工程（ｃ）の後、前記炭化珪素単結晶基板の前記主面に気相エッチングを施す。

ある好ましい実施形態において、前記炭化珪素単結晶基板の主面の表面粗さＲａは０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下である。

本発明の炭化珪素単結晶基板は、炭化珪素単結晶基板の主面に１つ以上の溝によって構成される識別マークを備えており、前記溝の幅は５０μｍ以上０．５ｍｍ未満であり、前記溝の深さは２０μｍ以上であり、前記溝の内表面の少なくとも底面での表面粗さＲａは１μｍ以下である。

ある好ましい実施形態において、前記溝の底面は凝固面である。

ある好ましい実施形態において、前記溝の底面は縞模様を有する。

本発明によれば、溝内に異物がほとんどなく、識別性に優れた識別マークを有する炭化珪素単結晶基板を得ることができる。

本発明の方法により識別マークが形成された炭化珪素単結晶基板を示す模式図である。 本発明による炭化珪素単結晶基板への識別マークの形成方法の一実施形態を示すフローチャートである。 （ａ）は粗レーザ工程におけるレーザビームの走査パターンを示し、（ｂ）は、粗レーザ工程によって炭化珪素単結晶基板の主面に形成された溝の断面を模式的に示している。 （ａ）は仕上げレーザ工程におけるレーザビームの走査パターンを示し、（ｂ）は、仕上げレーザ工程によって炭化珪素単結晶基板の主面に形成された溝の断面を模式的に示している。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、機械研磨後の炭化珪素単結晶基板の主面に形成された溝の模式的平面図および模式的断面図である。 実施例３の方法によって形成された識別マークの溝のＳＥＭ像である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例３の方法によって形成された識別マークを構成する溝の断面方向および長手方向の表面プロファイルを示している。 比較例の方法によって形成された識別マークの溝のＳＥＭ像である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、比較例の方法によって形成された識別マークを構成する溝の断面方向および長手方向の表面プロファイルを示している。

以下、図面を参照しながら本発明による炭化珪素単結晶基板への識別マークの形成方法の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の炭化珪素単結晶基板への識別マークの形成方法によって識別マーク１４が形成された炭化珪素単結晶基板１０を模式的に示している。炭化珪素単結晶基板１０は炭化珪素単結晶からなる。炭化珪素単結晶のポリタイプに特に制限はなく、どのようなポリタイプの炭化珪素単結晶であってもよい。炭化珪素単結晶基板１０の大きさおよび厚さに特に制限はない。

炭化珪素単結晶基板１０は一対の主面１０ａおよび１０ｂを有し、一方の主面１０ａに識別マーク１４が形成されている。主面１０ａおよび１０ｂの面方位に特に制限はなく、炭化珪素単結晶の結晶軸と主面１０ａおよび１０ｂの法線とが一致していてもよく（いわゆるジャスト基板）、また、炭化珪素単結晶の結晶軸に対して主面１０ａおよび１０ｂの法線が０度より大きい角度をなしていてもよい（いわゆるオフ基板）。識別マーク１４が形成されている主面１０ａが裏面であり、主面１０ｂが半導体装置が形成される表面である。

炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ｂは鏡面であることが好ましい。具体的には、主面１０ｂの表面粗さＲａは２．０ｎｍ以下であることが好ましい。主面１０ｂ上に高品質の炭化珪素層や窒化ガリウム層をエピタキシャル成長させ、半導体装置を製造するためである。主面１０ｂの表面粗さＲａの下限に特に制限はない。しかし、表面粗さＲａが小さくなるほど主面１０ｂの加工に時間を要し、炭化珪素単結晶基板１０の生産性が低下する。このため、工業的量産性の観点から、主面１０ｂの表面粗さＲａは０．１ｎｍ以上であることが好ましい。

一方、主面１０ａは、用途あるいは、炭化珪素単結晶基板１０に求められる仕様に応じた表面粗さを有している。具体的には、主面１０ａは鏡面であってもよいし、機械研磨が施された機械研磨仕上げの面であってもよい。主面１０ａが鏡面である場合には、主面１０ａの表面粗さＲａは２．０ｎｍ以下であり、主面１０ａが機械研磨仕上げの面である場合には、主面１０ａの表面粗さＲａは、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。

識別マーク１４は、本実施形態では炭化珪素単結晶基板１０のオリエンテーションフラット１２近傍に形成されている。しかし、識別マーク１４の位置に特に制限はなく、主面１０ａの他の位置に形成されていてもよい。

識別マーク１４は、数字、アルファベット、カタカナ、ひらがな、漢字等の各種言語で使用される文字、記号などによって構成される。字数に特に制限はない。また、識別マーク１４は、肉眼で識別できる大きさを有していることが好ましく、例えば、１文字の大きさが０．８ｍｍあるいは１．６ｍｍであることが好ましい。識別マーク１４の１文字の大きさの上限に特に制限はない。ただし、１文字があまり大きくなると文字を形成するために時間を要する。溝幅は０．５ｍｍ以下が好ましい。

以下において詳細に説明するように、識別マーク１４を構成する上述した英数字などは、ドット状の凹部により構成される識別マークではなく、線状の溝によって構成される識別マークである。肉眼による十分な視認性を確保するために、溝の深さは、２０μｍ以上であることが好ましく、溝の幅は５０μｍ以上であることが好ましい。

以下、図１および図２に示すフローチャートを参照しながら、本実施形態の炭化珪素単結晶基板への識別マークの形成方法を詳細に説明する。

まず、炭化珪素単結晶基板１０を用意する（ステップＳ１１）。上述したように、炭化珪素単結晶基板１０の大きさ、厚さ、ポリタイプ、主面１０ａおよび主面１０ｂの法線の方向に特に制限はない。識別マーク１４を施す前の炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ｂは機械研磨仕上げ後の表面粗さを有していてもよいし、鏡面であってもよい。

一方、主面１０ａは、機械研磨仕上げ後の表面粗さを有していることが好ましい。主面１０ａが機械研磨仕上げ程度の表面粗さを有していることにより、鏡面である場合に比べて、識別マーク１４を形成するためのレーザビームが炭化珪素単結晶基板１０を透過するのを抑制し、効率的に炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａにエネルギを与えて、識別マーク１４の溝を形成することができるからである。また、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａ上に、レーザビームによるエネルギを吸収するエネルギ吸収層などを設けることなく、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａを直接レーザビームで照射し、主面１０ａにエネルギを与えることができる。さらに、識別マーク１４を形成する前に主面１０ａが鏡面を有している場合、後述するように、識別マーク１４を形成した後に、鏡面である主面１０ａを機械研磨することとなり、それまでの鏡面仕上げの工程が無駄となる。これらのことから、主面１０ａの表面粗さＲａは、具体的には５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、上述した効果を十分に得るために、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることがより好ましい。

次に、用意した炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａをレーザビームで走査し、主面１０ａに識別マーク１４を形成する。識別マークの形成は、粗レーザ加工（ステップＳ１２）により、１つ以上の溝によって構成される識別マーク１４を形成し、仕上げレーザ加工（ステップＳ１３）によって、その溝内部の仕上げを行う。まず、粗レーザ加工（ステップＳ１２）を説明する。

識別マーク１４の形成に用いるレーザビームを照射するレーザ光源には、レーザマーキングに用いられる種々のレーザ光源を用いることができる。ここで、レーザ光源とは、レーザ光を発する発光光源のみならず、ビーム径を調整するための光学系や、レーザビームをパルス駆動するためのＱスイッチ、レーザビームの波長を調整するための波長変換素子などを含んでいてもよい。また、本実施形態で用いるレーザ光源は、炭化珪素単結晶を溶融、蒸発させるのに適した波長のレーザビームを出射する。具体的には、レーザ光源は、５３２ｎｍ以上１０６４ｎｍ以下の波長のレーザビームを出射することが好ましい。５３２ｎｍより短い波長のレーザビームを出射するレーザ光源は、発振器が高価であり、また、装置が大型である。このため、特に識別マークを形成するためのコストが高くなりやすい。

レーザ光源から出射するレーザビームのビーム径は、形成する識別マーク１４の大きさやレーザ光源の出力に依存する。例えば、５μｍ以上５０μｍ以下のビーム径を有するレーザビームを出射する。レーザ光源の出力は例えば、１．０Ｗ以上２．０Ｗ以下である。上限を超える大きな出力のレーザ光源を用いると、結晶にスリップ等の結晶損傷を生じることがあるので好ましくない。

レーザ光源を用いて炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａをレーザビームで走査し、主面１０ａに識別マーク１４を形成する。炭化珪素単結晶基板１０の表面１０ａに溝が形成される第１のエネルギ密度で主面１０ａは走査される。図３（ａ）は、レーザビームの走査を模式的に示す平面図である。図３（ａ）に示すように、レーザ光源からパルス状のレーザビームが出射することにより、ビーム径Ｒ１のビームスポット２２で示されるレーザビームが１パルスごとに主面１０ａを照射する。炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａに高いエネルギ密度でレーザビームを照射するためには、１つのパルスにより形成されるビームスポット２２が逐次重なるようにレーザビームが主面１０ａを照射することが好ましい。ビームスポット２２の重なる面積が大きくなるほど、高いエネルギ密度で主面１０ａに熱を与えることができる。これにより図３（ｂ）に示すような断面を有する溝１６が炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａに形成される。

肉眼で認識し易い識別マーク１４を形成するためには、識別マーク１４を構成する溝１６の幅は５０μｍ以上であることが好ましく、溝１６の深さは２０μｍ以上であることが好ましい。通常、レーザビームのビーム径は、数μｍ程度であり、好ましい溝の幅よりも小さい。このため、溝１６の伸びる方向に対して、非平行な方向に、つまり、レーザビームを走査させながら、溝１６の伸びる方向にもレーザビームを走査させることによってレーザビームのビーム径よりも広い幅の溝を形成することが好ましい。具体的には、溝１６の伸びる方向に対してジグザグの走査パターン２４で走査することが好ましい。カーフ幅Ｗ２でレーザビームを走査した場合、幅Ｗ１の溝１６が形成される。

レーザビームの照射によって、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａから所定の深さで炭化珪素単結晶が溶融し、一部は蒸発する。溶融し、蒸発しなかった炭化珪素は、その後凝固する。これにより、識別マーク１４を構成する溝１６が炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａに形成される。

図３（ｂ）に示すように、炭化珪素単結晶基板１０の主面に形成された溝１６の内表面１６ａは、溶融した炭化珪素単結晶が凝固することにより形成されている。また、内表面１６ａ上には、凝固した炭化珪素の微小な凝固物１８が付着している。溝１６の外側に位置する主面１０ａ上にも凝固物や、凝固による隆起１９が生成している。

溝１６内部に生成した凝固物１８や、溝１６の外側に生成した凝固物や隆起１９は、炭化珪素単結晶基板１０を製造するための後の工程や完成した炭化珪素単結晶基板１０を用いて半導体装置を製造する製造工程において、炭化珪素単結晶基板１０から脱離し、異物として炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａ、主面１０ｂに付着し、悪影響を与えたり、主面１０ａ、主面１０ｂにスクラッチを生じさせる原因となったり、塵となって、他の基板や半導体装置内を汚染する原因となる。また、例えば、炭化珪素単結晶基板１０を製造するための後の工程で使用する研磨剤が溝１６内に入り込んだ場合、溝１６の内表面１６ａの表面粗さが大きいために研磨剤が内表面１６ａに引っかかり、洗浄によっても溝１６から研磨剤が取り除けない可能性がある。

本実施形態の炭化珪素単結晶基板１０への識別マークの形成方法では、このような課題を解決するため、粗レーザ加工の後、粗レーザ加工によって形成した溝１６に仕上げレーザ加工（ステップＳ１３）を行う。仕上げレーザ加工により、上述した凝固物１８や隆起１９を再度、溶融および蒸発させ、凝固物１８や隆起１９を除去する。また、内表面１６ａを溶融および凝固させ、滑らかな内表面を得る。凝固物１８や隆起１９、内表面１６ａは、溶融した炭化珪素単結晶が凝固することにより形成されており、非晶質であるか、または、低い結晶性を有する。さらに、粗レーザ加工において、炭素または珪素が選択的に蒸発することにより、凝固物１８や隆起１９、内表面１６ａは、珪素過剰、または、炭素過剰の組成を有していたり、酸素と結合した組成を有している。これらは、粗レーザ加工時の第１のエネルギ密度ほど大きなエネルギを与えなくても、溶融および蒸発し得る。

例えば、融点と熱伝導率との積によって見積もられる加工エネルギは、炭化珪素を１とした場合、Ｓｉは０．２程度であり、ＳｉＯ₂は、０．０２程度である。このため第１のエネルギ密度よりも低い第２のエネルギ密度で炭化珪素単結晶基板１０の表面１０ａに形成された溝１６内をレーザビームで走査することにより、凝固物１８や隆起１９を除去し、また、内表面１６ａを滑らかにすることができる。また、第１のエネルギ密度よりも低いエネルギ密度でレーザビームを照射することにより、溝１６の外側の炭化珪素単結晶で構成されている部分を新たに溶融、蒸発させることはない。すなわち、炭化珪素単結晶が溶融、蒸発しないような第２のエネルギ密度でレーザビームを照射することが好ましい。このため、仕上げレーザ加工により、新たな凝固物１８や隆起１９が生成することは抑制される。粗レーザ加工の総エネルギに対する仕上げレーザ加工の総エネルギ比率は１０％以上４０％以下程度であることが好ましい。

図４（ａ）に示すように、レーザ光源からパルス状のレーザビームが出射することにより、ビーム径Ｒ１のビームスポット２２’で示されるレーザビームが１パルスごとに主面１０ａに形成された溝１６内を照射する。図４（ａ）において、粗レーザ加工工程におけるビームスポット２２の位置を破線で示している。図４（ａ）から分かるように、ビームスポット２２’が互いに重なる面積はビームスポット２２に比べて小さくなっており、これにより、第１のエネルギ密度よりも、第２のエネルギ密度は小さくなる。第２のエネルギ密度を小さくする他の方法として、レーザのパワーを下げること、或いは走査するスピードを速くすること等が挙げられる。

好ましくは、図４（ａ）に示すように、粗レーザ加工工程におけるレーザビームの走査方向と仕上げレーザ加工におけるレーザビームの走査方向とは異なっている。これにより、粗レーザ加工工程におけるレーザビームの走査方向に依存した溝１６の内表面１６ａの凹凸が仕上げレーザ加工において平坦化され、溝１６の内部をより平滑にすることができる。本実施形態では、溝１６の伸びる方向と平行な走査パターン２４’で溝１６内をレーザビームが走査する。また、図４（ａ）に示すように、主面１０ａの溝１６の外側に形成される隆起１９を除去するため、ビームスポット２２’は溝１６の外側も照射することが好ましい。これにより、溝１６の壁面にも十分なエネルギ密度でレーザビームが照射され、平面に付着した凝固物１８が除去され、また、壁面が滑らかになる。つまり、仕上げレーザ加工によりレーザビームが照射される領域は、粗レーザ加工工程におけるレーザビームが照射される領域を完全に含んでおり、かつ、粗レーザ加工におけるレーザビームが照射される領域より広い方が好ましい。仕上げレーザ加工および粗レーザ加工におけるレーザビームがそれぞれ照射される領域を第１の領域および第２の領域とした場合、第２の領域の面積は、第１の領域の面積の１００％以上であることが好ましい。溝１６の外側に形成される隆起１９を除去するために、第２の領域の面積は、第１の領域の面積の１１０％以上であることがより好ましい。

図４（ｂ）に示すように、仕上げレーザ加工によって溝１６内に形成されていた凝固物１８が除去され、また、より平滑な内表面１６ｂを有する溝１６が得られる。主面１０ａの溝１６の外側に生じていた隆起１９も除去される。仕上げレーザ加工によって溝１６の内表面１６ｂの少なくとも底面での表面粗さＲａは１μｍ以下になる。

なお、仕上げレーザ加工は、識別マーク１４のすべてを粗レーザ加工によって形成し、粗レーザ加工の完了後に行ってもよいし、識別マーク１４の粗レーザ加工が終わった部分に逐次仕上げレーザ加工を施してもよい。この場合、粗レーザ加工と仕上げレーザ加工とが同時に行われるため、粗レーザ加工を行うレーザ光源と仕上げレーザ加工を行うレーザ光源とを用意することが好ましい。粗レーザ加工におけるレーザビームのパルス間隔をｔとし、識別マーク１４における同一の領域において粗レーザ加工を施し、その後、仕上げレーザ加工を施すまでの時間をＴとすれば、Ｔはｔよりも十分に長い。つまりＴ＞＞ｔであり、仕上げレーザ加工を行う前に、粗レーザ加工によって溶融した炭化珪素単結晶は凝固し、十分に冷却されている。

上述の工程により、炭化珪素単結晶基板１０における識別マーク１４の形成を完了させてもよいし、さらに、識別マーク１４の仕上げや、識別マーク１４が設けられた主面１０ａの仕上げを行ってもよい。識別マーク１４が形成された炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａに機械的研磨を施し、主面１０ａの表面粗さを小さくする場合、主面１０ａの溝１６の外側に微小な隆起１９’が残存し、それを除去する場合、あるいは、溝１６の内表面１６ｂの表面粗さをさらに小さくする場合には、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａに機械的研磨を施す（ステップＳ１４）。具体的には、金属定盤および研磨剤を用い、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａを機械的に研磨する。この際、研磨剤が溝１６の内にも入り込み、溝１６の内表面１６ｂも研磨剤により研磨される。これにより、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、内表面１６ｂ’の表面粗さが小さく、また、表面粗さが小さくなった主面１０ａ’を有する炭化珪素単結晶基板１０が得られる。また、溝１６の外側に残存していた隆起１９’もこれにより除去することができる。

また、レーザビームの照射、あるいは、溶融した炭化珪素が凝固することによって炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａの表面に生じたダメージ層を除去するために、主面１０ａの気相エッチングを行ってもよい（ステップＳ１５）。本実施形態で用いることのできる気相法によるエッチングとしては、たとえば、イオンエッチング、スパッタエッチング、反応性イオンエッチング、プラズマエッチング、反応性イオンビームエッチング、イオンビームエッチングなどが挙げられる。他の気相エッチング法を用いてもよい。

気相エッチングに用いるガス種に特に制限はない。しかし、四フッ化炭素、六フッ化硫黄などのフッ素を含むガスや、水素など、炭化珪素と反応性を有するガスを用いることが好ましい。また、酸化を促進させるために酸素を添加してもよい。印加するパワーなどエッチングの諸条件については、エッチングに用いる装置などにより決定される。エッチング速度は１０μｍ／ｈを超えないことが好ましい。エッチング速度が１０μｍ／ｈを超える場合、エッチング条件が炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａに対して激しすぎ、主面１０ａにイオンの衝突によるダメージが入ったり、エッチング後の主面１０ａの表面モフォロジーが悪化したりする可能性があるため好ましくない。

ダメージ層の厚さは小さいため、気相法によるエッチングは長時間行う必要はない。気相エッチングではエッチングが概ね均一に進行するため、主面１０ａの表面粗さはほとんど変化しない。このため、気相エッチング前の主面１０ａの表面粗さが概ね維持され、かつ、ダメージ層が除去された主面を得ることができる。

なお、上述の識別マークを形成する際、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ｂが機械研磨仕上げの面である場合には、識別マークの形成後、主面１０ｂに機械研磨および鏡面研磨を施してもよい。

本実施形態の炭化珪素単結晶基板への識別マークの形成方法によれば、視認性に優れた深さおよび幅を有する溝１６によって構成される識別マーク１４が形成された炭化珪素単結晶基板１０が得られる。識別マーク１４を構成する溝１６内に凝固物１８等がほとんど残留しておらず、また、内表面１６ａの少なくとも底面は１μｍ以下の表面粗さを有するため、その後の工程において、主面１０ａにさらに機械研磨やＣＭＰ（化学機械的研磨）等を施す場合でも、凝固物１８が溝１６から脱離して主面１０ａの研磨の際にスクラッチなどを生じさせる原因となることが抑制される。また、溝１６の内表面１６ｂが平滑であるため、研磨剤が溝１６に入り込み、とどまることがない。よって、炭化珪素単結晶基板１０の製造工程や半導体装置の製造工程において、識別マーク１４の形成に起因する種々の問題の発生が抑制された優れた炭化珪素単結晶基板１０が得られる。

（実施例）
以下、本実施形態の炭化珪素単結晶基板への識別マークの形成方法を用いて、炭化珪素単結晶基板に識別マークを形成した一例を説明する。

直径３インチの４Ｈ炭化珪素単結晶基板を用意した。識別マークを形成する主面の表面粗さＲａは０．３μｍである。レーザ光源として、ＥＳＩ製のＮｄ：ＹＡＧレーザ（波長：１０６４ｎｍ、出力：１．５Ｗ）を用いた。このレーザ光源は、Ｑスイッチを備えており、表１に示すように、実施例１、２、３の条件で、粗レーザ加工および仕上げレーザ加工を行い、９文字の識別マークを形成した。また、比較例として粗レーザ加工のみを行い識別マークを形成した。表１において、カーフ幅は、図３のＷ２を指す。カーフ幅が０である場合、形成すべき溝に沿ってレーザビームで基板の主面を走査する。例えば、溝の幅がレーザビームの直径の３倍程度である場合、図３に示す左の列のスポットを描くように主面をレーザビームで走査し、次に、中央列のスポットを描くように主面をレーザビームで走査し、最後に右の列のスポットを描くように主面をレーザビームで走査する。また、表１において、エネルギ密度は、比較例のエネルギ密度を１００としたときの相対値である。また、総エネルギは、粗レーザ加工および仕上げレーザ加工のそれぞれにおいて、直線距離１ｍｍをマーキングするときに、レーザビームの照射によって基板に与えられた総エネルギである。また、エネルギ比は、粗レーザ加工の総エネルギに対する仕上げレーザ加工の総エネルギの比率を示す。

レーザによる識別マークの形成後、識別マークを形成した主面に、平均粒径５μｍのダイヤモンド粒子を研磨剤としたダイヤスラリーを用い機械研磨を施した。

機械研磨後、識別マークを構成する溝内を光学顕微鏡で観察し、溝の底面および側面に凝固物などの付着物があるかどうかを確認した。また、溝の深さおよび幅を光学式測長顕微鏡を用いて測定した。測定は溝の任意位置で行い、基板表面上の溝幅と基板表面からの溝深さを測定した。９文字中３文字の溝に対して、任意の１箇所の測定を実施した。さらに溝の底面の表面粗さＲａをＶｅｅｃｏ社製の光干渉型表面粗さ測定器ＨＤ−２０００を用いて測定した。測定は、溝内の任意位置における中央部で行い、ライン方向（溝の長手方向）に沿って約０．２ｍｍの長さで行った。９文字中３文字の溝に対して、任意の１ラインで測定を実施した。結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例１、２、３において、溝の底面にはいずれも付着物が見られなかった。また、実施例１、３では溝の壁面にも付着物が見られなかった。これに対し、比較例では、溝の底面および壁面に付着物が見られた。これは、実施例１、２、３の方法では、仕上げレーザ加工によって溝内の凝固物が除去されているからであると考えられる。実施例１、２、３の結果からは、仕上げレーザ加工のエネルギは粗レーザ加工の１９％以上３１％以下程度あれば、付着物がほぼ完全に除去できることが分かった。１０％程度のマージンを見た場合、エネルギ比は１０％以上４０％以下程度であればよいことが分かる。

実施例２において、壁面に付着物が生じているのは、仕上げレーザ加工のレーザビームが溝内の壁面を十分な強度で照射できなかったからであると考えられる。これに対し、実施例３では、仕上げレーザ加工を５回行うとともに、各回の走査の際、ビームの位置を０．０２ｍｍオフセットさせているため、仕上げレーザ加工のビームが溝内の表面全体を均一に照射することができたためであると考えられる。

また実施例１、２、３のいずれにおいても、形成した識別マークの溝の底面の表面粗さＲａは０．４μｍから０．６μｍの範囲であった。これに対し、比較例では溝の底面の表面粗さＲａは５．０μｍから７．０μｍの範囲であった。このことから、実施例１、２、３の方法によって形成された識別マークの溝の内表面の表面粗さは従来の方法により形成された溝の表面粗さの１／１０程度まで向上していることが分かった。実施例１、２、３および比較例において、機械研磨による表面粗さＲａの減少は、５０ｎｍから１００ｎｍ程度であると見積もられるため、上述の表面粗さＲａの差異は、識別マーク形成後の機械研磨によるものではない。また、実施例１、２、３において、機械研磨を施す前の識別マークの溝の内表面の底面の表面粗さＲａは、少なくとも１μｍ以下であるといえる。

実施例１、２、３の識別マークは比較例よりも肉眼による視認性が向上していることが確認された。また、実施例２、３の方法によって形成された識別マークの肉眼による視認性は、実施例１の方法によって形成された識別マークに比べてさらに良くなっていることが確認された。

図６は実施例３の方法によって形成された識別マークの溝の一部を拡大して示すＳＥＭ像である。図６から分かるように、溝の底面および側面には異物がほとんど付着していない。また、溝の内表面には凹凸がほとんど見られず、内表面の表面粗さが非常に小さいことが分かる。特に、溝の底面は凝固面であり、概ね溝の伸びる方向に対して垂直な縞模様を有しているのが分かる。これは、仕上げレーザ加工によって凝固物が取り除かれる結果、溝の底面に、粗レーザ加工時におけるビームスポットの移動方向、つまり、レーザビームの走査方向にそって、炭化珪素単結晶が逐次溶融し、凝固することにより、痕跡が形成されるからであると考えられる。溝の内表面に凝固面が形成されることによって微小異物の残留が抑制される。

さらに、溝を規定するエッジもシャープであり、溝の外側の主面は平担であることが分かる。実施例１の方法によっても同様に良好な形状の識別マークが形成されていることが確認された。これらのことから、実施例１、３による識別マークの形成方法が実施例１、２、３のなかでは、より好ましいと考えられる。

図７（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例３の方法によって形成された識別マークの溝の伸びる方向と垂直な方向および溝の伸びる方向に沿った表面プロファイルを示している。これらの図に示されるように、溝の内表面のうち、少なくとも底面の表面粗さＲａは１μｍ以下である。

図８は比較例の方法によって形成された識別マークの溝の一部を拡大して示すＳＥＭ像である。図８から分かるように、溝の内表面には多数の小さな凝固物が付着しており、溝の内表面は凹凸形状を有している。また、溝の外側の主面も平らではなく、隆起が生じている。図９（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、比較例の方法によって形成された識別マークの溝の伸びる方向と垂直な方向および溝の伸びる方向に沿った表面プロファイルを示している。これらの図に示されるように、溝の内表面の表面粗さＲａは数十μｍ以上であり、溝の内表面が平滑でないことが分かる。

これらの結果から、粗レーザ加工および仕上げレーザ加工を行う実施例の方法によって、内表面に異物が付着しておらず、また、内表面が非常に滑らかな溝によって構成される識別マークを形成できることがわかった。ドット状ではなく溝状のマークを採用していることも、識別性に優れるという効果に寄与している。視認性の観点では、カーフ幅を取り、ジグザグにレーザビームを走査させることにより、溝の幅を５０μｍ程度以上確保することによって視認性に優れた識別マークを形成できることがわかった。

本発明は、半導体装置の製造等、種々の用途に用いられる炭化珪素単結晶基板に好適に用いることができる。

１０ 炭化珪素単結晶基板
１０ａ、１０ｂ 主面
１２ オリエンテーションフラット
１４ 識別マーク
１６ 溝
１８ 凝固物
１９ 隆起
２２ ビームスポット
２４ 走査パターン

Claims (10)

1. 炭化珪素単結晶基板の主面に溝が形成される第１のエネルギ密度で、前記炭化珪素単結晶基板の主面をレーザビームによって走査し、１つ以上の溝によって構成される識別マークを前記炭化珪素単結晶基板の主面に形成する工程（ａ）と、
   前記第１のエネルギ密度よりも低い第２のエネルギ密度で前記炭化珪素単結晶基板の前記主面に形成された溝内をレーザビームによって走査する工程（ｂ）と、
   を包含する、炭化珪素単結晶基板への識別マーク形成方法。
2. 前記溝の幅は５０μｍ以上であり、前記溝の深さは２０μｍ以上である請求項１に記載の炭化珪素単結晶基板への識別マーク形成方法。
3. 前記溝の内表面の少なくとも底面での表面粗さＲａは１μｍ以下である請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶基板への識別マーク形成方法。
4. 前記工程（ｂ）の後、前記炭化珪素単結晶基板の前記主面を機械研磨する工程（ｃ）をさらに包含する請求項１から３のいずれかに記載の炭化珪素単結晶基板への識別マーク形成方法。
5. 前記工程（ｃ）の後、前記炭化珪素単結晶基板の前記主面に気相エッチングを施す請求項４に記載の炭化珪素単結晶基板への識別マーク形成方法。
6. 前記炭化珪素単結晶基板の前記主面の表面粗さＲａは０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下である請求項１から５のいずれかに記載の炭化珪素単結晶基板への識別マーク形成方法。
7. 炭化珪素単結晶基板の主面に１つ以上の溝によって構成される識別マークを備えた炭化珪素単結晶基板であって、
   前記溝の幅は５０μｍ以上０．５ｍｍ未満であり、前記溝の深さは２０μｍ以上であり、
   前記溝の内表面の表面粗さＲａは１μｍ以下である、炭化珪素単結晶基板。
8. 前記主面の表面粗さＲａは０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下である請求項７に記載の炭化珪素単結晶基板。
9. 前記溝の底面は凝固面である請求項７または８に記載の炭化珪素単結晶基板。
10. 前記溝の底面は縞模様を有する請求項９に記載の炭化珪素単結晶基板。

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