JP5359165B2 - Nondestructive warpage measuring method and measuring apparatus for single crystal substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は単結晶基板の非破壊反り測定方法及び測定装置に係り、特に単結晶基板の反りを、部品を破壊することなく回折X線を用いて測定する単結晶基板の非破壊反り測定方法及び測定装置に関する。 The present invention relates to a non-destructive warpage measuring method and measuring apparatus for a single crystal substrate, and more particularly to a non-destructive warpage measuring method for a single crystal substrate for measuring the warpage of a single crystal substrate using diffracted X-rays without destroying parts. It relates to a measuring device.
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。従って、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。 In general, many of the physical properties and properties of a crystal material vary depending on stress and lattice strain appearing accompanying the stress. In addition, even if the crystal material has the same stress and lattice strain, it varies 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.
特に、半導体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ェハに加工し、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るため、半導体ウェハ内には応力が発生し、巨視的な反りとなって現れる。この半導体ウェハの反りは、半導体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る。従って、半導体ウェハの反りを評価する必要がある。 In particular, when an electronic product is manufactured using a semiconductor 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. This warpage of the semiconductor wafer changes the physical properties and properties of the semiconductor crystal, thus affecting the performance and reliability of the device. Therefore, it is necessary to evaluate the warpage of the semiconductor wafer.
そこで、半導体ウェハに対応する単結晶基板の反りを測定する方法が特許文献1に記載されている。特許文献1記載の単結晶基板の反りの測定方法では、被測定試料であるシリコン単結晶の回折角度幅の百分の一以下のX線を単結晶基板に入射し、単結晶基板の反りによって入射条件の異なる回折X線を原子核乾板に記録する。そして、上記の測定方法では、記録した回折X線の強度分布から反りを測定する。
Therefore,
ところで、近年の大規模半導体集積回路(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ェ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。 By the way, in the recent large-scale semiconductor integrated circuit (LSI) packaging technology, due to the demand for space saving, the semiconductor wafer is thinned and divided into chips after the LSI diffusion process, and then packaging is performed. Is being considered.
例えば、同じ機能を持つ半導体チップ(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は、マルチ・チップ・パッケージング(Multi−Chip−Packaging:MCP)技術と呼ばれる。また、異なる種類の機能を持つ半導体チップを一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(System in Package:SiP)といった技術も知られている。 For example, by stacking and packaging semiconductor chips with the same function (mainly memory chips), the technology to improve the information processing capability and information storage capability of products without significantly increasing the mounting space is a multi-chip. -It is called a packaging (Multi-Chip-Packaging: MCP) technology. Also known is a system in package (SiP) technique in which semiconductor chips having different types of functions are stacked in one package and the package is given a new function.
このようなMCPやSiPに代表される実装技術では、半導体チップ(単結晶基板)は100μmあるいはそれ以下に薄膜化される。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易くなるため、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。従って、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。特に、パッケージング後の積層された複数の半導体チップ(単結晶基板)のそれぞれについて、反りを測定できることが望ましい。 In such mounting technology represented by MCP and SiP, a semiconductor chip (single crystal substrate) is thinned to 100 μm or less. Since the thinned semiconductor chip is easily affected by the stress of the packaging material, the warped state of the semiconductor chip after packaging varies depending on the packaging material and the 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. In particular, it is desirable that warpage can be measured for each of a plurality of stacked semiconductor chips (single crystal substrates) after packaging.
しかるに、前述した特許文献1記載の単結晶基板の反りの測定方法は、シリコン単結晶の回折角度幅の百分の一以下のX線を単結晶基板に直接入射し、それにより得られる回折X線に基づいて単結晶基板の反りを測定する方法である。このため、特許文献1記載の単結晶基板の反りの測定方法では、パッケージ内の積層された複数の単結晶基板に対して、パッケージ越しにX線を照射し、パッケージ中から積層された複数の単結晶基板からの回折X線を検出して、単結晶基板個々の反りを検出することができない。
However, the above-described method for measuring the warpage of a single crystal substrate described in
なお、パッケージされた半導体チップの応力や反りの評価は、これまでにもラマン分光法や歪ゲージ法を用いて行われてきた。しかし、ラマン分光法は、パッケージの断面において測定を行う破壊検査であり、断面作成の際に応力が緩和するため、測定結果が実際の半導体チップの応力を反映しない場合があるという懸念がある。また、歪ゲージ法は非破壊検査であるが、この方法で測定される歪は、パッケージ表面の歪であり、半導体チップに加わる歪は推定でしか求められない。また、上記のMCPやSiPのように複数の半導体チップが積層されている場合には、個々の半導体チップの歪の推定の難易度が大幅に増す。 The evaluation of stress and warpage of a packaged semiconductor chip has heretofore been performed using Raman spectroscopy and strain gauge methods. However, Raman spectroscopy is a destructive inspection in which measurement is performed on the cross section of the package, and stress is relaxed when the cross section is created. Therefore, there is a concern that the measurement result may not reflect the actual stress of the semiconductor chip. Although the strain gauge method is a nondestructive inspection, the strain measured by this method is a strain on the package surface, and the strain applied to the semiconductor chip can be obtained only by estimation. In addition, when a plurality of semiconductor chips are stacked like the above MCP and SiP, the difficulty of estimating the strain of each semiconductor chip is greatly increased.
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、パッケージ材料で封止した部品中の単結晶基板の反りを、部品を破壊することなくパッケージ材料越しに回折X線を用いて測定する単結晶基板の非破壊反り測定方法及び測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and a single crystal substrate that measures the warpage of a single crystal substrate in a component sealed with a package material using a diffracted X-ray through the package material without destroying the component. An object of the present invention is to provide a nondestructive warpage measuring method and measuring apparatus.
上記の目的を達成するため、本発明の単結晶基板の非破壊反り測定方法は、一枚のプリント基板上に積層された複数の単結晶基板をプリント基板と共にパッケージ材料で封止した部品にX線を照射する照射ステップと、個々の単結晶基板からの回折X線をパッケージ材料越しに一つのロッキング曲線の中にピーク分離を行うことにより検出して、複数の単結晶基板のそれぞれの反りを非破壊で測定する検出・測定ステップとを含むことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a non-destructive warpage measuring method for a single crystal substrate according to the present invention is applied to a component in which a plurality of single crystal substrates stacked on one printed circuit board are sealed together with a printed circuit board with a package material. an irradiation step of irradiating the line, is detected by performing the peak separation in a single rocking curve diffracted X-rays from each of the single-crystal substrate in the package material over each of the warp of the single crystal substrate several And a detection / measurement step for nondestructively measuring.
また、上記の目的を達成するため、本発明の単結晶基板の非破壊反り測定装置は、一枚のプリント基板上に積層された複数の単結晶基板をプリント基板と共にパッケージ材料で封止した部品にX線を照射する照射手段と、個々の単結晶基板からの回折X線をパッケージ材料越しに一つのロッキング曲線の中にピーク分離を行うことにより検出して、複数の単結晶基板のそれぞれの反りを非破壊で測定する検出・測定手段とを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the non-destructive warpage measuring apparatus for a single crystal substrate according to the present invention is a component in which a plurality of single crystal substrates stacked on a single printed circuit board are sealed together with a package material together with a package material. irradiating means for irradiating X-rays on, it is detected by performing the peak separation in a single rocking curve diffracted X-ray in the packaging material over from the individual single-crystal substrate, each of the multiple single-crystal substrate And a detecting / measuring means for non-destructively measuring the warpage of the substrate.
本発明によれば、パッケージ材料により封止した単結晶基板の反りを、部品を破壊することなくパッケージ材料越しに回折X線を用いて測定することができ、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せることができる。 According to the present invention, the warpage of the single crystal substrate sealed with the package material can be measured using the diffracted X-rays through the package material without destroying the components. Process optimization is possible, and high-performance and highly reliable product development can be promoted.
次に、本発明の実施形態について図面と共に詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1〜図5は、本発明になる単結晶基板の非破壊反り測定方法の基本となるX線回折法で用いる手段と構成、及びX線光線図の概略を示す。図1〜図5は説明のために簡略化されており、実際の測定における手段とその構成、及びX線光線図と完全には一致しない場合もある。なお、図1〜図5において、同一構成部分には同一符号を付してある。 1 to 5 show an outline of means and configuration used in an X-ray diffraction method, which is the basis of a non-destructive warpage measuring method for a single crystal substrate according to the present invention, and an X-ray ray diagram. 1 to 5 are simplified for the sake of explanation, and may not completely coincide with the means and configuration of actual measurement and the X-ray ray diagram. 1 to 5, the same components are denoted by the same reference numerals.
図1において、適切なX線源2で発生したX線は入射スリット3を通過し、試料ステージ6上に固定された単結晶基板5の照射領域7(領域A)に入射する。X線検出器1を固定したまま、入射X線4の波数ベクトル8の方向から測定した試料ステージ6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7(領域A)の表面と入射X線4の波数ベクトル8とのなす角αがある特定の値αBをとるとき、X線の結晶回折が生じX線検出器1で回折X線9が検出される。ここで、回折X線9が検出されるときの回転角ωをωBと表す。さらに、照射領域7(領域A)におけるωBの値をωB(A)とする。また、本明細書では回折X線強度のω依存性をロッキング曲線と呼ぶことにする。
In FIG. 1, X-rays generated by an
単結晶基板5が反っていない場合、回転角ωをωB(A)にしたまま、試料ステージ6をX軸方向へ移動させ、図2に示すように、単結晶基板5上の他の領域25(領域B)にX線を照射しても、回折X線9はX線検出器1により引き続き検出される。これは領域25の表面と入射X線4の波数ベクトル8とのなす角αが領域7と領域25とでαBのまま同じためである。
When the
これに対して、図3から図5に示すように、単結晶基板5が上に凸に反っている場合を考える。まず、図3に示すように、照射領域26(領域C)にX線4を照射したときの回転角ωBをωB(C)とする。このとき、回折X線9がX線検出器1により検出されているので、照射領域26(領域C)の表面と入射X線4の波数ベクトル8とのなす角αはαBである。
On the other hand, as shown in FIGS. 3 to 5, consider a case where the
次に、図4に示すように、回転角ωをωB(C)に設定したまま、試料ステージ6をX軸に平行にX軸の負の方向へ移動し、照射領域27(領域D)にX線4を照射する。このときは、照射領域27(領域D)では単結晶基板5の反りにより照射領域27(領域D)の表面と入射X線4の波数ベクトル8とのなす角αがαBからずれるため、単結晶基板5からの回折X線はX線検出器1により検出されない。
Next, as shown in FIG. 4, with the rotation angle ω set to ω B (C), the
照射領域27(領域D)にX線を照射したときに得られる回折X線9を検出するためには、図5に示すように、照射領域27(領域D)の表面と入射X線4の波数ベクトル8とのなす角αがαBとなるように試料ステージ6の回転角ωの値を変化させればよい。すなわち、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、照射領域26(領域C)の表面と照射領域27(領域D)の表面とのなす角をΔθ≧0とするとき、
ω=ωB(C)+Δθ
=ωB(D) (1)
とすれば、照射領域27(領域D)の表面と入射X線4の波数ベクトル8とのなす角αがαBとなり、回折X線9がX線検出器1により検出される。以上の説明から、単結晶基板5の反りにより回折X線9が検出される際の回転角ωが変化することが理解される。
In order to detect the diffracted X-rays 9 obtained when the irradiation region 27 (region D) is irradiated with X-rays, the surface of the irradiation region 27 (region D) and the
ω = ω B (C) + Δθ
= Ω B (D) (1)
Then, the angle α formed by the surface of the irradiation region 27 (region D) and the
ここで、(1)式を変形すると、次式が得られる。 Here, when the equation (1) is modified, the following equation is obtained.
ωB(D)−ωB(C)=+Δθ (2)
これは照射領域27(領域D)と照射領域26(領域C)とでωBを測定すれば、その変化から領域Cと領域Dの表面のなす角Δθ、すなわち反りによる表面の角度変化が求められることを示している。
ω B (D) −ω B (C) = + Δθ (2)
If ω B is measured in the irradiation region 27 (region D) and the irradiation region 26 (region C), the angle Δθ formed by the surfaces of the region C and the region D, that is, the change in the surface angle due to warpage is obtained from the change. It is shown that.
以上では、単結晶基板5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が測定可能である(説明は省略する)。ただし、下に凸に反っている場合の回転角ωと、領域Cと領域Dの表面のなす角Δθは、上記の(1)式及び(2)式とは異なり、それぞれ(3)式及び(4)式となる。
Although the case where the
ω=ωB(C)−Δθ
=ωB(D) (3)
ωB(D)−ωB(C)=−Δθ (4)
従って、ωB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。
ω = ω B (C) −Δθ
= Ω B (D) (3)
ω B (D) −ω B (C) = − Δθ (4)
Therefore, 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。以下ではこれを用いて実際に反り判定を行った例について説明する。 The above is the description of the principle of the method of measuring the warpage of the single crystal substrate using X-ray diffraction. Below, the example which actually performed the curvature determination using this is demonstrated.
図6(A)、(B)は、単結晶基板の反りの測定に用いた試料の平面図、側面図を示す。図6(A)、(B)に示すように、試料100は、樹脂基板10上にSi(001)単結晶基板をもとに作られたSiチップ11が圧着されている構成である。この試料100は、実装プロセス途中の試料であり、樹脂基板10の表面は空気中に露出した状態である。
6A and 6B are a plan view and a side view of a sample used for measuring warpage of a single crystal substrate. As shown in FIGS. 6A and 6B, the
図7は、実験時のX線と試料100との関係を特に測定試料近傍について示した上面図を示す。実験に用いたX線回折装置の概略構成は図1と同じである。図7において、入射X線13は、Siチップ11に対して斜めに入射し、これにより回折X線14が得られる。入射X線13のスリット幅は0.5mm×0.1mmであるが、入射X線13はSiチップ11に対して斜めに入射するので、Siチップ11上でのX線の照射領域12はおよそW1×W2=0.5mm×0.2mmの領域となる(図7に白抜きで示した領域)。
FIG. 7 is a top view showing the relationship between the X-ray and the
次に、実際の測定の手順について、図8と共に説明する。まず、図8(A)に示すように、Siチップ11の端部の照射領域12にX線が照射されるように試料100をセットしてX線を照射し、同図(B)に示すようにロッキング曲線15を取得しωBを求める。
Next, the actual measurement procedure will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 8A, the
その後、図8(C)に示すように試料ステージを0.1mmだけX軸方向に平行移動し、移動後の照射領域12’に上記と同様にしてX線を照射して同図(D)に示すようにロッキング曲線16を取得しωBを求める。このように「試料ステージをX軸方向に沿って0.1mm移動させる。」、「ロッキング曲線を取得しωBを求める」といった2つのステップを、測定位置が測定出発点の試料端部とは逆の端部に達するまで繰り返す。
Thereafter, as shown in FIG. 8C, the sample stage is translated by 0.1 mm in the X-axis direction, and the irradiated
図9は、このようにして得られたωBのSiチップ上の位置Xに対する依存性ωB(X)を示す。図9において、Siチップ端部付近を除くとωB(X)は位置Xについて増加関数であり、Siチップの大部分は上に凸に反っていると考えられる。 Figure 9 shows the dependence of omega B with respect to the position X on the Si chip thus obtained omega B (X). In FIG. 9, ω B (X) is an increasing function with respect to the position X except for the vicinity of the end of the Si chip, and it is considered that most of the Si chip is warped upward.
図10は、ωBのSiチップ上の位置Xに対する依存性ΔωB(X)を示す。ここで、ΔωB(X)=ωB(X)−ωB(X=0)である。上述のように、ωB(X)の変化は反りによる単結晶基板表面の角度変化に相当するので、ΔωB(X)はX=0の基板表面を基準に測定した位置Xにおける基板表面の角度を表している。 FIG. 10 shows the dependency Δω B (X) of ω B on the position X on the Si chip. Here, Δω B (X) = ω B (X) −ω B (X = 0). As described above, since the change in ω B (X) corresponds to the change in the angle of the single crystal substrate surface due to warping, Δω B (X) is the value of the substrate surface at the position X measured with reference to the substrate surface where X = 0. It represents an angle.
よって、図11に示すように、Siチップ断面の模式図を描き、基板表面を表す曲線をz=f(X)と表すとき、f(X)の傾きは丁度
tan(−ΔωB(X))=−tan(ΔωB(X))
に等しい。マイナスの符号がつくのは、ΔωB(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を調整してから得られる量であるからである。
Therefore, as shown in FIG. 11, when a schematic diagram of the cross section of the Si chip is drawn and the curve representing the substrate surface is expressed as z = f (X), the slope of f (X) is just tan (−Δω B (X) ) =-Tan (Δω B (X))
be equivalent to. 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 after adjusting the rotation angle ω of the sample stage so as to cancel it. .
以上から、測定値であるΔωB(X)を用いて、試料断面図における基板表面を表す曲線f(X)すなわち各点Xにおける試料表面のz軸方向への変位量を得るための次式の微分方程式が得られる。 From the above, the following equation for obtaining the curve f (X) representing the substrate surface in the sample cross-sectional view, that is, the amount of displacement in the z-axis direction of the sample surface at each point X, using the measured value Δω B (X). The differential equation is obtained.
df/dX=−tan(ΔωB(X)) (5)
z=f(X)は、この微分方程式を積分する次式により得られる。
df / dX = −tan (Δω B (X)) (5)
z = f (X) is obtained by the following equation that integrates this differential equation.
従って、図11と(6)式とを用いて積分を行うことにより、f(X)すなわち、試料の断面図を得ることができる。図12は、このようにして得られた試料の断面図を示す。縦軸はz方向へのSiチップの変位量(displacement)に相当する変位量を示す。図12に示すように、試料は全体として上に凸であり、基板全体としての反り量(zの最大値と最小値の差)が約70μmであることが分かる。 Therefore, f (X), that is, a cross-sectional view of the sample can be obtained by performing integration using FIGS. 11 and (6). FIG. 12 shows a cross-sectional view of the sample thus obtained. The vertical axis represents the displacement corresponding to the displacement of the Si chip in the z direction. As shown in FIG. 12, the sample is convex upward as a whole, and the warpage amount (difference between the maximum value and the minimum value of z) of the entire substrate is about 70 μm.
表1は、反りの向きや反り量が異なる試料について上述の方法で反りを測定した結果と、一般に反り測定に用いられている表面粗さ計を用いて反りを測定した結果とを比較した表を示す。この表から分かるように、両者の測定結果の間には、絶対値で1.5μmから5μmの違いがあるが、反りの向き、試料間の反り量の大小関係は、2つの測定法の間で良く一致している。この結果から、X線回折によるチップ反り測定の結果が妥当であると判断される。 Table 1 is a table comparing the results of measuring warpage with the above-described method for samples having different warping directions and warpage amounts, and the results of measuring warpage using a surface roughness meter generally used for warpage measurement. Indicates. As can be seen from this table, there is a difference between the measurement results of 1.5 μm and 5 μm in absolute value, but the relationship between the direction of warpage and the amount of warpage between samples is between the two measurement methods. It agrees well. From this result, it is judged that the result of chip warpage measurement by X-ray diffraction is appropriate.
以上に示したのはパッケージ工程途中での測定結果であった。すなわち、半導体チップは露出しているので、表面粗さ計を用いる等の簡便な反り測定法があり、必ずしもX線回折を用いた反り測定は必要ではない。以下では、パッケージ工程を終え、パッケージ材料に封止した状態の半導体チップの反りを測定する本発明方法について説明する。 What was shown above was the measurement result during the packaging process. That is, since the semiconductor chip is exposed, there is a simple warpage measurement method such as using a surface roughness meter, and warpage measurement using X-ray diffraction is not necessarily required. Below, the method of this invention which measures the curvature of the semiconductor chip of the state which finished the package process and was sealed by the package material is demonstrated.
パッケージ材料に封止した状態の半導体チップの反りの測定は、表面粗さ計を用いる等の簡便な反り測定法では困難である。一方、X線回折を用いた反り測定では、パッケージ材料に封止した状態の半導体チップの反りの測定は、パッケージ材料越しにX線回折の測定を行わなくてはならない。一般に、強度I0のX線が物質へ入射し、その物質中を進んだ時、X線は物質に吸収され、その強度は距離tに対し指数関数的に減衰する。距離tだけ物質中を進んだ後のX線強度I(t)は次式で表される。 Measurement of the warpage of a semiconductor chip sealed in a package material is difficult by a simple warpage measurement method such as using a surface roughness meter. On the other hand, in the warpage measurement using X-ray diffraction, the measurement of the warpage of the semiconductor chip sealed in the package material must be performed by measuring the X-ray diffraction through the package material. In general, when an X-ray having an intensity I 0 enters a material and travels through the material, the X-ray is absorbed by the material, and the intensity attenuates exponentially with respect to the distance t. The X-ray intensity I (t) after traveling through the material by the distance t is expressed by the following equation.
I(t)=Io・exp[−μmρt] (7)
ここで、ρは物質の密度、μmはX線の質量吸収係数である。μm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μm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μmは小さい。これらの依存性は、吸収端近傍を除いて、近似的に以下のように表される。
I (t) = Io · exp [-μ m ρt] (7)
Here, [rho is the mass absorption coefficient of density, mu m is X-ray materials. 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 follows except for the vicinity of the absorption edge.
μm=k(Z/E)3 (8)
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材料越しでのX線回折測定が可能となる。
μ m = k (Z / E ) 3 (8)
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 the package material becomes possible.
図13(A)、(B)は、本発明になる単結晶基板の非破壊反り測定方法によりパッケージ材料越しに回折X線の取得を試みた試料の一例の平面図、断面図を模式的に示す。同図において、試料30は、プリント基板31上にSi(001)基板から作成したSiチップ32が搭載され、これをモールド(主成分:SiO2)33で封止した構造である。
FIGS. 13A and 13B schematically show a plan view and a cross-sectional view of an example of a sample in which diffracted X-ray acquisition is attempted through the package material by the non-destructive warpage measuring method for a single crystal substrate according to the present invention. Show. In the figure, a
図14は、本発明になる単結晶基板の非破壊反り測定装置の一実施形態の概略構成図を示す。同図中、図1〜図5と同一構成部分には同一符号を付してある。図14において、試料ステージ6には図13に示した試料30が載置固定されている。
FIG. 14 shows a schematic configuration diagram of an embodiment of a non-destructive warpage measuring apparatus for a single crystal substrate according to the present invention. In the figure, the same components as those in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals. In FIG. 14, the
図14において、適切なX線源2で発生したX線4は入射スリット3を通過し、試料ステージ6上に固定された試料30のパッケージ材料であるモールド33を透過して単結晶基板であるSiチップ32の照射領域に入射する。これにより、Siチップ32の照射領域からは回折X線が出射する。
In FIG. 14,
X線検出器1を固定したまま、入射X線4の波数ベクトル8の方向から測定した試料ステージ6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Siチップ32の照射領域の表面と入射X線4の波数ベクトル8とのなす角αがある特定の値をとるとき、X線の結晶回折が生じX線検出器1で、モールド33を透過した回折X線9が検出される。
When the rotation angle ω of the
次に、このようにして、X線検出器1で取得されたロッキング曲線について説明する。図15は、X線4として比較的低エネルギーのX線(CuKα特性X線、E=8.05keV)を用いた場合のロッキング曲線を示す。図13のSiチップ32からの回折X線((004)反射)がモールド33を透過し図14のX線検出器1に達していれば、試料ステージ6の回転角ωが34.56°付近に回折ピークが観測されるはずである。しかし、モールド材料による吸収のため、回折ピークを観測することができなかった。
Next, the rocking curve acquired by the
図16は、X線4として比較的高エネルギーのX線(MoKα特性X線、E=17.5keV)を用いて上記と同様の実験を行った場合のロッキング曲線を示す。このロッキング曲線は、試料ステージ6の回転角ωが15.47°付近で回折ピークを示す。図16において、試料ステージ6の回転角ωが15.57°付近に見られるサブピークはMoKα1特性X線と僅かに波長が異なるMoKα2特性X線による回折ピークである。この結果は、高エネルギーのX線を入射X線4として用いることで、図1〜図12と共に前述したような反り測定がパッケージの破壊無しに行われ得ることを示している。
FIG. 16 shows a rocking curve when an experiment similar to the above is performed using
このように、本実施形態では、モールド33で封止したSiチップ32の反り(応力含む)をモールド33越しに非破壊で測定できることが可能となるので、これ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を促進させることができる。
Thus, in this embodiment, it becomes possible to measure the warp (including stress) of the
なお、上記の実施形態では入射X線としてMoKα特性X線を用いたが、モールド33越しにSiチップ32からの回折X線を測定できる程度のエネルギーを持っているX線であれば、入射X線4はMoKα特性X線でなくともよい。
In the above embodiment, MoKα characteristic X-rays are used as the incident X-rays. However, if the X-rays have such energy that can measure the diffracted X-rays from the
実験室規模の回折装置を用いて実験する場合には、特性X線が線源として好適であるが、上の目的に適切かつ現実的なものとしては、エネルギーではおおむね10keVを上回るX線が好ましい。このようなX線としては、ZnKα特性X線、RhKα特性X線、PdKα特性X線、AgKα特性X線、MoKα特性X線や、WKα特性X線などが挙げられる。また、適切なエネルギーであれば、荷電粒子の加速度運動から得られるX線、例えばシンクロトロン放射から得られるX線を用いてもよい。 When experimenting with a lab-scale diffractometer, characteristic X-rays are suitable as a source, but as an appropriate and realistic source for the above purposes, X-rays above about 10 keV are preferred for energy. . Examples of such X-rays include ZnKα characteristic X-rays, RhKα characteristic X-rays, PdKα characteristic X-rays, AgKα characteristic X-rays, MoKα characteristic X-rays, and WKα characteristic X-rays. Further, X-rays obtained from the acceleration motion of charged particles, for example, X-rays obtained from synchrotron radiation, may be used as long as the energy is appropriate.
また、検出した回折X線は(004)反射であったが、他の格子面による回折X線でも構わない。例えば、(008)、(0012)等の(004)反射の系統反射でもよいし、(113)反射など非対称反射でもよい。 Further, although the detected diffracted X-rays are (004) reflection, diffracted X-rays from other grating surfaces may be used. For example, system reflection of (004) reflection such as (008), (0012), or asymmetric reflection such as (113) reflection may be used.
チップのもととなる基板も(001)基板31以外であっても構わない。(011)基板、(111)基板あるいは他の面指数の格子面を表面に平行にした基板であっても、検出する回折X線を適切に選ぶことにより、同様の測定が可能である。
The substrate on which the chip is based may be other than the (001)
更に、上記の実施形態では測定試料はSiチップ32であったが、これまでの説明から明らかなように、単結晶基板であればよく、GaAg等の化合物半導体であっても構わないし、半導体以外の単結晶基板でもよい。
Further, in the above embodiment, the measurement sample is the
ところで、上記の実施形態では、モールド33を透過させるために入射X線の高エネルギー化を図ったが、入射X線の高エネルギー化は、複数枚の半導体チップを積層したMCPやSiPに対しては、複数枚の半導体チップからの回折X線を一度に検出できる可能性を生む。
In the above embodiment, the energy of incident X-rays is increased in order to transmit the
そこで、本発明者は、MoKα特性X線を入射X線に用いて、3枚のSiチップを積層した試料からモールド越しに回折スペクトルを取得することを試みた。図17(A)、(B)は、この場合の試料40の平面図、断面図を模式的に示す。図17(B)に示すように、試料40は、プリント基板41上にSi(001)基板から作成した、積層された3枚のSiチップ42が搭載され、これをモールド(主成分:SiO2)43で封止した構造のSiP製品である。この試料40は、図13に示した試料30に似ているが、図17(B)に示す断面図から分かるように、3枚のSiチップ42が積層されているのが特徴である。
Therefore, the present inventor attempted to acquire a diffraction spectrum through a mold from a sample in which three Si chips were laminated using MoKα characteristic X-rays as incident X-rays. FIGS. 17A and 17B schematically show a plan view and a cross-sectional view of the
図18は、本発明になる単結晶基板の非破壊反り測定装置の他の実施形態の概略構成図を示す。同図中、図1〜図5と同一構成部分には同一符号を付してある。図18において、試料ステージ6には図17に示した試料40が載置固定されている。
FIG. 18 shows a schematic configuration diagram of another embodiment of a non-destructive warpage measuring apparatus for a single crystal substrate according to the present invention. In the figure, the same components as those in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals. 18, the
図18において、適切なX線源2で発生した高エネルギーのX線4(ここでは、一例としてMoKα特性X線)は入射スリット3を通過し、試料ステージ6上に固定された試料40のパッケージ材料であるモールド43を透過して積層された3枚のSiチップ42の照射領域に入射する。これにより、Siチップ42の照射領域からは回折X線が出射する。
In FIG. 18 , high energy X-rays 4 (here, as an example, MoKα characteristic X-rays) generated by an
X線検出器1を固定したまま、入射X線4の波数ベクトル8の方向から測定した試料ステージ6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Siチップ42の照射領域の表面と入射X線4の波数ベクトル8とのなす角αがある特定の値をとるとき、X線の結晶回折が生じX線検出器1で、モールド43を透過した回折X線9が検出される。
When the rotation angle ω of the
次に、このようにして、X線検出器1で取得されたロッキング曲線について説明する。図19は、図18の構成により取得されたロッキング曲線の一例を示す。回折ピークがローレンツ分布であると仮定して、白抜き丸で示した測定値に対してピーク分離を行うと、図19中の実線のようになる。分離された曲線はあわせて6本のピークからなるが、Kα1線によるピークとKα2線によるピークが組みであるので、独立なピークは3組である。従って、積層された3枚のSiチップ42からの回折X線が一つのロッキング曲線の中に観測されていると判断される。
Next, the rocking curve acquired by the
図19では、ピーク分離により得られたピークと測定値の差異が大きいωの領域があるが、これは、回折ピークがローレンツ分布であるという仮定が厳密には正しくないためであり、積層された3枚のSiチップ42から回折X線9が観測されたという結果に変わりはない。 In FIG. 19, there is a region of ω in which the difference between the peak obtained by peak separation and the measured value is large. This is because the assumption that the diffraction peak has a Lorentz distribution is not strictly correct, and the layers were stacked. The result that the diffracted X-rays 9 were observed from the three Si chips 42 remains unchanged.
以上の結果は、高エネルギーのX線を入射X線4として用いることで、反り測定をパッケージ43内に積層された3枚のSiチップ42のうち個々のSiチップに対して行うことが可能であることを示している。
The above results show that, by using high energy X-rays as
このように、本実施形態では、モールド43で封止した積層された3枚のSiチップ42の個々のSiチップの反り(応力含む)をモールド43越しに非破壊で測定できることが可能となるので、これに基づいた実装材料やプロセスの最適化が可能となり、SiP製品等の高性能及び高信頼の製品開発を促進させることができる。
Thus, in this embodiment, it becomes possible to measure the warp (including stress) of the individual Si chips of the three stacked Si chips 42 sealed with the
なお、上記の実施形態では、3枚のSiチップ42を積層したSiP製品に対してMoKα特性X線を用いて測定したが、半導体チップの材質はSi以外でもよく、単結晶基板であればよい。 In the above embodiment, the SiK product in which the three Si chips 42 are stacked is measured using the MoKα characteristic X-ray. However, the material of the semiconductor chip may be other than Si and may be a single crystal substrate. .
また、入射X線4はMoKα特性X線以外でも、対象の単結晶基板を所望の枚数だけ透過し回折X線が検出されるのに十分なエネルギーを持っているものであればよい。このX線の例としては、既に述べた、ZnKα特性X線、RhKα特性X線、PdKα特性X線、AgKα特性X線、MoKα特性X線や、WKα特性X線が挙げられる。また、入射X線4は荷電粒子の加速度運動から得られるX線、例えばシンクロトロン放射から得られるX線でもよい。すなわち、適切なX線源2は、対象の単結晶基板の種類、透過すべき基板の枚数等を考慮し選ばれるべきである。
Further, the
1 X線検出器
2 X線源
3 入射スリット
4、13 入射X線
5 単結晶基板
6 試料ステージ
7、12、12’、25、26、27 照射領域
8 入射X線の波数ベクトル
9、14 回折X線
10 樹脂基板
11、32 Siチップ
15、16 ロッキング曲線
30 モールドでパッケージされたSiチップを含む試料
31、41 プリント基板
33、43 モールド
40 モールドでパッケージされた3枚の積層されたSiチップを含む試料(SiP製品)
42 積層された3枚のSiチップ
DESCRIPTION OF
42 Three stacked Si chips
Claims (12)
個々の前記単結晶基板からの回折X線を前記パッケージ材料越しに一つのロッキング曲線の中にピーク分離を行うことにより検出して、前記複数の単結晶基板のそれぞれの反りを非破壊で測定する検出・測定ステップと
を含むことを特徴とする単結晶基板の非破壊反り測定方法。 An irradiation step of irradiating a component obtained by sealing a plurality of single crystal substrates stacked on a single printed board together with the printed board with a package material,
It is detected by performing the peak separation in a single rocking curve in the packaging material over the diffracted X-rays from each of the single crystal substrate, measuring the respective warp before Symbol plurality of single crystal substrate in a non-destructive And a non-destructive warpage measuring method for a single crystal substrate, comprising:
前記単結晶基板からのロッキング曲線を取得して前記単結晶基板からの回折X線を検出する検出ステップと、
前記部品を一定距離移動する移動ステップと
を前記部品の一端部から反対側の端部まで繰り返すことを特徴とする請求項1記載の単結晶基板の非破壊反り測定方法。 The detection / measurement step includes
A detection step of obtaining a rocking curve from the single crystal substrate and detecting diffracted X-rays from the single crystal substrate;
Nondestructive method of measuring warpage single crystal substrate according to claim 1 Symbol placement and repeating the moving steps of a predetermined distance moves the parts to the opposite end from the one end of the component.
個々の前記単結晶基板からの回折X線を前記パッケージ材料越しに一つのロッキング曲線の中にピーク分離を行うことにより検出して、前記複数の単結晶基板のそれぞれの反りを非破壊で測定する検出・測定手段と
を有することを特徴とする単結晶基板の非破壊反り測定装置。 Irradiation means for irradiating X-rays on a component in which a plurality of single crystal substrates stacked on a single printed board are sealed together with the printed board with a package material;
It is detected by performing the peak separation in a single rocking curve in the packaging material over the diffracted X-rays from each of the single crystal substrate, measuring the respective warp before Symbol plurality of single crystal substrate in a non-destructive A non-destructive warpage measuring apparatus for a single crystal substrate, characterized by comprising:
前記単結晶基板からのロッキング曲線を取得して前記単結晶基板からの回折X線を検出する検出手段と、
前記部品を一定距離移動する移動手段と
を前記部品の一端部から反対側の端部まで繰り返すことを特徴とする請求項7記載の単結晶基板の非破壊反り測定装置。 The detection / measurement means includes:
Detecting means for acquiring a rocking curve from the single crystal substrate and detecting diffracted X-rays from the single crystal substrate;
Nondestructive warpage measuring apparatus of the single-crystal substrate according to claim 7 Symbol mounting and repeating and moving means for a predetermined distance moves the parts to the opposite end from the one end of the component.
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