DE4100680A1 - Non-destructive detection of deformations of semiconductor crystal in housing - using goniometer to excite crystal by X=ray beam penetrating housing via shutter - Google Patents

Non-destructive detection of deformations of semiconductor crystal in housing - using goniometer to excite crystal by X=ray beam penetrating housing via shutter

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Abstract

A detector (2) in the geniometer (3) is set to a selected Bragg reflex belonging to a reflective crystal lattice plane of the semiconductor crystal (1). The latter is set in a reflection position w.r.t. the selected Bragg reflex. The crystal is scanned stepwise by parallel sliding in the crystal lattice plane. If a deformation exits, the selected Bragg reflex at the fixed detector is set to max. intensity by following up the positioning of the crystal so that it is placed in a new reflection position. The deformation is evaluated from the crystal positions assumed. USE/ADVANTAGE - Arcing, breakage or fissure directly detected by registered angle of incidence. Allows control by pressure from plastics material on chips.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung von Verformungen, die beim Ummanteln eines Halb­ leiterkristalles durch makroskopische Spannungen an diesem auftreten können.The invention relates to a method for non-destructive Determination of deformations when sheathing a half conductor crystal due to macroscopic stresses on this may occur.

Die beim Ummanteln von Halbleiterchips, beispielsweise mit Epoxidharz, häufig auftretenden makroskopischen Spannungen führen zu Verformungen des ummantelten Halbleiterkristalles (Chip). Dies kann im schlimmsten Fall zum Bruch des Chips, zur Abscherung von Bonddrähten oder zur Zerstörung der Chip­ struktur führen. Die Spannungen werden hauptsächlich durch zwei Arbeitsgänge in der Chipfertigung erzeugt. Hier ist zum einen das Aufkleben des Halbleiterkristalles auf einem Träger und zum anderen das Umpressen der Anordnung mit einem Epoxidharz bei Temperaturen von ca. 175°C zu nennen. Durch die unterschied­ lichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien treten teilweise Bimetalleffekte auf, die zur Durchbiegung führen.The when wrapping semiconductor chips, for example with Epoxy resin, common macroscopic stresses lead to deformations of the coated semiconductor crystal (Chip). In the worst case, this can lead to chip breakage Shear off bond wires or destroy the chip lead structure. The tensions are mainly two Operations in the chip production generated. Here is one the sticking of the semiconductor crystal on a carrier and to others the molding of the arrangement with an epoxy resin Temperatures of approx. 175 ° C. By the difference Liche thermal expansion coefficient of the involved Materials sometimes appear bimetallic effects that lead to Deflection.

Um derartige Verformungen zu detektieren und zu messen, können Dehnungssensoren in ein Chipgehäuse eingebaut werden. Ein der­ artiges als Mikro-Spannungssensor bezeichnetes Bauteil ist beispielsweise aus der DE-OS 37 42 673 bekannt.In order to detect and measure such deformations, Strain sensors are installed in a chip housing. One of the is known as a micro-voltage sensor component known for example from DE-OS 37 42 673.

Ein anderes aus der DE-OS 38 20 862 bekanntes Verfahren detek­ tiert Verformungen am Chip durch Bestrahlung der Gehäuseober­ fläche mit einem Laserstrahl vorbestimmter Intensität und Zeit­ dauer und der daraus resultierenden Wärmeverteilung an der Oberfläche in Anschluß daran. Dieses Verfahren ist insoweit zerstörungsfrei, mißt jedoch nicht unmittelbar die Verformungen, die am Halbleiterkristall aufgetreten sind.Another method known from DE-OS 38 20 862 detek deforms the chip by irradiating the top of the housing area with a laser beam of predetermined intensity and time duration and the resulting heat distribution at the Surface following. This procedure is so far non-destructive, but does not immediately measure the deformations, that have occurred on the semiconductor crystal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Prüfverfahren für in einem Gehäuse befindliche Halbleiterkristalle zur Verfügung zu stellen, mittels dem Verformungen des Halblei­ terkristalles direkt meßbar sind, wobei das Verfahren zur Prozeßkontrolle des Ummantelns bzw. Umpressens von Halblei­ terkristallen einsetzbar ist.The invention has for its object a test method for semiconductor crystals in a housing for To make available by means of the deformation of the semi-lead Terkristalles are directly measurable, the method for Process control of sheathing or pressing of semi-lead crystal can be used.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wiedergegeben.The solution to this problem is provided by the characteristic part of claim 1 reproduced.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Mittel der Röntgendiffraktometrie zur zerstörungsfreien Messung der Verbiegung von Halbleiterkristallen in einem Gehäuse einsetz­ bar sind. Der mittels Röntgenstrahlung einer bestimmten Apertur beaufschlagte Halbleiterkristall kann somit trotz Um­ mantelung vermessen werden, wobei das Verfahren in einem Goniometer abläuft. Die die Ummantelung durchdringende Rönt­ genstrahlung wird schrittweise und rasterförmig über den Halbleiterkristall geführt, wozu der Halbleiterkristall in seiner Positionierung von Schritt zu Schritt nachgeführt wird. Dies geschieht derart, daß jeweils wieder die anfangs einge­ stellte Reflexionsstellung der reflektierenden Netzebene bei konstanter Richtung der Röntgenstrahlung und bei fest einge­ stelltem Detektor für die reflektierte Röntgenstrahlung ein­ gestellt wird. Falls derartige Nachführungen der Positionie­ rung notwendig sind, weil eine Verformung am Halbleiterkri­ stall vorliegt, so kann aus der jeweiligen Positionierung des Halbleiterkristalles diese Verformung ermittelt werden. Liegen keine Verformungen vor, so ist eine Nachführung der Positio­ nierung des Halbleiterkristalles nicht nötig.The invention is based on the knowledge that the means X-ray diffractometry for non-destructive measurement of the Use bending of semiconductor crystals in a housing are cash. The one using x-rays of a certain Aperture impinged semiconductor crystal can therefore despite Um jacket are measured, the method in one Goniometer expires. The X-ray penetrating the casing gene radiation is gradually and grid-shaped over the Semiconductor crystal performed, what the semiconductor crystal in its positioning is tracked step by step. This is done in such a way that each one is switched on again provided the reflective position of the reflective network plane constant direction of the X-rays and with fixed on set detector for the reflected X-rays is provided. If such tracking of the position tion are necessary because of a deformation at the semiconductor junction stall is present, the position of the Semiconductor crystal this deformation can be determined. Lie there are no deformations, so the position is tracked Nation of the semiconductor crystal is not necessary.

Ein derartiges Verfahren erübrigt den Einsatz von Dehnungs­ sensoren in einem Chipgehäuse. Es läßt sich leicht Automati­ sieren und erkennt jede Verformung des Halbleiterkristalles sowie auch Aufspaltungen oder Brüche. Das Verfahren ist zer­ störungsfrei und kann beispielsweise als Prozeßkontrolle nach dem Umpressen des Halbleiterkristalles mit einem Kunststoff eingesetzt werden. Such a procedure eliminates the use of expansion sensors in a chip housing. It is easy to automate and detects any deformation of the semiconductor crystal as well as splits or breaks. The process is zer trouble-free and can be used, for example, as process control pressing the semiconductor crystal with a plastic be used.  

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß als Röntgenstrahlung die Agk α-Linie mit einer Wellenlänge von 0,5 Å verwendet wird. Durch den Einsatz einer entsprechenden Röntgenröhre ist gewährleistet, daß das Durchdringungsvermögen der Röntgenstrahlung in bezug auf das Gehäuse oder die Um­ mantelung des Chips ausreichend ist. Mit der hier vorgeschla­ genen Röntgenstrahlung ist es möglich, Ummantelungen, die meist verschiedenartige Gesteinsmehle enthalten, zu durch­ dringen.An advantageous embodiment of the method provides that the Ag k α line with a wavelength of 0.5 Å is used as the X-ray radiation. The use of an appropriate X-ray tube ensures that the penetration of the X-ray radiation in relation to the housing or the coating of the chip is sufficient. With the X-rays proposed here, it is possible to penetrate through sheaths, which usually contain different types of rock powder.

Für den Fall, daß ein Siliziumeinkristall auf Verformungen hin untersucht werden soll, ist es vorteilhaft, den Bragg-Reflex Si (12 0 0) zu verwenden. Dieser entspricht einem Winkel 2R=76,34°. Da derartige Halbleiterkristalle in der Regel unter der kristallografischen Richtung (1 0 0) geschnitten werden, liegt die reflektierende Netzebene in diesem Fall an­ nähernd parallel zur Oberfläche des Halbleiterkristalles und das Verfahren läßt sich somit in einfacher Weise durchführen.In the event that a silicon single crystal for deformation to be examined, it is advantageous to use the Bragg reflex Si (12 0 0) to use. This corresponds to an angle 2R = 76.34 °. Because such semiconductor crystals usually cut below the crystallographic direction (1 0 0) the reflective network level is applied in this case approximately parallel to the surface of the semiconductor crystal and the method can thus be carried out in a simple manner.

Im folgenden wird anhand der schematischen Figuren ein Aus­ führungsbeispiel beschrieben:In the following, an out is made using the schematic figures Leading example described:

Die Fig. 1 zeigt die Braggsche Reflexion an Netzebenen. Fig. 1 shows the Bragg reflection at power levels.

Die Fig. 2 zeigt das Schema eines Röntgendiffraktometers/ Goniometers. Fig. 2 shows the diagram of an X / goniometer.

In der Fig. 1 sind mehrere im Netzebenenabstand d parallel übereinander liegende Netzebenen 10 skizziert. Ein unter dem Glanzwinkel R einfallender Röntgenstrahl 11 wird an den Netz­ ebenen 10 nach dem Reflexionsgesetz reflektiert. Unter Ver­ wendung der Agk α -Linie, die die weitaus höchste Intensität einer Röntgenröhre 4 mit einer Silberanode besitzt, wird eine ausreichende Eindringtiefe in den Halbleiterkristall 1 ge­ währleistet. Folglich tragen nicht nur die obersten Netz­ ebenen 10 zur Beugungs- oder Reflexionserscheinung bei, so daß die Interpretation des Meßergebnisses eindeutig ist. Die zusätzlich insgesamt zweimal zu durchdringende Schicht der Ummantelung beträgt in der Regel 3 mm. Die nach der Reflexion an den Netzebenen 10 detektierbaren Maxima der Röntgen­ interferenzen, d. h. die Röntgenreflexe, werden als Bragg- Reflexe bezeichnet. Da die Anzahl der interferierenden Streu­ wellen sehr groß ist, sind die Interferenzmaxima sehr scharf und die resultierenden Amplituden für kristallografische Zwischenrichtungen verschwinden praktisch.In Fig. 1 a plurality of d parallel one above the other in the interplanar spacing lying lattice planes 10 are sketched. An X-ray beam 11 incident at the glancing angle R is reflected on the network planes 10 according to the law of reflection. Using the Ag k α line, which has by far the highest intensity of an X-ray tube 4 with a silver anode, a sufficient depth of penetration into the semiconductor crystal 1 is ensured. Consequently, not only the top network levels 10 contribute to the diffraction or reflection phenomenon, so that the interpretation of the measurement result is clear. The layer of the sheathing to be penetrated a total of two times is usually 3 mm. The detectable maxima of the X-ray interferences after the reflection at the network planes 10 , ie the X-ray reflections, are referred to as Bragg reflections. Since the number of interfering stray waves is very large, the interference maxima are very sharp and the resulting amplitudes for crystallographic intermediate directions practically disappear.

Die Fig. 2 zeigt schematisch einen Halbleiterkristall 1 mit Gehäuse, der in einem Goniometer in Reflexionsstellung positioniert ist. Das Goniometer ist durch den Meßkreis 3 angedeutet. Der Detektor 2 ist auf dem Halbkreis zwischen 0° und 180° fest auf einen bestimmten Reflex, in diesem Fall auf den Si (12 0 0), eingestellt. Die Röntgenröhre 4 liefert die oben beschriebene Röntgenstrahlung, die über Aperturblenden 5, 6 in einem bestimmten Aperturwinkel ϕ auf den Halbleiter­ kristall 1 mit Gehäuse gerichtet ist. Die jeweils bestrahlte Fläche auf dem Halbleiterkristall 1 bzw. auf dessen Gehäuse ist durch die Aperturblenden 5, 6 auf eine möglichst kleine Fläche begrenzt. In der Praxis wird mit einer Fläche von 1×1 mm gearbeitet. Dies ist notwendig, um nicht einen größeren Ausschnitt aus dem Halbleiterkristall 1 zu betrachten, der eine wesentliche Ausdehnung einer Verformung beinhaltet. Die Verformung des Halbleiterkristalles 1 soll vielmehr in so differentiell kleinen Schritten gemessen werden, daß sie exakt beschrieben werden kann.The Fig. 2 schematically shows a semiconductor crystal 1 with housing, which is positioned in a goniometer in reflecting position. The goniometer is indicated by measuring circuit 3 . The detector 2 is fixed on the semicircle between 0 ° and 180 ° to a certain reflex, in this case the Si (12 0 0). The x-ray tube 4 delivers the x-ray radiation described above, which is directed via aperture diaphragms 5 , 6 at a certain aperture angle ϕ onto the semiconductor crystal 1 with the housing. The respectively irradiated area on the semiconductor crystal 1 or on its housing is limited by the aperture diaphragms 5 , 6 to the smallest possible area. In practice, an area of 1 × 1 mm is used. This is necessary in order not to consider a larger section from the semiconductor crystal 1 which contains a substantial expansion of a deformation. The deformation of the semiconductor crystal 1 should rather be measured in such differentially small steps that it can be described exactly.

Die allgemein bekannte Braggsche Gleichung beschreibt die Zusammenhänge bei der Beugung von Röntgenstrahlen am Raum­ gitter eines Kristalles bzw. bei der Reflexion an Netzebenen 10. Der Winkel zwischen dem Halbleiterkristall 1 oder genauer gesagt zwischen der reflektierenden Netzebene 10 und dem ein­ fallenden Röntgenstrahl 11 wird als Glanzwinkel R bezeichnet. Nach der Reflexion an Netzebenen 10 taucht entsprechend dem Reflexionsgesetz ein Winkel 2 R auf, der meist als Bragg- Winkel bezeichnet wird. Der Strahlengang wird an dieser Stelle ebenfalls mittels einer Aperturblende 7 eingegrenzt und über ein Filter 8 geführt. Die Detektorblende 9 schützt den Detektor 2 vor Störreflexen.The generally known Bragg equation describes the relationships between the diffraction of X-rays at the spatial lattice of a crystal or the reflection at network planes 10 . The angle between the semiconductor crystal 1 or more precisely between the reflective network plane 10 and the falling X-ray beam 11 is referred to as the glancing angle R. After reflection on network planes 10 , an angle 2 R appears, which is usually referred to as the Bragg angle, according to the law of reflection. The beam path is also limited at this point by means of an aperture diaphragm 7 and passed through a filter 8 . The detector diaphragm 9 protects the detector 2 from interference reflections.

Der Meßaufbau besteht beispielsweise aus einem Standard-Zwei­ kreisgoniometer. Der Halbleiterkristall 1 wird darin so justiert, daß er in Reflexionsstellung kommt. Weist der Halb­ leiterkristall 1 keinerlei Verformung auf und ist vollständig plan, so bleibt er beim anschließenden Abrastern, wobei er parallel zu der reflektierenden Netzebene 10 verschoben wird, in Reflexionsstellung. Ist er dagegen gekrümmt, so muß der Glanzwinkel R verstellt werden, um die reflektierende Netz­ ebene 10 wieder in Reflexion zu bringen, so daß der Bragg- Reflex Si (12 0 0) wieder mit maximaler Intensität auf den fest eingestellten Detektor 2 fällt. Hierzu wird die Lage des Halb­ leiterkristalles 1 verändert bzw. nachgeführt. Die Krümmung des Halbleiterkristalles 1 läßt sich letztendlich aus dem Glanzwinkel, so wie er bei jedem einzelnen Schritt der Ab­ rasterung vorliegt bzw. aus der differenziellen Nachstellung berechnen. Die Abtastung des Kristalls läßt sich Automatisie­ ren und ein Rechner kann die Steuerung und Datenerfassung durchführen. Durch entsprechende Software ist es dann möglich, die Reflexe automatisch zu suchen.The measurement setup consists, for example, of a standard two-circle goniometer. The semiconductor crystal 1 is adjusted so that it comes into the reflection position. If the semiconductor crystal 1 has no deformation whatsoever and is completely planar, it remains in the reflection position during the subsequent scanning, whereby it is shifted parallel to the reflecting network plane 10 . If, on the other hand, it is curved, then the glancing angle R must be adjusted in order to bring the reflective network plane 10 back into reflection, so that the Bragg reflex Si (12 0 0) falls on the fixed detector 2 again with maximum intensity. For this purpose, the position of the semiconductor crystal 1 is changed or updated. The curvature of the semiconductor crystal 1 can ultimately from the gloss angle, as it is present in each individual step of the rasterization or calculated from the differential adjustment. The scanning of the crystal can be automated and a computer can perform the control and data acquisition. Appropriate software then makes it possible to automatically search for the reflections.

Da in der Praxis Siliziumeinkristalle meist in der kristallo­ grafischen Richtung (1 0 0) geschnitten werden, ist es sinn­ voll, bei dem hier beschriebenen Verfahren den Bragg-Reflex (12 0 0) zu verwenden. Die Bragg-Reflexe (1 0 0), (4 0 0) und (8 0 0) können ebenso verwendet werden. Die reflektierende Netzebene 10 wird in der Regel nicht exakt parallel zur Ober­ fläche eines Kristalles liegen, da zwar die Schnittrichtung bei einem Siliziumeinkristall ungefähr die kristallografische Richtung (1 0 0) ist, zur Erzielung einer besseren Ätzbarkeit wird jedoch unter einem Winkel von ca. 1 bis 3° in bezug auf diese Richtung geschnitten.Since in practice silicon single crystals are mostly cut in the crystallographic direction (1 0 0), it makes sense to use the Bragg reflex (12 0 0) in the method described here. The Bragg reflections (1 0 0), (4 0 0) and (8 0 0) can also be used. The reflective network plane 10 will generally not be exactly parallel to the surface of a crystal, since the cutting direction for a silicon single crystal is approximately the crystallographic direction (1 0 0), but to achieve better etchability, an angle of approximately 1 is used cut up to 3 ° in this direction.

Um die Fläche des auf den Chip auftreffenden Röntgenstrahles 11, der bereits durch die Aperturblenden 5 und 6 eingegrenzt ist, nicht wesentlich über 1 mm2 anwachsen zu lassen, wird in der Regel ein Glanzwinkel R von mehr als 45° verwendet.In order not to allow the area of the X-ray beam 11 striking the chip, which is already delimited by the aperture diaphragms 5 and 6 , to increase significantly beyond 1 mm 2 , a gloss angle R of more than 45 ° is generally used.

Zur Nachführung der Positionierung des Halbleiterkristalles 1 ist es zweckmäßig, vier Freiheitsgrade zur Verfügung zu haben. Eine Version wäre beispielsweise die horizontale und vertikale Verschiebung, sowie eine Drehung und eine Verkippung.To track the positioning of the semiconductor crystal 1 , it is expedient to have four degrees of freedom available. A version would be, for example, the horizontal and vertical displacement, as well as a rotation and a tilt.

Als Detektor kann beispielsweise ein Szintillationszähler für den entsprechenden Wellenlängenbereich verwendet werden. Als Röntgenröhre 4 kann beispielsweise eine wassergekühlte Röhre mit einer Silberanode mit einer maximalen Leistung von 1,2 kW verwendet werden. Die Anregungsspannung für die Agk α-Linie liegt bei 25 kV (maximal 50 kV).For example, a scintillation counter for the corresponding wavelength range can be used as the detector. For example, a water-cooled tube with a silver anode with a maximum power of 1.2 kW can be used as the X-ray tube 4 . The excitation voltage for the Ag k α line is 25 kV (maximum 50 kV).

Das verwendete Goniometer besitzt mechanisch voneinander un­ abhängige und jeweils über Schrittmotoren steuerbare Meßkreise, wobei das Verfahren prinzipiell auch mit einem einfachen Goniometer ausführbar ist.The goniometer used is mechanically separate from one another dependent measuring circuits that can be controlled via stepper motors, in principle, the method also with a simple Goniometer is executable.

Claims (3)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung von Verformungen eines Halbleiterkristalles (1) in einem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - der Halbleiterkristall (1) in einem Goniometer mit einer das Gehäuse durchdringenden und durch Blenden (5, 6) ein­ gegrenzten Röntgenstrahlung beaufschlagt wird,
  • - ein in dem Goniometer (3) enthaltener Detektor (2) fest auf einen ausgewählten, zu einer reflektierenden Netzebene (10) des Halbleiterkristalles (1) gehörenden Bragg-Reflex des Halbleiterkristalles (1) eingestellt wird,
  • - der Halbleiterkristall (1) bezüglich des ausgewählten Bragg- Reflexes in Reflexionsstellung positioniert wird,
  • - der Halbleiterkristall (1) durch parallele Verschiebung in der reflektierenden Netzebene (10) schrittweise abgetastet wird, wobei bei einer Verformung des Halbleiterkristalles durch Nachführen von dessen Positionierung in erneute Re­ flexionsstellung des Halbleiterkristalles (1) der ausge­ gewählte Bragg-Reflex am fest eingestellten Detektor (2) jeweils auf maximale Intensität eingestellt wird und
  • - Verformungen des Halbleiterkristalles (1) durch Auswertung seiner jeweiligen Positionierung ermittelt werden.
1. A method for the non-destructive determination of deformations of a semiconductor crystal ( 1 ) in a housing, characterized in that
  • - The semiconductor crystal ( 1 ) in a goniometer is subjected to a penetrating X-ray radiation which penetrates the housing and is masked by screens ( 5 , 6 ),
  • - a is set in the goniometer (3) contained detector (2) fixed to a selected to a reflective power plane (10) of the semiconductor crystal (1) belonging to Bragg reflection of the semiconductor crystal (1),
  • - The semiconductor crystal ( 1 ) is positioned in the reflection position with respect to the selected Bragg reflex,
  • - The semiconductor crystal ( 1 ) is scanned step by step by parallel displacement in the reflecting network plane ( 10 ), with the deformation of the semiconductor crystal by tracking its positioning in re-reflection position of the semiconductor crystal ( 1 ) the selected Bragg reflex at the fixed detector ( 2 ) is set to maximum intensity in each case and
  • - Deformations of the semiconductor crystal ( 1 ) can be determined by evaluating their respective positioning.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Röntgenstrahlung die Agk α -Linie mit einer Wellenlänge von 0,5 Å verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the Ag k α line with a wavelength of 0.5 Å is used as X-rays. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Prüfung eines Siliziumeinkristalles der Bragg-Reflex Si (12 0 0) verwendet wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that when testing a silicon single crystal, the Bragg reflex Si (12 0 0) is used.
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