(57)【要約】【課題】多結晶材上に非晶質材が積層されてなる積層膜において、積層膜を構成する非晶質材の内部歪みを精緻に特定することができる非晶質材の内部歪み特定方法を提供する。【解決手段】多結晶材上に非晶質材が積層されてなる積層膜における非晶質材の内部歪みを特定する方法であって、Ｘ線回折法を使用して、多結晶材１の第１の内部歪みを測定する第１のステップと、多結晶材１'上に非晶質材２を形成して積層膜５を作製する第２のステップと、Ｘ線回折法を使用して、積層膜５を構成する多結晶材１'の第２の内部歪みを測定する第３のステップと、第１の内部歪みと第２の内部歪みの差分から非晶質材２の内部歪みを特定する第４のステップからなる。【選択図】図１
2013002950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶材上に非晶質材が積層されてなる積層膜における非晶質材の内部歪みを特定する方法であって、
Ｘ線回折法を使用して、多結晶材の第１の内部歪みを測定する第１のステップと、
前記多結晶材上に非晶質材を形成して積層膜を作製する第２のステップと、
Ｘ線回折法を使用して、前記積層膜を構成する多結晶材の第２の内部歪みを測定する第３のステップと、
前記第１の内部歪みと第２の内部歪みの差分から前記非晶質材の内部歪みを特定する第４のステップからなる非晶質材の内部歪み特定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非晶質材の内部歪み特定方法に関し、特に多結晶材上に非晶質材が積層されてなる積層膜における非晶質材の内部歪みを特定する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体デバイス上に成膜された金属めっき等の多結晶膜や非晶質膜の内部歪みを測定もしくは特定する方法として、歪みセンサや変位センサを用いた測定方法、特定方法が知られている。
【０００３】
歪みセンサを用いた測定方法は、たとえば歪みゲージを測定対象の表面に貼り付け、もしくは歪みゲージを測定対象の内部に埋設させ、測定対象に生じる歪みに由来する歪みゲージの電気抵抗の変化を検出することによって、その測定対象となる試料の内部歪みを測定する方法である。
【０００４】
また、変位センサを用いた測定方法は、測定対象となる試料の反り量を検出することによって、測定対象となる試料の内部歪みを測定する方法である。
【０００５】
ところで、近年、半導体デバイス等の電子機器の分野においては、その体格の小型化・軽量化を目的とする技術開発が進められている。それと同時に、製品表面を耐食性や耐摩耗性に優れた金属めっきで被膜し、製品表面上の金属めっきを薄膜化することで、製品全体の体格のさらなる小型化・軽量化を実現している。
【０００６】
一方で、上記する歪みセンサを用いた測定方法においては一般に歪みゲージが数ｍｍの外径寸法を有していることから、極めて小さい体格の測定対象や測定対象の微小領域の内部歪みを測定することができないといった問題が生じている。また、歪みゲージを測定対象の表面に貼り付けたり、歪みゲージを内部に埋設させる必要があり、実際の製造工程内における製品の内部歪みや製造後の製品の内部歪みを非接触で測定することができないといった問題もある。
【０００７】
また、変位センサを用いた測定方法においては、たとえば異なる種類の金属から構成される積層体（バイメタル構造体）全体に亘る平均的な反り量を測定することで、そのような測定対象全体の平均的な内部歪みを測定できるものの、局所的な微小領域の内部歪みを精度良く測定することができないといった問題がある。また、一部の層（たとえば下地層）の剛性が高い積層体や複雑な構造を有する積層体においては、測定対象となる試料の反り量が積層体全体に亘って不均一となり、その内部歪みを精緻に測定することができないといった問題がある。
【０００８】
上記する問題に対する内部歪みの測定方法の一例として、たとえば可視光を用いた測定方法が知られており、この方法によれば、測定対象となる試料が透明体の場合には、その測定対象に可視光を照射し、その複屈折現象による干渉縞を観測することで、測定対象となる試料の内部歪みを非接触で測定することができる。しかしながら、このような光弾性応力測定法は、主応力方向の応力差のみを測定対象とするものであり、多方向の応力成分を精緻に測定することができないといった問題がある。また、測定対象となる透明体を構成する素材には応力に対する複屈折の感度を低下させるものがあり、この方法を適用できる測定対象が極めて限定されるといった問題もある。
【０００９】
そこで、近年、このような半導体デバイス上の金属めっき等の極めて小さな領域の内部歪みを非接触で精度良く測定できる方法として、Ｘ線を用いた測定方法が提案されている。
【００１０】
上記するＸ線を用いた内部歪みの測定方法としては特にＸ線回折法を挙げることができる。このＸ線回折法によれば、照射されたＸ線が結晶格子面で回折するＸ線回折を利用して多結晶材料の内部歪みを特定することができ、そのための有効な方法が特許文献１や特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−３２５２６７号公報
【特許文献２】特開２０００−２７５１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、電子機器の分野においては、上記する耐食性や耐摩耗性に優れた金属めっきとして、たとえばリンやクロムを含む非晶質めっきが使用されており、このような非晶質の薄膜状の金属めっきの内部歪みを精度良く測定し、その測定結果を製品設計や工程管理等に適用することによって、薄膜状の金属めっきの剥離や破損等を効果的に抑制し、製品耐久性や製品信頼性を向上させることが要望されている。
【００１３】
上記するＸ線回折法によれば、Ｘ線の焦点の大きさ等を調整することで、多結晶材料から構成される測定対象において、たとえば約φ１ｍｍ程度の微小領域の内部歪みを非接触で測定することができる。一方で、測定対象となる試料が非晶質（アモルファス）・高分子材料から構成されている場合には、材料を構成する原子や分子が無秩序に配列した構造であることからその材料中をＸ線が透過してしまい、Ｘ線照射によるＸ線回折を利用することができず、非晶質材料の内部歪みを精緻に測定できないといった課題がある。
【００１４】
本発明は上記する課題に鑑みてなされたものであり、多結晶材上に非晶質材が積層されてなる積層膜において、積層膜を構成する非晶質材の内部歪みを精緻に特定することができる非晶質材の内部歪み特定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成すべく、本発明による非晶質材の内部歪み特定方法は、多結晶材上に非晶質材が積層されてなる積層膜における非晶質材の内部歪みを特定する方法であって、Ｘ線回折法を使用して、多結晶材の第１の内部歪みを測定する第１のステップと、前記多結晶材上に非晶質材を形成して積層膜を作製する第２のステップと、Ｘ線回折法を使用して、前記積層膜を構成する多結晶材の第２の内部歪みを測定する第３のステップと、前記第１の内部歪みと第２の内部歪みの差分から前記非晶質材の内部歪みを特定する第４のステップからなるものである。
【００１６】
既述するように、非晶質材はＸ線を透過する特性を有していることから、Ｘ線回折法を使用して非晶質材の内部歪みを直接測定することはできない。
【００１７】
しかしながら、上記する内部歪み特定方法によれば、多結晶材上に非晶質材が積層された積層膜において、Ｘ線が非晶質材を透過する特性を利用し、Ｘ線回折法を複数回実施するだけで、積層膜を構成する非晶質材の内部歪みを精緻に特定することができる。すなわち、多結晶材上に非晶質材を成膜して積層膜を構成した後においても、当該非晶質材へＸ線を透過させながらＸ線回折法を使用して積層膜の多結晶材の内部歪みを測定することができるため、予めＸ線回折法を使用して非晶質材が成膜される前の多結晶材の内部歪みを測定することで、これらの多結晶材の内部歪みの差分から非晶質膜の内部歪みを容易に特定することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上の説明から理解できるように、本発明の非晶質材の内部歪み特定方法によれば、多結晶材上に非晶質材が積層された積層膜を構成する非晶質材の内部歪みを特定するに当たり、Ｘ線回折法を複数回実施してそれぞれで得られた内部歪みの差分を求めるという、極めて簡単な改良方法により、積層膜を破壊することなく、当該積層膜を構成する非晶質材の内部歪みを精緻に特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の内部歪み特定方法にて非晶質材の内部歪みを特定する方法を説明した模式図であり、（ａ）は、Ｘ線回折法を使用して多結晶材の内部歪みを測定する第１のステップを説明した図であり、（ｂ）は、多結晶材上に非晶質材を形成して積層膜を作製する第２のステップを説明した図であり、（ｃ）は、Ｘ線回折法を使用して積層膜を構成する多結晶材の内部歪みを測定する第３のステップ、および非晶質材の内部歪みを特定する第４のステップを説明した図である。
【図２】図１で示す内部歪み特定方法におけるＸ線回折パターンを示した模式図であり、（ａ）は、図１（ａ）で示す第１のステップでのＸ線回折法によるＸ線回折パターンを示した図であり、（ｂ）は、非晶質材のみのＸ線回折パターンを示した図であり、（ｃ）は、図１（ｃ）で示す第３のステップでのＸ線回折法によるＸ線回折パターンを示した図であり、（ｄ）は、図２（ａ）および図２（ｃ）で示すＸ線回折パターンに含まれる多結晶材のＸ線回折パターンの変化を示した図である。
【図３】実施例２の検査用試料の測定部位を模式的に示した縦断面図である。
【図４】実施例１の試料におけるニッケル−リン膜の形成前後のアルミニウム膜の内部歪みの測定結果を示した図である。
【図５】実施例２の試料におけるニッケル−リン膜の形成前後のアルミニウム膜の内部歪みの測定結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
図１は、本発明の内部歪み特定方法にて非晶質材の内部歪みを特定する方法を説明した模式図であり、図１（ａ）は、Ｘ線回折法を使用して多結晶材の内部歪みを測定する第１のステップを説明した図であり、図１（ｂ）は、多結晶材上に非晶質材を形成して積層膜を作製する第２のステップを説明した図であり、図１（ｃ）は、Ｘ線回折法を使用して積層膜を構成する多結晶材の内部歪みを測定する第３のステップ、および非晶質材の内部歪みを特定する第４のステップを説明した図である。なお、図示例は、多結晶材が基材Ｋ上に形成され、その多結晶材上に非晶質材が形成されたものであるが、基材Ｋはこれに限定されるものではなく、多結晶材上に非晶質材が形成されたものであれば本実施の形態の内部歪み特定方法を適用することができる。
【００２２】
図１（ａ）で示す検査用試料１０は、基材Ｋ表面上に多結晶材１が形成されたものである。まず、この検査用試料１０に対してＸ線回折法を使用して内部歪みを測定する（第１のステップ）。具体的には、検査用試料１０の多結晶材１に対して、所定強度のＸ線を所定の積分時間だけ照射し（Ｘ１方向）、多結晶材１の結晶格子面で回折した回折Ｘ線をＸ線検出器Ｓで検出する（Ｙ１方向）。なお、Ｘ線検出器Ｓにて検出された検出信号は、演算部Ｅに送信されるようになっている。
【００２３】
ここで、多結晶材１は、構成する原子や分子が三次元的に規則正しく配列した構造（結晶性（crystalline））であることから、Ｘ線検出器Ｓで検出されるＸ線回折パターンは、図２（ａ）で示すように、多結晶材１の格子面に対応したＸ線強度のピークを有している。なお、図示するＸ線強度のピーク位置（２θ１）は、演算部Ｅに送信された検出信号に基づいて半価幅中点法によって算出される。
【００２４】
上記するＸ線回折法においては、回折角度θ１と多結晶材１の格子面間隔ｄ１が以下の式（１）で示すブラッグの法則に従うことが実証されている。
【００２５】
【数１】
2013002950.tif 000003
【００２６】
ここで、nは回折の次数を表す整数、λはＸ線波長である。
【００２７】
また、測定対象となる多結晶材１に内部応力σ１が作用し、多結晶材１の結晶格子面の法線方向が検査用試料１０の表面の法線方向に対してψ１だけ傾斜すると共に、応力が作用していない状態の多結晶材１の格子面間隔ｄ０がｄ１に変化したとすると、内部応力σ１、傾斜角度ψ１、および格子面間隔ｄ０，ｄ１との間には、以下の式（２）で示す関係が成立することが実証されている。
【００２８】
【数２】
2013002950.tif 000004
【００２９】
ここで、υはポアソン比、Ｅはヤング率である。
【００３０】
したがって、図１（ａ）で示す演算部Ｅにおいては、応力が作用していない状態における多結晶材１の格子面間隔ｄ０が既知の場合、Ｘ線検出器Ｓにて検出されたＸ線回折パターンに基づいて回折角度θ１を算出し、式（１）によって格子面間隔ｄ１を算出して、その格子面間隔ｄ１と傾斜角度ψ１を用いて式（２）によって内部応力σ１を算出することができる。
【００３１】
また、応力が作用していない状態における多結晶材１の格子面間隔ｄ０が未知の場合には、sin２ψ法を用いて内部応力σ１を特定することができる。具体的には、回折角度θ１と傾斜角度ψ１は以下の式（３）で示す関係を有していることから、複数の傾斜角度ψ１について回折角度θ１を測定し、２θ−sin２ψ線図を作成して最小二乗法等によって勾配（２θ／sin２ψ）を算出することで、多結晶材１の内部応力σ１を特定することができる。なお、傾斜角度ψ１を変化させる方法としては並傾法と側傾法を使用することができる。
【００３２】
【数３】
2013002950.tif 000005
【００３３】
ここで、θ０は測定対象（多結晶材１）の無応力状態における回折角度である。
【００３４】
上記演算方法により、図示する演算部Ｅでは、Ｘ線検出器Ｓで検出された検出信号に基づいて、非晶質材が成膜される前の多結晶材１の内部応力や内部歪みを特定することができる。
【００３５】
なお、Ｘ線回折測定では、図２（ａ）で示すＸ線強度信号Ｌ１において、回折ピークを有する多結晶材１のＸ線強度信号Ｌ１１に加えてある程度のバックグラウンド（ＢＧ）信号ＬＢが重なって検出されることが知られている。このバックグラウンドの要因としては、たとえば空気による散乱や検出器のノイズ、Ｘ線源となるＸ線管から発生する連続Ｘ線などが含まれる。
【００３６】
このように基材Ｋ上の多結晶材１についてＸ線回折法によって内部応力や内部歪みを測定した後、図１（ｂ）で示すように、多結晶材１'上に非晶質材２を形成して積層膜５を作製する（第２のステップ）。なお、検査用試料１０'の積層膜５を構成する多結晶材１'は、その表面に非晶質材２が形成されたことによって内部歪みが付加され、構成する原子や分子の配列が変化することから、図１（ａ）で示す検査用試料１０の多結晶材１に対して相対的に格子面間隔が変化している。
【００３７】
次いで、図１（ｃ）で示すように、上記方法で作製された積層膜５を有する検査用試料１０'に対してＸ線回折法を使用し、積層膜５を構成する多結晶材１'の内部歪みを測定する（第３のステップ）。具体的には、検査用試料１０'に対して、非晶質材２の上方から所定強度のＸ線を所定の積分時間だけ照射し（Ｘ２方向）、非晶質膜２を透過して多結晶材１'の結晶格子面で回折した回折Ｘ線をＸ線検出器Ｓで検出する（Ｙ２方向）。なお、Ｘ線検出器Ｓにて検出された検出信号は演算部Ｅに送信される。
【００３８】
ここで、非晶質材２は、構成する原子や分子が規則正しく配列していない構造、すなわち無秩序に配列した構造（非晶質（amorphous））であることから、仮に非晶質材２のみを検査用試料としてＸ線回折測定を実施すると、非晶質材２の内部をＸ線が透過して、図２（ｂ）で示すような連続的でブロードな信号が検出されることとなる。
【００３９】
上記する第３のステップにおいては、積層膜５が多結晶材１'と非晶質材２から構成されていることから、Ｘ線検出器Ｓではそれぞれの材料に対応したＸ線強度信号が合成されて検出されることとなる。すなわち、図２（ｃ）で示すように、Ｘ線検出器Ｓでは、多結晶材１'のＸ線強度信号Ｌ２１と非晶質膜２のＸ線強度信号Ｌ２２、および上記するバックグラウンドのＸ線強度信号ＬＢが合成されたＸ線回折パターンのＸ線強度信号Ｌ２が検出される。
【００４０】
ここで、図２（ｃ）で示す検査用試料１０'の多結晶材１'のＸ線強度信号Ｌ２１のピーク位置（２θ２）は、非晶質材２成膜後の回折角度θ２と格子面間隔ｄ２が以下の式（４）で示すブラッグの法則に従って変化すると共に、積層膜５を構成する多結晶材１'の格子面間隔ｄ２が非晶質材２の成膜前の多結晶材１の格子面間隔ｄ１に対して相対的に変化していることから、図２（ａ）で示す多結晶材１のＸ線強度Ｌ１のピーク位置（２θ１）に対して相対的に変化している（図２（ｄ）参照）。
【００４１】
【数４】
2013002950.tif 000006
【００４２】
したがって、図１（ｃ）で示す演算部Ｅにおいては、上記する第１のステップと同様に、Ｘ線検出器Ｓにて検出された回折角度θ２と傾斜角度ψ２から非晶質材２の成膜後の多結晶材１'の内部応力や内部歪みを特定し、第１のステップで得られた多結晶材１の内部歪みと第３のステップで得られた多結晶材１'の内部歪みの差分演算を実施して非晶質材２の内部歪みを得ることで、非晶質材２の内部歪みを特定することが可能となる（第４のステップ）。
【００４３】
上記する内部歪み特定方法によれば、Ｘ線を透過してしまうために直接内部歪みを測定することができない非晶質材であっても、簡便な方法で非晶質材の内部歪みを非接触でかつ精度良く特定することができる。
【００４４】
［検査用試料による非晶質材の内部歪みを測定した実験とその結果］
本発明者等は、半導体デバイス上に多結晶材と非晶質材からなる積層膜を形成した２種類の検査用試料（実施例１，２）を作製し、それぞれの試料に対してＸ線回折法を使用して非晶質材の内部歪み測定を実施した。なお、実施例１については測定回数を１回とし、実施例２についてはその測定を５回実施してこれらの測定結果を平均した。
【００４５】
まず、検査用試料の作製方法とその作製工程における内部歪み測定方法を説明すると、半導体デバイス（IGBTチップ）上にスパッタ法によって多結晶（結晶質）のアルミニウム（Ａｌ）膜を形成し、Ｘ線回折法を使用してアルミニウム膜の内部歪みを測定した。次いで、そのアルミニウム膜上に無電解めっき法によって非晶質のニッケル−リン（Ｎｉ−Ｐ）膜を形成して積層膜を作製し、Ｘ線回折法を使用して積層膜のアルミニウム膜の内部歪みを測定した。なお、内部歪みの演算方法としてはsin２ψ法を使用し、傾斜角度ψを変化させる方法としては並傾法を使用した。
【００４６】
図３は、上記作製方法により作製した実施例１，２のうち、特に実施例２の検査用試料１０Ａの測定部位を模式的に示した縦断面図である。
【００４７】
図示するように、実施例２の検査用試料１０Ａは、シリコンから構成される半導体デバイスＫＡ上にアルミニウム電極として使用するアルミニウム膜１Ａを形成し、そのアルミニウム膜１Ａの略中央部に測定部位となるニッケルめっきとして使用するニッケル−リン膜２Ａを形成したものである。なお、この実施例２の検査用試料１０Ａにおいては、アルミニウム膜１Ａおよびニッケル−リン膜２Ａの厚みは双方とも5μｍであった。
【００４８】
図４および表１は、実施例１の試料におけるニッケル−リン膜の形成前後のアルミニウム膜の内部歪みの測定結果を示したものである。なお、図中および表中、正の内部歪みは引張り歪み、負の内部歪みは圧縮歪みを表している。
【００４９】
【表１】
2013002950.tif 000007
【００５０】
実施例１においては、ニッケル−リン膜の形成前のアルミニウム膜に約0.09％の圧縮歪みが発生しており、ニッケル−リン膜形成後のアルミニウム膜には、ニッケル−リン膜の形成によって内部歪みがさらに付与された結果、約0.33％の圧縮歪みが発生していることが確認された。
【００５１】
上記測定方法によって測定したアルミニウム膜の内部歪みの差分値を演算した結果、アルミニウム膜上に形成されたニッケル−リン膜には約0.24％の引張り歪みが発生していることが実証された。
【００５２】
次に、図５および表２は、図３で示す実施例２の試料におけるニッケル−リン膜の形成前後のアルミニウム膜の内部歪みの測定結果を示したものである。なお、上記するように、この実施例２においてはニッケル−リン膜の形成前後のアルミニウム膜の内部歪み測定をそれぞれ５回行い、その測定結果から得られる平均値からニッケル−リン膜の内部歪みを特定した。
【００５３】
【表２】
2013002950.tif 000008
【００５４】
実施例２においては、ニッケル−リン膜の形成前のアルミニウム膜に平均して約0.02％の圧縮歪みが発生しており、ニッケル−リン膜形成後のアルミニウム膜には、ニッケル−リン膜の形成によって内部歪みがさらに付与された結果、平均して約0.18％の圧縮歪みが発生していることが確認された。
【００５５】
したがって、この実施例２の試料のニッケル−リン膜には約0.16％の引張り歪みが発生していることが実証された。
【００５６】
この実験結果より、Ｘ線回折法を利用して検査用試料を構成する多結晶材の内部歪みを複数回測定する本発明の内部歪み特定方法を適用することで、Ｘ線が非晶質材を透過してしまい、直接その内部歪みを測定することができない状況においても、特定対象の非晶質材の内部歪みを精緻に特定できることが実証された。
【００５７】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５８】
１，１'…多結晶材、２…非晶質材、５…積層膜、１０，１０'…検査用試料、Ｅ…演算部、Ｋ…基材、Ｓ…Ｘ線検出器、ｄ０，ｄ１，ｄ２…多結晶材の格子面間隔、２θ１，２θ２…回折角度、ψ１，ψ２…傾斜角度
【図１】
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【図２】
2013002950.tif 000010
【図３】
2013002950.tif 000011
【図４】
2013002950.tif 000012
【図５】
2013002950.tif 000013