WO2022092166A1 - 熱処理環境の評価方法及び炭化ケイ素基板 - Google Patents

熱処理環境の評価方法及び炭化ケイ素基板 Download PDF

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忠昭 金子
大地 堂島
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豊田通商株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method for evaluating a heat treatment environment and a silicon carbide substrate.
  • Silicon carbide (SiC) semiconductor devices are capable of higher withstand voltage, higher efficiency, and higher temperature operation than silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs) semiconductor devices. Therefore, development is underway for industrialization.
  • Patent Documents 1 and 2 In order to improve the yield and quality of SiC semiconductor devices, a method for controlling the step-terrace structure of a SiC substrate has been proposed (see Patent Documents 1 and 2).
  • Patent Document 1 describes a technique for manufacturing a SiC epitaxial wafer that controls the surface shape of a SiC substrate by using a concentration ratio C / Si of SiH 4 gas and C3 H 8 gas simultaneously supplied to the SiC substrate. Has been done.
  • Patent Document 2 describes a SiC substrate that controls the surface shape of the SiC substrate after the etching process by controlling the etching mode determined based on at least the etching rate and the etching depth to etch the SiC substrate. The technique of the surface treatment method of is described.
  • the step-terrace structure of the heat-treated SiC substrate is determined by the heat treatment environment (hereinafter referred to as heat treatment environment) experienced by this SiC substrate. Therefore, whether or not the desired step-terrace structure can be reproduced repeatedly depends on whether or not the desired heat treatment environment can be reproduced.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a new technique for evaluating the heat treatment environment.
  • the present invention which solves the above-mentioned problems, comprises an image acquisition step of incident an electron beam at an incident angle inclined with respect to the normal of the ⁇ 0001 ⁇ plane of the heat-treated silicon carbide substrate to acquire an image. It is an evaluation method of a heat treatment environment including the environment evaluation step which evaluates the heat treatment environment of the silicon carbide substrate based on the contrast information of the image.
  • the heat treatment environment experienced by the silicon carbide substrate can be appropriately evaluated.
  • "-" means a bar attached to the index immediately after that.
  • the environmental evaluation step is a step of evaluating the contrast information appearing on the terrace of the silicon carbide substrate.
  • the environmental evaluation step is a step of evaluating contrast information appearing along the ⁇ 1-100> direction.
  • the contrast information has a plurality of brightness information reflecting the stacking direction of atoms
  • the environmental evaluation step includes a brightness comparison step of comparing the plurality of brightness information
  • the contrast information includes a first brightness information that reflects the stacking direction of atoms and a second brightness information that can be compared with the first brightness information, and the environment.
  • the evaluation step includes a brightness comparison step of comparing the first brightness information and the second brightness information.
  • the image acquisition step is a step of incident an electron beam inclined in the ⁇ 1-100> direction onto the silicon carbide substrate.
  • the environmental evaluation step is a step of evaluating whether the heat treatment environment is a SiC-SiC equilibrium vapor pressure environment or a C-SiC equilibrium vapor pressure environment.
  • the environmental evaluation step is a step of evaluating whether the heat treatment environment is a Si-rich environment or a C-rich environment.
  • the silicon carbide substrate has a hexagonal crystal structure.
  • a preferred embodiment of the present invention includes a heat treatment step of forming a step-terrace structure by heat treating a silicon carbide substrate in a heat treatment environment.
  • the silicon carbide substrate comprises a step forming portion that is a source of steps during heat treatment, and an environmental evaluation region in which a step-terrace structure resulting from the step forming portion is formed.
  • the environmental evaluation step is a step of evaluating the environmental evaluation area.
  • the step forming portion is a through dislocation.
  • the step forming portion is a machined hole.
  • the environmental evaluation area is a processed recess.
  • the present invention also relates to a silicon carbide substrate. That is, the present invention that solves the above-mentioned problems includes a step forming portion that is a source of steps during heat treatment, and an environmental evaluation region in which a step-terrace structure is formed due to the step forming portion. It is a board.
  • the step forming portion is a through dislocation.
  • the step forming portion is a machined hole.
  • the environmental evaluation area is a processed recess.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a process of an evaluation method of a heat treatment environment according to an embodiment of the present invention.
  • the method for evaluating the heat treatment environment according to the embodiment is a heat treatment step S10 for forming a step-terrace structure by heat-treating the hexagonal SiC substrate 10 in the heat treatment environment HE, and ⁇ 0001 of the heat-treated SiC substrate 10.
  • the image acquisition step S20 in which the electron beam PE is incident at an incident angle ⁇ inclined with respect to the normal line N of the surface to acquire the image I, and the heat treatment environment HE of the SiC substrate 10 based on the contrast information C of the image I.
  • the environmental evaluation step S30 for evaluating the above is included.
  • the method for evaluating the heat treatment environment according to the present invention is based on the contrast information C of the image I acquired by using the electron beam PE incident from the direction inclined with respect to the normal line N of the SiC substrate 10, in the heat treatment step S10. It is characterized in that it evaluates the heat treatment environment HE.
  • an image I including a plurality of brightness information (contrast information C) reflecting the stacking direction of atoms on the surface of the SiC substrate 10 is acquired by an electron beam PE, and the plurality of brightness information appearing in the image I are compared.
  • the heat treatment environment HE experienced by the SiC substrate 10 can be specified.
  • the heat treatment environment HE experienced by the SiC substrate 10 is a SiC-SiC equilibrium vapor pressure environment or a C-SiC equilibrium vapor pressure environment. Further, it can be evaluated that the heat treatment environment HE experienced by the SiC substrate 10 is a Si-rich environment or a C-rich environment.
  • SiC-Si vapor pressure environment in the present specification refers to the vapor pressure environment when SiC (solid phase) and Si (liquid phase) are in a phase equilibrium state via a gas phase.
  • This SiC-Si equilibrium vapor pressure environment is formed, for example, by heat-treating a semi-closed space having an atomic number ratio Si / C of more than 1.
  • a SiC substrate satisfying a stoichiometric ratio 1: 1 and a Si steam supply source are arranged in a SiC container satisfying a stoichiometric ratio 1: 1. If so, the atomic number ratio Si / C in the container exceeds 1.
  • a SiC-Si vapor pressure environment can be formed in the container.
  • SiC-C equilibrium vapor pressure environment in the present specification refers to the vapor pressure environment when SiC (solid phase) and C (solid phase) enter a phase equilibrium state via a gas phase.
  • This SiC-C equilibrium vapor pressure environment is formed, for example, by heat-treating a semi-closed space having an atomic number ratio Si / C of 1 or less.
  • a SiC substrate satisfying the stoichiometric ratio 1: 1 is placed in a SiC container satisfying the stoichiometric ratio 1: 1, the atomic number ratio Si / C in the container is 1. Will be.
  • a C steam supply source C pellet or the like
  • C pellet or the like may be arranged to set the atomic number ratio Si / C to 1 or less.
  • the SiC-Si equilibrium vapor pressure environment and the SiC-C equilibrium vapor pressure environment in the present specification include a near-thermal equilibrium vapor pressure environment that satisfies the relationship between the growth rate and the growth temperature derived from the theoretical thermal equilibrium environment.
  • the "quasi-closed space" in the present specification means a space in which the inside of the container can be evacuated, but at least a part of the steam generated in the container can be confined. This semi-enclosed space can be formed within the container.
  • the method for evaluating the heat treatment environment according to the present invention may include at least an image acquisition step S20 and an environment evaluation step S30.
  • the steps of the preferred embodiment of the present invention will be described in detail.
  • the heat treatment step S10 is a step of heat-treating the SiC substrate 10 in the heat treatment environment HE which is the evaluation target of the present invention. Specifically, it is a step of forming a step-terrace structure reflecting the heat treatment environment HE by heat-treating the hexagonal SiC substrate 10 in the heat treatment environment HE.
  • Examples of the method of the heat treatment step S10 include a crystal growth method for forming a growth layer on the SiC substrate 10 and an etching method for etching the SiC substrate 10.
  • crystal growth method examples include a chemical vapor deposition method (CVD), a physical vapor transport method (PVT), a semi-stable solvent epitaxy method (Metastable Solvent Epitax), and a quasi-stable solvent epitaxy method described later.
  • CVD chemical vapor deposition method
  • PVT physical vapor transport method
  • CPVT confined physical vapor transport crystal growth method
  • etching method examples include a hydrogen etching method using hydrogen gas as an etching gas, a Si vapor pressure etching (Si-Vapor Etching: SiVE) method for heating in a Si atmosphere, and a CPVT etching method (see FIG. 3) described later. Can be adopted.
  • the heat treatment step S10 is a step of accommodating the SiC substrate 10 and the SiC material 20 inside the heat treatment vessel 30 and heating the inside of the heat treatment vessel 30 so that a temperature gradient is formed. Further, it is desirable that the heat treatment container 30 is housed in the high melting point container 40.
  • This embodiment may include a form in which the SiC substrate 10 is crystal-grown and a form in which the SiC substrate 10 is etched, depending on the positional relationship between the SiC substrate 10 and the SiC material 20 and the direction of the temperature gradient.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a form in which the SiC substrate 10 is crystal-grown by using the CPVT crystal growth method.
  • the SiC substrate 10 and the SiC material 20 are arranged so as to face each other, and the SiC substrate 10 is heated with a temperature gradient so as to be on the low temperature side and the SiC material 20 on the high temperature side.
  • the Si element and the C element are transported from the SiC material 20 to the SiC substrate 10 to grow a growth layer on the SiC substrate 10.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a form in which the SiC substrate 10 is etched by using the CPVT etching method.
  • the SiC substrate 10 and the SiC material 20 are arranged so as to face each other, and the SiC substrate 10 is heated with a temperature gradient so as to be on the low temperature side and the SiC substrate 10 on the high temperature side. With this temperature gradient, the Si element and the C element are transported from the SiC substrate 10 to the SiC material 20 to etch the SiC substrate 10.
  • the positions of the SiC substrate 10 and the SiC material 20 are interchanged. Further, the transport directions of the Si element and the C element may be reversed by reversing the direction of the temperature gradient without exchanging the positions of the SiC substrate 10 and the SiC material 20.
  • FIGS. 2 (a) and 3 (a) show a form in which the SiC substrate 10 and the SiC material 20 are placed in a semi-closed space where the atomic number ratio Si / C exceeds 1, and heat-treated.
  • the SiC substrate 10 by heat-treating the SiC substrate 10 in a semi-closed space having an atomic number ratio of Si / C of more than 1, the surface of the SiC substrate 10 is subjected to a step corresponding to the SiC-SiC equilibrium vapor pressure environment (heat treatment environment HE).
  • a terrace structure is formed.
  • 2 (b) and 3 (b) show a form in which the SiC substrate 10 and the SiC material 20 are placed in a semi-closed space where the atomic number ratio Si / C is 1 or less and heat-treated.
  • the surface of the SiC substrate 10 is subjected to a step corresponding to the C-SiC equilibrium vapor pressure environment (heat treatment environment HE). -A terrace structure is formed.
  • the SiC substrate 10 the SiC material 20, the heat treatment container 30, and the melting point container 40 in the heat treatment step S10 according to the preferred embodiment will be described in detail.
  • the SiC substrate 10 can be exemplified by processing a single crystal SiC into a thin plate. Specifically, a SiC wafer or the like sliced into a disk shape from a SiC ingot manufactured by a sublimation method or the like can be exemplified. As for single crystal SiC, more than 200 types of polytypes have been confirmed, and 4H-SiC and 6H-SiC are known as hexagonal polytypes having a high probability of occurrence and important for application.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of the crystal structure of 4H-SiC.
  • FIG. 4A is a crystal structure of 4H-SiC seen from the ⁇ 11-20> direction.
  • FIG. 4B is a crystal structure of 4H-SiC seen from the [0001] direction.
  • the notation of "A, B, C” in the figure means the occupied positions of three types of atoms (corresponding to Si—C pairs) in the hexagonal close-packed structure.
  • FIG. 4A showing the crystal structure of 4H-SiC, the stacking of atoms at positions A and C corresponds to the zinc-blend structure, and the stacking of atoms at position B corresponds to wurtzite. ) Corresponds to the structure.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a step-terrace structure formed on the surface of the SiC substrate 10.
  • This step-terrace structure is a staircase structure in which step 101, which is a stepped portion having one or more molecular layers, and terrace 102, which is a flat portion where the ⁇ 0001 ⁇ surface is exposed, are alternately arranged.
  • step 101 one molecular layer (0.25 nm) is the minimum height (minimum unit), and various step heights are formed by overlapping a plurality of the single molecular layers.
  • FIG. 5 shows step 101 composed of a 2 molecular layer (0.5 nm: half unit cell) of 4H-SiC.
  • the SiC material 20 is composed of SiC that can receive or transfer Si element and C element to and from the SiC substrate 10 by heating the SiC material 20 relative to the SiC substrate 10.
  • the SiC substrate 10 and the SiC material 20 of the SiC substrate are opposed to each other via the holder 34.
  • a container made of SiC (heat treatment container 30) or a container in which a part of the container is made of SiC may be adopted as the SiC material 20.
  • any polymorphic type can be adopted, and polycrystal SiC may be adopted.
  • the heat treatment vessel 30 can adopt such a configuration as long as it has a configuration in which the vapor pressure of the vapor phase species containing Si element and the vapor phase species containing C element is generated in the internal space during the heat treatment.
  • a configuration in which SiC is exposed inside the container or a configuration in which a SiC material (such as a substrate made of SiC) is separately arranged in the heat treatment container 30 can be shown.
  • a heat treatment container 30 made of a material other than SiC may be used to accommodate the Si element and the material generating the C element inside the container.
  • the entire heat treatment container 30 is made of polycrystalline SiC.
  • the environment in the heat-treated heat-treated container 30 is a vapor pressure environment of a mixed system of gas phase species containing Si element and gas phase species containing C element.
  • gas phase species containing the Si element include Si, Si 2 , Si 3 , Si 2 C, SiC 2 , and SiC.
  • the gas phase species containing the C element Si 2 C, SiC 2 , SiC, and C can be exemplified. That is, the SiC gas is present in the heat treatment container 30.
  • the heat treatment container 30 is a fitting container provided with an upper container 31 and a lower container 32 that can be fitted to each other.
  • a minute gap 33 is formed in the fitting portion between the upper container 31 and the lower container 32, and is configured so that the heat treatment container 30 can be exhausted (evacuated) from the gap 33. That is, the inside of the heat treatment container 30 is a semi-closed space.
  • the heat treatment container 30 may have a holder 34 for holding the SiC substrate 10 or the SiC material 20 in the air.
  • the holder 34 may be configured so as to be able to hold at least a part of the SiC substrate 10 in the hollow of the heat treatment container 30.
  • any conventional support means such as one-point support, three-point support, a configuration for supporting the outer peripheral edge, or a configuration for sandwiching a part thereof can be naturally adopted.
  • As the material of the holder 34 a high melting point material can be adopted.
  • the holder 34 may not be provided depending on the form of the SiC material 20. That is, when the heat treatment container 30 itself is made of the SiC material 20, the SiC substrate 10 may be arranged on the bottom surface of the lower container 32 (without providing the holder 34).
  • the heat treatment container 30 may have a Si steam supply source 35 as shown in FIGS. 2 (a) and 3 (a).
  • the Si vapor supply source 35 may be configured to generate Si vapor in the heat treatment vessel 30 at the time of heating, and examples thereof include solid Si (Si pellets such as single crystal Si pieces and Si powder) and Si compounds. Can be done.
  • the melting point container 40 accommodates the heat treatment container 30 and generates the vapor pressure (atmosphere containing the Si element) of the vapor phase species containing the Si element in the internal space during the heat treatment, the structure shall be adopted. Can be done.
  • the atmosphere containing the Si element in the melting point container 40 according to the embodiment is formed by using the Si steam supply source 44. As long as the method can form an atmosphere containing Si element around the heat treatment container 30, it can be naturally adopted.
  • the melting point container 40 is configured to include a melting point material.
  • C which is a general-purpose heat-resistant member, W, Re, Os, Ta, Mo which is a refractory metal, Ta 9C 8 , which is a carbide, HfC, TaC, NbC, ZrC, Ta 2C , TiC, WC, MoC, Examples thereof include HfN, TaN, BN, Ta 2N, ZrN, TiN which are nitrides, HfB 2 , TaB 2 , TaB 2 , ZrB 2 , NB 2 , TiB 2 , and polycrystalline SiC which are borides.
  • the high melting point container 40 is a fitting container provided with an upper container 41 and a lower container 42 that can be fitted to each other, and is configured to be able to accommodate the heat treatment container 30.
  • a minute gap 43 is formed in the fitting portion between the upper container 41 and the lower container 42, and is configured to allow exhaust (evacuation) in the melting point container 40 from this gap 43.
  • the high melting point container 40 has a Si steam supply source 44 capable of supplying the vapor pressure of a vapor phase species containing a Si element in the high melting point container 40.
  • the Si steam supply source 44 may be configured to generate Si steam in the melting point container 40 at the time of heating.
  • Examples of the Si vapor supply source 44 include solid Si (Si pellets such as single crystal Si pieces and Si powder) and Si compounds.
  • TaC is adopted as the material of the melting point container 40
  • tantalum silicide is adopted as the Si steam supply source 44.
  • a tantalum silicide layer is formed inside the melting point container 40.
  • the Si vapor pressure environment is formed by supplying Si vapor from the tantalum silicide layer into the container during heating.
  • the SiC substrate 10 is formed by incident the electron beam PE on the SiC substrate 10 at an incident angle ⁇ inclined with respect to the normal line N of the ⁇ 0001 ⁇ plane of the SiC substrate 10. This is a step of acquiring an image I including contrast information C of the terrace 102 reflecting the stacking direction of atoms on the surface.
  • the image acquisition step S20 includes the installation step S21 in which the SiC substrate 10 is installed on the stage of the scanning electron microscope and the SiC at an incident angle ⁇ in which the electron beam PE is inclined with respect to the normal line N of the ⁇ 0001 ⁇ plane of the SiC substrate 10.
  • a tilting step S22 for tilting the stage so that the electron beam PE is incident on the substrate 10 and an electron beam irradiation step S23 for irradiating the SiC substrate 10 with the electron beam PE to obtain an image I are included.
  • the tilting step S22 it is preferable to tilt the stage so that the electron beam PE tilts in the ⁇ 1-100> direction with respect to the normal line N of the SiC substrate 10.
  • the tilt angle ⁇ of the stage in the tilt step S22 is such that the incident angle ⁇ of the electron beam PE is preferably in the range of 22 ° or more and 42 ° or less, more preferably in the range of 27 ° or more and 37 ° or less, and further preferably in the range of 30 ° or more and 31. Tilt so that it is within the range of ° or less.
  • the tilt angle ⁇ of the stage in the tilt step S22 is such that the incident angle ⁇ of the electron beam PE is preferably in the range of 5 ° or more and 10 ° or less, more preferably in the range of 7 ° or more and 9 ° or less, and further preferably in the range of 8 °. Tilt so that
  • the electron beam irradiation step S23 it is preferable to irradiate the electron beam PE at an acceleration voltage of 1.0 kV or less. By making the electron beam PE incident on the SiC substrate 10 with such an acceleration voltage, the image I reflecting the contrast information C can be acquired.
  • Image I shows electrons emitted after the electron beam PE (primary electrons) irradiated by the electron emitting part of the scanning electron microscope interacts with the electrons bounced off the surface of the SiC substrate 10 and the SiC substrate 10 (backscattered electrons). It is created based on electrons (secondary electrons) generated in the process of interaction.
  • PE primary electrons
  • SiC substrate 10 backscattered electrons
  • the detector arranged in the scanning electron microscope detects backscattered electrons and / and secondary electrons, and the image I is created based on the position information of the SiC substrate 10 and the detection result of each electron.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating the image I obtained in the image acquisition step S20 with respect to the SiC substrate 10 heat-treated in the SiC-SiC equilibrium vapor pressure environment (heat treatment environment HE) in the heat treatment step S10.
  • FIG. 6A is an image I of the SiC substrate 10 heat-treated in a SiC-SiC equilibrium vapor pressure environment.
  • FIG. 6B is a schematic diagram of the crystal structure of the SiC substrate 10 heat-treated in a SiC-SiC equilibrium vapor pressure environment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating the image I obtained in the image acquisition step S20 with respect to the SiC substrate 10 heat-treated in the C-SiC equilibrium vapor pressure environment (heat treatment environment HE) in the heat treatment step S10.
  • FIG. 7A is an image I of the SiC substrate 10 heat-treated in a C-SiC equilibrium vapor pressure environment.
  • FIG. 7B is a schematic diagram of the crystal structure of the SiC substrate 10 heat-treated in a C—SiC equilibrium vapor pressure environment.
  • the environment evaluation step S30 is a step of evaluating the heat treatment environment HE of the SiC substrate 10 based on the contrast information C of the image I.
  • This environmental evaluation step S30 is a step of evaluating the contrast information C appearing on the terrace 102 of the SiC substrate 10.
  • the environmental evaluation step S30 is a step of evaluating the contrast information C appearing along the ⁇ 1-100> direction.
  • Contrast information C has a plurality of brightness information reflecting the stacking direction of atoms on the surface of the SiC substrate 10. Specifically, it has a first lightness information C1 that appears along the ⁇ 1-100> direction, and a second lightness information C2 that can be compared with the first lightness information C1.
  • the environment evaluation step S30 includes a brightness comparison step S31 for comparing a plurality of brightness information, and a crystal structure specifying step S32 for specifying the crystal structure of the outermost surface (terrace 102) of the SiC substrate 10 based on the plurality of brightness information. including.
  • the brightness comparison step S31 is a step of comparing a plurality of brightness information. Specifically, by comparing the lightness of the first lightness information C1 and the lightness of the second lightness information C2, the first lightness information C1 appearing along the ⁇ 1-100> direction is white or black. It is a process to evaluate whether or not. That is, it is a step of evaluating whether the terrace 102 region used for evaluation is relatively black or white by comparing a plurality of brightness information.
  • the crystal structure specifying step S32 is based on the relationship between the first brightness information C1 obtained in the brightness comparison step S31 and the inclination direction of the incident angle ⁇ of the electron beam PE with respect to the SiC substrate 10 (incident direction of the electron beam PE). , Is a step of obtaining information on the crystal structure of the outermost surface (terrace 102) of the SiC substrate 10.
  • the stacking direction of the atoms of the terrace 102 is the first stacking direction D1 or the second stacking direction D2. It is possible to identify whether or not there is.
  • FIG. 6 is an image I obtained by irradiating a SiC substrate 10 heat-treated in a SiC-SiC equilibrium vapor pressure environment with an electron beam PE from the [-1100] direction (left side direction in FIG. 6).
  • the first brightness information C1 appearing on the terrace 102 in the [1-100] direction of the image I is black by comparing with the second brightness information C2 (brightness comparison step S31).
  • the second lightness information C2 to be compared with the first lightness information C1 appears white, for example, in the region between the [10-10] direction and the [2-1-10] direction.
  • the crystal structure on the outermost surface of the SiC substrate 10 is the first stacking direction D1. (Crystal structure specifying step S32).
  • the stacking direction of the atoms of the terrace 102 in the [1-100] direction. can be evaluated as the first stacking direction D1.
  • the terrace 102 of the SiC substrate 10 heat-treated in the SiC-SiC equilibrium vapor pressure environment has two dangling bonds at the end of step 101 in the ⁇ 1-100> direction. It can be evaluated as forming a surface on which the element is present.
  • the SiC substrate 10 when the SiC substrate 10 has a surface on which the C element having two dangling bonds is present at the end of the step 101 in the ⁇ 1-100> direction, this SiC substrate is present.
  • the heat treatment environment experienced by 10 can be evaluated as a SiC-SiC equilibrium vapor pressure environment.
  • the contrast information C is inverted. That is, the first brightness information C1 reflecting the crystal structure in the first stacking direction D1 is white, and the second brightness information C2 reflecting the crystal structure in the second stacking direction D2 is black.
  • the contrast information C (first brightness information C1 and second brightness information C2) is determined by the relationship between the irradiation direction of the electron beam PE and the stacking direction of the SiC substrate 10. Therefore, in the crystal structure specifying step S32, it is necessary to evaluate the stacking direction of the region of the first brightness information C1 from the crystal structure of the SiC substrate 10 and the direction in which the electron beam PE is irradiated.
  • FIG. 7 is an image I obtained by irradiating a SiC substrate 10 heat-treated in a C-SiC equilibrium vapor pressure environment with an electron beam PE from the [-1100] direction (left side direction in the figure).
  • the first brightness information C1 appearing on the terrace 102 in the [1-100] direction of the image I is white by comparing with the second brightness information C2 (brightness comparison step S31).
  • the second lightness information C2 to be compared with the first lightness information C1 appears black, for example, in the region between the [10-10] direction and the [2-1-10] direction.
  • the stacking direction of the atoms of the terrace 102 in the [1-100] direction. can be evaluated to be the second stacking direction D2.
  • the terrace 102 of the SiC substrate 10 heat-treated in the C-SiC equilibrium vapor pressure environment has one dangling bond at the end of step 101 in the ⁇ 1-100> direction. It can be evaluated as forming a surface on which the element is present.
  • the SiC substrate 10 when the SiC substrate 10 has a surface on which the C element having one dangling bond is present at the end of the step 101 in the ⁇ 1-100> direction, this SiC substrate is present.
  • the heat treatment environment experienced by 10 can be evaluated as a C—SiC equilibrium vapor pressure environment.
  • the method for evaluating the heat treatment environment according to the present invention is an image acquisition step of incident an electron beam PE at an incident angle ⁇ inclined with respect to the normal line N of the ⁇ 0001 ⁇ plane of the heat-treated SiC substrate 10 to acquire an image I. It includes S20 and an environment evaluation step S30 for evaluating the heat treatment environment HE of the SiC substrate 10 based on the contrast information C of the image I.
  • the method for evaluating the heat treatment environment according to the present invention evaluates the stacking direction of the atoms of the terrace 102 reflecting the heat treatment environment HE. Therefore, the heat treatment environment HE can be evaluated without being locally affected by crystal defects of the SiC substrate 10, a processed alteration layer, or the like.
  • the heat treatment environment HE can be easily evaluated only by acquiring the image I of the SiC substrate 10 using a scanning electron microscope. That is, as shown in FIGS. 6 and 7, it is evaluated whether the heat treatment environment HE is a SiC-SiC equilibrium vapor pressure environment or a C-SiC equilibrium vapor pressure environment based on the contrast information C of the image I. Can be done.
  • SiC board >> Next, a preferred embodiment of the SiC substrate used in the above-mentioned method for evaluating the heat treatment environment will be described.
  • the SiC substrate 50 has an evaluation pattern 60 for evaluating the heat treatment environment HE.
  • the evaluation pattern 60 has a step forming portion 61 that is a source of the step 101 during the heat treatment, and an environment evaluation region 62 in which the step-terrace structure resulting from the step forming portion 61 is formed.
  • FIG. 8 shows an example in which a plurality of evaluation patterns 60 are formed on a SiC wafer. By interspersing the evaluation patterns 60 on the SiC wafer in this way, the heat treatment environment HE at each location can be evaluated.
  • the SiC substrate 50 there are no restrictions on the size and shape of the SiC substrate 50 or the number of evaluation patterns 60.
  • an individual piece on which one evaluation pattern 60 is formed may be adopted as an evaluation sample of the heat treatment environment HE.
  • FIG. 9 is an example of the evaluation pattern 60, and has a machined hole 611 serving as a step forming portion 61 and a machined recess 621 serving as an environmental evaluation region 62. Since the machined hole 611 is formed deeper than the machined recess 621, a cliff portion 63 is formed between the machined hole 611 and the machined recess 621. When heat-treating in the heat treatment environment HE, etching proceeds preferentially from the cliff portion 63. Therefore, the terrace 102 reflecting the heat treatment environment HE is formed in the region in the processing recess 621.
  • FIG. 10 is an example of the evaluation pattern 60, and has a through dislocation 612 which is a step forming portion 61 and a machined recess 622 which is an environmental evaluation region 62.
  • the SiC substrate 50 according to the present invention includes a step forming portion 61 that is a source of step 101 during heat treatment, and an environment evaluation region 62 in which a step-terrace structure is formed due to the step forming portion 61.
  • a terrace 102 reflecting the heat treatment environment HE can be obtained. Then, by evaluating the SiC substrate 50 by the above-mentioned method for evaluating the heat treatment environment, the heat treatment environment HE can be appropriately evaluated.

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Abstract

本発明の解決しようとする課題は、熱処理環境を評価する新規の技術を提供することにある。 本発明は、熱処理されたＳｉＣ基板１０の｛０００１｝面の法線Ｎに対して傾斜した入射角度θで電子線ＰＥを入射して画像Ｉを取得する画像取得工程Ｓ２０と、画像Ｉのコントラスト情報Ｃに基いてＳｉＣ基板１０の熱処理環境ＨＥを評価する環境評価工程Ｓ３０と、を含む、熱処理環境の評価方法である。

Description

熱処理環境の評価方法及び炭化ケイ素基板
　本発明は、熱処理環境の評価方法及び炭化ケイ素基板に関する。
　炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体デバイスは、シリコン（Ｓｉ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）半導体デバイスに比べて高耐圧及び高効率、高温動作が可能である。そのため、産業化に向けて開発が進められている。
　ＳｉＣ半導体デバイスの歩留まり向上や高品質化のため、ＳｉＣ基板のステップ－テラス構造を制御する手法が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。
　例えば、特許文献１には、ＳｉＣ基板に同時に供給するＳｉＨ４ガスとＣ３Ｈ８ガスとの濃度比Ｃ/Ｓｉをもって、ＳｉＣ基板の表面形状を制御するＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法の技術が記載されている。
　また、特許文献２には、少なくともエッチング速度に基づいて定まるエッチングモードと、エッチング深さと、を制御してＳｉＣ基板のエッチングを行うことで、エッチング処理後のＳｉＣ基板の表面形状を制御するＳｉＣ基板の表面処理方法の技術が記載されている。
特開２０１１－４９４９６号公報 再表２０１６／０７９９８４号公報
　ところで、熱処理されたＳｉＣ基板のステップ－テラス構造は、このＳｉＣ基板が経験する熱処理の環境（以下、熱処理環境という。）により決定される。そのため、所望のステップ－テラス構造を繰り返し再現できるか否かは、所望の熱処理環境を再現できるかが重要となる。
　半導体基板は、千数百度以上の高温度で熱処理されるため、この熱処理環境を直接評価することは難しい。そのため、熱処理条件（原料ガスの濃度比、加熱温度、成長速度、エッチング速度等）と、熱処理後のステップ－テラス構造（ＡＦＭ像等）と、を対応付けながら、熱処理環境を間接的に評価することが行われてきた（特許文献１や特許文献２参照。）。
　しかしながら、熱処理後のステップ－テラス構造は、ＳｉＣ基板に内在する結晶欠陥や基板加工時に導入された加工変質層の影響を受けることが知られている。そのため、熱処理環境を適切に評価することが容易でないという問題があった。
　上述した問題に鑑み、本発明の解決しようとする課題は、熱処理環境を評価する新規の技術を提供することにある。
　上述した課題を解決する本発明は、熱処理された炭化ケイ素基板の｛０００１｝面の法線に対して傾斜した入射角度で電子線を入射して画像を取得する画像取得工程と、
　前記画像のコントラスト情報に基いて前記炭化ケイ素基板の熱処理環境を評価する環境評価工程と、を含む、熱処理環境の評価方法である。
　このように、炭化ケイ素基板から得られる画像のコントラスト情報に基いて熱処理環境を評価することにより、炭化ケイ素基板が経験した熱処理環境を適切に評価することができる。
　なお、本明細書では、ミラー指数の表記において、“－”はその直後の指数につくバーを意味する。
　本発明の好ましい形態では、前記環境評価工程は、前記炭化ケイ素基板のテラスに表れるコントラスト情報を評価する工程である。
　本発明の好ましい形態では、前記環境評価工程は、＜１－１００＞方向に沿って表れるコントラスト情報を評価する工程である。
　本発明の好ましい形態では、前記コントラスト情報は、原子の積層方向を反映した複数の明度情報を有し、前記環境評価工程は、前記複数の明度情報を比較する明度比較工程を含む。
　本発明の好ましい形態では、前記コントラスト情報は、原子の積層方向を反映した第１の明度情報と、この第１の明度情報と対比が可能な第２の明度情報と、を有し、前記環境評価工程は、前記第１の明度情報と第２の明度情報を比較する明度比較工程を含む。
　本発明の好ましい形態では、前記画像取得工程は、＜１－１００＞方向に傾斜させた電子線を前記炭化ケイ素基板へ入射する工程である。
　本発明の好ましい形態では、前記環境評価工程は、前記熱処理環境がＳｉ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境又はＣ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境であることを評価する工程である。
　本発明の好ましい形態では、前記環境評価工程は、前記熱処理環境がＳｉリッチ環境又はＣリッチ環境であることを評価する工程である。
　本発明の好ましい形態では、前記炭化ケイ素基板は、六方晶系の結晶構造である。
　本発明の好ましい形態では、炭化ケイ素基板を熱処理環境で熱処理することによりステップ－テラス構造を形成する熱処理工程を含む。
　本発明の好ましい形態では、前記炭化ケイ素基板は、熱処理時にステップの発生源となるステップ形成部と、このステップ形成部に起因するステップ－テラス構造が形成される環境評価領域と、を備え、前記環境評価工程は、前記環境評価領域を評価する工程である。
　本発明の好ましい形態では、前記ステップ形成部は、貫通転位である。
　本発明の好ましい形態では、前記ステップ形成部は、加工穴である。
　本発明の好ましい形態では、前記環境評価領域は、加工凹部である。
　また、本発明は炭化ケイ素基板にも関する。すなわち、上述した課題を解決する本発明は、熱処理時にステップの発生源となるステップ形成部と、このステップ形成部に起因するステップ－テラス構造が形成される環境評価領域と、を備える、炭化ケイ素基板である。
　本発明の好ましい形態では、前記ステップ形成部は、貫通転位である。
　本発明の好ましい形態では、前記ステップ形成部は、加工穴である。
　本発明の好ましい形態では、前記環境評価領域は、加工凹部である。
　開示した技術によれば、熱処理環境を評価する新規の技術を提供することができる。
　他の課題、特徴および利点は、図面および特許請求の範囲と共に取り上げられる際に、以下に記載される発明を実施するための形態を読むことにより明らかになるであろう。
実施の形態にかかる熱処理環境の評価方法の各工程を説明する概略図である。 実施の形態にかかる熱処理工程を説明する図である。 実施の形態にかかる熱処理工程を説明する図である。 ４Ｈ－ＳｉＣの結晶構造の模式図である。 ４Ｈ－ＳｉＣの結晶構造の模式図である。 実施の形態にかかる画像取得工程を説明する図である。 実施の形態にかかる画像取得工程を説明する図である。 実施の形態にかかるＳｉＣ基板を説明する図である。 実施の形態にかかるＳｉＣ基板を説明する図である。 実施の形態にかかるＳｉＣ基板を説明する図である。
　以下に添付図面を参照して、この発明にかかる熱処理環境の評価方法及びＳｉＣ基板の好適な実施の形態を詳細に説明する。本発明の技術的範囲は、添付図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、適宜変更が可能である。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
《熱処理環境の評価方法》
　図１は、本発明の実施の形態にかかる熱処理環境の評価方法の工程を説明する概略図である。実施の形態にかかる熱処理環境の評価方法は、六方晶系のＳｉＣ基板１０を熱処理環境ＨＥで熱処理することによりステップ－テラス構造を形成する熱処理工程Ｓ１０と、この熱処理されたＳｉＣ基板１０の｛０００１｝面の法線Ｎに対して傾斜した入射角度θで電子線ＰＥを入射して画像Ｉを取得する画像取得工程Ｓ２０と、この画像Ｉのコントラスト情報Ｃに基いてＳｉＣ基板１０の熱処理環境ＨＥを評価する環境評価工程Ｓ３０と、を含む。
　本発明にかかる熱処理環境の評価方法は、ＳｉＣ基板１０の法線Ｎに対して傾斜させた方向から入射する電子線ＰＥを用いて取得した画像Ｉのコントラスト情報Ｃに基いて、熱処理工程Ｓ１０の熱処理環境ＨＥを評価する点に特徴がある。
　具体的には、電子線ＰＥによりＳｉＣ基板１０表面の原子の積層方向を反映した複数の明度情報（コントラスト情報Ｃ）を含む画像Ｉを取得し、この画像Ｉに現れた複数の明度情報を比較することで、ＳｉＣ基板１０が経験した熱処理環境ＨＥを特定することができる。
　その結果、ＳｉＣ基板１０が経験した熱処理環境ＨＥが、Ｓｉ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境であること、又は、Ｃ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境であることを評価することができる。また、ＳｉＣ基板１０が経験した熱処理環境ＨＥが、Ｓｉリッチ環境であること、又は、Ｃリッチ環境であることを評価することができる。
　本明細書における「ＳｉＣ－Ｓｉ蒸気圧環境」とは、ＳｉＣ（固相）とＳｉ（液相）が気相を介して相平衡状態となるときの蒸気圧の環境を指す。このＳｉＣ－Ｓｉ平衡蒸気圧環境は、例えば、原子数比Ｓｉ／Ｃが１を超える準閉鎖空間が熱処理されることで形成される。
　具体的には、化学量論比１：１を満たすＳｉＣ製の容器内に、化学量論比１：１を満たすＳｉＣ基板と、Ｓｉ蒸気供給源（Ｓｉ基板やＳｉペレット等）と、を配置した場合には、容器内の原子数比Ｓｉ／Ｃは１を超える。このように配置した容器を加熱することで、容器内にＳｉＣ－Ｓｉ蒸気圧環境が形成され得る。
　本明細書における「ＳｉＣ－Ｃ平衡蒸気圧環境」とは、ＳｉＣ（固相）とＣ（固相）が気相を介して相平衡状態となるときの蒸気圧の環境を指す。このＳｉＣ－Ｃ平衡蒸気圧環境は、例えば、原子数比Ｓｉ／Ｃが１以下である準閉鎖空間が熱処理されることで形成される。
　具体的には、化学量論比１：１を満たすＳｉＣ製の容器内に、化学量論比１：１を満たすＳｉＣ基板を配置した場合には、容器内の原子数比Ｓｉ／Ｃは１となる。また、Ｃ蒸気供給源（Ｃペレット等）を配置して原子数比Ｓｉ／Ｃを１以下としても良い。このように配置した容器を加熱することで、容器内にＳｉＣ－Ｃ蒸気圧環境が形成され得る。
　なお、本明細書におけるＳｉＣ－Ｓｉ平衡蒸気圧環境及びＳｉＣ－Ｃ平衡蒸気圧環境は、理論的な熱平衡環境から導かれた成長速度と成長温度の関係を満たす近熱平衡蒸気圧環境を含む。
　本明細書における「準閉鎖空間」とは、容器内の真空引きは可能であるが、容器内に発生した蒸気の少なくとも一部を閉じ込め可能な空間のことをいう。この準閉鎖空間は、容器内に形成することができる。
　なお、本発明にかかる熱処理環境の評価方法は、事前に熱処理されたＳｉＣ基板１０を評価することで、ＳｉＣ基板１０が経験した熱処理環境ＨＥを評価することが可能である。そのため、本発明にかかる熱処理環境の評価方法は、少なくとも画像取得工程Ｓ２０と、環境評価工程Ｓ３０と、を含んでいればよい。
　以下、本発明の好ましい実施の形態の工程に沿って、詳細に説明する。
〈熱処理工程〉
　熱処理工程Ｓ１０は、本発明の評価対象である熱処理環境ＨＥにて、ＳｉＣ基板１０を熱処理する工程である。具体的には、六方晶系のＳｉＣ基板１０を熱処理環境ＨＥで熱処理することにより、熱処理環境ＨＥを反映したステップ－テラス構造を形成する工程である。
　熱処理工程Ｓ１０の手法としては、ＳｉＣ基板１０上に成長層を形成する結晶成長法や、ＳｉＣ基板１０をエッチングするエッチング法を例示できる。
　結晶成長法としては、例として、化学気相堆積法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ:ＣＶＤ）、物理的気相輸送法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ:ＰＶＴ）、準安定溶媒エピタキシー法（Ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ　Ｓｏｌｖｅｎｔ　Ｅｐｉｔａｘｙ:ＭＳＥ）、後述するＣＰＶＴ（ｃｏｎｆｉｎｅｄ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）結晶成長法（図２参照）、を採用することができる。
　エッチング法としては、例として、水素ガスをエッチングガスとして用いる水素エッチング法、Ｓｉ雰囲気下で加熱するＳｉ蒸気圧エッチング（Ｓｉ－Ｖａｐｏｒ　Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＳｉＶＥ）法、後述するＣＰＶＴエッチング法（図３参照）、を採用することができる。
　以下、好ましい実施の形態にかかる熱処理工程Ｓ１０の手法について、図２及び図３を参照して詳細に説明する。
　好ましい実施の形態にかかる熱処理工程Ｓ１０は、熱処理容器３０の内部にＳｉＣ基板１０とＳｉＣ材料２０を収容し、熱処理容器３０の内部に温度勾配が形成されるように加熱する工程である。また、熱処理容器３０は、高融点容器４０に収容されていることが望ましい。
　この実施の形態では、ＳｉＣ基板１０とＳｉＣ材料２０の位置関係と温度勾配の方向により、ＳｉＣ基板１０を結晶成長させる形態と、エッチングする形態と、を含み得る。
　図２は、ＣＰＶＴ結晶成長法を用いてＳｉＣ基板１０を結晶成長させる形態を示す説明図である。この結晶成長させる形態では、ＳｉＣ基板１０とＳｉＣ材料２０を相対させて配置し、ＳｉＣ基板１０が低温側、ＳｉＣ材料２０が高温側となるよう温度勾配をつけて加熱している。この温度勾配により、ＳｉＣ材料２０からＳｉＣ基板１０にＳｉ元素及びＣ元素を輸送して、ＳｉＣ基板１０の上に成長層を成長させる。
　図３は、ＣＰＶＴエッチング法を用いてＳｉＣ基板１０をエッチングする形態を示す説明図である。このエッチングする形態では、ＳｉＣ基板１０とＳｉＣ材料２０を相対させて配置し、ＳｉＣ材料２０が低温側、ＳｉＣ基板１０が高温側となるよう温度勾配をつけて加熱している。この温度勾配により、ＳｉＣ基板１０からＳｉＣ材料２０にＳｉ元素及びＣ元素を輸送して、ＳｉＣ基板１０をエッチングする。
　なお、図２と図３では、ＳｉＣ基板１０とＳｉＣ材料２０の位置を入れ替えた位置の関係となっている。また、ＳｉＣ基板１０とＳｉＣ材料２０の位置を入れ替えずに、温度勾配の方向を逆転させることで、Ｓｉ元素及びＣ元素の輸送方向を逆転させても良い。
　図２（ａ）及び図３（ａ）においては、原子数比Ｓｉ／Ｃが１を超える準閉鎖空間にＳｉＣ基板１０及びＳｉＣ材料２０を配置して熱処理する形態を示している。このように、原子数比Ｓｉ／Ｃが１を超える準閉鎖空間でＳｉＣ基板１０を熱処理することで、ＳｉＣ基板１０の表面にＳｉ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境（熱処理環境ＨＥ）に対応したステップ－テラス構造が形成される。
　図２（ｂ）及び図３（ｂ）においては、原子数比Ｓｉ／Ｃが１以下である準閉鎖空間にＳｉＣ基板１０及びＳｉＣ材料２０を配置して熱処理する形態を示している。このように、原子数比Ｓｉ／Ｃが１以下である準閉鎖空間でＳｉＣ基板１０を熱処理することで、ＳｉＣ基板１０の表面にＣ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境（熱処理環境ＨＥ）に対応したステップ－テラス構造が形成される。
　以下、好ましい実施の形態にかかる熱処理工程Ｓ１０のＳｉＣ基板１０、ＳｉＣ材料２０、熱処理容器３０、高融点容器４０について、詳細に説明する。
（ＳｉＣ基板）
　ＳｉＣ基板１０は、単結晶ＳｉＣを薄板状に加工したものを例示することができる。具体的には、昇華法等で作製したＳｉＣインゴットから円盤状にスライスしたＳｉＣウェハ等を例示できる。なお、単結晶ＳｉＣは、２００種類以上のポリタイプが確認されており、発生確率が高く応用上重要な六方晶系のポリタイプとして、４Ｈ－ＳｉＣ、６Ｈ－ＳｉＣが知られている。
　図４に、４Ｈ－ＳｉＣの結晶構造の模式図を示す。図４（ａ）は、＜１１－２０＞方向から見た４Ｈ－ＳｉＣの結晶構造である。図４（ｂ）は、[０００１]方向から見た４Ｈ－ＳｉＣの結晶構造である。
　また、同図における“Ａ，Ｂ，Ｃ”の表記は、六方最密充填構造における３種類の原子の占有位置（Ｓｉ－Ｃ対に相当）を意味している。４Ｈ－ＳｉＣの結晶構造を示す図４（ａ）において、Ａ及びＣ位置の原子の積み重なりは、閃亜鉛鉱（ｚｉｎｃ－ｂｌｅｎｄ）構造に対応し、Ｂ位置の原子の積み重なりは、ウルツ鉱（ｗｕｒｔｚｉｔｅ）構造に対応している。
　図５に、ＳｉＣ基板１０の表面に形成されたステップ－テラス構造の模式図を示す。このステップ－テラス構造は、１分子層以上の段差部位であるステップ１０１と、{０００１}面が露出した平坦部位であるテラス１０２と、が交互に並んだ階段構造となっている。ステップ１０１は、１分子層（０．２５ｎｍ）が最小高さ（最小単位）であり、この１分子層が複数層重なることで、様々なステップ高さを形成している。図５においては、４Ｈ－ＳｉＣの２分子層（０．５ｎｍ：ハーフユニットセル）からなるステップ１０１を示している。
（ＳｉＣ材料）
　ＳｉＣ材料２０は、ＳｉＣ基板１０と相対させて加熱することで、ＳｉＣ基板１０との間でＳｉ元素とＣ元素の受け取り又は受け渡しが可能なＳｉＣで構成される。実施の形態においては、図２及び図３に示すように、保持具３４を介してＳｉＣ基板１０とＳｉＣ製基板のＳｉＣ材料２０と相対させている。この他にも、例えば、ＳｉＣ製の容器（熱処理容器３０）や容器の一部分をＳｉＣで構成した容器を、ＳｉＣ材料２０として採用しても良い。なお、このＳｉＣ材料２０の結晶多形としては、何れのポリタイプのものも採用することができ、多結晶ＳｉＣを採用しても良い。
（熱処理容器）
　熱処理容器３０は、加熱処理時にＳｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の蒸気圧を内部空間に発生させる構成であれば、その構成を採用することができる。例えば、容器の内側にＳｉＣが露出した構成や、熱処理容器３０内に別途ＳｉＣ材料（ＳｉＣ製の基板等）を配置する構成を示すことができる。また、ＳｉＣ以外の材料で構成された熱処理容器３０を用いて、容器の内部にＳｉ元素及びＣ元素を発生する材料を収容する形態も含み得る。
　好ましい実施の形態は、熱処理容器３０の全体が多結晶ＳｉＣで構成されている。このように多結晶ＳｉＣで構成された熱処理容器３０を加熱することで、容器の内部（準閉鎖空間）にＳｉ元素及びＣ元素を含む雰囲気を発生させることができる。
　加熱処理された熱処理容器３０内の環境は、Ｓｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の混合系の蒸気圧環境となることが望ましい。このＳｉ元素を含む気相種としては、Ｓｉ，Ｓｉ２，Ｓｉ３，Ｓｉ２Ｃ，ＳｉＣ２，ＳｉＣが例示できる。また、Ｃ元素を含む気相種としては、Ｓｉ２Ｃ，ＳｉＣ２，ＳｉＣ，Ｃが例示できる。すなわち、ＳｉＣ系ガスが熱処理容器３０内に存在している状態となる。
　熱処理容器３０は、図２及び図３に示すように、互いに嵌合可能な上容器３１と下容器３２を備える嵌合容器である。上容器３１と下容器３２の嵌合部には、微小な間隙３３が形成されており、この間隙３３から熱処理容器３０内の排気（真空引き）が可能なよう構成されている。すなわち、熱処理容器３０の内部は、準閉鎖空間となっている。
　また、熱処理容器３０は、ＳｉＣ基板１０又はＳｉＣ材料２０を中空に保持する保持具３４を有していても良い。保持具３４は、ＳｉＣ基板１０の少なくとも一部を、熱処理容器３０の中空に保持可能な構成であればよい。例えば、１点支持や３点支持、外周縁を支持する構成や一部を挟持する構成等、慣用の支持手段であれば当然に採用することができる。この保持具３４の材料としては、高融点材料を採用することができる。
　なお、保持具３４は、ＳｉＣ材料２０の形態によっては設けなくても良い。すなわち、熱処理容器３０自体をＳｉＣ材料２０とする場合には、（保持具３４を設けずに）下容器３２の底面にＳｉＣ基板１０を配置しても良い。
　さらに、熱処理容器３０は、図２（ａ）及び図３（ａ）に示すように、Ｓｉ蒸気供給源３５を有していても良い。Ｓｉ蒸気供給源３５は、加熱時にＳｉ蒸気を熱処理容器３０内に発生させる構成であれば良く、例えば、固体のＳｉ（単結晶Ｓｉ片やＳｉ粉末等のＳｉペレット）やＳｉ化合物を例示することができる。
（高融点容器）
　高融点容器４０は、熱処理容器３０を収容し、加熱処理時にＳｉ元素を含む気相種の蒸気圧（Ｓｉ元素を含む雰囲気）を内部空間に発生させる構成であれば、その構成を採用することができる。実施の形態にかかる高融点容器４０内のＳｉ元素を含む雰囲気は、Ｓｉ蒸気供給源４４を用いて形成している。なお、熱処理容器３０の周囲にＳｉ元素を含む雰囲気を形成可能な方法であれば、当然に採用することができる。
　高融点容器４０は、高融点材料を含んで構成されている。例えば、汎用耐熱部材であるＣ、高融点金属であるＷ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｔａ，Ｍｏ，炭化物であるＴａ９Ｃ８，ＨｆＣ，ＴａＣ，ＮｂＣ，ＺｒＣ，Ｔａ２Ｃ，ＴｉＣ，ＷＣ，ＭｏＣ，窒化物であるＨｆＮ，ＴａＮ，ＢＮ，Ｔａ２Ｎ，ＺｒＮ，ＴｉＮ，ホウ化物であるＨｆＢ２，ＴａＢ２，ＺｒＢ２，ＮＢ２，ＴｉＢ２，多結晶ＳｉＣ等を例示することができる。
　この高融点容器４０は、熱処理容器３０と同様に、互いに嵌合可能な上容器４１と下容器４２とを備える嵌合容器であり、熱処理容器３０を収容可能に構成されている。上容器４１と下容器４２の嵌合部には、微小な間隙４３が形成されており、この間隙４３から高融点容器４０内の排気（真空引き）が可能なよう構成されている。
　高融点容器４０は、高融点容器４０内にＳｉ元素を含む気相種の蒸気圧を供給可能なＳｉ蒸気供給源４４を有していることが好ましい。Ｓｉ蒸気供給源４４は、加熱時にＳｉ蒸気を高融点容器４０内に発生させる構成であれば良い。このＳｉ蒸気供給源４４としては、固体のＳｉ（単結晶Ｓｉ片やＳｉ粉末等のＳｉペレット）やＳｉ化合物を例示することができる。
　実施の形態にかかる熱処理工程Ｓ１０は、高融点容器４０の材料としてＴａＣを採用し、Ｓｉ蒸気供給源４４としてタンタルシリサイドを採用している。図２及び図３に示すように、高融点容器４０の内側にタンタルシリサイド層が形成されている。加熱時にタンタルシリサイド層からＳｉ蒸気が容器内に供給されることにより、Ｓｉ蒸気圧環境が形成されるように構成されている。
〈画像取得工程〉
　画像取得工程Ｓ２０は、図５に示すように、ＳｉＣ基板１０の｛０００１｝面の法線Ｎに対して傾斜した入射角度θでＳｉＣ基板１０に電子線ＰＥを入射することで、ＳｉＣ基板１０表面の原子の積層方向を反映したテラス１０２のコントラスト情報Ｃを含む画像Ｉを取得する工程である。
　画像取得工程Ｓ２０は、走査型電子顕微鏡のステージにＳｉＣ基板１０を設置する設置工程Ｓ２１と、電子線ＰＥがＳｉＣ基板１０の｛０００１｝面の法線Ｎに対して傾斜した入射角度θでＳｉＣ基板１０に電子線ＰＥが入射するようステージを傾斜させる傾斜工程Ｓ２２と、ＳｉＣ基板１０に電子線ＰＥを照射し画像Ｉを得る電子線照射工程Ｓ２３と、を含む。
　傾斜工程Ｓ２２は、電子線ＰＥが、ＳｉＣ基板１０の法線Ｎに対して＜１－１００＞方向に傾斜するようステージを傾斜させることが好ましい。
　傾斜工程Ｓ２２におけるステージの傾斜角度φは、電子線ＰＥの入射角度θが、好ましくは２２°以上４２°以下の範囲、より好ましくは２７°以上３７°以下の範囲、さらに好ましくは３０°以上３１°以下の範囲となるよう傾斜させる。
　また、傾斜工程Ｓ２２におけるステージの傾斜角度φは、電子線ＰＥの入射角度θが、好ましくは５°以上１０°以下の範囲、より好ましくは７°以上９°以下の範囲、さらに好ましくは８°となるよう傾斜させる。
　電子線照射工程Ｓ２３は、電子線ＰＥの加速電圧が１．０ｋＶ以下で照射するのが好ましい。このような加速電圧で電子線ＰＥをＳｉＣ基板１０に入射させることで、コントラスト情報Ｃを反映した画像Ｉを取得することができる。
　画像Ｉは、走査型電子顕微鏡の電子放出部が照射した電子線ＰＥ（一次電子）が、ＳｉＣ基板１０表面で跳ね返った電子やＳｉＣ基板１０と相互作用した後に放出された電子（反射電子）、相互作用の過程で生じた電子（二次電子）、に基いて作成される。
　すなわち、走査型電子顕微鏡内に配置された検出器が、反射電子又は／及び二次電子を検出し、ＳｉＣ基板１０の位置情報と各電子の検出結果に基づいて、画像Ｉが作成される。
　図６は、熱処理工程Ｓ１０においてＳｉ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境（熱処理環境ＨＥ）で熱処理されたＳｉＣ基板１０に対し、画像取得工程Ｓ２０にて得られた画像Ｉを説明する説明図である。図６（ａ）は、Ｓｉ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境で熱処理されたＳｉＣ基板１０の画像Ｉである。図６（ｂ）は、Ｓｉ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境で熱処理されたＳｉＣ基板１０の結晶構造の模式図である。
　図７は、熱処理工程Ｓ１０においてＣ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境（熱処理環境ＨＥ）で熱処理されたＳｉＣ基板１０に対し、画像取得工程Ｓ２０にて得られた画像Ｉを説明する説明図である。図７（ａ）は、Ｃ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境で熱処理されたＳｉＣ基板１０の画像Ｉである。図７（ｂ）は、Ｃ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境で熱処理されたＳｉＣ基板１０の結晶構造の模式図である。
〈環境評価工程〉
　環境評価工程Ｓ３０は、画像Ｉのコントラスト情報Ｃに基いてＳｉＣ基板１０の熱処理環境ＨＥを評価する工程である。この環境評価工程Ｓ３０は、ＳｉＣ基板１０のテラス１０２に表れるコントラスト情報Ｃを評価する工程である。特に、環境評価工程Ｓ３０は、＜１－１００＞方向に沿って表れるコントラスト情報Ｃを評価する工程である。
　コントラスト情報Ｃは、ＳｉＣ基板１０表面の原子の積層方向を反映した複数の明度情報を有する。具体的には、＜１－１００＞方向に沿って表れる第１の明度情報Ｃ１と、この第１の明度情報Ｃ１と対比が可能な第２の明度情報Ｃ２と、を有する。
　環境評価工程Ｓ３０は、複数の明度情報を比較する明度比較工程Ｓ３１と、この複数の明度情報に基いてＳｉＣ基板１０の最表面（テラス１０２）の結晶構造を特定する結晶構造特定工程Ｓ３２と、を含む。
　明度比較工程Ｓ３１は、複数の明度情報を比較する工程である。具体的には、第１の明度情報Ｃ１の明度と第２の明度情報Ｃ２の明度を対比することにより、＜１－１００＞方向に沿って表れる第１の明度情報Ｃ１が白色なのか黒色なのかを評価する工程である。すなわち、複数の明度情報を対比することで、評価に用いるテラス１０２領域が相対的に黒色であるか白色であるかを評価する工程である。
　結晶構造特定工程Ｓ３２は、明度比較工程Ｓ３１で得られた第１の明度情報Ｃ１と、ＳｉＣ基板１０に対する電子線ＰＥの入射角度θの傾斜方向（電子線ＰＥの入射方向）と、の関係から、ＳｉＣ基板１０の最表面（テラス１０２）の結晶構造に関する情報を得る工程である。
　例えば、図５においては、原子が第１の積層方向Ｄ１（Ｓｉ原子がＣ→Ｂ→Ａと積層する方向）で積層しているテラス１０２に電子線ＰＥを入射した場合には黒色のコントラスト情報Ｃが得られ、原子が第２の積層方向Ｄ２（Ｓｉ原子がＡ→Ｂ→Ｃと積層する方向）で積層しているテラス１０２に電子線ＰＥを入射した場合には白色のコントラスト情報Ｃが得られる。
　すなわち、画像Ｉのコントラスト情報ＣとＳｉＣ基板１０に対する電子線ＰＥの入射方向の関係がわかれば、テラス１０２の原子の積層方向が第１の積層方向Ｄ１であるか、第２の積層方向Ｄ２であるか、を特定することができる。
　以下、明度比較工程Ｓ３１及び結晶構造特定工程Ｓ３２について、図６及び図７を参照し詳細に説明する。
　図６は、Ｓｉ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境で熱処理したＳｉＣ基板１０に対して、電子線ＰＥを［－１１００］方向（図６の左側方向）から照射すること取得した画像Ｉである。
　この時、画像Ｉの［１－１００］方向のテラス１０２に表れる第１の明度情報Ｃ１は、第２の明度情報Ｃ２と対比することにより黒色であることが把握できる（明度比較工程Ｓ３１）。第１の明度情報Ｃ１と対比される第２の明度情報Ｃ２は、例えば、［１０－１０］方向と［２－１－１０］方向の間の領域において白色で表れている。
　図６において、電子線ＰＥを［－１１００］方向から照射した際に、第１の明度情報Ｃ１に対応する領域が黒色となるには、ＳｉＣ基板１０の最表面の結晶構造が第１の積層方向Ｄ１で積層している必要がある（結晶構造特定工程Ｓ３２）。
　すなわち、この図６に示したＳｉ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境で熱処理されたＳｉＣ基板１０は、第１の明度情報Ｃ１が黒色であるため、［１－１００］方向のテラス１０２の原子の積層方向が第１の積層方向Ｄ１であると評価できる。また、図６（ｂ）に示すように、Ｓｉ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境で熱処理したＳｉＣ基板１０のテラス１０２は、＜１－１００＞方向のステップ１０１端にダングリングボンドが２本であるＣ元素が存在する表面を形成すると評価することができる。
　言い換えれば、結晶構造特定工程Ｓ３２において、ＳｉＣ基板１０が、＜１－１００＞方向のステップ１０１端にダングリングボンドが２本であるＣ元素が存在する表面を有している場合、このＳｉＣ基板１０が経験した熱処理環境は、Ｓｉ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境であると評価することができる。
　なお、図６において、同じ基板及び同じ傾斜角度の条件で、［１－１００］方向（図の右側方向）から電子線ＰＥを照射する場合には、コントラスト情報Ｃは反転する。すなわち、第１の積層方向Ｄ１の結晶構造を反映する第１の明度情報Ｃ１は白色となり、第２の積層方向Ｄ２の結晶構造を反映する第２の明度情報Ｃ２は黒色となる。
　このように、コントラスト情報Ｃ（第１の明度情報Ｃ１及び第２の明度情報Ｃ２）は、電子線ＰＥの照射方向とＳｉＣ基板１０の積層方向の関係で決定される。そのため、結晶構造特定工程Ｓ３２では、ＳｉＣ基板１０の結晶構造と、電子線ＰＥが照射される方向とから、第１の明度情報Ｃ１の領域の積層方向を評価する必要がある。
　図７は、Ｃ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境で熱処理したＳｉＣ基板１０に対して、電子線ＰＥを［－１１００］方向（図の左側方向）から照射することで取得した画像Ｉである。
　この時、画像Ｉの［１－１００］方向のテラス１０２に表れる第１の明度情報Ｃ１は、第２の明度情報Ｃ２と対比することにより白色であることが把握できる（明度比較工程Ｓ３１）。第１の明度情報Ｃ１と対比される第２の明度情報Ｃ２は、例えば、［１０－１０］方向と［２－１－１０］方向の間の領域において黒色で表れている。
　図７において、電子線ＰＥを［－１１００］方向から照射した際に、第１の明度情報Ｃ１に対応する領域が白色となるには、ＳｉＣ基板１０の最表面の結晶構造が第２の積層方向Ｄ２で積層している必要がある（結晶構造特定工程Ｓ３２）。
　すなわち、この図７に示したＣ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境で熱処理されたＳｉＣ基板１０は、第１の明度情報Ｃ１が白色であるため、［１－１００］方向のテラス１０２の原子の積層方向が第２の積層方向Ｄ２であると評価できる。また、図７（ｂ）に示すように、Ｃ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境で熱処理したＳｉＣ基板１０のテラス１０２は、＜１－１００＞方向のステップ１０１端にダングリングボンドが１本であるＣ元素が存在する表面を形成すると評価することができる。
　言い換えれば、結晶構造特定工程Ｓ３２において、ＳｉＣ基板１０が、＜１－１００＞方向のステップ１０１端にダングリングボンドが１本であるＣ元素が存在する表面を有している場合、このＳｉＣ基板１０が経験した熱処理環境は、Ｃ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境であると評価することができる。
　なお、図７において、同じ基板及び同じ傾斜角度の条件で、［１－１００］方向（図の右側方向）から電子線ＰＥを照射する場合には、第１の明度情報Ｃ１は黒色となり、第２の明度情報Ｃ２は白色となる。
　本発明にかかる熱処理環境の評価方法は、熱処理されたＳｉＣ基板１０の｛０００１｝面の法線Ｎに対して傾斜した入射角度θで電子線ＰＥを入射して画像Ｉを取得する画像取得工程Ｓ２０と、この画像Ｉのコントラスト情報Ｃに基いてＳｉＣ基板１０の熱処理環境ＨＥを評価する環境評価工程Ｓ３０と、を含む。
　本発明にかかる熱処理環境の評価方法は、熱処理環境ＨＥを反映したテラス１０２の原子の積層方向を評価している。そのため、ＳｉＣ基板１０の結晶欠陥や加工変質層等による局所的な影響を受けることなく熱処理環境ＨＥを評価することができる。
　また、本発明にかかる熱処理環境の評価方法は、走査型電子顕微鏡を用いてＳｉＣ基板１０の画像Ｉを取得するだけで、容易に熱処理環境ＨＥを評価することができる。すなわち、図６及び図７に示した様に、画像Ｉのコントラスト情報Ｃに基づき、熱処理環境ＨＥがＳｉ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境であるかＣ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境であるかを評価することができる。
《ＳｉＣ基板》
　次に、上述した熱処理環境の評価方法で用いるＳｉＣ基板の好ましい実施の形態について説明する。
　ＳｉＣ基板５０は、図８に示すように、熱処理環境ＨＥを評価するための評価用パターン６０を有している。評価用パターン６０は、熱処理時にステップ１０１の発生源となるステップ形成部６１と、このステップ形成部６１に起因するステップ－テラス構造が形成される環境評価領域６２と、を有する。
　図８においては、ＳｉＣウェハに複数の評価用パターン６０を形成した例を示した。このように、ＳｉＣウェハに評価用パターン６０を点在させることで、各箇所の熱処理環境ＨＥを評価することができる。
　しかしながら、ＳｉＣ基板５０の大きさや形状や評価用パターン６０の個数に制限はない。例えば、評価用パターン６０を一つ形成した個片を熱処理環境ＨＥの評価試料として採用しても良い。
　図９は、評価用パターン６０の一例であり、ステップ形成部６１となる加工穴６１１と、環境評価領域６２となる加工凹部６２１と、を有している。
　加工穴６１１は、加工凹部６２１よりも深く形成されていることにより、加工穴６１１と加工凹部６２１の間に崖部６３が形成される。熱処理環境ＨＥで熱処理する際に、崖部６３から優先的にエッチングが進行する。そのため、加工凹部６２１内の領域に熱処理環境ＨＥを反映したテラス１０２が形成される。
　図１０は、評価用パターン６０の一例であり、ステップ形成部６１となる貫通転位６１２と、環境評価領域６２となる加工凹部６２２と、を有している。
　貫通転位６１２である貫通刃状転位や貫通螺旋転位は、熱処理環境ＨＥで熱処理する際に、優先的に成長又はエッチングが進行する。そのため、加工凹部６２２内の領域に熱処理環境ＨＥを反映したテラス１０２が形成される。
　本発明にかかるＳｉＣ基板５０は、熱処理時にステップ１０１の発生源となるステップ形成部６１と、このステップ形成部６１に起因するステップ－テラス構造が形成される環境評価領域６２と、を備える。
　このステップ形成部６１と環境評価領域６２を備えるＳｉＣ基板１０を熱処理環境ＨＥで熱処理することにより、熱処理環境ＨＥを反映したテラス１０２を得ることができる。そして上述した熱処理環境の評価方法にてＳｉＣ基板５０を評価することにより、熱処理環境ＨＥを適切に評価することができる。
　１０，５０　ＳｉＣ基板
　１０１　ステップ
　１０２　テラス
　２０　ＳｉＣ材料
　３０　熱処理容器
　３１　上容器
　３２　下容器
　３３　間隙
　３４　保持具
　３５　Ｓｉ蒸気供給源
　４０　高融点容器
　４１　上容器
　４２　下容器
　４３　間隙
　４４　Ｓｉ蒸気供給源
　６０　評価用パターン
　６１　ステップ形成部
　６１１　加工穴
　６１２　貫通転位
　６２　環境評価領域
　６２１　加工凹部
　６２２　加工凹部
　Ｓ１０　熱処理工程
　Ｓ２０　画像取得工程
　Ｓ３０　環境評価工程
　Ｃ　コントラスト情報
　Ｃ１　第１の明度情報
　Ｃ２　第２の明度情報
　ＨＥ　熱処理環境
　ＰＥ　電子線

 

Claims (18)

  1. 　熱処理された炭化ケイ素基板の｛０００１｝面の法線に対して傾斜した入射角度で電子線を入射して画像を取得する画像取得工程と、
    　前記画像のコントラスト情報に基いて前記炭化ケイ素基板の熱処理環境を評価する環境評価工程と、を含む、熱処理環境の評価方法。
  2. 　前記環境評価工程は、テラスに表れるコントラスト情報を評価する工程である、請求項１に記載の熱処理環境の評価方法。
  3. 　前記環境評価工程は、＜１－１００＞方向に沿って表れるコントラスト情報を評価する工程である、請求項１又は請求項２に記載の熱処理環境の評価方法。
  4. 　前記コントラスト情報は、原子の積層方向を反映した複数の明度情報を有し、
    　前記環境評価工程は、前記複数の明度情報を比較する明度比較工程を含む、請求項１～３の何れか一項に記載の熱処理環境の評価方法。
  5. 　前記コントラスト情報は、原子の積層方向を反映した第１の明度情報と、この第１の明度情報と対比が可能な第２の明度情報と、を有し、
    　前記環境評価工程は、前記第１の明度情報と第２の明度情報を比較する明度比較工程を含む、請求項１～４の何れか一項に記載の熱処理環境の評価方法。
  6. 　前記画像取得工程は、＜１－１００＞方向に傾斜させた電子線を前記炭化ケイ素基板へ入射する工程である、請求項１～５の何れか一項に記載の熱処理環境の評価方法。
  7. 　前記環境評価工程は、前記熱処理環境がＳｉ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境又はＣ－ＳｉＣ平衡蒸気圧環境であることを評価する工程である、請求項１～６の何れか一項に記載の熱処理環境の評価方法。
  8. 　前記環境評価工程は、前記熱処理環境がＳｉリッチ環境又はＣリッチ環境であることを評価する工程である、請求項１～６の何れか一項に記載の熱処理環境の評価方法。
  9. 　前記炭化ケイ素基板は、六方晶系の結晶構造である、請求項１～８の何れか一項に記載の熱処理環境の評価方法。
  10. 　炭化ケイ素基板を熱処理環境で熱処理することによりステップ－テラス構造を形成する熱処理工程を含む、請求項１～９の何れか一項に記載の熱処理環境の評価方法。
  11. 　前記炭化ケイ素基板は、熱処理時にステップの発生源となるステップ形成部と、このステップ形成部に起因するステップ－テラス構造が形成される環境評価領域と、を備え、
    　前記環境評価工程は、前記環境評価領域を評価する工程である、請求項１～１０の何れか一項に記載の熱処理環境の評価方法。
  12. 　前記ステップ形成部は、貫通転位である、請求項１１に記載の熱処理環境の評価方法。
  13. 　前記ステップ形成部は、加工穴である、請求項１１に記載の熱処理環境の評価方法。
  14. 　前記環境評価領域は、加工凹部である、請求項１１～１３の何れか一項に記載の熱処理環境の評価方法。
  15. 　熱処理時にステップの発生源となるステップ形成部と、
    　このステップ形成部に起因するステップ－テラス構造が形成される環境評価領域と、を備える、炭化ケイ素基板。
  16. 　前記ステップ形成部は、貫通転位である、請求項１５に記載の炭化ケイ素基板。
  17. 　前記ステップ形成部は、加工穴である、請求項１５に記載の炭化ケイ素基板。
  18. 　前記環境評価領域は、加工凹部である、請求項１５～１７の何れか一項に記載の炭化ケイ素基板。

     
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