WO2024004994A1 - 半導体基板 - Google Patents

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WO2024004994A1
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mark
semiconductor substrate
cracks
laser
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Inventor
良一 阪口
優 山岡
信也 渡辺
Original Assignee
株式会社ノベルクリスタルテクノロジー
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor substrate.
  • Patent Document 1 a technique is known in which a mark such as an identifier is formed on the surface of a substrate (see Patent Document 1).
  • a highly visible mark consisting of a plurality of dots is formed by irradiating the surface of a glass substrate with laser light.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor substrate made of a gallium oxide semiconductor having marks on its surface, which suppresses the generation of cracks and debris due to markings and has excellent mark visibility. .
  • one embodiment of the present invention provides the following semiconductor substrates [1] to [5].
  • a semiconductor substrate made of a gallium oxide semiconductor which has a mark composed of a plurality of dots on its surface, each of the plurality of dots being composed of a plurality of laser irradiation marks, and the plurality of dots comprising a plurality of laser irradiation marks.
  • the semiconductor substrate has a maximum depth of 5.7 ⁇ m or more and 14.5 ⁇ m or less.
  • a semiconductor substrate made of a gallium oxide semiconductor having marks on its surface, which suppresses the generation of cracks and debris due to markings, and which has excellent mark visibility.
  • FIG. 1A is a perspective view of a semiconductor substrate according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1B is a digital microscope observation image showing an example of marks formed on the surface of a semiconductor substrate.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a method for forming dots.
  • FIG. 3A is an image of an example of a dot observed using a digital microscope.
  • FIG. 3B is an image of an example of dots observed using a digital microscope.
  • FIG. 4A shows waveform data of the surface properties of the dots.
  • FIG. 4B shows waveform data of the surface properties of the dots.
  • FIG. 4C is waveform data of the surface properties of the dots.
  • FIG. 5A is a graph showing the relationship between laser scanning speed and maximum dot depth.
  • FIG. 5B is a graph showing the relationship between the laser scanning speed and the average line roughness (Ra) of the inner surface of the dot.
  • FIG. 6A is an image of an example of a dot observed using a digital microscope.
  • FIG. 6B is a graph showing the relationship between the laser scanning speed and the average line roughness (Ra) at five locations on the inner surface of the dot.
  • FIG. 7A is an optical photograph of marks formed at different laser scanning speeds.
  • FIG. 7B is an image observed with a digital microscope of marks formed at different laser scanning speeds.
  • FIG. 8A is an enlarged image observed with a digital microscope of the number "0" which is part of a mark formed at a laser scanning speed of 200 mm/s.
  • FIG. 8B is an enlarged image observed with a digital microscope of the number "0" which is part of the mark formed at a laser scanning speed of 30 mm/s.
  • FIG. 8C is an enlarged image observed with a digital microscope of the number "0" which is part of the mark formed at a laser scanning speed of 10 mm/s.
  • FIG. 9A is an image of the dots observed with a digital microscope.
  • FIG. 9B is an image of the dots observed using a digital microscope.
  • FIG. 9C is an image of the dots observed with a digital microscope.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the laser scanning speed and the above-mentioned dot non-formation rate and defective rate.
  • FIG. 11A is an image observed with a digital microscope showing an example of cracks occurring around dots.
  • FIG. 11A is an image observed with a digital microscope showing an example of cracks occurring around dots.
  • FIG. 11B is an image observed with a digital microscope showing an example of cracks occurring around dots.
  • FIG. 11C is an image observed with a digital microscope showing an example of cracks occurring around dots.
  • FIG. 12 is a graph in which the relationship between the average depth of dots and the average line roughness (Ra) of the inner surface is plotted, and information on the visibility of marks and the occurrence of cracks and debris is added.
  • FIG. 1A is a perspective view of a semiconductor substrate 1 according to an embodiment of the invention.
  • the semiconductor substrate 1 is a semiconductor substrate made of a single crystal of a gallium oxide based semiconductor and has a mark 11 on a surface 10.
  • the gallium oxide semiconductor refers to ⁇ -Ga 2 O 3 or ⁇ -Ga 2 O 3 containing substitutional impurities such as Al and In, and dopants such as Sn and Si.
  • FIG. 1B is a digital microscope observation image showing an example of the mark 11 formed on the surface 10.
  • the mark 11 is an identifier of the semiconductor substrate 1, an alignment mark, or the like, and is composed of numbers, letters, figures, and the like. Further, the mark 11 is composed of a plurality of dots 12, as shown in FIG. 1B. The dots 12 are point-like depressions formed on the surface 10.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a method of forming the dots 12.
  • the dots 12 are formed by irradiating the surface 10 of the semiconductor substrate 1 with pulsed laser light and scanning it in a direction according to the shape of the dots 12.
  • circular dots 12 are formed by scanning the pulsed laser beam in a double circular pattern.
  • a pulsed laser light irradiation mark (hereinafter referred to as a laser irradiation mark). ) 120 is formed. Since the pulsed laser beam is output at a predetermined frequency, laser irradiation marks 120 are formed on the surface 10 at intervals according to the scanning speed of the pulsed laser beam, and an aggregate of the laser irradiation marks 120 becomes a dot 12. That is, each of the plurality of dots 12 constituting the mark 11 is composed of a plurality of laser irradiation marks 120.
  • the mark 11 is visible when light is scattered on the inner surface of the dot 12. For this reason, it is important for visibility that the dots 12 have a certain depth. Further, it is preferable that the inner surface of the dots 12 has a certain degree of roughness.
  • Gallium oxide semiconductors represented by Ga 2 O 3 , have the following characteristics that make it difficult to form the mark 11. (1) Since the melting point is high and the thermal conductivity is low, it is difficult to form laser irradiation marks 120. (2) Since it has cleavability, cracks are likely to occur due to cleavage when the mark 11 is formed. In particular, when the semiconductor substrate 1 has a (001) plane as its main surface, two cleavage planes, the (100) plane and the (001) plane, are likely to become apparent, and cracks due to the cleavage are more likely to occur. (3) Since thermal conduction and thermal expansion have anisotropy, the heat generated when forming the mark 11 tends to cause distortion, which may cause cracks. (4) Since it is transparent, it is difficult to form marks 11 with good visibility.
  • the wavelength of the pulsed laser beam (hereinafter referred to as laser wavelength)
  • the output of the pulsed laser beam It is necessary to set appropriate values for the frequency of the pulsed laser beam (hereinafter referred to as the pulse frequency), and the scanning speed of the pulsed laser beam (hereinafter referred to as the laser scanning speed).
  • the reaction threshold value refers to the threshold value of the irradiation energy of the pulsed laser beam for forming the laser irradiation mark 120. If the pulse frequency is too high, the energy per pulse becomes small, making it difficult to form laser irradiation marks 120 without exceeding the reaction threshold.
  • the use of a UV-YAG laser (3rd harmonic) with a laser wavelength of 355 nm at a laser output of 0.8 W and a pulse frequency of 40 kHz is effective for the semiconductor substrate 1. It has been confirmed that it is suitable for forming the mark 11.
  • the dots 12 in all experiments described below were formed using a UV-YAG laser (3rd harmonic) with a laser wavelength of 355 nm under conditions of a laser output of 0.8 W and a pulse frequency of 40 kHz. It is also formed to have a diameter of about 100 ⁇ m by an aggregate of laser irradiation marks 120 with a diameter of about 25 ⁇ m. Furthermore, all experiments described below were conducted using, as the semiconductor substrate 1, a Ga 2 O 3 substrate having a (001) plane as a main surface, which is particularly prone to cracking.
  • the diameter of approximately 100 ⁇ m of the dots 12 corresponds to the SEMI standard.
  • the diameter of the dots 12 is not particularly limited, it is set to about 100 ⁇ m when complying with SEMI standards. In this case, if the overlap between the laser irradiation marks 120 forming the inner circle of the dot 12 and the laser irradiation marks 120 forming the outer circle is increased, the diameter of the dot 12 becomes smaller, but normally this overlap does not become too large. To ensure this, the diameter of the dots 12 is never less than 90 ⁇ m.
  • the irradiation time of pulsed laser light to one location will be shortened, making it difficult to form laser irradiation marks 120 without exceeding the reaction threshold.
  • the laser scanning speed is too low, the irradiation time of the pulsed laser light to one location becomes long, and the laser irradiation mark 120 becomes dark as if burned. This is considered to be because the heat generated when the irradiation energy does not exceed the reaction threshold and which is not used to form the laser irradiation mark 120 damages the surface 10 of the semiconductor substrate 1.
  • 3A and 3B are images of an example of the dots 12 observed with a digital microscope.
  • 4A, 4B, and 4C are waveform data of the surface properties of dots 12 formed at different laser scanning speeds, measured on a straight line passing near the center as shown in FIG. 3A.
  • the waveform data in FIGS. 4A, 4B, and 4C were obtained by measurements using a laser microscope, and the horizontal axis represents the position in the plane direction, and the vertical axis represents the flat surface 10 on which dots 12 are not formed.
  • the height is based on the height of the part.
  • the dots 12 in FIGS. 4A, 4B, and 4C were formed at laser scanning speeds of 200 mm/s, 30 mm/s, and 10 mm/s, respectively.
  • 4A, 4B, and 4C show that the maximum depth of the dots 12 and the inner surface roughness tend to increase as the laser scanning speed decreases.
  • the presence of protrusions called debris formed at the edges of the dots 12 is confirmed.
  • the debris is formed by evaporation of the semiconductor substrate 1 that is generated when the dots 12 are formed.
  • the surface 10 on which the mark 11 is formed is the surface opposite to the surface on which the element is formed (the back surface of the substrate), and the presence of debris causes cracks to occur when the surface 10 is vacuum-adsorbed in the measuring instrument. It can be.
  • FIG. 5A is a graph showing the relationship between the laser scanning speed and the maximum depth of the dots 12.
  • the maximum depth of the dot 12 in FIG. 5A is obtained from waveform data of the surface texture measured on a straight line passing near the center of the dot 12 as shown in FIG. 3A.
  • FIG. 5B is a graph showing the relationship between the laser scanning speed and the average line roughness (Ra) of the inner surface of the dots 12.
  • the average linear roughness (Ra) of the inner surface of the dot 12 in FIG. 5B is determined by measuring the waveform data of the surface texture on five parallel lines passing through different positions on the dot 12 as shown in FIG. 3B. , the average line roughness (Ra) obtained from those waveform data.
  • FIG. 6A is an image of an example of the dots 12 observed with a digital microscope.
  • FIG. 6B is a graph showing the relationship between the laser scanning speed and the average line roughness (Ra) at five locations on the inner surface of the dot 12.
  • the five average line roughnesses (Ra) in FIG. 6B are the surface textures measured on five mutually parallel lines (referred to as L1 to L5) passing through different positions on the dots 12 as shown in FIG. 6A. are obtained from the waveform data of , and are indicated as Ra1 to Ra5, respectively.
  • Ra1 to Ra5 are each the average value of the values obtained from two measurements. According to FIG. 6B, it can be seen that the closer the dots 12 are to the outer periphery, the smaller the roughness is.
  • Table 1 below shows the numerical values of the plot points in FIG. 6B and the maximum and minimum values of the average line roughness (Ra) for each laser scanning speed.
  • the maximum and minimum values of average line roughness (Ra) for each laser scanning speed were determined using data measured twice for each of Ra1 to Ra5.
  • FIG. 7A is an optical photograph of the mark 11 formed at different laser scanning speeds.
  • FIG. 7B is an image observed with a digital microscope of the mark 11 formed at different laser scanning speeds.
  • the mark 11 shown in FIGS. 7A and 7B is composed of numbers arranged from "0" to "9".
  • the numerical values on the left side of the images in FIGS. 7A and 7B both indicate the laser scanning speed (mm/s).
  • the visibility of the mark 11 is good when the laser scanning speed is 100 mm/s or less, and the visibility is not particularly good when the laser scanning speed is 150 to 200 mm/s.
  • the printed numbers can be read, so it can be said that a minimum level of visibility has been secured. This result shows that a laser scanning speed of less than 150 mm/s is required in order to form marks 11 with good visibility.
  • FIG. 8A, FIG. 8B, and FIG. 8C are images observed with a digital microscope, magnifying the number "0" that is part of the mark 11 formed at laser scanning speeds of 200 mm/s, 30 mm/s, and 10 mm/s, respectively. It is.
  • dots 12 on which no laser irradiation marks 120 are formed are assumed to have not been formed (dots 12 on which even a part of the laser irradiation marks 120 are formed are not formed).
  • the non-formation rate of the 23 dots 12 constituting the number "0" was determined.
  • the non-formation rates of the number "0" shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C were 39%, 0%, and 0%, respectively.
  • the non-formation rate of dots 12 was determined.
  • the non-formation rate of number "0" dots 12 included in marks 11 formed at a laser scanning speed of less than 150 mm/s to form marks 11 with good visibility is approximately less than 16%
  • the reason why the area around the dot 12 with the number "0" shown in FIG. 8C is black is because the laser scanning speed was too low, so the irradiation time of the pulsed laser light to one location was longer, and the irradiation energy was reacted. This is considered to be because the surface 10 of the semiconductor substrate 1 was damaged by heat that was not used to form the laser irradiation mark 120 when the threshold value was not reached.
  • a dot 12 that is not formed properly is regarded as defective, and the 186 dots 12 that make up the numbers "0" to "9" are The defective rate was calculated.
  • the dots 12 shown in FIG. 9A are normally formed because double circles are formed without interruption by a plurality of continuous laser irradiation marks 120.
  • Dot 12 shown in FIG. 9B is determined to be defective because the inner circle is interrupted.
  • the dot 12 shown in FIG. 9C is determined to be defective because the outer circle is interrupted and the inner circle is not formed at all.
  • dots 12 in which no laser irradiation marks 120 are formed are also determined to be defective.
  • the defective rate of dots 12 of marks 11 formed at laser scanning speeds of 200/s, 50mm/s, 40mm/s, 30mm/s, 20mm/s, and 10mm/s it was found that when the laser scanning speed was 100mm/s, It was found that when the laser scanning speed is less than 40 mm/s, the defective rate of dots 12 becomes particularly large, 84% or more, and when the laser scanning speed is less than 40 mm/s, the defective rate of dots 12 becomes particularly small, less than 8%.
  • the magnitude of the defective rate of the dots 12 is correlated with the occurrence of cracks around the dots 12. Specifically, at a laser scanning speed where cracks almost always occur around the dots 12, the defective rate of the dots 12 becomes particularly high, and at a laser scanning speed where almost no cracks occur, the defective rate of the dots 12 increases. especially small. The cracks generated around the dots 12 will be described later.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the laser scanning speed and the non-formation rate and defective rate of the above-mentioned dots 12.
  • FIG. 10 shows that the lower the laser scanning speed, the lower the non-formation rate and defective rate of dots 12 tend to be.
  • Table 2 below shows the numerical values of the plot points in FIG.
  • cracks that occur around the dots 12 can be roughly divided into cracks caused by cleavage of the (100) plane of the gallium oxide semiconductor, cracks caused by cleavage of the (001) plane, and cracks caused by cleavage of the (100) plane and cracks caused by the cleavage of the (001) plane. It was confirmed that there are three types of cleavage.
  • FIGS. 11A, 11B, and 11C are images observed using a digital microscope, showing examples of three types of cracks occurring around the dots 12 described above.
  • the crack shown in FIG. 11A is due to cleavage of the (100) plane, and occurred when the laser scanning speed was 200 mm/s.
  • the low thermal conductivity of gallium oxide semiconductors is thought to be one of the causes of cracks caused by cleavage of the (100) plane.
  • the cracks shown in FIG. 11B are fine cracks called microcracks caused by cleavage of the (001) plane, and were generated when the laser scanning speed was 200 mm/s. It is believed that the low thermal conductivity of gallium oxide semiconductors is one of the causes of cracks caused by cleavage of the (001) plane.
  • the crack shown in FIG. 11C is due to both the cleavage of the (100) plane and the cleavage of the (001) plane, and was generated when the laser scanning speed was 80 mm/s and the laser output was 1.3 W. be. Cracks due to both the (100) plane cleavage and the (001) plane cleavage tend to occur when the laser output is high.
  • Mark visibility in Table 3 is the visibility of the mark 11 determined from the optical photograph in FIG. 7A and the image observed by the digital microscope in FIG. 7B.
  • the "dot defective rate” is marked as “ ⁇ ” when it is less than 8%, “ ⁇ ” when it is 8% or more and less than 84%, and “x” when it is 84% or more.
  • the “dot non-formation rate” is “ ⁇ ” when it is less than 16%, and “ ⁇ ” when it is 16% or more and 44% or less.
  • “Debris generation” is marked “ ⁇ ” if no debris is generated, and “ ⁇ ” if debris is generated.
  • “Crack occurrence” is marked as “ ⁇ ” if no cracks occur, “ ⁇ ” if cracks may occur, and “x” if cracks always occur.
  • “Average Ra” and “Ra range” are the average value of R1 to R5 described above and the range from the minimum value to the maximum value.
  • “Average depth” and “depth range” are two measurements of the maximum depth of the dot 12 obtained from the waveform data of the surface texture measured on a straight line passing near the center of the dot 12 as shown in FIG. 3A. The average value and the range from the minimum value to the maximum value.
  • the average maximum depth of the dots 12 forming the mark 11 must be 5.9 ⁇ m or more.
  • the maximum depth of the dots 12 constituting the mark 11 is preferably within the range of 5.7 ⁇ m or more and 14.5 ⁇ m or less, and each of the dots 12 constituting the mark 11
  • the average value of the average line roughness (Ra) of the dots 12 is preferably in the range of 1.3 ⁇ m or more and 3.7 ⁇ m or less, and the average line roughness (Ra) of each dot 12 is 0.5 ⁇ m or more and 4. It is preferably within a range of 6 ⁇ m or less.
  • the average value of the maximum depth of the dots 12 constituting the mark 11 is within the range of 10.0 ⁇ m or more and 14.4 ⁇ m or less; It is preferable that the maximum depth range of the mark 12 is within the range of 9.5 ⁇ m or more and 14.5 ⁇ m or less, and the average value of the average line roughness (Ra) of each of the dots 12 constituting the mark 11 is 2.4 ⁇ m.
  • the average line roughness (Ra) of each of the dots 12 constituting the mark 11 is preferably within the range of 1.6 ⁇ m or more and 4.6 ⁇ m or less. .
  • the conditions for the average value and range of the average line roughness (Ra) of these dots 12 and the average value and range of the maximum depth of the dots 12 are as follows: This does not apply to dots 12 on which no is formed (non-formed dots 12).
  • FIG. 12 is a graph plotting the relationship between the average depth of the dots 12 and the average line roughness (Ra) of the inner surface, and adding information on the visibility of marks and the occurrence of cracks and debris.
  • the semiconductor substrate is made of a gallium oxide semiconductor whose main surface is a (001) plane that is prone to cracks due to cleavage, cracks and debris due to marking can be suppressed, and Marks with good visibility can be formed.

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Abstract

酸化ガリウム系半導体からなる半導体基板であって、複数のドット１２で構成されるマーク１１を表面１０に有し、複数のドット１２の各々が、複数のレーザー照射痕１２０で構成され、複数のドット１２の各々の最大深さが、５．７μｍ以上、１４．５μｍ以下の範囲内にある、半導体基板１を提供する。

Description

半導体基板
　本発明は、半導体基板に関する。
　従来、基板の識別、管理を容易にするため、基板の表面に識別子などのマークを形成する技術が知られている（特許文献１を参照）。特許文献１においては、ガラス基板の表面にレーザー光を照射して、複数のドットで構成される視認性の良いマークを形成している。
国際公開第２０１８／１５０７５９号
　しかしながら、基板に視認性の良いマークを形成するための条件は、透明度、融点、熱伝導性、劈開性などの基板の特性によって異なる。このため、特許文献１に記載の技術をガラス基板以外の基板に適用しても、視認性の良いマークを形成することができるとは限らない。
　本発明の目的は、表面にマークを有する酸化ガリウム系半導体からなる半導体基板であって、マーキングによるクラックやデブリの発生が抑えられ、かつマークの視認性に優れた半導体基板を提供することにある。
　本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］～［５］の半導体基板を提供する。
［１］酸化ガリウム系半導体からなる半導体基板であって、複数のドットで構成されるマークを表面に有し、前記複数のドットの各々が、複数のレーザー照射痕で構成され、前記複数のドットの各々の最大深さが、５．７μｍ以上、１４．５μｍ以下の範囲内にある、半導体基板。
［２］前記複数のドットの各々の最大深さが、９．５μｍ以上、１４．５μｍ以下の範囲内にある、上記［１］に記載の半導体基板。
［３］前記複数のドットの各々の平均線粗さ（Ｒａ）が、０．５μｍ以上、４．６μｍ以下の範囲内にある、上記［１］に記載の半導体基板。
［４］前記複数のドットの各々の内面の平均線粗さ（Ｒａ）が、１．６μｍ以上、４．６μｍ以下の範囲内にある、上記［３］に記載の半導体基板。
［５］（００１）面を主面とする、上記［１］～［４］のいずれか１項に記載の半導体基板。
　本発明によれば、表面にマークを有する酸化ガリウム系半導体からなる半導体基板であって、マーキングによるクラックやデブリの発生が抑えられ、かつマークの視認性に優れた半導体基板を提供することができる。
図１Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体基板の斜視図である。 図１Ｂは、半導体基板の表面に形成されたマークの一例を示すデジタルマイクロスコープの観察画像である。 図２は、ドットの形成方法を示す模式図である。 図３Ａは、ドットの一例のデジタルマイクロスコープによる観察画像である。 図３Ｂは、ドットの一例のデジタルマイクロスコープによる観察画像である。 図４Ａは、ドットの表面性状の波形データである。 図４Ｂは、ドットの表面性状の波形データである。 図４Ｃは、ドットの表面性状の波形データである。 図５Ａは、レーザー走査速度とドットの最大深さとの関係を示すグラフである。 図５Ｂは、レーザー走査速度とドットの内面の平均線粗さ（Ｒａ）との関係を示すグラフである。 図６Ａは、ドットの一例のデジタルマイクロスコープによる観察画像である。 図６Ｂは、レーザー走査速度とドットの内面の５箇所の平均線粗さ（Ｒａ）との関係を示すグラフである。 図７Ａは、異なるレーザー走査速度で形成されたマークの光学写真である。 図７Ｂは、異なるレーザー走査速度で形成されたマークのデジタルマイクロスコープによる観察画像である。 図８Ａは、２００ｍｍ／ｓのレーザー走査速度で形成されたマークの一部である数字“０”を拡大したデジタルマイクロスコープによる観察画像である。 図８Ｂは、３０ｍｍ／ｓのレーザー走査速度で形成されたマークの一部である数字“０”を拡大したデジタルマイクロスコープによる観察画像である。 図８Ｃは、１０ｍｍ／ｓのレーザー走査速度で形成されたマークの一部である数字“０”を拡大したデジタルマイクロスコープによる観察画像である。 図９Ａは、ドットのデジタルマイクロスコープによる観察画像である。 図９Ｂは、ドットのデジタルマイクロスコープによる観察画像である。 図９Ｃは、ドットのデジタルマイクロスコープによる観察画像である。 図１０は、レーザー走査速度と上述のドットの非形成率及び不良率との関係を示すグラフである。 図１１Ａは、ドットの周りに生じるクラックの例を示す、デジタルマイクロスコープによる観察画像である。 図１１Ｂは、ドットの周りに生じるクラックの例を示す、デジタルマイクロスコープによる観察画像である。 図１１Ｃは、ドットの周りに生じるクラックの例を示す、デジタルマイクロスコープによる観察画像である。 図１２は、ドットの平均深さと内面の平均線粗さ（Ｒａ）の関係をプロットし、マークの視認性、及びクラックとデブリの発生状況の情報を加えたグラフである。
（半導体基板の構造）
　図１Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体基板１の斜視図である。半導体基板１は、マーク１１を表面１０に有する、酸化ガリウム系半導体の単結晶からなる半導体基板である。ここで、酸化ガリウム系半導体とは、β－Ｇａ２Ｏ３、又は、Ａｌ、Ｉｎなどの置換型不純物やＳｎ、Ｓｉなどのドーパントを含むβ－Ｇａ２Ｏ３を指すものとする。
　図１Ｂは、表面１０に形成されたマーク１１の一例を示すデジタルマイクロスコープの観察画像である。マーク１１は、半導体基板１の識別子やアライメントマークなどであり、数字、文字、図形などにより構成される。また、マーク１１は、図１Ｂに示されるように、複数のドット１２で構成される。ドット１２は表面１０に形成された点状の窪みである。
　図２は、ドット１２の形成方法を示す模式図である。ドット１２は、半導体基板１の表面１０にパルスレーザー光を照射し、ドット１２の形状に応じた方向に走査することにより形成される。図２に示される例では、パルスレーザー光を二重の円形に走査することにより、円形のドット１２が形成される。
　パルスレーザー光を半導体基板１の表面１０に照射すると、格子振動が生じて温度が上昇し、熱によって格子結合が破壊されて、窪みであるパルスレーザー光の照射痕（以下、レーザー照射痕と呼ぶ）１２０が形成される。パルスレーザー光は所定の周波数で出力されるため、パルスレーザー光の走査速度に応じた間隔で表面１０にレーザー照射痕１２０が形成され、レーザー照射痕１２０の集合体がドット１２となる。すなわち、マーク１１を構成する複数のドット１２の各々が、複数のレーザー照射痕１２０で構成される。
　マーク１１は、ドット１２の内面で光が散乱することにより視認される。このため、視認性にはドット１２がある程度の深さを有していることが重要である。また、ドット１２の内面がある程度の粗さを有していることが好ましい。
（マークの形成条件）
　Ｇａ２Ｏ３に代表される酸化ガリウム系半導体は、次のようなマーク１１の形成を困難にする特徴を有している。（１）融点が高く、かつ熱伝導率が低いために、レーザー照射痕１２０の形成が難しい。（２）劈開性を有するため、マーク１１の形成時に劈開によるクラックを生じやすい。特に、半導体基板１が（００１）面を主面とする場合には、（１００）面、（００１）面という２つの劈開面が顕在化しやすく、劈開によるクラックがより生じやすい。（３）熱伝導や熱膨張が異方性を有するため、マーク１１の形成時に生じる熱により歪みが生じやすく、クラックを引き起こすおそれがある。（４）透明であるため、視認性のよいマーク１１を形成することが難しい。
　酸化ガリウム系半導体からなる半導体基板１に、クラックを生じさせることなく視認性のよいマーク１１を形成するためには、パルスレーザー光の波長（以下、レーザー波長と呼ぶ）、パルスレーザー光の出力（以下、レーザー出力と呼ぶ）、パルスレーザー光の周波数（以下、パルス周波数と呼ぶ）、パルスレーザー光の走査速度（以下、レーザー走査速度と呼ぶ）をそれぞれ適切な値に設定する必要がある。
　レーザー波長は、短いほど吸収率が増加するため、透明度の高い半導体基板１にもマーク１１を形成しやすくなる。レーザー出力は、大きすぎるとクラックが発生しやすい。一方で、小さすぎるとパルスレーザー光の照射エネルギーが反応閾値を超えずにレーザー照射痕１２０が形成され難くなる。ここで、反応閾値とは、レーザー照射痕１２０を形成するためのパルスレーザー光の照射エネルギーの閾値をいうものとする。パルス周波数は、高すぎると１パルスあたりのエネルギーが小さくなるため、反応閾値を超えずにレーザー照射痕１２０が形成され難くなる。
　レーザー波長、レーザー出力、及びパルス周波数に関しては、一例として、レーザー波長が３５５ｎｍであるＵＶ－ＹＡＧレーザー（３倍波）のレーザー出力０．８Ｗ、パルス周波数４０ｋＨｚでの使用が、半導体基板１へのマーク１１の形成に適していることが確認されている。
　後述される全ての実験に係るドット１２は、特に記載のない限り、レーザー波長が３５５ｎｍであるＵＶ－ＹＡＧレーザー（３倍波）を用いて、レーザー出力０．８Ｗ、パルス周波数４０ｋＨｚの条件で形成されたものであり、また、直径約２５μｍのレーザー照射痕１２０の集合体により、約１００μｍの直径に形成されたものである。また、後述される全ての実験は、クラックが特に生じやすい、（００１）面を主面とするＧａ２Ｏ３基板を半導体基板１として用いて実施したものである。
　なお、ドット１２の約１００μｍの直径は、ＳＥＭＩ規格に対応させたものである。ドット１２の直径は特に限定されないが、ＳＥＭＩ規格に対応させる場合は約１００μｍに設定される。この場合、ドット１２の内側の円を構成するレーザー照射痕１２０と外側の円を構成するレーザー照射痕１２０の重なりを大きくするとドット１２の直径が小さくなるが、通常はこの重なりが大きくなりすぎないようにするため、ドット１２の直径は９０μｍ未満になることはない。
　レーザー走査速度は、大きすぎると１箇所へのパルスレーザー光の照射時間が短くなるため、反応閾値を超えずにレーザー照射痕１２０が形成され難くなる。一方で、レーザー走査速度が小さすぎると１箇所へのパルスレーザー光の照射時間が長くなってレーザー照射痕１２０が焼けたように黒ずんでしまう。これは、照射エネルギーが反応閾値を超えないときに発生した、レーザー照射痕１２０の形成に用いられない熱が半導体基板１の表面１０にダメージを与えるためと考えられる。
　図３Ａ、図３Ｂは、ドット１２の一例のデジタルマイクロスコープによる観察画像である。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、異なるレーザー走査速度で形成されたドット１２の、図３Ａに示されるような中心近くを通る直線上で測定した表面性状の波形データである。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃの波形データは、レーザー顕微鏡を用いた測定により得られたものであり、横軸は平面方向の位置、縦軸は表面１０のドット１２の形成されていない平坦な部分の高さを基準とした高さである。
　図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃに係るドット１２は、それぞれレーザー走査速度が２００ｍｍ／ｓ、３０ｍｍ／ｓ、１０ｍｍ／ｓの条件で形成されたものである。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、レーザー走査速度が小さくなるほどドット１２の最大深さと内面の粗さが大きくなる傾向があることを示している。
　また、図４Ｃの波形においては、ドット１２の縁に形成されるデブリと呼ばれる突起の存在が確認される。デブリは、ドット１２の形成時に生じる半導体基板１の蒸発物により形成されるものである。通常、マーク１１が形成される表面１０は、素子が形成される面の反対側の面（基板裏面）であり、デブリが存在すると、測定機器において表面１０を真空吸着する際にクラックの発生原因となり得る。
　図５Ａは、レーザー走査速度とドット１２の最大深さとの関係を示すグラフである。図５Ａのドット１２の最大深さは、図３Ａに示されるようなドット１２の中心近くを通る直線上で測定した表面性状の波形データから得られるものである。
　図５Ｂは、レーザー走査速度とドット１２の内面の平均線粗さ（Ｒａ）との関係を示すグラフである。図５Ｂのドット１２の内面の平均線粗さ（Ｒａ）は、図３Ｂに示されるようなドット１２上の異なる位置を通る互いに平行な５本の直線上でそれぞれ表面性状の波形データを測定し、それらの波形データから得られる平均線粗さ（Ｒａ）の平均をとったものである。
　図５Ａ、図５Ｂによれば、レーザー走査速度が小さくなるほど、ドット１２の最大深さと内面の平均線粗さ（Ｒａ）が大きくなることがわかる。
　図６Ａは、ドット１２の一例のデジタルマイクロスコープによる観察画像である。図６Ｂは、レーザー走査速度とドット１２の内面の５箇所の平均線粗さ（Ｒａ）との関係を示すグラフである。図６Ｂの５つの平均線粗さ（Ｒａ）は、図６Ａに示されるようなドット１２上の異なる位置を通る互いに平行な５本の直線（Ｌ１～Ｌ５とする）でそれぞれ測定された表面性状の波形データから得られたものであり、それぞれＲａ１～Ｒａ５と示される。Ｒａ１～Ｒａ５は、それぞれ、２回の測定により得られた値の平均値である。図６Ｂによれば、ドット１２の外周部に近いほど粗さが小さくなることがわかる。
　次の表１に、図６Ｂのプロット点の数値、並びにレーザー走査速度ごとの平均線粗さ（Ｒａ）の最大値及び最小値を示す。レーザー走査速度ごとの平均線粗さ（Ｒａ）の最大値及び最小値は、Ｒａ１～Ｒａ５のそれぞれの２回の測定データを用いて求めた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図７Ａは、異なるレーザー走査速度で形成されたマーク１１の光学写真である。図７Ｂは、異なるレーザー走査速度で形成されたマーク１１のデジタルマイクロスコープによる観察画像である。図７Ａ、図７Ｂに示されるマーク１１は、“０”から“９”まで並べられた数字で構成されている。図７Ａ、図７Ｂの画像左側の数値は、いずれもレーザー走査速度（ｍｍ／ｓ）を示している。
　図７Ａ、図７Ｂによれば、レーザー走査速度が１００ｍｍ／ｓ以下であるときにはマーク１１の視認性がよく、レーザー走査速度が１５０～２００ｍｍ／ｓであるときには、視認性が特によいとはいえないものの、印字された数字を読むことができるため、最低限の視認性は確保できているといえる。この結果は、視認性のよいマーク１１を形成するためには、１５０ｍｍ／ｓ未満のレーザー走査速度が求められることを示している。
　図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃは、それぞれ２００ｍｍ／ｓ、３０ｍｍ／ｓ、１０ｍｍ／ｓのレーザー走査速度で形成されたマーク１１の一部である数字“０”を拡大したデジタルマイクロスコープによる観察画像である。
　マーク１１の視認性を数値化するために、レーザー照射痕１２０が全く形成されていないドット１２は形成されていないものとして（レーザー照射痕１２０が一部でも形成されているドット１２は形成されているものとした）、数字“０”を構成する２３個のドット１２の非形成率を求めた。その結果、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃに示される数字“０”の非形成率は、それぞれ３９％、０％、０％であった。また、１５０ｍｍ／ｓ、１００ｍｍ／ｓ、９０ｍｍ／ｓ、８０ｍｍ／ｓ、５０ｍｍ／ｓ、４０ｍｍ／ｓ、２０ｍｍ／ｓのレーザー走査速度で形成されたマーク１１に含まれる数字“０”についても同様にドット１２の非形成率を求めた。
　その結果、視認性のよいマーク１１を形成するための１５０ｍｍ／ｓ未満のレーザー走査速度で形成されたマーク１１に含まれる数字“０”のドット１２の非形成率はおよそ１６％未満であり、最低限の視認性を確保できる１５０～２００ｍｍ／ｓのレーザー走査速度で形成されたマーク１１に含まれる数字“０”のドット１２の非形成率はおよそ１６％以上、４４％以下であった。
　このことから、ドット１２の非形成率が１６％未満であるときはマーク１１の視認性がよく、ドット１２の非形成率が１６％以上、４４％以下であるときはマーク１１の視認が可能、ドット１２の非形成率が４４％を超えるときはマーク１１の視認性が悪い、とのドット１２の非形成率に基づいたマーク１１の視認性の判定基準が導かれた。
　なお、図８Ｃに示される数字“０”のドット１２の周辺が黒くなっているのは、レーザー走査速度が小さすぎたために１箇所へのパルスレーザー光の照射時間が長くなり、照射エネルギーが反応閾値に達しないときのレーザー照射痕１２０の形成に用いられない熱により半導体基板１の表面１０にダメージが生じたためと考えられる。
　また、マーク１１の視認性を数値化するための他の方法として、ドット１２が正常に形成されていないドット１２を不良として、数字“０”～“９”を構成する１８６個のドット１２の不良率を求めた。
　図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃは、状態の異なるドット１２のデジタルマイクロスコープによる観察画像である。図９Ａに示されるドット１２は、連なった複数のレーザー照射痕１２０により二重の円がいずれも途切れなく形成されているため、正常に形成されている。図９Ｂに示されるドット１２は、内側の円が途切れているため、不良と判定する。図９Ｃに示されるドット１２は、外側の円が途切れており、また内側の円が全く形成されていないため、不良と判定する。また、レーザー照射痕１２０が全く形成されていないドット１２も不良と判定する。
　２００／ｓ、５０ｍｍ／ｓ、４０ｍｍ／ｓ、３０ｍｍ／ｓ、２０ｍｍ／ｓ、１０ｍｍ／ｓのレーザー走査速度で形成されたマーク１１のドット１２の不良率を求めた結果、レーザー走査速度が１００ｍｍ／ｓ以上であるときにドット１２の不良率が８４％以上と特に大きくなり、レーザー走査速度が４０ｍｍ／ｓ未満であるときにドット１２の不良率が８％未満と特に小さくなることがわかった。
　なお、このドット１２の不良率の大きさは、ドット１２の周りのクラックの発生状況と相関があることが確認されている。具体的には、ドット１２の周りにほぼ必ずクラックが生じるようなレーザー走査速度では、ドット１２の不良率が特に大きくなり、クラックがほとんど生じないようなレーザー走査速度では、ドット１２の不良率が特に小さくなる。ドット１２の周りに発生するクラックについては後述する。
　図１０は、レーザー走査速度と上述のドット１２の非形成率及び不良率との関係を示すグラフである。図１０は、レーザー走査速度が低いほど、ドット１２の非形成率及び不良率が小さくなる傾向があることを示している。次の表２に、図１０のプロット点の数値を示す。
　次に、ドット１２の周りに生じるクラックの発生条件についての調査結果を述べる。まず、ドット１２の周りに生じるクラックには、大きく分けて、酸化ガリウム系半導体の（１００）面の劈開によるもの、（００１）面の劈開によるもの、（１００）面の劈開と（００１）面の劈開の両方によるものの３種類があることが確認された。
　図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃは、上記のドット１２の周りに生じる３種のクラックの例を示す、デジタルマイクロスコープによる観察画像である。
　図１１Ａに示されるクラックは、（１００）面の劈開によるものであり、レーザー走査速度が２００ｍｍ／ｓであるときに生じたものである。酸化ガリウム系半導体の熱伝導率の低さが（１００）面の劈開によるクラックの発生原因の１つになっていると考えられる。
　図１１Ｂに示されるクラックは、（００１）面の劈開により生じる、マイクロクラックと呼ばれる微細なクラックであり、レーザー走査速度が２００ｍｍ／ｓであるときに生じたものである。酸化ガリウム系半導体の熱伝導率の低さが（００１）面の劈開によるクラックの発生原因の１つになっていると考えられる。
　図１１Ｃに示されるクラックは、（１００）面の劈開と（００１）面の劈開の両方によるものであり、レーザー走査速度が８０ｍｍ／ｓ、レーザー出力が１．３Ｗであるときに生じたものである。この（１００）面の劈開と（００１）面の劈開の両方によるクラックは、レーザー出力が高い場合に生じる傾向がある。
　レーザー出力を０．８Ｗとした場合は、レーザー走査速度が大きいときに（１００）面の劈開によるクラックと（００１）面の劈開によるクラックが生じやすくなり、レーザー走査速度が１０～３０ｍｍ／ｓであるときにはほとんど生じず、４０～５０ｍｍ／ｓであるときには生じる場合があり、８０～ｍｍ／ｓのときにはほぼ必ず生じる。
　なお、クラックはドット１２の不良に比べて見つけ難いが、不良と判定されるドット１２の周辺に発生する頻度が高い。このため、品質検査の際にはドット１２の不良の検査を実施すれば、クラックの検査を兼ねるため、検査効率がよくなる。
　下記の表３は、上記の実験結果をまとめたものである。表３の“マーク視認性”は、図７Ａの光学写真及び図７Ｂのデジタルマイクロスコープによる観察画像から判定されたマーク１１の視認性である。“ドット不良率”は、８％未満のものを“○”、８％以上、８４％未満のものを“△”、８４％以上のものを“×”としている。“ドット非形成率”は、１６％未満のものを“○”、１６％以上、４４％以下のものを“△”としている。“デブリ発生”は、デブリが発生しないものを“○”、発生するものを“×”としている。“クラック発生”は、クラックが発生しないものを“○”、発生する場合があるものを“△”、必ず発生するものを“×”としている。“平均Ｒａ”と“Ｒａ範囲”は、上記のＲ１～Ｒ５の平均値と、最小値から最大値までの範囲である。“平均深さ”と“深さ範囲”は、図３Ａに示されるようなドット１２の中心近くを通る直線上で測定した表面性状の波形データから得られるドット１２の最大深さの２つの測定値の平均値と最小値から最大値までの範囲である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３からわかるように、デブリとクラックの発生を抑制し、マーク１１の視認性をよくするためには、マーク１１を構成するドット１２の最大深さの平均値は５．９μｍ以上、１４．４μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、マーク１１を構成するドット１２の最大深さは５．７μｍ以上、１４．５μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、マーク１１を構成するドット１２の各々の平均線粗さ（Ｒａ）の平均値は１．３μｍ以上、３．７μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、ドット１２の各々の平均線粗さ（Ｒａ）は０．５μｍ以上、４．６μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。さらに、クラックの発生をより効果的に抑制するためには、マーク１１を構成するドット１２の最大深さの平均値は１０．０μｍ以上、１４．４μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、ドット１２の最大深さの範囲は９．５μｍ以上、１４．５μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、マーク１１を構成するドット１２の各々の平均線粗さ（Ｒａ）の平均値は２．４μｍ以上、３．７μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、マーク１１を構成するドット１２の各々の平均線粗さ（Ｒａ）は１．６μｍ以上、４．６μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。なお、これらのドット１２の平均線粗さ（Ｒａ）の平均値と範囲、及びドット１２の最大深さの平均値と範囲の条件は、マーク１１を構成するドット１２のうち、レーザー照射痕１２０が全く形成されていないドット１２（非形成のドット１２）には適用しないものとする。
　図１２は、ドット１２の平均深さと内面の平均線粗さ（Ｒａ）の関係をプロットし、マークの視認性、及びクラックとデブリの発生状況の情報を加えたグラフである。
（実施の形態の効果）
　上記の実施の形態によれば、表面にマークを有する酸化ガリウム系半導体からなる半導体基板において、適切な条件でマークを形成することにより、マーキングによるクラックやデブリの発生が抑えられ、かつマークの視認性に優れた半導体基板を提供することができる。
　また、上記の実施の形態によれば、劈開によるクラックが生じやすい（００１）面を主面とする酸化ガリウム系半導体からなる半導体基板であっても、マーキングによるクラックやデブリの発生を抑え、かつ視認性のよいマークを形成することができる。
　以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
　表面にマークを有する酸化ガリウム系半導体からなる半導体基板であって、マーキングによるクラックやデブリの発生が抑えられ、かつマークの視認性に優れた半導体基板を提供する。
１…半導体基板、　１０…表面、　１１…マーク、　１２…ドット、　１２０…レーザー照射痕

Claims (5)

  1. 　酸化ガリウム系半導体からなる半導体基板であって、
    　複数のドットで構成されるマークを表面に有し、
    　前記複数のドットの各々が、複数のレーザー照射痕で構成され、
    　前記複数のドットの各々の最大深さが、５．７μｍ以上、１４．５μｍ以下の範囲内にある、
    　半導体基板。
  2. 　前記複数のドットの各々の最大深さが、９．５μｍ以上、１４．５μｍ以下の範囲内にある、
    　請求項１に記載の半導体基板。
  3. 　前記複数のドットの各々の平均線粗さ（Ｒａ）が、０．５μｍ以上、４．６μｍ以下の範囲内にある、
    　請求項１に記載の半導体基板。
  4. 　前記複数のドットの各々の内面の平均線粗さ（Ｒａ）が、１．６μｍ以上、４．６μｍ以下の範囲内にある、
    　請求項３に記載の半導体基板。
  5. 　（００１）面を主面とする、
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体基板。
     
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