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JP5321815B2 - Nondestructive single crystal substrate warpage measuring method and measuring device - Google Patents
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JP5321815B2 - Nondestructive single crystal substrate warpage measuring method and measuring device - Google Patents

Nondestructive single crystal substrate warpage measuring method and measuring device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure warping without destructing a package, on a plurality of respective monocrystal substrates stored in the package by being mutually laminated. <P>SOLUTION: A method includes: a step of irradiating the package with an X-ray; a step of selectively detecting only a diffraction X-ray from a desired monocrystal substrate from a plurality of diffraction X-rays diffracted by the plurality of monocrystal substrates stored in the package, by adjusting a light receiving slit and by adjusting a position in the height direction of the package; a step of measuring a rocking curve of the diffraction X-ray from the desired monocrystal substrate; and a step of moving the package by a specific distance in the predetermined direction. The step of measuring the rocking curve and the step of moving the package by the specific distance in the predetermined direction, are repeatedly performed. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、単結晶基板の反りを測定する測定方法及び測定装置に関し、特にパッケージ内に実装された単結晶基板の反りを、パッケージを破壊することなく測定する測定方法及び測定装置に関する。   The present invention relates to a measuring method and a measuring apparatus for measuring a warp of a single crystal substrate, and more particularly to a measuring method and a measuring apparatus for measuring a warp of a single crystal substrate mounted in a package without destroying the package.

一般に結晶材料の物性量や性質の多くは、応力及びこれに伴って現れる格子歪によって変化する。また、結晶材料の応力や格子歪は、同じ材料であってもその成長条件や加工条件、あるいはその結晶材料に接する他の材料が及ぼす応力などによって変化する。したがって、結晶材料の応力や格子歪を評価しその用途に応じて加工・成長条件を最適化することが、高性能かつ高信頼の材料・製品開発にとって不可欠である。特に、半導体単結晶を用いてエレクトロニクス製品を製造する場合には、その単結晶を薄い板状のウエハに加工し、片面上にダイオード、トランジスタ、キャパシタ等の素子を形成する。これらの素子を形成するプロセスには、酸化、成膜、不純物導入、エッチング、熱処理等の工程が含まれため、半導体ウエハ内には応力が発生し、巨視的な反りとなって現れる。このウエハの反りは、半導体単結晶の物性量や性質を変化させるので、素子の性能及び信頼性に影響を与えうる。したがって、半導体ウエハの反りを評価する必要がある。   In general, many of the physical properties and properties of a crystal material vary depending on the stress and the lattice strain that accompanies it. In addition, the stress and lattice strain of a crystal material change depending on the growth conditions and processing conditions of the same material, or the stress exerted by other materials in contact with the crystal material. Therefore, it is indispensable for the development of high-performance and highly reliable materials and products to evaluate the stress and lattice strain of the crystal material and to optimize the processing and growth conditions according to the application. In particular, when an electronic product is manufactured using a semiconductor single crystal, the single crystal is processed into a thin plate-like wafer, and elements such as a diode, a transistor, and a capacitor are formed on one surface. Since the process for forming these elements includes steps such as oxidation, film formation, impurity introduction, etching, and heat treatment, stress is generated in the semiconductor wafer and appears as a macroscopic warpage. Since the warpage of the wafer changes the physical properties and properties of the semiconductor single crystal, it can affect the performance and reliability of the device. Therefore, it is necessary to evaluate the warpage of the semiconductor wafer.

また、近年のLSIのパッケージング技術においては、省スペース化の要求から、LSIの拡散工程を経た後に半導体ウエハを薄膜化し、チップに分割した後パッケージングを施すといった技術が検討されている。薄膜化された半導体チップはパッケージング材料の応力の影響を受けやすく、パッケージング後の半導体チップの反り状態は、パッケージング材料や工程により変化する。よって半導体製品の性能制御や信頼性向上のためには、パッケージング後の半導体チップの反りを測定する必要がある。   Further, in recent LSI packaging technology, in consideration of a demand for space saving, a technology has been studied in which a semiconductor wafer is thinned after an LSI diffusion process and then divided into chips and then packaged. The thinned semiconductor chip is easily affected by the stress of the packaging material, and the warped state of the semiconductor chip after packaging varies depending on the packaging material and process. Therefore, it is necessary to measure the warpage of the semiconductor chip after packaging in order to control the performance of the semiconductor product and improve the reliability.

従来、パッケージに封入された結晶試料の形状を非破壊で評価する技術として、xy面上に結晶試料を配置し、xz面に平行にX線を照射してxz面に平行に回折されるX線を検出する方法が知られている(例えば、特開2008−203212号公報)。   Conventionally, as a technique for nondestructively evaluating the shape of a crystal sample enclosed in a package, the crystal sample is placed on the xy plane, irradiated with X-rays parallel to the xz plane, and diffracted parallel to the xz plane. A method for detecting a line is known (for example, JP 2008-203212 A).

特開2008−203212号公報JP 2008-203212 A

近年の半導体チップの実装技術には、同じ機能を持つ複数の半導体チップ(主にメモリチップ)を積層しパッケージングすることで、製品が持つ情報処理能力や情報蓄積能力を大幅な搭載スペースの拡大無く向上させる技術として、マルチチップパッケージング(MCP:Multi-Chip-Packaging)技術がある。また、異なる種類の機能を持つ複数の半導体チップをひとつのパッケージ内に積層し、そのパッケージに新たな機能を持たせるというシステムインパッケージ(SiP:System in Package)といった技術もある。   In recent semiconductor chip mounting technology, multiple semiconductor chips with the same function (mainly memory chips) are stacked and packaged to greatly increase the information processing capability and information storage capability of the product. There is a multi-chip packaging (MCP) technology as a technology that can be improved without any problems. There is also a technology called system in package (SiP) in which a plurality of semiconductor chips having different types of functions are stacked in one package and the package has a new function.

これらMCPやSiPに代表される実装技術では各半導体チップは100μmあるいはそれ以下に薄膜化される。このため、半導体チップは従来のパッケージ技術においてよりもまして、パッケージ材料が持つ応力の影響を受けやすくなっている。したがって、MCPやSiPのように半導体チップが積層されている場合には、積層された半導体チップのそれぞれについて、反りを測定できることが望まれる。   In these mounting techniques represented by MCP and SiP, each semiconductor chip is thinned to 100 μm or less. For this reason, the semiconductor chip is more susceptible to the stress of the package material than in the conventional package technology. Therefore, when semiconductor chips are stacked like MCP and SiP, it is desirable that the warpage can be measured for each of the stacked semiconductor chips.

本発明は上記の問題を考慮してなされたものであり、パッケージされた単結晶基板、特に半導体チップの反りを非破壊かつ直接測定する方法及びそれを実現する装置を提供しようとするものである。   The present invention has been made in consideration of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for non-destructively and directly measuring warpage of a packaged single crystal substrate, particularly a semiconductor chip, and an apparatus for realizing the method. .

上記の課題を解決するため、本発明の第1の要旨に係る単結晶基板反り測定方法は、互いに積層されてパッケージに収容された複数の単結晶基板の各々の反りを前記パッケージを破壊することなく測定する単結晶基板の反り測定方法であって、前記パッケージにX線を照射するステップと、受光スリットの調節と前記パッケージの高さ方向の位置の調節とを行うことによって、前記複数の単結晶基板により回折された複数の回折X線のなかから、所望の単結晶基板からの回折X線だけを選択的に検出するステップと、前記所望の単結晶基板からの回折X線のロッキング曲線を測定するステップと、前記パッケージを所定方向に一定距離移動させるステップと、前記ロッキング曲線測定を行うステップと前記パッケージを所定方向に一定距離移動させるステップとを繰り返し行うことを特徴とする。   In order to solve the above problems, a method for measuring a warpage of a single crystal substrate according to the first aspect of the present invention destroys the warpage of each of a plurality of single crystal substrates stacked in one another and accommodated in a package. A method for measuring the warpage of a single crystal substrate, wherein the step of irradiating the package with X-rays, adjusting the light receiving slit and adjusting the position in the height direction of the package, A step of selectively detecting only a diffracted X-ray from a desired single crystal substrate from a plurality of diffracted X-rays diffracted by the crystal substrate; and a rocking curve of the diffracted X-ray from the desired single crystal substrate. Measuring, moving the package in a predetermined direction by a predetermined distance, measuring the rocking curve, and moving the package in a predetermined direction by a predetermined distance. And performing repeatedly the steps to.

また、本発明の第2の要旨に係る単結晶基板反り測定装置は、互いに積層されてパッケージに収容された複数の単結晶基板の各々の反りを前記パッケージを破壊することなく測定する単結晶基板の反り測定装置であって、前記パッケージにX線を照射する手段と、前記パッケージからの回折X線を検出する検出手段と、前記パッケージからの回折X線のうち、所望の単結晶基板からの回折X線だけを選択的に通過させるための受光スリットと、前記所望の単結晶基板からの回折X線が前記受光スリットを通過するように前記パッケージの高さ位置を調節する手段と、前記所望の単結晶基板からの回折X線のロッキング曲線を測定するために前記パッケージを所定の回転軸の周りで回動させる手段と、前記パッケージを所定方向に一定距離移動させる手段と、を備えていることを特徴とする。   A single crystal substrate warpage measuring apparatus according to a second aspect of the present invention is a single crystal substrate that measures each warp of a plurality of single crystal substrates stacked on each other and accommodated in a package without destroying the package. A warp measuring apparatus for irradiating the package with X-rays; detecting means for detecting diffracted X-rays from the package; and diffracted X-rays from the package from a desired single crystal substrate. A light receiving slit for selectively allowing only diffracted X-rays to pass; means for adjusting a height position of the package so that diffracted X-rays from the desired single crystal substrate pass through the light receiving slit; Means for rotating the package about a predetermined rotation axis to measure a rocking curve of diffracted X-rays from the single crystal substrate, and moving the package in a predetermined direction by a predetermined distance Characterized in that it comprises means for the.

本発明によれば、互いに積層されてパッケージに封入された複数の単結晶基板のうちの所望の単結晶基板の反りを、パッケージを破壊することなく確実に測定することができる。これにより、その測定結果に基づいた実装材料やプロセスの最適化が可能となり、高性能及び高信頼の製品開発が促進される。   According to the present invention, it is possible to reliably measure the warp of a desired single crystal substrate among a plurality of single crystal substrates stacked and sealed in a package without destroying the package. This makes it possible to optimize mounting materials and processes based on the measurement results, and promote the development of high-performance and highly reliable products.

本発明の反り測定方法の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the curvature measuring method of this invention. 本発明の反り測定方法の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the curvature measuring method of this invention. 本発明の反り測定方法の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the curvature measuring method of this invention. 本発明の反り測定方法の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the curvature measuring method of this invention. 本発明の反り測定方法の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the curvature measuring method of this invention. 本発明の対象となる試料の一例の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of an example of the sample used as the object of this invention. 入射X線、回折X線及び試料の位置関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the positional relationship of incident X-rays, diffraction X-rays, and a sample. (a),(b),(c)及び(d)は、本発明に係る反り測定の測定手順を説明するための説明図である。(A), (b), (c) and (d) are explanatory drawings for explaining a measurement procedure of warpage measurement according to the present invention. 4枚のSiチップを実装したMCPから得られるロッキング曲線の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the rocking curve obtained from MCP which mounted four Si chips. 4枚のSiチップを実装したMCP内の最上層のSiチップから得られるロッキング曲線の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the rocking curve obtained from the uppermost Si chip in MCP which mounted four Si chips. 2枚のSiチップを実装したMCPの一方のSiチップからの回折X線を選択的に検出する手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the procedure which selectively detects the diffraction X-ray from one Si chip of MCP which mounted two Si chips. 図11に続いて行われる手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the procedure performed following FIG. 図12に続いて行われる手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the procedure performed following FIG. チップ中央からの距離Xに対するωの変化を示すグラフであって、(a),(b)及び(c)は、それぞれ上から1枚目、2枚目及び3枚目のSiチップのものである。It is a graph which shows the change of (omega) B with respect to the distance X from a chip | tip center, Comprising: (a), (b) and (c) are the thing of the 1st, 2nd, and 3rd Si chip from the top, respectively It is. 図12から得られたΔωのチップ中央からの距離Xに対する変化を示すグラフであって、(a),(b)及び(c)は、それぞれ上から1枚目、2枚目及び3枚目のSiチップのものである。13 is a graph showing a change of Δω B obtained from FIG. 12 with respect to the distance X from the center of the chip, wherein (a), (b), and (c) are the first, second, and third sheets from the top, respectively. For the Si chip of the eye. Siチップの反りとΔωとの関係を説明するための図である。Si is a diagram for explaining the relationship between the chip warping and [Delta] [omega B. 図15に示すΔωから求められたチップ中央からの距離Xと反りとの関係を表すグラフである。Is a graph showing the relationship between the distance X and the warp of the chip center obtained from [Delta] [omega B shown in FIG. 15.

以下、本発明の単結晶基板の反り測定方法及び測定装置の実施の形態について添付図面を参照して説明する。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a method for measuring warpage of a single crystal substrate and a measuring apparatus according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明の反り測定方法の原理を説明するための図である。   FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the warpage measuring method of the present invention.

図1の測定装置は、X線回折法を採用したものであって、X線源11、入射スリット12、試料ステージ13、受光スリット14及び検出器15を備えている。なお、図1は説明のために簡略化されており、実際の測定に用いられる装置とは完全に一致するものではない。   1 employs an X-ray diffraction method, and includes an X-ray source 11, an entrance slit 12, a sample stage 13, a light receiving slit 14, and a detector 15. Note that FIG. 1 is simplified for the sake of explanation, and does not completely match the apparatus used for actual measurement.

X線源11には、適切な波長、出力のものが用いられる。また、試料として単結晶基板16が、試料ステージ13上に保持されている。   An X-ray source 11 having an appropriate wavelength and output is used. A single crystal substrate 16 is held on the sample stage 13 as a sample.

X線源11で発生させたX線は、入射スリット12を通過し、単結晶基板16に入射する。ここでは、X線が入射する照射領域17を領域Aとする。   X-rays generated by the X-ray source 11 pass through the entrance slit 12 and enter the single crystal substrate 16. Here, the irradiation area 17 on which X-rays enter is area A.

検出器15の位置及び向きを固定したまま、入射X線18の波数ベクトル19の方向から計った試料ステージ13の回転角ωを変化させると、ブラッグ条件が満たされるとき、すなわち照射領域17(領域A)の表面と入射X線18の波数ベクトル19のなす角αがある特定の値αをとるとき、X線の結晶回折が生じ、回折X線20が発生する(強度が最も強くなる)。この回折X線20は受光スリット14を通過して検出器15で検出される。ここで、回折X線20が検出されるときのωをωと表す。さらに、領域Aにおけるωの値をω(A)と表す。また、以下では回折X線の強度のω依存性を表したグラフをロッキング曲線と呼ぶことにする。 When the rotation angle ω of the sample stage 13 measured from the direction of the wave vector 19 of the incident X-ray 18 is changed while the position and orientation of the detector 15 are fixed, the Bragg condition is satisfied, that is, the irradiation region 17 (region when taking a particular value alpha B there is an angle alpha wave vectors 19 of the incident surface of a) X-ray 18, crystal diffraction X-ray is generated, the diffracted X-rays 20 are generated (intensity is strongest) . The diffracted X-ray 20 passes through the light receiving slit 14 and is detected by the detector 15. Here, ω when the diffracted X-ray 20 is detected is represented as ω B. Further, the value of omega B in the region A represents a omega B (A). In the following, a graph representing the ω dependency of the intensity of diffracted X-rays is referred to as a rocking curve.

次に、図2に示すように、ωをω(A)に維持したまま、試料ステージ13をX軸に平行に移動(ここでは正の方向へ移動)させる。その結果、照射領域17は、領域Aからそれとは異なる領域Bに変わる。このとき、単結晶基板16が反っていなければ、上記と同じように回折X線20が検出される。これは照射領域17の表面と入射X線18の波数ベクトル19のなす角αが領域Aの場合と領域Bの場合とでαのまま等しいためである。 Next, as shown in FIG. 2, while maintaining ω at ω B (A), the sample stage 13 is moved parallel to the X axis (in this case, moved in the positive direction). As a result, the irradiation area 17 changes from the area A to a different area B. At this time, if the single crystal substrate 16 is not warped, the diffracted X-rays 20 are detected as described above. This is because the angle α formed by the surface of the irradiation region 17 and the wave vector 19 of the incident X-ray 18 is equal to α B in the region A and in the region B.

これに対して、単結晶基板16に反りが生じている場合は、以下のようになる。ここでは、単結晶基板16が上に凸となるように反っているものとする。   On the other hand, when the single crystal substrate 16 is warped, the following occurs. Here, it is assumed that the single crystal substrate 16 is warped so as to protrude upward.

まず、図1と同様に、回折X線20が検出器15で検出される状態を作る。その様子を図3に示す。このとき、試料ステージ13の回転角ωをω(C)とする。照射領域17(領域C)の表面と入射X線18の波数ベクトル19のなす角αは、回折X線20が検出されているので、αである。 First, as in FIG. 1, a state in which the diffracted X-ray 20 is detected by the detector 15 is created. This is shown in FIG. At this time, the rotation angle ω of the sample stage 13 is ω B (C). The angle α formed by the surface of the irradiation region 17 (region C) and the wave vector 19 of the incident X-ray 18 is α B because the diffracted X-ray 20 is detected.

次に、ωをω(C)に維持したまま、試料ステージ13をX軸に平行に移動(ここでは負の方向へ移動)させ、照射領域17を領域Cとは異なる領域Dに変更する。その状態を図4に示す。 Next, while maintaining ω at ω B (C), the sample stage 13 is moved parallel to the X axis (in this case, moved in the negative direction), and the irradiation region 17 is changed to a region D different from the region C. . The state is shown in FIG.

図4から理解されるように、単結晶基板16に反りが生じていると、照射領域17の表面と入射X線18の波数ベクトル19のなす角αは、領域Cの場合と領域Dの場合とで異なる。即ち、α≠αとなる。このため、位置固定された検出器15によっては、回折X線20を検出できなくなる。 As can be understood from FIG. 4, when the single crystal substrate 16 is warped, the angle α formed by the surface of the irradiation region 17 and the wave vector 19 of the incident X-ray 18 is the case of the region C and the case of the region D. And different. That is, the α ≠ α B. For this reason, the diffraction X-ray 20 cannot be detected by the detector 15 whose position is fixed.

領域Dからの回折X線を検出器15で検出できるようにするには、照射領域17(領域D)の表面と入射X線18の波数ベクトル19のなす角αがαと等しくなるように、図5に示すように、試料ステージの回転角ωを変更すればよい。すなわち、照射領域17(測定点)が移動することによって生じるαの変化を打ち消す方向にωの値を調整すればよい。定量的には、領域Cの表面と領域Dの表面とのなす角をΔθ≧0とするとき、数式1のようにすればよい。 To be able to detect by the detector 15 the diffracted X-rays from the area D, as the angle alpha of the wave vector 19 of the irradiation region 17 surface and the incident X-ray (area D) 18 is equal to alpha B As shown in FIG. 5, the rotation angle ω of the sample stage may be changed. That is, the value of ω may be adjusted in a direction that cancels the change in α caused by the movement of the irradiation region 17 (measurement point). Quantitatively, when the angle formed by the surface of the region C and the surface of the region D is Δθ ≧ 0, the equation 1 may be used.

Figure 0005321815
Figure 0005321815

これにより、照射領域17が領域Dのときのαがαと等しくなり、回折X線20が検出される。 Thus, the irradiation region 17 becomes equal to the alpha is alpha B when the region D, the diffraction X-ray 20 is detected.

以上の説明から、単結晶基板16の反っている場合、照射領域17を移動させると回折X線が検出される際のωが変化することが理解される。   From the above description, it is understood that when the irradiation region 17 is moved when the single crystal substrate 16 is warped, ω when the diffracted X-ray is detected changes.

さらに、数式1を数式2のように変形する。   Furthermore, Formula 1 is transformed into Formula 2.

Figure 0005321815
Figure 0005321815

これは、照射領域17を領域Cにした場合と領域Dにした場合に夫々ωを測定すれば、その差から領域Cと領域Dの表面のなす角、すなわち反りによる表面の角度変化を求めることができることを示している。 If ω B is measured when the irradiation region 17 is the region C and the region D, the angle between the surfaces of the region C and the region D, that is, the angle change of the surface due to warpage is obtained from the difference. It shows that you can.

以上では、単結晶基板16が上に凸に反っている場合について説明したが、下に凸に反っている場合も同様の原理で反りによる表面のなす角の変化を測定することが可能である(説明は省略する)。単結晶基板16が下に凸に反っている場合は、上記数式1及び2は、数式3及び4のように変更される。   Although the case where the single crystal substrate 16 is warped upward has been described above, the change of the angle formed by the warp can be measured by the same principle even when the single crystal substrate 16 is warped downward. (Description is omitted). When the single crystal substrate 16 is warped downward, the above formulas 1 and 2 are changed to the following formulas 3 and 4.

Figure 0005321815
Figure 0005321815
Figure 0005321815
Figure 0005321815

すなわち、ωの位置変化の符号から反りの向き(上に凸あるいは下に凸)の判定が可能である。 That is, it is possible to determine the position of the codes of the change in the warp direction of the omega B (convex downward convex or above).

以上がX線回折を用いて単結晶基板の反りを測定する方法の原理の説明である。   The above is the description of the principle of the method of measuring the warpage of the single crystal substrate using X-ray diffraction.

さて、上記説明では試料が単結晶基板であったが、本発明はパッケージングされた半導体チップ(に用いられている単結晶基板)の反りを測定しようとするものである。パッケージングされた半導体チップの反りを測定するには、パッケージングの実装材料越しにX線回折の測定を行わなくてはならない。一般に、強度IのX線が物質へ入射し、その物質中を進んだ場合、X線はその物質によって吸収され、その強度は数式5のように深さ(X線が透過した厚さ)tに対し指数関数的に減衰する。 In the above description, the sample is a single crystal substrate, but the present invention intends to measure the warpage of a packaged semiconductor chip (a single crystal substrate used therein). In order to measure the warpage of a packaged semiconductor chip, X-ray diffraction must be measured through the packaging mounting material. In general, when X-rays having an intensity of 10 enter the material and travel through the material, the X-rays are absorbed by the material, and the intensity is expressed by the depth (the thickness through which the X-rays are transmitted) as shown in Equation 5. Decay exponentially with respect to t.

Figure 0005321815
Figure 0005321815

ここでρは物質の密度、μはX線の質量吸収係数である。μは物質を構成する元素や入射X線のエネルギーに依存する。すなわち、原子番号Zが大きい元素ほどμは大きい傾向にあり、入射X線のエネルギーEが高いほどμは小さい。これらの依存性は、吸収端近傍を除いて、近似的に以下の数式6のように表される。 Density here ρ is material, the mu m is the mass absorption coefficient of X-ray. mu m is dependent on the energy of the elements and the incident X-rays that make up the substance. That is in the mu m is a greater tendency as elemental atomic number Z is high, the higher the energy E of the incident X-ray mu m is small. These dependencies are approximately expressed as in the following Equation 6 except for the vicinity of the absorption edge.

Figure 0005321815
Figure 0005321815

ここで、kは比例係数である。よって、より高エネルギーのX線を用いることでパッケージ材料によるX線の吸収を小さくすることが可能であり、その結果パッケージ等の実装材料越しでのX線回折測定が可能となる。   Here, k is a proportionality coefficient. Therefore, by using higher energy X-rays, the absorption of X-rays by the package material can be reduced, and as a result, X-ray diffraction measurement through a mounting material such as a package becomes possible.

図6は、本発明の一実施の形態に係る反り測定装置の特定対象となる試料60の一例の断面図である。   FIG. 6 is a cross-sectional view of an example of a sample 60 to be specified by the warpage measurement apparatus according to the embodiment of the present invention.

図示の半導体パッケージは、樹脂基板61上に、単結晶基板を用いて作製された4枚のSiチップ62乃至65が積層されている。これら積層されたSiチップ62乃至65は、配線され、モールド材料15により封止されている。   In the illustrated semiconductor package, four Si chips 62 to 65 manufactured using a single crystal substrate are stacked on a resin substrate 61. These stacked Si chips 62 to 65 are wired and sealed with a molding material 15.

次に、本実施の形態に係る測定装置を用いた反り測定方法について説明する。装置の構成は、図1と同様である。X線源11としては、例えば、電子シンクロトロンを用いることができる。即ち、入射X線18として、電子のシンクロトロン放射から得られる高エネルギーX線(エネルギー:18keV)を用いることができる。また、波長が0.16nmより短いX線を用いることが好ましい。   Next, a warpage measurement method using the measurement apparatus according to the present embodiment will be described. The configuration of the apparatus is the same as in FIG. For example, an electron synchrotron can be used as the X-ray source 11. That is, high-energy X-rays (energy: 18 keV) obtained from electron synchrotron radiation can be used as the incident X-rays 18. Moreover, it is preferable to use X-rays having a wavelength shorter than 0.16 nm.

なお、X線源11と入射スリット12は、試料60にX線を照射するX線照射装置として機能する。試料ステージ13は、X軸、Y軸及びZ軸に沿って試料を移動させる移動・調節手段として、また、これらの軸を回転の中心として回動させる回動手段として機能する。試料ステージ13は、受光スリット14とともに、試料60からの複数の回折X線のうち、所望の(単結晶基板からの)回折X線のみが検出器15によって検出されるようにする。   The X-ray source 11 and the entrance slit 12 function as an X-ray irradiation apparatus that irradiates the sample 60 with X-rays. The sample stage 13 functions as a movement / adjustment unit that moves the sample along the X axis, the Y axis, and the Z axis, and as a rotation unit that rotates these axes about the center of rotation. The sample stage 13, together with the light receiving slit 14, causes the detector 15 to detect only a desired diffracted X-ray (from the single crystal substrate) among the plurality of diffracted X-rays from the sample 60.

図7は、入射X線18、回折X線20及び試料60(X線照射領域17)の位置関係を示す平面図である。   FIG. 7 is a plan view showing the positional relationship between the incident X-ray 18, the diffracted X-ray 20, and the sample 60 (X-ray irradiation region 17).

入射X線18のサイズを規定する入射スリット12の開口サイズは、回折X線20検出するのに適切なサイズ、例えば、0.2mm×0.05mmとする。   The opening size of the incident slit 12 that defines the size of the incident X-ray 18 is set to an appropriate size for detecting the diffracted X-ray 20, for example, 0.2 mm × 0.05 mm.

入射スリット12の開口サイズを0.2mm×0.05mmとしたとき、Siチップ上での入射X線の照射領域18は、例えば回折X線としてSi(001)基板から得られるSi(004)回折X線を用いる場合、およそW1×W2=0.2mm×0.27mmの領域となる(図7に白抜きで示した領域)。   When the opening size of the entrance slit 12 is 0.2 mm × 0.05 mm, the irradiation region 18 of incident X-rays on the Si chip is, for example, Si (004) diffraction obtained from a Si (001) substrate as diffracted X-rays. When X-rays are used, the area is approximately W1 × W2 = 0.2 mm × 0.27 mm (area shown in white in FIG. 7).

以下、反り測定の手順を、図8及び図1を参照して説明する。   Hereinafter, the procedure of warpage measurement will be described with reference to FIGS.

まず、図8(a)に示すように試料60の端部に入射X線18が照射されるように試料60を試料ステージ13にセットする。ここで、X線源11や検出器15等は、入射X線18及び回折X線20がXZ平面上を進ように調整されているものとする。   First, as shown in FIG. 8A, the sample 60 is set on the sample stage 13 so that the incident X-ray 18 is irradiated to the end portion of the sample 60. Here, it is assumed that the X-ray source 11 and the detector 15 are adjusted so that the incident X-ray 18 and the diffracted X-ray 20 travel on the XZ plane.

次に、Y軸(図の表裏方向)を回転の中心として試料ステージ13を所定の角度ずつ回転させ(回転角ωを変化させ)、検出器15で検出されるX線の強度を測定(ロッキング曲線を測定)する。測定した結果を回転角ωの関数としてグラフ化すると、図8(b)に示すようなロッキング曲線が得られる。ロッキング曲線のピークが得られる回転角ωを、その測定点(照射領域17)におけるωとする。 Next, the sample stage 13 is rotated by a predetermined angle (changing the rotation angle ω) with the Y axis (front and back in the figure) as the center of rotation, and the intensity of the X-ray detected by the detector 15 is measured (rocking). Measure the curve). When the measurement result is graphed as a function of the rotation angle ω, a rocking curve as shown in FIG. 8B is obtained. The rotation angle ω at which the peak of the rocking curve is obtained is ω B at the measurement point (irradiation region 17).

次に、照射領域17をX軸に沿って移動させ、図8(c)に示すように、図8(a)の場合とは異なる領域に入射X線18を照射する。そして、再び、試料ステージ13の回転角ωを変化させつつ、検出器15で検出されるX線の強度を測定する。その結果、図8(d)に示すようなロッキング曲線が得られ、その測定点におけるωが求まる。 Next, the irradiation region 17 is moved along the X axis, and as shown in FIG. 8C, the incident X-ray 18 is irradiated to a region different from the case of FIG. Then, again, the X-ray intensity detected by the detector 15 is measured while changing the rotation angle ω of the sample stage 13. As a result, a rocking curve as shown in FIG. 8D is obtained, and ω B at the measurement point is obtained.

図8(d)に示すように、今回得られたロッキング曲線(実線で示す)と、先に得られたロッキング曲線(破線で示す)との間のズレ(回転角ωの差)と、測定点間(照射領域間)の距離とから、反りの向き及び大きさを求めることができる。   As shown in FIG. 8D, the deviation (difference in rotation angle ω) between the rocking curve obtained this time (shown by a solid line) and the previously obtained rocking curve (shown by a broken line) and measurement From the distance between points (between irradiation areas), the direction and size of warpage can be obtained.

さて、図8(b)及び(d)に示すロッキング曲線は、夫々ピークを一つしか持たない。しかしながら、試料60は、4つのSiチップ62乃至65が積層されたものであるため、実際には、図9に示すような複数のピークを持つロッキング曲線が通常得られる。各ピークは、積層されたSチップ62乃至65のいずれかに対応するものである。この様な場合、ピークとSiチップとの対応付けを行う必要がある。   Now, the rocking curves shown in FIGS. 8B and 8D each have only one peak. However, since the sample 60 is formed by stacking four Si chips 62 to 65, actually, a rocking curve having a plurality of peaks as shown in FIG. 9 is usually obtained. Each peak corresponds to one of the stacked S chips 62 to 65. In such a case, it is necessary to associate the peak with the Si chip.

ロッキング曲線のピークと積層されたSiチップとの対応付けは、強度に基づいて行うことができる。即ち、強度が大きい順に、上から一層目のSiチップ65、二層目のSiチップ64及び三層目のSiチップ64からの回折X線20であると判断することができる。これは、より下層のSiチップからの回折X線ほど吸収による強度減衰が大きいためである。   The correlation between the peak of the rocking curve and the stacked Si chip can be performed based on the strength. That is, it can be determined that the diffraction X-rays 20 are from the first Si chip 65, the second Si chip 64, and the third Si chip 64 from the top in descending order of intensity. This is because the diffracted X-ray from the lower Si chip has a greater intensity attenuation due to absorption.

図9において、各ピークの間隔は、0.1°から0.15°である。複数枚のSiチップ殻の解析X線を容易に識別可能とするため、入射X線17の発散角は、小さいほうがよい。具体的には、MCP内に実装されたSiチップの反り測定を行う場合、入射X線の発散角は0.1ミリラジアン以下であることが望ましい。   In FIG. 9, the interval between the peaks is 0.1 ° to 0.15 °. In order to easily identify analytical X-rays of a plurality of Si chip shells, the divergence angle of incident X-rays 17 should be small. Specifically, when measuring the warpage of the Si chip mounted in the MCP, the divergence angle of incident X-rays is desirably 0.1 milliradians or less.

複数のピークが観測される状況下で、図8を参照して上述した方法で、複数のSiチップについて、夫々反りを求めることも不可能ではない。しかしながら、試料60を移動させて入射X線18の照射領域17を変更すると、それまで分離して観測されていた回折X線のピークが偶発的に重なり、その結果ピーク位置の判断が困難になるという問題が起こりうる。   In a situation where a plurality of peaks are observed, it is not impossible to obtain warpage for each of a plurality of Si chips by the method described above with reference to FIG. However, if the irradiation region 17 of the incident X-ray 18 is changed by moving the sample 60, the peaks of the diffracted X-rays that have been observed separately until then overlap, resulting in difficulty in determining the peak position. The problem can occur.

そこで、本実施の形態では、図9に示すような複数のピークを持つロッキング曲線を得た後、試料の高さ位置と受光スリット14の開口幅の調節を行い、図10に示すようなピークが一つのロッキング曲線が得られるようにする。即ち、所望の一枚のSiチップからの回折X線20が検出器15に入射するようにする。以下、図11及び図12を参照して、具体的な調節方法について説明する。ここでは、説明を簡単にするため、試料が2枚のSiチップ62,63を含んでいるものとするが、試料が3枚以上のSiチップを含む場合であっても、同様の方法で、所望の一枚のSiチップからの回折X線20を検出することができる。   Therefore, in this embodiment, after obtaining a rocking curve having a plurality of peaks as shown in FIG. 9, the height position of the sample and the opening width of the light receiving slit 14 are adjusted, and the peaks as shown in FIG. To obtain a single rocking curve. That is, the diffracted X-ray 20 from a desired single Si chip is incident on the detector 15. Hereinafter, a specific adjustment method will be described with reference to FIGS. 11 and 12. Here, in order to simplify the explanation, it is assumed that the sample includes two Si chips 62 and 63, but even if the sample includes three or more Si chips, Diffracted X-rays 20 from a desired single Si chip can be detected.

まず、図11に示すように、2枚のSiチップ62及び63からの回折X線71及び72がともに検出器15で検出されているものとする。   First, as shown in FIG. 11, it is assumed that the diffracted X-rays 71 and 72 from the two Si chips 62 and 63 are detected by the detector 15.

次に、図12に示すように、検出器15と試料ステージ13(試料60)との間に受光スリット14を挿入する。受光スリット14の開口幅は、いずれか一方のSiチップ61又は62からの回折X線71又は72が通過できる幅とする。あるいは、スリットの開口幅を調節することが可能な受光スリット14を予め挿入しておいてもよい。この場合、始めは開口幅を広くして2つのSiチップ61及び62からの回折X線71及び72がともに検出できるようにしておき、その後、一方の回折X線71又は72を選択的に検出できるようにする。   Next, as shown in FIG. 12, a light receiving slit 14 is inserted between the detector 15 and the sample stage 13 (sample 60). The opening width of the light receiving slit 14 is a width through which the diffracted X-rays 71 or 72 from one of the Si chips 61 or 62 can pass. Or you may insert the light-receiving slit 14 which can adjust the opening width of a slit previously. In this case, the opening width is initially widened so that both diffracted X-rays 71 and 72 from the two Si chips 61 and 62 can be detected, and then one diffracted X-ray 71 or 72 is selectively detected. It can be so.

次に、図13に示すように、試料ステージ13をZ軸方向に移動させて試料60の位置を調節し、所望の一枚のSiチップ(ここではSiチップ62)からの回折X線(ここでは回折X線72)のみが検出器15に到達するようにする。   Next, as shown in FIG. 13, the position of the sample 60 is adjusted by moving the sample stage 13 in the Z-axis direction, and diffracted X-rays (here, Si chip 62) from a desired single Si chip (here, Si chip 62). Then, only the diffracted X-rays 72) are allowed to reach the detector 15.

以上のようにして、試料60に含まれる複数枚のSiチップのうちの一つからの回折X線を検出するように調節した後、図8を参照して説明したように、照射領域17を移動させ、各測定点のωを求める。 After adjusting to detect diffracted X-rays from one of the plurality of Si chips included in the sample 60 as described above, the irradiation region 17 is set as described with reference to FIG. Move to obtain ω B of each measurement point.

測定は、例えば試料の表面を横断するように一方の縁から他方の縁まで一定の間隔で行う。測定の途中で、他のSiチップからの回折X線と取り違えないように、即ち、同一のSiチップからの回折X線を検出し続けることができるように、測定点の間隔は小さくする。例えば、試料ステージの一回の移動量を0.1mmとする。   The measurement is performed at regular intervals from one edge to the other edge, for example, so as to cross the surface of the sample. In the middle of the measurement, the interval between the measurement points is made small so as not to be mistaken for diffracted X-rays from other Si chips, that is, to continue to detect diffracted X-rays from the same Si chip. For example, a single movement amount of the sample stage is set to 0.1 mm.

実際の試料に対して、「試料ステージをX軸に沿って0.1mm移動させる」ステップと、「ロッキング曲線を取得しωを求める」ステップとを繰り返し、試料の一方の縁から他方の縁までのωを求めた結果を図14(a),(b)及び(c)に示す。試料は4枚のSiチップを含んでいたが、そのうち上層の3枚についてωを求めることができた。 For the actual sample, repeat the steps of “moving the sample stage by 0.1 mm along the X axis” and “obtaining a rocking curve and obtaining ω B ”, and from one edge of the sample to the other edge The results of obtaining ω B up to are shown in FIGS. 14 (a), (b) and (c). The sample included four Si chips, and ω B could be obtained for the upper three of them.

図14(a),(b)及び(c)は、チップ中央からの距離Xに対するωの依存性を表している。図15は、チップ中央(X=0)のωを基準(=0)としたときの差Δω(X)=ω(X)−ω(X=0)を示すグラフである。 FIGS. 14A, 14B, and 14C show the dependence of ω B on the distance X from the center of the chip. FIG. 15 is a graph showing a difference Δω B (X) = ω B (X) −ω B (X = 0) when ω B at the center of the chip (X = 0) is used as a reference (= 0).

上述のようにω(X)の変化は反りによるSiチップ表面の角度変化に相当するので、Δω(X)は、X=0のチップ表面を基準に計った位置Xにおけるチップ表面の角度を表している。 As described above, since the change in ω B (X) corresponds to the change in the angle of the Si chip surface due to warping, Δω B (X) is the angle of the chip surface at the position X measured with respect to the chip surface where X = 0. Represents.

よって、図16のようにSiチップ断面の模式図を書き、基板の反り表す曲線をz=f(X)と表すとき、f(X)の傾きはちょうどtan(−Δω(X))=−tan(Δω(X))に等しい。マイナスの符号がつくのは、Δω(X)は反りによる基板表面の角度変化そのものではなく、それを打ち消すようにして試料ステージの回転角ωを調整して得られる量であるからである。以上から、測定値であるΔω(X)を用いて、f(X)を得るための微分方程式が以下の数式7として得られる。 Therefore, when a schematic diagram of the cross section of the Si chip is written as shown in FIG. 16 and the curve representing the warpage of the substrate is expressed as z = f (X), the inclination of f (X) is just tan (−Δω B (X)) = It is equal to tan (Δω B (X)). The reason why the minus sign is attached is that Δω B (X) is not the angle change itself of the substrate surface due to the warp but the amount obtained by adjusting the rotation angle ω of the sample stage so as to cancel it. From the above, a differential equation for obtaining f (X) is obtained as Equation 7 below using Δω B (X) which is a measured value.

Figure 0005321815
z=f(X)はこれを積分することによって以下の数式8が得られる。
Figure 0005321815
Figure 0005321815
z = f (X) is integrated to obtain the following Expression 8.
Figure 0005321815

したがって、図15の結果と数式8を用いて積分を行えば、f(X)すなわち、Siチップの反りを求めることができる。こうして求められた結果を図17に示す。表面側から1枚目から3枚目までのSiチップは、全体として波型に反っており、チップ中央付近は上に凸型に反っている。これはモールド材料等のチップ周辺の材料による応力の影響を反映していると考えられる。このようにして明らかになったパッケージ中のチップ反りについての情報は、実装プロセス開発や不具合解析、信頼性技術に対して有効な知見となる。   Therefore, if integration is performed using the result of FIG. 15 and Equation 8, f (X), that is, the warp of the Si chip can be obtained. The results obtained in this way are shown in FIG. The first to third Si chips from the surface side are warped as a whole, and the vicinity of the center of the chip is warped upward. This is considered to reflect the influence of stress due to the material around the chip, such as a mold material. The information about the chip warpage in the package that has been clarified in this way is useful knowledge for mounting process development, failure analysis, and reliability technology.

なお、試料には4枚のSiチップが含まれており、最下層(上から4枚目)のSiチップからの回折X線を検出することができなかったが、エネルギーの高いX線を用いることで上から4枚目のSiチップからの回折X線の検出も可能となる。   Note that the sample contains four Si chips, and diffraction X-rays from the lowermost (fourth from the top) Si chip could not be detected, but high-energy X-rays were used. Thus, it becomes possible to detect diffracted X-rays from the fourth Si chip from the top.

以上、本発明について一実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱することなく種々の変形、変更が可能である。   As mentioned above, although this invention was demonstrated according to one embodiment, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation and change are possible without deviating from the main point of this invention. .

11 X線源
12 入射スリット
13 試料ステージ
14 受光スリット
15 検出器
16 単結晶基板
17 照射領域
18 入射X線
19 波数ベクトル
20 回折X線
60 試料
61 樹脂基板
62,63,64,65 Siチップ
66 モールド材料
71、72 回折X線
11 X-ray source 12 Incident slit 13 Sample stage 14 Receiving slit 15 Detector 16 Single crystal substrate 17 Irradiation area 18 Incident X-ray 19 Wave vector 20 Diffraction X-ray 60 Sample 61 Resin substrate 62, 63, 64, 65 Si chip 66 Mold Material 71, 72 Diffracted X-ray

Claims (8)

互いに積層されてパッケージに収容された複数の単結晶基板の各々の反りを前記パッケージを破壊することなく測定する単結晶基板の反り測定方法であって、
前記パッケージにX線を照射するステップと、
受光スリットの調節と前記パッケージの高さ方向の位置の調節とを行うことによって、前記複数の単結晶基板により回折された複数の回折X線のなかから、所望の単結晶基板からの回折X線だけを選択的に検出するステップと、
前記所望の単結晶基板からの回折X線のロッキング曲線を測定するステップと、
前記パッケージを所定方向に一定距離移動させるステップと、
前記ロッキング曲線測定を行うステップと前記パッケージを所定方向に一定距離移動させるステップとを繰り返し行うことを特徴とする単結晶基板の反り測定方法。
A method for measuring warpage of a single crystal substrate, wherein warpage of each of a plurality of single crystal substrates stacked on each other and accommodated in a package is measured without destroying the package,
Irradiating the package with X-rays;
By adjusting the light receiving slit and adjusting the position of the package in the height direction, the diffracted X-rays from a desired single crystal substrate can be obtained from the plurality of diffracted X-rays diffracted by the plurality of single crystal substrates. Selectively detecting only, and
Measuring a rocking curve of diffracted X-rays from the desired single crystal substrate;
Moving the package a predetermined distance in a predetermined direction;
A method for measuring warpage of a single crystal substrate, comprising repeatedly performing the step of measuring the rocking curve and the step of moving the package in a predetermined direction by a predetermined distance.
前記パッケージにX線を照射するステップは、ビーム発散角が0.1ミリラジアン以下であるX線を前記パッケージに照射するステップであることを特徴とする請求項1に記載の単結晶基板の反り測定方法。   2. The warpage measurement of a single crystal substrate according to claim 1, wherein the step of irradiating the package with X-rays is a step of irradiating the package with X-rays having a beam divergence angle of 0.1 milliradians or less. Method. 前記パッケージにX線を照射するステップは、シンクロトロン放射により発生させたX線を前記パッケージに照射するステップであることを特徴とする請求項1又は2に記載の単結晶基板の反り測定方法。   The method for measuring a warpage of a single crystal substrate according to claim 1, wherein the step of irradiating the package with X-rays is a step of irradiating the package with X-rays generated by synchrotron radiation. 前記パッケージにX線を照射するステップは、波長が0.16nmより短いX線を前記パッケージに照射するステップであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の単結晶基板の反り測定方法。   4. The single irradiation according to claim 1, wherein the step of irradiating the package with X-rays is a step of irradiating the package with X-rays having a wavelength shorter than 0.16 nm. Method for measuring warpage of crystal substrate. 互いに積層されてパッケージに収容された複数の単結晶基板の各々の反りを前記パッケージを破壊することなく測定する単結晶基板の反り測定装置であって、
前記パッケージにX線を照射する手段と、
前記パッケージからの回折X線を検出する検出手段と、
前記パッケージからの回折X線のうち、所望の単結晶基板からの回折X線だけを選択的に通過させるための受光スリットと、
前記所望の単結晶基板からの回折X線が前記受光スリットを通過するように前記パッケージの高さ位置を調節する手段と、
前記所望の単結晶基板からの回折X線のロッキング曲線を測定するために前記パッケージを所定の回転軸の周りで回転させる手段と、
前記パッケージを所定方向に一定距離移動させる手段と、
を備えていることを特徴とする単結晶基板の反り測定装置。
A warp measuring device for a single crystal substrate that measures each warp of a plurality of single crystal substrates stacked on each other and accommodated in a package without destroying the package,
Means for irradiating the package with X-rays;
Detecting means for detecting diffracted X-rays from the package;
A light receiving slit for selectively allowing only the diffracted X-rays from the desired single crystal substrate out of the diffracted X-rays from the package;
Means for adjusting the height position of the package so that diffracted X-rays from the desired single crystal substrate pass through the light receiving slit;
Means for rotating the package about a predetermined axis of rotation to measure a rocking curve of diffracted x-rays from the desired single crystal substrate;
Means for moving the package a predetermined distance in a predetermined direction;
A warp measuring device for a single crystal substrate, comprising:
前記パッケージにX線を照射する手段は、ビーム発散角が0.1ミリラジアン以下であるX線を前記パッケージに照射する手段であることを特徴とする請求項5に記載の単結晶基板の反り測定装置。   6. The warpage measurement of a single crystal substrate according to claim 5, wherein the means for irradiating the package with X-rays is means for irradiating the package with X-rays having a beam divergence angle of 0.1 milliradians or less. apparatus. 前記パッケージにX線を照射する手段は、シンクロトロン放射により発生させたX線を前記パッケージに照射する手段であることを特徴とする請求項5又は6に記載の単結晶基板の反り測定装置。   7. The single crystal substrate warpage measuring apparatus according to claim 5, wherein the means for irradiating the package with X-rays is means for irradiating the package with X-rays generated by synchrotron radiation. 前記パッケージにX線を照射する手段は、波長が0.16nmより短いX線を前記パッケージに照射する手段であることを特徴とする請求項5乃至請求項7のいずれか一項に記載の単結晶基板の反り測定装置。   The means for irradiating the package with X-rays is means for irradiating the package with X-rays having a wavelength shorter than 0.16 nm. Crystal substrate warpage measurement device.
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