JP5145854B2 - 試料分析装置、試料分析方法および試料分析プログラム - Google Patents
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Description
X線CT法では、試料にX線を照射し、試料内部でのX線の吸収効果による透過X線の強度の変化を測定して、試料の透過像を取得する。この透過像を、試料の全方位に対して取得し、取得した透過像の画像再構成を行って試料の断層像を求める。このような形状の測定方法として、試料を構成する物質ごとのX線吸収の特性を利用し、試料内の特定の物質の高精度な断層像を測定する方法も知られている(例えば、特許文献1参照)。
図1は、試料分析装置の要部構成を説明する図である。
本発明の試料分析装置1は、LSIパッケージ内に封止された半導体基板である試料12を回転走査してX線を照射し、試料12を分析する。試料分析装置1は、X線照射部10、試料回転台13、透過X線検出部14、回折X線検出部15、演算部16および制御部17を有する。
X線照射部10は、X線源10a、モノクロメータ10b、4象限スリット10cおよびソーラースリット10dを有する。
モノクロメータ10bは、X線源10aによって放射されたX線を単色化する。
試料回転台13は、試料12を支持する。試料回転台13は、照射X線11に対する位置調整を行う機構を有する。また、試料回転台13は、試料12に対する照射X線11の入射角を、試料回転台13が有する照射X線11と垂直な回転軸によって変化または固定させる。ここで、以下では試料回転台13による試料12の回転角をωと表すこととする。
図2は、試料回転台に固定された座標系を示す図である。
回転角ωは、図3に示されるように、X線照射方向からの試料12の回転角度の変位を表す。
図4に示されるように、試料12のある結晶格子面12aに対して、ブラッグ角θでX線が入射する場合、図示の回折角2θでX線が回折される。試料面法線12bは、試料12のX線が照射される面に対する法線である。格子面法線12cは、結晶格子面12aに対する法線である。ここで、試料面法線と格子面法線のなす角をψとし、結晶格子面12aからの回折X線が発生したときの試料回転角をωψと表すこととすると、ωψ=θ+ψである。試料に応力が発生している場合、応力によって結晶格子面の間隔が広げられたり狭められたりするため、ブラッグ条件を満たすブラッグ角θが変化する。これによって、回折角2θも変化し、この2θを測定することで、応力を計算することができる。
図5は、試料の形状と応力の分布との測定の手順を説明するフローチャートである。
以下、図5に示す手順をステップ番号に沿って説明する。
[ステップS2]回転軸Rzによる試料12の回転角が0°から180°まで、以下のステップS3〜S8の手順を繰り返す。回転角180°での測定が完了したら、手順がステップS9に移される。
[ステップS6]演算部16は、回折X線像とステップS5で特定された回折位置とに基づいて、回折X線の回折角を特定する。
[ステップS8]試料回転台13は、回転軸Rzでさらに試料12を回転する。ここで、一度に回転させる角度は、0.1°〜10°程度である。ただし、応力を測定する回転角の近傍(±5°程度)では、より細かくデータを取得するために、一度に回転させる角度を0.0001°〜0.01°程度とする。
図6は、透過像による試料の位置調整の方法を示した第1の模式図である。
図6における透過像31〜34は、全て試料12の回転角ωを0°とした場合の透過像である。
透過像33は、位置調整における透過像32の次の段階を示している。制御部17は、透過像32の状態から回転軸Ryによる回転を行って、照射X線11に対する試料12の方向を決定する。
図7における透過像35,36は、図6で示した位置調整に引き続き、試料12の回転角ωを90°とした場合の透過像である。
透過像36は、位置調整における透過像35の次の段階を示している。制御部17は、試料回転台13が有する回転軸Rxにより回転を行い、さらに、試料回転台13が有するy軸方向の調整機構により、照射X線11に対する試料12の配置を決定する。
図8は、透過像と回折像との検出結果を表す第1の模式図である。
図9では、試料回転台13の回転角ωを45°とした場合の透過像42と回折像43を表している。この場合においても、回折像43には、回折X線が発生しないため回折X線による像は現れない。透過像42には、試料12を45°回転させたときの透過像が現れる。透過像42では、透過像40では現れなかった封止材および試料12の輪郭のぼやけが現れる。
図10では、試料回転台13の回転角ωを、試料12でX線の回折が発生する回転角ωψとした場合の透過像44と回折像45とを表している。この場合、透過像44は、試料12表面で回折が発生した箇所だけ透過X線の強度が著しく小さく検出される。一方、回折像45には、試料12からの回折像が検出される。ここで、図10に示す回折X線は、試料12の面上の応力が各点において等しいために、試料12の面上から一様に発生している様子を表している。
図11では、試料回転台13の回転角ωを90°とした場合の透過像46と回折像47を表している。この場合においても、回折像47には、回折X線が発生しないため回折X線による像は現れない。
図12では、試料回転台13の回転角ωが、試料12でX線の回折が発生する回転角ωψとした場合の透過像48と回折像49とを表している。図12では、透過X線を表す矢印は省略してある。図10にも同様に回折X線の発生の様子を表したが、図12では、回折X線の発生する領域が試料12のある点に限られている。
測定に用いる試料12は、LSIパッケージに封止されたSi基板とし、基板面に対する垂直方向をSi(1,0,0)の格子面法線の方向とする。そして、応力の無い状態において、格子面間隔d(=0.209036(Å))が同じ値であるSi(25,5,5)とSi(15,15,15)とに注目して回折X線を測定し、応力を計算する。
Si(1,0,0)の格子面法線とSi(0,1,1)の格子面法線とを含む面は、試料面50に対して垂直である。そして、Si(1,0,0)の格子面法線とSi(0,1,1)の格子面法線とを含む面に、Si(25,5,5)の格子面法線とSi(15,15,15)の格子面法線とが含まれる。測定においては、図13の試料面50に対してX線が照射される。照射するX線のエネルギーとしては、封止された試料12の透過像および回折像を検出するために最適なエネルギーが選択される。そして、回転角ωを変化させることで、X線の入射角度を変化させて測定を行う。なお、Si(1,0,0)の格子面法線とSi(25,5,5)の格子面法線とのなす角をψ1で表すものとし、Si(1,0,0)の格子面法線とSi(15,15,15)の格子面法線とのなす角をψ2で表すものとする。
回折像60は、Si基板のSi(25,5,5)に関する回折像を表している。回折像61は、Si(15,15,15)に関する回折像を表している。
グラフ80には、横軸にsin2ψ、縦軸に回折角2θ(deg.)が示されている。また、各結晶格子面に関するデータをプロットし、さらに2点を結ぶ直線を求めている。この直線の勾配が、式(1)における∂(2θ)/∂(sin2ψ)であり、式(1)より応力を求めることができる。
図16は、応力データテーブルを示す図である。
このように、回折X線を検出するごとに、透過像によって特定された回折位置の試料座標、回折角および試料回転角を関連付けながら測定することで、一度の試料回転走査によって応力の分布を短時間で測定することができる。
10 X線照射部
10a X線源
10b モノクロメータ
10c 4象限スリット
10d ソーラースリット
11 照射X線
12 試料
13 試料回転台
14 透過X線検出部
15 回折X線検出部
16 演算部
17 制御部
Claims (7)
- X線を用いて試料を分析する試料分析装置において、
前記試料に対してX線束を照射するX線照射部と、
前記試料を透過した透過X線を検出する透過X線検出部と、
前記試料で回折された回折X線を検出する回折X線検出部と、
前記透過X線検出部の検出結果に基づいて前記試料における回折位置を特定すると共に、前記回折X線検出部の検出結果に基づいてX線の照射方向に対する前記回折X線の回折角を特定して、前記回折角から前記回折位置の応力を算出する演算部と、
を有することを特徴とする試料分析装置。 - 前記透過X線検出部は、前記試料に対するX線の入射角を変化させたときの各入射角における透過X線を検出し、
前記回折X線検出部は、前記試料に対するX線の入射角を変化させたときの各入射角における回折X線を検出し、
前記演算部は、前記透過X線検出部の検出結果のうち前記回折X線が検出された入射角における検出結果を除外した検出結果に基づいて、X線断層撮影法を用いて前記試料の形状を計算する、
ことを特徴とする請求項1記載の試料分析装置。
- 前記演算部は、前記回折X線が検出された入射角から前後に所定角度だけ離れた入射角における前記透過X線検出部の各検出結果に基づいて、除外した検出結果を補完する、
ことを特徴とする請求項2記載の試料分析装置。 - 前記試料を保持する試料台と、
前記透過X線検出部の検出結果に基づいて、前記試料台を操作して試料位置を移動させる制御部とを更に有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の試料分析装置。 - 前記試料を保持して回転させる試料台を更に有しており、
前記演算部は、前記試料台の回転中心と前記回折位置との距離を計算し、計算した距離に基づいて前記回折X線検出部の検出結果を補正して前記回折角を特定することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の試料分析装置。 - X線を用いて試料を分析する試料分析方法において、
前記試料に対してX線束を照射し、
前記試料を透過した透過X線を検出すると共に、前記試料で回折された回折X線を検出し、
前記透過X線の検出結果に基づいて前記試料における回折位置を特定すると共に、前記回折X線の検出結果に基づいてX線の照射方向に対する前記回折X線の回折角を特定して、前記回折角から前記回折位置の応力を算出する、
ことを特徴とする試料分析方法。 - 試料に対してX線を照射したときに得られるデータに基づいて前記試料を分析する試料分析プログラムにおいて、
コンピュータを、
前記試料に対してX線束が照射されたときの、前記試料を透過した透過X線の検出データと前記試料で回折された回折X線の検出データとを取得するデータ取得手段、
前記データ取得手段が取得した前記透過X線の検出データに基づいて前記試料における回折位置を特定すると共に、前記データ取得手段が取得した前記回折X線の検出データに基づいて、X線の照射方向に対する前記回折X線の回折角を特定して、前記回折角から前記回折位置の応力を算出する応力計算手段、
として機能させることを特徴とする試料分析プログラム。
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