(57)【要約】【課題】    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できる技術を提供する。【解決手段】    結晶試料の形状評価方法は、（ａ）仮想ｘｙｚ直交座標系を有する空間の、ｘｙ面上に結晶試料を配置し、ｘｚ面に平行にＸ線を結晶試料上に照射し、結晶試料の所定結晶面からｘｚ面に平行に回折されるＸ線を検出するように、Ｘ線ソース、Ｘ線検出器を配置し、ｙ軸回りのωスキャンを行なって回折Ｘ線強度が最大となる角度ωを、結晶試料面内の位置の関数として検出する工程と、（ｂ）回折Ｘ線強度が最大となる角度ωを結晶試料のｘ軸方向に積分し、結晶試料のｘ軸方向の形状を評価する工程と、を含む。【選択図】  図４
2008203212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）仮想ｘｙｚ直交座標系を有する空間の、ｘｙ面上に結晶試料を配置し、ｘｚ面に平行にＸ線を結晶試料上に照射し、前記結晶試料の所定結晶面からｘｚ面に平行に回折されるＸ線を検出するように、Ｘ線ソース、Ｘ線検出器を配置し、ｙ軸回りのωスキャンを行なって回折Ｘ線強度が最大となる角度ωを、前記結晶試料面内の位置の関数として検出する工程と、
（ｂ）回折Ｘ線強度が最大となる角度ωを前記結晶試料のｘ軸方向に積分し、前記結晶試料のｘ軸方向の形状を評価する工程と、
を含む結晶試料の形状評価方法。
【請求項２】
前記工程（ａ）が、
（ａ−１）結晶試料のあるｘ位置でωスキャンを行い、回折Ｘ線強度が最大となる角度ωを検出する工程と、
（ａ−２）結晶試料をｘ方向に並進する工程と、
（ａ−３）工程（ａ−１）、（ａ−２）を繰り返す工程と、
を含む請求項１記載の結晶試料の形状評価方法。
【請求項３】
前記工程（ａ）において、前記Ｘ線ソースが前記結晶試料上にｙ方向に長いストライプ状Ｘ線ビームを照射し、前記Ｘ線検出器がｙ方向に併設された多数の検出チャンネルを有する請求項２記載の結晶試料の形状評価方法。
【請求項４】
前記工程（ａ）において、前記Ｘ線ソースが前記結晶試料上に面状のＸ線ビームを照射し、前記Ｘ線検出器が２次元Ｘ線検出器である請求項１記載の結晶試料の形状評価方法。
【請求項５】
前記工程（ａ）が、さらに前記結晶試料をｘｙ面内で９０度回転し、ωスキャンを行ない、回折Ｘ線強度が最大となる角度ωを、前記結晶試料面内の位置の関数として検出する工程を含む請求項１〜４のいずれか１項記載の結晶試料の形状評価方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載の結晶試料の形状評価方法をコンピュータを介して実行するプログラム。
【請求項７】
請求項６記載のプログラムを搭載したＸ線回折装置を含む結晶試料の形状評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶試料の形状評価方法と形状評価装置に関し、特にパッケージに封入されて外部から観察できない結晶試料の形状も評価できる評価方法と評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、結晶の形状を高精度で測定する方法として、表面粗さ計が広く用いられてきた。特許第２９６４３１７号は、試料表面の凹凸を検出する触針と、触針の変位を光学的に拡大して検出する、半導体レーザ、レンズ、光検出素子を含む変位検出手段と、試料と触針を一定の距離に制御する微動機構と、触針と試料の相対的位置を制御するモーター駆動型Ｚステージと、モーター駆動型ＸＹステージと、全体を制御するコンピュータを有する表面粗さ計を提案している。
【０００３】
【特許文献１】特許第２９６４３１７号公報  ＬＳＩ等の半導体装置の製造工程においては、表面粗さ計でウエハの表面形状を測定できるが、半導体チップをエポキシモールド等のパッケージに封入した後は、結晶表面に触針を当接することができず、結晶の表面形状を測定することができなくなる。ＬＳＩチップをＬＳＩパッケージに封入した後、素子不良が発生する場合がある。原因の１つとして、パッケージングによる応力の発生によって半導体チップが変形する現象がある。しかし、パッケージを除去すると、変形も元に戻る可能性が高い。パッケージされた半導体チップの形状をそのまま測定するニーズが高まっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、パッケージに封入された結晶試料の形状も評価できる形状評価技術を提供することである。
【０００５】
本発明の他の目的は、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できる形状評価技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１観点によれば、
（ａ）仮想ｘｙｚ直交座標系を有する空間の、ｘｙ面上に結晶試料を配置し、ｘｚ面に平行にＸ線を結晶試料上に照射し、前記結晶試料の所定結晶面からｘｚ面に平行に回折されるＸ線を検出するように、Ｘ線ソース、Ｘ線検出器を配置し、ｙ軸回りのωスキャンを行なって回折Ｘ線強度が最大となる角度ωを、前記結晶試料面内の位置の関数として検出する工程と、
（ｂ）回折Ｘ線強度が最大となる角度ωを前記結晶試料のｘ軸方向に積分し、前記結晶試料のｘ軸方向の形状を評価する工程と、
を含む結晶試料の形状評価方法
が提供される。
【０００７】
本発明の他の観点によれば、
上記結晶試料の形状評価方法をコンピュータを介して実行するプログラム
が提供される。
【０００８】
本発明のさらに他の観点によれば、
上記プログラムを搭載したＸ線回折装置を含む結晶試料の形状評価装置
が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
パッケージに封入された結晶試料であっても、パッケージがＸ線を透過させる材料であれば、非破壊で結晶試料の形状を評価できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【００１１】
図１Ａ，１ＢはＸ線回折装置の構成を概略的に示す断面図、図１Ｃ，１Ｄはωスキャン、χスキャンを示すダイアグラム、図１Ｅは結晶試料のある結晶面によるＸ線回折を示すダイアグラムである。
【００１２】
図１Ａに示すように、Ｘ線回折装置の試料ステージ１０は、回転軸１１の上に、面内並進ステージ１２，１３、鉛直並進ステージ１４が載っている構造を有する。図中に示すように、空間に仮想直交座標ｘ０、ｙ０、ｚ０を取り、試料ステージに直交座標ｘ１、ｙ１、ｚ１を取る。回転軸１１はｚ１軸回りにφ回転を行い、並進ステージ１２はｘ１方向に並進するステージを構成し、並進ステージ１３はｙ１方向に並進するステージを構成し、鉛直並進ステージ１４はｚ１方向に並進するステージを構成する。図示の配置では、ｘ１、ｙ１．ｚ１はそれぞれ、ｘ０、ｙ０、ｚ０軸に平行であるが、φを９０度回転すれば、ｘ１、ｙ１．ｚ１はそれぞれ、ｙ０、−ｘ０、ｚ０軸に平行になる。なお、試料ステージ１０は、φ回転、３次元並進機能を有すれば、各ステージ１１〜１４の上下関係を変更してもよい。
【００１３】
ステージ１０は、その上に結晶試料１８を載置し、結晶試料１８をφ回転、およびｘ１、ｙ１、ｚ１方向に並進することができる。Ｘ線ソースからＸ線を結晶試料１８上に照射し、回折Ｘ線をＸ線検出器で検出する。
【００１４】
図１Ｂに示すように、Ｘ線ソース１５、Ｘ線検出器１６がｘ０ｚ０面内に配置され、回折角度２θを調整できる。回折角度が０の時は、Ｘ線ソース１５、Ｘ線検出器１６は水平面上で互いに対向する。さらに、Ｘ線ソース１５、Ｘ線検出器１６は、回折角度２θを固定した状態で、ｘ０ｚ０面内でｙ０軸回りのω回転、ｙ０ｚ０面内でｘ０軸回りのχ回転をすることができる。
【００１５】
図１Ｃ，１Ｄは、ｘ０ｚ０面内のωスキャン、ｙ０ｚ０面内のχスキャンを概略的に示すダイアグラムである。
【００１６】
なお、ωスキャン、χスキャンはＸ線と結晶試料との間の角度の走査であり、Ｘ線ソース１５、Ｘ線検出器１６を回転する代わりに、ステージ１０を回転するようにしてもよい。
【００１７】
図１Ｅは、結晶試料のある結晶面による回折を示すダイアグラムである。たとえば、Ｓｉ基板を用いたＭＯＳＬＳＩの場合、Ｓｉ基板は通常（００１）基板１８であり、基板表面に平行に（００ｎ）結晶面１９が存在する。Ｘ線の波長をλ、所定の結晶面１９の間隔をｄとすると、λ  ＝  ２ｄ＊ｓｉｎθ  の関係を満たす時、Ｘ線の回折が生じる。入射Ｘ線がｘ０ｚ０面内を進行する時、結晶面の法線もｘ０ｚ０面内になくてはならない。χスキャンによってこの角度を調整できる。また。入射Ｘ線と回折Ｘ線は、結晶面の法線に対して対称な角度でなくてはならない。ωスキャンによって、この角度を調整できる。λ  ＝  ２ｄ＊ｓｉｎθ  の関係を満たす時、回折Ｘ線強度は最大となる。結晶面が傾くと回折Ｘ線強度は低下する。
【００１８】
逆に言うと、ωスキャン、χスキャンを行なって、回折Ｘ線強度が最大になるω、χを求めると、Ｘ線が照射している面の結晶面の傾きを知ることができる。
【００１９】
図２Ａ，２Ｂは、結晶試料の表面が平坦である時のωスキャンを示す断面図とグラフ、図２Ｃ，２Ｄは、結晶面が上方に凸の場合のωスキャンを示す断面図とグラフである。
【００２０】
図２Ａに示すように、結晶試料１８の表面が平坦な場合、表面と平行な結晶面も平坦である。ｘ０方向に沿って少しずつ位置を変えながらωスキャンを行なうと、どのｘ０位置でも回折Ｘ線の強度が最大になる角度ωは一定である。この角度を、角度０とする。
【００２１】
図２Ｂは、結晶試料のｘ０方向位置に対する角度ωの変化を示すグラフである。全ての位置で角度ωは０である。結晶試料表面のｘ０方向形状は、角度ωの積分によって与えられる。ω  ＝  ０（または一定値）  であれば、結晶試料表面のｘ０方向形状は平坦であることがわかる。
【００２２】
図２Ｃに示すように、結晶試料１８の表面が曲がっていると、異なる位置でωスキャンを行なった時、回折Ｘ線強度が最大となる角度ωは位置によって異なる。図示のように結晶表面が上方に凸の場合、左から右に向かうと回折Ｘ線強度が最大となる角度ωは次第に減少する。
【００２３】
図２Ｄは、結晶試料のｘ０方向位置に対する角度ωの変化を示すグラフである。角度ωはｘ０の増加と共に正から負に減少する。この角度ωを積分すると、増加率が次第に減少し、飽和した後、減少率が次第に増大して、上方に凸の結晶形状が評価できる。
【００２４】
このように、結晶面上で、Ｘ線の進行方向に沿って、位置を変えつつωスキャンを行ない、回折Ｘ線強度が最大となる角度ωを検出し、順次積分すれば、Ｘ線進行方向に沿う結晶表面の形状を評価することができる。
【００２５】
エポキシモールドされたＬＳＩ装置の場合、半導体基板であるＳｉ結晶はエポキシモールドに覆われており、目視することはできない。Ｓｉ結晶を適切に配置するには、準備作業を行なう方がよい。
【００２６】
図３は、準備工程を示すフローチャートである。ステップＳＴ１１で、結晶試料１８を封止したパッケージ１を、試料ステージ１０上中央付近に設置（固定）する。ステップＳＴ１２で、Ｘ線回折角２θを０とし、ｚ１ステージを下げて、Ｘ線がそのままＸ線検出器に入射する位置関係とする。ｚ１ステージを上方に走査して、Ｘ線強度が約半分になる位置を検出する。この位置で、Ｘ線の約半分がパッケージに遮蔽されたことになる（Ｘ線の半割）。パッケージ１内の結晶試料１８は、パッケージ表面から設計上決められた所定距離下方にある。ステップＳＴ１３で、この所定距離分ｚ１ステージを上げる。結晶表面は、Ｘ線の中心と高さを合わせるであろう（結晶によるＸ線の半割）。結晶の高さ調整が行なわれたことになる。
【００２７】
ステップＳＴ１４で、測定対象の結晶面の面間隔により決まる回折角に合わせて、２θを設定する。ここでは、Ｓｉの（００２０）面を測定対象とし，２θ＝１３１．９３°になるように、Ｘ線ソース１５、Ｘ線検出器１６の角度を設定した。結晶面が水平であれば、回折Ｘ線が生じるが、結晶面が傾いていると回折Ｘ線は生じない。ステップＳＴ１５でωスキャン。χスキャンを行い、結晶からの回折Ｘ線を探す。ステップＳＴ１６で、回折Ｘ線が見つかったら、さらにωスキャン、χスキャンを行い、回折Ｘ線強度が最大になる角度にする。結晶表面を水平に配置できたことになる。当初パッケージないし結晶の表面が傾いている状態で、Ｘ線の半割を行った場合、結晶面の傾きを調整すると、結晶表面によるＸ線の半割条件がずれることもあり得る。必要に応じてステップＳＴ１２に戻り、再度ステップＳＴ１２〜ＳＴ１６を行なってもよい。このようにして、準備工程を終了する。
【００２８】
図４は、結晶試料の形状評価工程を示すフローチャートである。図１Ｂに示すＸ線検出器１６としてシンチレーションカウンタを用いた。Ｘ線ソース１５から出射するＸ線のエネルギは、エポキシモールドのパッケージを透過して回折測定が行なえるよう、２５ｋｅＶを用いた。測定する結晶試料のサイズは数ｍｍ平方程度である。結晶表面でＸ線を走査し、位置に依存した結晶表面の形状を測定するため、Ｘ線のビームサイズを結晶試料のサイズより十分小さい１００μｍ平方程度にした。
【００２９】
ステップＳＴ２１で、（結晶試料中央付近で）ωスキャンを行い、Ｘ線回折強度が最大となる角度ωを測定する。この角度ωを基準とする。ステップＳＴ２２でパッケージのｘ０方向移動を行なう。結晶試料が変形していても、結晶面の傾きが僅かしか変わらない程度の移動距離にする。ステップＳＴ２３で、新たな位置でのωスキャンを行い、Ｘ線回折強度が最大となる角度ωを測定する。角度ωの変化により、位置の変化による結晶面の傾きの変化がわかる。Ｘ線の回折強度がある程度あれば、ステップＳＴ２４から、ステップＳＴ２２に戻り、ステップＳＴ２２のｘ０方向移動、ステップＳＴ２３のωスキャンを繰り返す。Ｘ線の照射位置が結晶端部まで達するないし結晶を外れると、Ｘ線の回折強度が大きく減少する、ないしはなくなる。この時は、ステップＳＴ２４からＮＯの矢印に従い、ステップＳＴ２５に進み、パッケージのｘ０方向位置を最初の位置に戻す。結晶のどの位置から測定を始めたか不明なので、逆方向の走査を行なうため、元の位置に戻すのである。ステップＳＴ２６でωスキャンを行い、Ｘ線回折強度が最大となる角度ωを測定する。基準とした角度ωの確認であるが、このステップは省略してもよい。ステップＳＴ２７でパッケージの逆方向のｘ０方向移動を行なう。ステップＳＴ２８で、新たな位置でのωスキャンを行い、Ｘ線回折強度が最大となる角度ωを測定する。角度ωの変化により、逆方向の位置の変化による結晶面の傾きの変化がわかる。Ｘ線の回折強度がある程度あれば、ステップＳＴ２９から、ステップＳＴ２７に戻り、ステップＳＴ２７の逆方向のｘ０方向移動、ステップＳＴ２８のωスキャンを繰り返す。Ｘ線の照射位置が結晶端部まで達するないし結晶を外れると、Ｘ線の回折強度が大きく減少する、ないしはなくなる。この時、ｘ０方向の走査が完了したことになる。ステップＳＴ３０で測定終了としてもよい。ステップＳＴ４０で、得られた角度ωの積分を行い、結晶の表面形状を評価する。
【００３０】
図５Ａ−５Ｂ、５Ｃ−５Ｄ，５Ｅ−５Ｆ，５Ｇ−５Ｈは、４つのサンプルの回折Ｘ線強度が最大となる角度ωのｘ０方向位置依存性を示すグラフと、この角度ωを積分して得た結晶表面形状を示す斜視図である。
【００３１】
図５Ａ，５Ｃ，５Ｅ，５Ｇが、試料Ａ，Ｂ，Ｃ．Ｄの角度ωのｘ０方向位置依存性を示す。図５Ｂ，５Ｄ，５Ｆ，５Ｈが、試料Ａ，Ｂ，Ｃ．Ｄの角度ωのｘ０方向位置依存性を積分して得た形状変化を示す。エポキシにモールドされ、隠れている結晶の形状を、非破壊で測定評価することができた。変形が大きい時は、大きな歪が発生している可能性があり、ＬＳＩの性能劣化の原因となっていることが考えられる。
【００３２】
なお、以上のステップは結晶の１方向に沿った形状を測定した。直交方向の測定も行ない、結晶面全体の変形をチェックすることが望まれる場合も多い。その場合は、ステップＳＴ３０で、試料ステージを９０度φ回転し、ステージのｙ１方向をｘ０方向に平行にする。走査していない結晶のｙ１方向が、Ｘ線の進行方向であるｘ０方向に沿うようになる。その後、ステップＳＴ２１に戻り、結晶のｙ１方向に沿う角度ωの測定を行なう。ステップＳＴ３０でＮＯとなったら、測定は終了する。結晶のｘ１方向、ｙ１方向のω分布が測定されたので、ステップＳＴ４０でωを積分して結晶面の形状をシミュレートすると、直交方向での結晶の形状を評価できる。なお、結晶のｘ１方向、ｙ１方向に沿う、それぞれストライプ状の対象領域の形状を評価したが、結晶試料全面をそれぞれ走査してもよい。全面を走査する場合に適した第２の実施例を以下に説明する。
【００３３】
図６Ａは、ｙ０方向に長いストライプ領域を照射し、Ｘ線照射された結晶面の各ｙ０方向位置での傾きを同時に測定するＸ線ソース２５、Ｘ線検出器２６を示す概略平面図、図６Ｂ，６Ｃは、結晶試料１８のｘ１方向をＸ線進行方向であるｘ０方向に平行にした走査、結晶試料１８のｙ１方向をＸ線進行方向であるｘ０方向に平行にした走査を概略的に示すダイアグラムである。
【００３４】
図６Ａに示すように、Ｘ線検出器２６は、多数の測定チャンネルをｙ０方向に沿って配置している。Ｘ線ソース２５は、Ｘ線検出器２６の各測定チャンネルに回折Ｘ線を供給できるように、ｙ０方向に長いＸ線ビームを供給する。
【００３５】
図６Ｂに示すように、ｙ０方向に長いＸ線ビーム２８を結晶試料１８に照射し、ｘ０方向に移動させ、各ｘ０位置でωスキャンを行なう。比較のため、第１の実施例のスポット状のＸ線を破線で示す。第２の実施例では、ｙ０方向に沿って、結晶試料１８を横断するストライプ状Ｘ線ビーム２８を照射し、ｘ０方向に走査することにより、結晶の全面の測定を容易にする。各測定チャンネルは、回折条件に合致した時、回折Ｘ線強度が最大となる。ｙ１方向に長いストライプ状領域が１回のωスキャンで測定できる。
【００３６】
図６Ｃに示すように、ｘ０方向の走査を終了したら、結晶のｙ１方向をｘ０方向と平行にし、結晶のｙ１方向の走査を行なう。ωスキャン自身は図６Ｂの場合と同様である。測定手順としては、ストライプ状領域にＸ線を照射し、多数測定チャンネルでストライプ状領域の各点の測定を並列に行なう点以外は、図４の測定手順と同様である。なお、Ｘ線ビーム２８は、必ずしも結晶試料１８を横断する長さでなくてもよい。複数チャンネルで同時測定を行なうことにより、測定手順は簡略化される。さらに測定手順の簡略化される第３の実施例を以下に説明する。
【００３７】
図７Ａは、２次元Ｘ線検出器３６と対応するＸ線ソース３５、および結晶試料１８を示す概略斜視図、図７Ｂ，７Ｃは、測定された表面形状を示すダイアグラムである。
【００３８】
図７Ａに示すように、Ｘ線ソース３５は、結晶試料１８全面に面状のＸ線ビーム３８を照射する。２次元Ｘ線検出器３６は、たとえばＸ線ＣＣＤカメラで構成され、結晶試料１８全面から回折されるＸ線を検出できる大きさを有する。結晶の各位置から回折されるＸ線は、２次元Ｘ線検出器の対応する異なる位置で測定される。１回のωスキャンを行なうと、結晶全面の測定ができる。結晶を面内で９０度回転して直交方向のωスキャンを行なえば、結晶全面の直交方向の測定を終了できる。
【００３９】
図７Ｂ，７Ｃはこのようにして得た、ω分布を直交方向でそれぞれ積分して得た結晶面の形状を示す。
【００４０】
なお、必ずしも結晶全面の測定を１回で行なわなくてもよい。２次元検出器を用いることで面の測定を一度に行なえる。
【００４１】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限られるものではない。例えば、種々の変更、置換、改良、組み合わせなどが可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１Ａ，１ＢはＸ線回折装置の構成を概略的に示す断面図、図１Ｃ，１Ｄはωスキャン、χスキャンを示すダイアグラム、図１Ｅは結晶試料のある結晶面によるＸ線回折を示すダイアグラムである。
【図２】図２Ａ，２Ｂは、結晶試料の表面が平坦である時のωスキャンを示す断面図とグラフ、図２Ｃ，２Ｄは、結晶面が上方に凸の場合のωスキャンを示す断面図とグラフである。
【図３】図３は、準備工程を示すフローチャートである。
【図４】図４は、結晶試料の形状評価工程を示すフローチャートである。
【図５】図５Ａ−５Ｂ、５Ｃ−５Ｄ，５Ｅ−５Ｆ，５Ｇ−５Ｈは、４つのサンプルの回折Ｘ線強度が最大となる角度ωのｘ０方向位置依存性を示すグラフと、この角度ωを積分して得た結晶表面形状を示す斜視図である。
【図６】図６Ａは、ｙ０方向に沿うストライプ領域を照射し、各ｙ０方向位置での結晶面の傾きを同時に測定するＸ線ソース２５、Ｘ線検出器２６を示す概略平面図、図６Ｂ，６Ｃは、結晶のｘ１方向をＸ線進行方向であるｘ０方向に平行にした走査、結晶のｙ１方向をＸ線進行方向であるｘ０方向に平行にした走査を概略的に示すダイアグラムである。
【図７】図７Ａは、２次元Ｘ線検出器３６と対応するＸ線ソース３５、および結晶試料１８を示す概略斜視図、図７Ｂ，７Ｃは、測定された表面形状を示すダイアグラムである。
【符号の説明】
【００４３】
１    パッケージ、
１０    試料ステージ、
１１    回転軸（φ軸）、
１２，１３，１４    並進ステージ、
１５，２５，３５    Ｘ線ソース
１６，２６，３６    Ｘ線検出器
１８    結晶試料
【図１】
2008203212.tif 000003
【図２】
2008203212.tif 000004
【図３】
2008203212.tif 000005
【図４】
2008203212.tif 000006
【図５】
2008203212.tif 000007
【図６】
2008203212.tif 000008
【図７】
2008203212.tif 000009