特許 7276744 超音波検査装置及び超音波検査方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-10

(45)【発行日】2023-05-18

(54)【発明の名称】超音波検査装置及び超音波検査方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/265 20060101AFI20230511BHJP

   G01N 29/28 20060101ALI20230511BHJP

   G01N 29/46 20060101ALI20230511BHJP

   G01R 31/28 20060101ALI20230511BHJP

【ＦＩ】

G01N29/265

G01N29/28

G01N29/46

G01R31/28 L

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2019033084

(22)【出願日】2019-02-26

(65)【公開番号】P2020139746

(43)【公開日】2020-09-03

【審査請求日】2021-10-26

(73)【特許権者】

【識別番号】304027349

【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100148013

【弁理士】

【氏名又は名称】中山 浩光

(72)【発明者】

【氏名】穂積 直裕

(72)【発明者】

【氏名】松井 拓人

(72)【発明者】

【氏名】松本 徹

(72)【発明者】

【氏名】江浦 茂

【審査官】村田 顕一郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０７２２９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－３２０３５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６４３０７２８（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／００－２９／５２

Ｇ０１Ｒ ３１／００－３１／７４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パッケージ化された半導体デバイスを検査対象とする超音波検査装置であって、
前記半導体デバイスに対向して配置される超音波振動子と、
前記超音波振動子から出力する超音波の発生に用いる駆動信号を生成する信号生成部と、
前記超音波振動子による前記超音波の照射に応じて前記半導体デバイスから出力される出力信号を解析する解析部と、を備え、
前記信号生成部は、前記半導体デバイスの表面で反射した前記超音波の強度時間波形をフーリエ変換して得られる反射周波数スペクトルに基づいて、前記半導体デバイス内での前記超音波の吸収が最大となるように前記駆動信号の最適周波数を設定する超音波検査装置。

【請求項2】

前記信号生成部は、前記超音波振動子から出力した前記超音波の強度時間波形をフーリエ変換して得られる出射周波数スペクトルと、前記反射周波数スペクトルとの比に基づいて前記駆動信号の最適周波数を設定する請求項１記載の超音波検査装置。

【請求項3】

パッケージ化された半導体デバイスを検査対象とする超音波検査装置であって、
前記半導体デバイスに対向して配置される超音波振動子と、
前記超音波振動子から出力する超音波の発生に用いる駆動信号を生成する信号生成部と、
前記超音波振動子による前記超音波の照射に応じて前記半導体デバイスから出力される出力信号を解析する解析部と、を備え、
前記信号生成部は、前記駆動信号の周波数を掃引し、掃引範囲内で前記半導体デバイスから出力される前記出力信号の強度が最も高くなる周波数を前記駆動信号の最適周波数とすることで、前記半導体デバイス内での前記超音波の吸収が最大となるように前記駆動信号の最適周波数を設定する超音波検査装置。

【請求項4】

パッケージ化された半導体デバイスを検査対象とする超音波検査装置であって、
前記半導体デバイスに対向して配置される超音波振動子と、
前記超音波振動子から出力する超音波の発生に用いる駆動信号を生成する信号生成部と、
前記超音波振動子による前記超音波の照射に応じて前記半導体デバイスから出力される出力信号を解析する解析部と、を備え、
前記信号生成部は、前記半導体デバイスの被検査領域の位置毎の最適周波数を示すマッピング情報と前記超音波振動子の位置とに基づいて前記駆動信号を生成し、前記半導体デバイス内での前記超音波の吸収が最大となるように前記駆動信号の最適周波数を設定する超音波検査装置。

【請求項5】

前記解析部は、前記半導体デバイスの被検査領域において前記出力信号の解析結果をマッピングすることにより解析画像を生成する請求項１～４のいずれか一項記載の超音波検査装置。

【請求項6】

前記信号生成部は、前記最適周波数を含む一定の範囲内で複数の周波数の駆動信号を生成し、
前記解析部は、前記複数の周波数の駆動信号に基づいて生成された複数の解析画像のうち、最もＳＮ比が高い解析画像を選択して外部出力する請求項５記載の超音波検査装置。

【請求項7】

パッケージ化された半導体デバイスを検査対象とする超音波検査方法であって、
前記半導体デバイスに向けて超音波振動子から超音波を照射する照射ステップと、
前記超音波振動子からの前記超音波の照射に応じて前記半導体デバイスから出力される出力信号を解析する解析ステップと、を備え、
前記照射ステップでは、前記半導体デバイスの表面で反射した前記超音波の強度時間波形をフーリエ変換して得られる反射周波数スペクトルに基づいて、前記半導体デバイス内での前記超音波の吸収が最大となるように前記超音波振動子を駆動する駆動信号の最適周波数を設定する超音波検査方法。

【請求項8】

前記照射ステップでは、前記超音波振動子から出力した前記超音波の強度時間波形をフーリエ変換して得られる出射周波数スペクトルと、前記反射周波数スペクトルとの比に基づいて前記駆動信号の最適周波数を設定する請求項７記載の超音波検査方法。

【請求項9】

パッケージ化された半導体デバイスを検査対象とする超音波検査方法であって、
前記半導体デバイスに向けて超音波振動子から超音波を照射する照射ステップと、
前記超音波振動子からの前記超音波の照射に応じて前記半導体デバイスから出力される出力信号を解析する解析ステップと、を備え、
前記照射ステップでは、前記超音波振動子を駆動する駆動信号の周波数を掃引し、掃引範囲内で前記半導体デバイスから出力される前記出力信号の強度が最も高くなる周波数を前記駆動信号の最適周波数とすることで、前記半導体デバイス内での前記超音波の吸収が最大となるように前記駆動信号の最適周波数を設定する超音波検査方法。

【請求項10】

パッケージ化された半導体デバイスを検査対象とする超音波検査方法であって、
前記半導体デバイスに向けて超音波振動子から超音波を照射する照射ステップと、
前記超音波振動子からの前記超音波の照射に応じて前記半導体デバイスから出力される出力信号を解析する解析ステップと、を備え、
前記照射ステップでは、前記半導体デバイスの被検査領域の位置毎の最適周波数を示すマッピング情報と前記超音波振動子の位置とに基づいて前記超音波振動子を駆動する駆動信号を生成し、前記半導体デバイス内での前記超音波の吸収が最大となるように駆動信号の最適周波数を設定する超音波検査方法。

【請求項11】

前記解析ステップでは、前記半導体デバイスの被検査領域において前記出力信号の解析結果をマッピングすることにより解析画像を生成する請求項７～１０のいずれか一項記載の超音波検査方法。

【請求項12】

前記照射ステップでは、前記最適周波数を含む一定の範囲内で複数の周波数の駆動信号を生成し、
前記解析ステップでは、前記複数の周波数の駆動信号に基づいて生成された複数の解析画像のうち、最もＳＮ比が高い解析画像を選択して外部出力する請求項１１記載の超音波検査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の超音波検査装置として、例えば特許文献１に記載の超音波加熱を用いた半導体集積回路配線系の検査装置がある。この従来の超音波検査装置では、被検査体である半導体集積回路に対し、定電圧源から電力を供給しながら超音波を照射する。そして、超音波の照射に応じてグランド配線に流れる電流の変化を検出することにより、半導体集積回路の電流像或いは欠陥像を生成するようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平８－３２０３５９号公報

【文献】特開２０１８－７２２８４号公報

【文献】特開２０１８－７２２８５号公報

【非特許文献】

【0004】

【文献】松本徹、穂積直裕、「超音波刺激によるパッケージ内配線の電流変動観察」、The 36th NANO Testing Symposium (NANOTS2016), 9-11 Nov. 2016,p.235-238

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述した従来の超音波検査装置では、パッケージから取り出した半導体チップが検査対象となっている。しかしながら、半導体チップをパッケージから取り出す作業が必要なことや、半導体チップの取り出しの際に回路の特性が変化してしまう可能性などを考慮すると、パッケージ化された状態のままで半導体デバイスを検査することが好適である。パッケージ化された半導体デバイスを検査する場合、観察点である半導体チップを外部から視認できないという問題がある。

【0006】

半導体デバイス内の半導体チップを検査する技術としては、例えば非特許文献１に記載の半導体デバイスの故障解析技術がある。また、半導体デバイス内の半導体チップに超音波の焦点を合わせる技術としては、例えば特許文献２，３に記載の超音波検査装置がある。更なる検査精度の向上の観点からは、超音波の照射に応じて半導体デバイスから出力される出力信号の強度を十分に高めるための工夫が必要となる。

【0007】

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、超音波の照射に応じて半導体デバイスから出力される出力信号の強度を十分に高めることができる超音波検査装置及び超音波検査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】

【0008】

本開示の一側面に係る超音波検査装置は、パッケージ化された半導体デバイスを検査対象とする超音波検査装置であって、半導体デバイスに対向して配置される超音波振動子と、超音波振動子から出力する超音波の発生に用いる駆動信号を生成する信号生成部と、超音波振動子による超音波の入射に応じて半導体デバイスから出力される出力信号を解析する解析部と、を備え、信号生成部は、半導体デバイス内での超音波の吸収が最大となるように駆動信号の最適周波数を設定する。

【0009】

この超音波検査装置では、半導体デバイス内での超音波の吸収が最大となるように駆動信号の最適周波数を設定する。駆動信号を最適周波数とすることで、半導体デバイス内で超音波の共振を十分に生じさせることができる。このため、超音波の集束強度が高まると共に、超音波の照射位置で半導体デバイスの温度が上昇し、超音波の照射に応じて半導体デバイスから出力される出力信号の強度を十分に高めることができる。出力信号の強度を高めることで、検査精度の向上が図られる。

【0010】

信号生成部は、半導体デバイスの表面で反射した超音波の強度時間波形をフーリエ変換して得られる反射周波数スペクトルに基づいて駆動信号の最適周波数を設定してもよい。このような手法によれば、半導体デバイスから出力される出力信号を取得する際の超音波の周波数を幅広い範囲で掃引することなく、駆動信号の最適周波数を事前に精度良く導出できる。

【0011】

信号生成部は、超音波振動子から出力した超音波の強度時間波形をフーリエ変換して得られる出射周波数スペクトルと、反射周波数スペクトルとの比に基づいて駆動信号の最適周波数を設定してもよい。この場合、駆動信号の最適周波数を事前に一層精度良く導出できる。

【0012】

信号生成部は、掃引範囲内で半導体デバイスから出力される出力信号の強度が最も高くなる周波数を駆動信号の最適周波数として設定してもよい。この場合、簡単な処理で駆動信号の最適周波数を導出できる。

【0013】

信号生成部は、半導体デバイスの被検査領域の位置毎の最適周波数を示すマッピング情報に基づいて駆動信号を生成してもよい。この場合、半導体デバイスの被検査領域の構造（樹脂厚や材質など）が位置によってばらついていたとしても、常に最適な周波数の駆動信号を用いて出力信号の解析を行うことができる。

【0014】

解析部は、半導体デバイスの被検査領域において出力信号の解析結果をマッピングすることにより解析画像を生成してもよい。これにより、半導体デバイスの検査結果を解析画像に基づいて容易に把握することが可能となる。

【0015】

信号生成部は、最適周波数を含む一定の範囲内で複数の周波数の駆動信号を生成し、解析部は、複数の周波数の駆動信号に基づいて生成された複数の解析画像のうち、最もＳＮ比が高い解析画像を選択して外部出力してもよい。この場合、半導体デバイスの被検査領域の構造（樹脂厚や材質など）が位置によってばらついていたとしても、感度の高い解析画像に基づいて半導体デバイスの検査を精度良く実施することができる。

【0016】

本開示の一側面に係る超音波検査方法は、パッケージ化された半導体デバイスを検査対象とする超音波検査方法であって、半導体デバイスに向けて超音波振動子から超音波を照射する照射ステップと、超音波振動子からの超音波の照射に応じて半導体デバイスから出力される出力信号を解析する解析ステップと、を備え、照射ステップでは、半導体デバイス内での超音波の吸収が最大となるように超音波振動子を駆動する駆動信号の最適周波数を設定する。

【0017】

この超音波検査方法では、半導体デバイス内での超音波の吸収が最大となるように駆動信号の最適周波数を設定する。駆動信号を最適周波数とすることで、半導体デバイス内で超音波の共振を十分に生じさせることができる。このため、超音波の集束強度が高まると共に、超音波の照射位置で半導体デバイスの温度が上昇し、超音波の照射に応じて半導体デバイスから出力される出力信号の強度を十分に高めることができる。出力信号の強度を高めることで、検査精度の向上が図られる。

【0018】

照射ステップでは、半導体デバイスの表面で反射した超音波の強度時間波形をフーリエ変換して得られる反射周波数スペクトルに基づいて駆動信号の最適周波数を設定してもよい。このような手法によれば、半導体デバイスから出力される出力信号を取得する際の超音波の周波数を幅広い範囲で掃引することなく、駆動信号の最適周波数を事前に精度良く導出できる。

【0019】

照射ステップでは、超音波振動子から出力した超音波の強度時間波形をフーリエ変換して得られる出射周波数スペクトルと、反射周波数スペクトルとの比に基づいて駆動信号の最適周波数を設定してもよい。この場合、駆動信号の最適周波数を事前に一層精度良く導出できる。

【0020】

照射ステップでは、駆動信号の周波数を掃引し、掃引範囲内で半導体デバイスから出力される出力信号の強度が最も高くなる周波数を駆動信号の最適周波数として設定してもよい。この場合、簡単な処理で駆動信号の最適周波数を導出できる。

【0021】

照射ステップでは、半導体デバイスの被検査領域の位置毎の最適周波数を示すマッピング情報に基づいて駆動信号を生成してもよい。この場合、半導体デバイスの被検査領域の構造（樹脂厚や材質など）が位置によってばらついていたとしても、常に最適な周波数の駆動信号を用いて出力信号の解析を行うことができる。

【0022】

解析ステップでは、半導体デバイスの被検査領域において出力信号の解析結果をマッピングすることにより解析画像を生成してもよい。これにより、半導体デバイスの検査結果を解析画像に基づいて容易に把握することが可能となる。

【0023】

照射ステップでは、最適周波数を含む一定の範囲内で複数の周波数の駆動信号を生成し、解析ステップでは、複数の周波数の駆動信号に基づいて生成された複数の解析画像のうち、最もＳＮ比が高い解析画像を選択して外部出力してもよい。この場合、半導体デバイスの被検査領域の構造（樹脂厚や材質など）が位置によってばらついていたとしても、感度の高い解析画像に基づいて半導体デバイスの検査を精度良く実施することができる。

【発明の効果】

【0024】

本開示によれば、超音波の照射に応じて半導体デバイスから出力される出力信号の強度を十分に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】超音波検査装置の一実施形態を示す概略構成図である。

【図2】超音波振動子の構成を示す概略図である。

【図3】検査実行時の超音波の焦点位置を示す概略図である。

【図4】（ａ）は出力した超音波の時間強度波形の一例、（ｂ）は反射した超音波の強度時間波形の一例、（ｃ）は出射周波数スペクトルに対する反射周波スペクトルの比の一例を示す図である。

【図5】最適周波数のマッピング情報の一例を示す図である。

【図6】超音波の焦点位置の調整制御の一例を示す図である。

【図7】図６の後続の状態を示す図である。

【図8】（ａ）は解析画像の一例、（ｂ）は反射画像の一例、（ｃ）は重畳画像の一例を示す図である。

【図9】（ａ）～（ｃ）は、異なるキャリア周波数を用いて取得した複数の解析画像の例を示す図である。

【図10】複数の解析画像のＳＮ比の算出結果の一例を示す図である。

【図11】超音波検査方法の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る超音波検査装置及び超音波検査方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

【0027】

図１は、超音波検査装置の一実施形態を示す概略構成図である。この超音波検査装置１は、検査対象である半導体デバイスＤをパッケージ化された状態のまま検査する装置である。超音波検査装置１は、超音波Ｗの照射に起因する半導体デバイスＤの抵抗変化を計測する手法に基づき、パッケージ化された半導体デバイスＤの故障の有無及び故障位置の特定などを実施する。

【0028】

半導体デバイスＤの一面側は、超音波Ｗが照射される検査面Ｄｔとなっている。半導体デバイスＤは、当該検査面Ｄｔを下方に向けた状態で保持板などによって保持される。半導体デバイスＤとしては、ダイオードやパワートランジスタ等を含む個別半導体素子（ディスクリート）、オプトエレクトロニクス素子、センサ／アクチュエータ、或いはＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）構造やバイポーラ構造のトランジスタで構成されるロジックＬＳＩ（Large Scale Integration）、メモリ素子、リニアＩＣ（IntegratedCircuit）、及びこれらの混成デバイス等が挙げられる。また、半導体デバイスＤは、半導体デバイスを含むパッケージ、複合基板等であってもよい。

【0029】

図１に示すように、超音波検査装置１は、超音波振動子２と、ステージ３と、パルスジェネレータ（信号生成部）４と、反応検出部５と、ロックインアンプ６と、コンピュータ（解析部／画像生成部）７と、モニタ８とを含んで構成されている。

【0030】

超音波振動子２は、半導体デバイスＤに向けて超音波Ｗを照射するデバイスである。超音波振動子２は、図２に示すように、パルサー１１と、媒質保持部１２とを有している。超音波振動子２は、例えば筒状をなし、より具体的には円筒状をなしている。超音波振動子２の先端面２ａは、超音波Ｗを出力する部分であり、半導体デバイスＤの検査面Ｄｔと対向するように上方向きに配置されている。先端面２ａは、実際には凹面状をなしており、先端面２ａのそれぞれの位置で発生した超音波Ｗは、先端面２ａから一定の距離だけ離れた位置に焦点を有する。

【0031】

先端面２ａから出力される超音波Ｗは、例えば２０ｋＨｚ～１０ＧＨｚ程度の弾性振動波である。超音波Ｗの波形は、十分な帯域を有するパルス波形であれば特に制限はない。超音波Ｗの波形は、パルス波形に限られず、掃引されたバースト波形であってもよい。また、バースト波形には、局所周波数が掃引されたチャープ波形が含まれていてもよい。

【0032】

パルサー１１は、パルスジェネレータ４から出力される駆動信号に基づいて超音波振動子２を駆動する部分である。本実施形態では、パルサー１１は、半導体デバイスＤの検査面で反射した超音波Ｗを検出するレシーバ１３としての機能も有している。レシーバ１３は、超音波Ｗの反射波を検出し、検出結果を示す検出信号をコンピュータ７に出力する。

【0033】

媒質保持部１２は、超音波振動子２と半導体デバイスＤとの間で媒質Ｍを保持する部分である。媒質保持部１２によって保持される媒質Ｍは、本実施形態では水である。媒質Ｍは、半導体デバイスＤのパッケージに用いられている材質とインピーダンスが整合するものであれば特に制限はなく、グリセリン等の他の液体、或いはゲル状、ゼリー状の物質などを用いてもよい。媒質保持部１２は、例えばシリコーン樹脂など、可撓性及び媒質Ｍに対する濡れ性を十分に有する材料によって形成された筒状部材１４を有している。筒状部材１４は、超音波振動子２の先端面２ａ側の端部２ｂに着脱自在に嵌合している。

【0034】

筒状部材１４の一部が先端面２ａから突出するように筒状部材１４を端部２ｂにスライド自在に嵌合することで、筒状部材１４の内周面１４ａと超音波振動子２の先端面２ａとによって媒質Ｍを保持する保持空間Ｓが形成される。超音波振動子２の先端面２ａからの筒状部材１４の突出量を調整することで、保持空間Ｓの容積が可変となる。これにより、パッケージの樹脂厚の異なる半導体デバイスＤに対しても、媒質Ｍがこぼれることがない最適な保持空間Ｓの容積を設けることができる。また、筒状部材１４の突出量の調整により、超音波振動子２から出力される超音波Ｗの焦点位置の範囲を調整できる。

【0035】

筒状部材１４の突出量の把握を容易にするため、筒状部材１４に目盛りが設けられていてもよい。目盛りが設けられる位置は、例えば筒状部材１４の内周面１４ａ或いは外周面１４ｃである。筒状部材１４の突出量は、超音波振動子２の端部２ｂに対する筒状部材１４の位置を手動でスライドさせ、筒状部材１４の嵌合量を変えることによって調整できる。超音波振動子２の端部２ｂに対する筒状部材１４の位置は、スライド機構を用いて調整してもよい。また、筒状部材１４の嵌合量を一定とした上で、異なる長さの筒状部材１４に交換することによって筒状部材１４の突出量を調整してもよい。

【0036】

筒状部材１４の周壁部分には、保持空間Ｓに保持される媒質Ｍの保持量を調整する媒質流通口１５が設けられている。媒質流通口１５には、外部の媒質貯蔵部（不図示）に接続された流通管１６が挿入されており、保持空間Ｓへの媒質Ｍの流入及び保持空間Ｓからの媒質Ｍの排出がなされるようになっている。媒質Ｍの流通量は、例えばコンピュータ７によって制御される。

【0037】

媒質流通口１５は、筒状部材１４の先端面１４ｂから一定の間隔をもって設けられることが好ましい。これにより、媒質流通口１５から流入する媒質Ｍに異物が混入した場合でも、保持空間Ｓにおいて異物が筒状部材１４の先端面１４ｂ付近に集まることを抑制できる。筒状部材１４の先端面１４ｂ付近は、超音波振動子２の先端面２ａ付近に比べて超音波Ｗが集束している。このため、先端面１４ｂ付近に異物が集まることを抑制することで、異物への超音波Ｗの干渉の影響を抑えられる。

【0038】

筒状部材１４の内周面１４ａには、保持空間Ｓにおける媒質Ｍの保持量を検出するレベルセンサ（保持量検出部）１７が取り付けられている。レベルセンサ１７の取付位置は、例えば媒質流通口１５よりも上方（先端面１４ｂ側）となっている。レベルセンサ１７は、検出結果を示す検出信号をコンピュータ７に出力する。レベルセンサ１７からの検出信号に基づいて、超音波Ｗの焦点位置を調整する際の保持空間Ｓの媒質Ｍの量の制御が実行される。筒状部材１４には、半導体デバイスＤとの距離を検出する距離センサが取り付けられていてもよい。これにより、後述するステージ３をＺ軸方向に駆動させた際に、筒状部材１４と半導体デバイスＤの干渉を防ぐことができる。

【0039】

ステージ３は、図１に示すように、半導体デバイスＤと超音波振動子２との相対位置を移動させる装置である。本実施形態では、ステージ３は、ＸＹＺ軸方向に駆動可能な３軸ステージとして構成され、ステージ３上に超音波振動子２が固定されている。ステージ３の駆動は、コンピュータ７からの指示信号に基づいて制御される。ステージ３が半導体デバイスＤの検査面Ｄｔの面内方向（ＸＹ軸方向）に駆動することにより、半導体デバイスＤの検査面Ｄｔにおける超音波Ｗの照射位置が走査される。また、ステージ３が半導体デバイスＤの厚さ方向（Ｚ軸方向）に駆動することにより、超音波Ｗの焦点位置が半導体デバイスＤの厚さ方向に対して一定の精度をもって調整される。なお、ステージ３は、超音波振動子２ではなく、半導体デバイスＤに固定されていてもよい。

【0040】

半導体デバイスＤの検査の開始時には、図２に示したように、表面張力によって媒質保持部１２の保持空間Ｓから盛り上がる程度に媒質Ｍが保持空間Ｓに供給される。そして、ステージ３が半導体デバイスＤの厚さ方向に駆動することにより、媒質Ｍの盛り上がり部分Ｍａが半導体デバイスＤの検査面Ｄｔに接触させられる。これにより、超音波振動子２の先端面２ａから半導体デバイスＤの検査面Ｄｔに至る超音波Ｗの経路が媒質Ｍで充填される。そして、図３に示すように、ステージ３が半導体デバイスＤの厚さ方向に更に駆動し、超音波Ｗの焦点位置が半導体デバイスＤ内のチップＣ付近で調整される。

【0041】

パルスジェネレータ４は、超音波振動子２に対する駆動信号を生成する装置である。駆動信号の周波数（以下、「キャリア周波数」と称す）は、超音波振動子２で発生させる超音波Ｗの周波数と等しい値に設定される。本実施形態のように、ロックインアンプ６を用いたロックイン検出を行う場合には、ロックイン周波数を別途設定し、キャリア周波数とロックイン周波数とを合成したバースト信号を駆動信号として超音波振動子２に入力する。この場合、ロックイン周波数に応じた参照信号がパルスジェネレータ４からロックインアンプ６に出力される。キャリア周波数は、例えば２５ＭＨｚ～３００ＭＨｚ程度であり、ロックイン周波数は、例えば０．１ｋＨｚ～５ｋＨｚ程度である。

【0042】

パルスジェネレータ４は、駆動信号の生成にあたり、半導体デバイスＤ内での共振による超音波Ｗの吸収が最大となるように駆動信号の最適周波数を設定する。パルスジェネレータ４は、例えば半導体デバイスＤの表面で反射した超音波Ｗの周波数を解析することによって駆動信号の最適周波数を設定する。この場合、まず、リファレンス用サンプルをセットし、当該サンプルの検査面Ｄｔにおける超音波Ｗの照射位置及び超音波Ｗの焦点位置を調整した後、超音波振動子２から出力する超音波Ｗの強度時間波形Ｔ０（図４（ａ）参照）を取得する。リファレンス用サンプルは、単一素材によって形成され、十分な厚みを有する物体であることが好ましい。また、検査対象の半導体デバイスＤをセットし、当該半導体デバイスＤの表面で反射した超音波Ｗの強度時間波形Ｔ１（図４（ｂ）参照）を取得する。

【0043】

次に、強度時間波形Ｔ０をフーリエ変換して出射周波数スペクトルＷ０を導出し、強度時間波形Ｔ１をフーリエ変換して反射周波数スペクトルＷ１を導出する。そして、反射周波数スペクトルＷ１を出射周波数スペクトルＷ０で除算し、出射周波数スペクトルＷ０に対する反射周波数スペクトルＷ１の比Ｒを算出する。この比Ｒは、検査対象の半導体デバイスＤの表面における超音波Ｗの反射率の周波数特性を示すものである。図４（ｃ）は、出射周波数スペクトルＷ０に対する反射周波数スペクトルＷ１の比Ｒの導出結果の一例を示す図である。図４（ｃ）の例では、周波数が４６ＭＨｚ～５８ＭＨｚの範囲において、周波数が５２ＭＨｚである場合に比Ｒが最小値となっている。この場合、パルスジェネレータ４は、比Ｒが最小値となる５２ＭＨｚをキャリア周波数とする駆動信号を生成し、超音波振動子２に出力する。出射周波数スペクトルＷ０については、リファレンス用サンプルを用いて予め取得したデータをパルスジェネレータ４或いはコンピュータ７に記憶させておいてもよい。

【0044】

最適周波数の設定は、キャリア周波数の掃引によって実施してもよい。この場合、検査対象の半導体デバイスＤをセットし、キャリア周波数を掃引しながら、当該半導体デバイスＤの表面で反射した超音波Ｗの反射強度波形（不図示）を取得する。パルスジェネレータ４は、取得した反射強度波形に基づき、反射強度が最小値となる周波数をキャリア周波数とする駆動信号を生成し、超音波振動子２に出力する。

【0045】

キャリア周波数を掃引する方式と、上述した出射周波数スペクトルＷ０に対する反射周波数スペクトルＷ１の比Ｒを用いる方式とを組み合わせて最適周波数の導出を行ってもよい。この場合、例えば比Ｒが最小となるキャリア周波数を導出した後、当該周波数を含む所定の範囲でキャリア周波数を掃引し、反射強度が最小値となる周波数をキャリア周波数として駆動信号を生成すればよい。このような手法によれば、最適周波数を導出する際のキャリア周波数の掃引範囲を絞ることが可能となる。

【0046】

パルスジェネレータ４は、最適周波数を含む一定の範囲内で複数の周波数の駆動信号を生成してもよい。上記処理により最適周波数が５２ＭＨｚと導出された場合、パルスジェネレータ４は、例えば４８ＭＨｚ～５６ＭＨｚの範囲で２ＭＨｚ刻みの駆動信号を生成してもよい。この場合、パルスジェネレータ４では、４８ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、５２ＭＨｚ、５４ＭＨｚ、５６ＭＨｚの５つのキャリア周波数に基づく駆動信号が生成され、５つの異なる周波数の超音波Ｗを用いて半導体デバイスＤの検査が実施される。

【0047】

パルスジェネレータ４は、半導体デバイスＤの被検査領域の位置毎の最適周波数を示すマッピング情報に基づいて駆動信号を生成してもよい。図５は、最適周波数のマッピング情報の一例を示す図である。同図の例では、半導体デバイスＤの検査面Ｄｔの被検査領域がマトリクス状に９つの領域に区分されており、各領域に最適周波数がそれぞれ割り当てられている。マッピング情報は、例えばステージ３を半導体デバイスＤの検査面Ｄｔの面内方向（ＸＹ軸方向）に駆動し、半導体デバイスＤの被検査領域の位置毎に最適周波数を導出することによって生成される。マッピング情報は、半導体デバイスＤの個体毎に生成してもよく、製品仕様などに応じて予め生成したものをパルスジェネレータ４或いはコンピュータ７に記憶させておいてもよい。

【0048】

反応検出部５は、超音波振動子２による超音波Ｗの照射に応じた半導体デバイスＤの反応を検出する装置である。反応検出部５は、例えばロックインアンプ６の前段に接続された検出アンプによって構成されている。反応検出部５は、半導体デバイスＤに定電圧又は定電流を印加する電源装置１０を内蔵している。反応検出部５は、定電圧又は定電流の印加状態において、超音波Ｗの照射に応じた半導体デバイスＤの電流又は電圧を検出し、検出結果を示す検出信号をロックインアンプ６に出力する。反応検出部５は、交流成分のみを抽出して検出信号を出力するようにしてもよい。

【0049】

ロックインアンプ６は、反応検出部５から出力される検出信号をロックイン検出する装置である。ロックインアンプ６は、パルスジェネレータ４から出力される参照信号に基づいて、反応検出部５から出力される検出信号をロックイン検出する。そして、ロックインアンプ６は、検出結果を示す検出信号をコンピュータ７に出力する。

【0050】

コンピュータ７は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、ＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部、モニタ８等の表示部を備えて構成されている。かかるコンピュータ７としては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。コンピュータ７は、マイクロコンピュータ或いはＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などによって構成されていてもよい。コンピュータ７は、メモリに格納されるプログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより、ステージ３の動作を制御するステージ制御部２１、及びロックインアンプ６からの検出信号を解析する解析部２２として機能する。

【0051】

ステージ制御部２１は、より具体的には、半導体デバイスＤの厚さ方向に対する超音波Ｗの焦点位置の調整制御と、半導体デバイスＤの検査面Ｄｔに対する超音波Ｗの走査制御とを実行する。焦点位置の調整制御では、ステージ制御部２１は、超音波振動子２のレシーバ１３から出力される当該検出信号に基づいてステージ３のＺ方向の制御を実行する。超音波Ｗの走査制御では、ステージ制御部２１は、超音波Ｗが半導体デバイスＤの検査面Ｄｔに沿って移動するように、ステージ３のＸＹ方向の制御を実行する。ステージ制御部２１は、走査制御時のステージ３の位置情報を解析部２２に順次出力する。

【0052】

図６は、焦点位置の調整制御の一例を示す図である。同図の例では、横軸が時間（超音波Ｗが出力されてから反射波が検出されるまでの時間）、縦軸が振幅となっており、レシーバ１３からの検出信号の時間波形Ｋがプロットされている。この時間波形Ｋは、超音波Ｗを複数回出力させた場合の反射波の検出信号を積算したものであってもよい。

【0053】

超音波Ｗの焦点位置を半導体デバイスＤに向けて変位させていくと、図６に示すように、半導体デバイスＤのパッケージ表面での反射に対応する第１ピークＰ１が時間波形Ｋに出現する。第１ピークＰ１が出現した位置から更に超音波Ｗの焦点位置を半導体デバイスＤ側に変位させると、超音波Ｗの焦点位置が半導体デバイスＤのパッケージ内に移動し、図７に示すように、半導体デバイスＤ内部のチップＣ表面での反射に対応する第２ピークＰ２が時間波形Ｋに出現する。したがって、ステージ制御部２１は、第２ピークＰ２の振幅が最大となるようにステージ３のＺ軸方向の位置を制御する。

【0054】

焦点位置の調整制御において、パッケージの樹脂厚が既知である場合、或いはパッケージの樹脂組成が既知であり、パッケージ内の超音波Ｗの音速が算出可能である場合が考えられる。この場合には、これらの情報に基づいて予め第２ピークＰ２の出現位置（出現時間）の範囲を算出し、第２ピークＰ２を検出する際の検出窓Ａを設定するようにしてもよい。検出窓Ａの設定により、第２ピークＰ２の出現位置の検出精度の向上及び検出時間の短縮化が図られる。半導体デバイスＤ内に複数層のチップＣが内蔵されていることが既知である場合には、第２ピークＰ２以降のピークに基づいてステージ３のＺ軸方向の位置を制御してもよい。

【0055】

解析部２２は、半導体デバイスＤの検査中にロックインアンプ６から出力される検出信号をステージ制御部２１から出力されるステージ３の位置情報に基づいてマッピングし、図８（ａ）に示すように、解析画像３１を生成する。解析画像３１において、半導体デバイスＤの反応（電流又は電圧の変化量）に応じた表示輝度の範囲、色、透過度などは、任意に設定可能である。

【0056】

解析部２２は、半導体デバイスＤの検査中にレシーバ１３から出力される検出信号をステージ制御部２１から出力されたステージ３の位置情報に基づいてマッピングし、図８（ｂ）に示すように、反射画像３２を生成する。反射画像３２の生成にあたっては、レシーバ１３からの検出信号のうち、半導体デバイスＤ内のチップＣ表面からの反射波に対応する時間の成分のみを抽出することが好適である。こうすると、半導体デバイスＤ内のチップＣの形状を表す反射画像３２を得ることができる。

【0057】

解析部２２は、図８（ｃ）に示すように、解析画像３１と反射画像３２とを重畳した重畳画像３３を生成してもよい。解析部２２は、生成した重畳画像３３をモニタ８に出力する。重畳画像３３では、反射画像３２が示す半導体デバイスＤ内のチップＣの形状に、解析画像３１が示す半導体デバイスＤの反応が重ね合され、チップＣの故障位置の特定が容易なものとなる。反射画像３２では、チップＣの形状だけでなく、回路の剥離といった異常が確認できる場合がある。したがって、重畳画像３３において、解析画像３１から確認できる異常位置と反射画像３２から確認できる異常位置とが重なった場合、当該異常位置を強調表示するようにしてもよい。

【0058】

パルスジェネレータ４で最適周波数を含む一定の範囲内で複数の周波数の駆動信号が生成され、異なる周波数の超音波Ｗを用いて半導体デバイスＤの検査が実施された場合、解析部２２は、これら複数の周波数の駆動信号に基づく複数の解析画像３１を生成する。この場合、解析部２２は、生成した複数の解析画像３１のうち、最もＳＮ比が高い解析画像３１を選択して外部出力する。

【0059】

図９の例では、キャリア周波数を４８ＭＨｚとした場合の解析画像３１Ａ（図９（ａ））、キャリア周波数を５２ＭＨｚとした場合の解析画像３１Ｂ（図９（ｂ））、及びキャリア周波数を５６ＭＨｚとした場合の解析画像３１Ｃ（図９（ｃ））を示す（図９では、キャリア周波数を５０ＭＨｚとした場合の解析画像及びキャリア周波数を５４ＭＨｚとした場合の解析画像は省略する）。画像のＳＮ比は、例えば解析画像中の信号点とノイズ点とを指定し、これらの点での信号強度の比に基づいて算出される。

【0060】

図１０は、複数の解析画像のＳＮ比の算出結果の一例を示す図である。同図の例では、最もＳＮ比が高い解析画像は、キャリア周波数を５２ＭＨｚとした場合の解析画像である。この場合、解析部２２は、複数の解析画像のうち、キャリア周波数を５２ＭＨｚとした場合の解析画像を選択する。そして、解析部２２は、選択した解析画像に反射画像を重畳して重畳画像を生成し、モニタ８に出力する。

【0061】

続いて、上述した超音波検査装置１を用いた超音波検査方法について説明する。

【0062】

図１１は、超音波検査方法の一例を示すフローチャートである。同図に示すように、超音波検査装置１を用いて半導体デバイスＤの検査を実施する場合、まず、半導体デバイスＤを不図示の保持板などに配置する（ステップＳ０１）。次に、媒質流通口１５から媒質保持部１２に媒質Ｍを流入させ、保持空間Ｓに媒質Ｍを保持する（ステップＳ０２）。ステップＳ０２では、上述したように、表面張力による媒質Ｍの盛り上がり部分Ｍａを形成される。そして、筒状部材１４の先端面１４ｂが半導体デバイスＤの検査面Ｄｔに接触させず、かつ媒質Ｍの盛り上がり部分Ｍａのみが半導体デバイスＤの検査面Ｄｔに接触させた状態で、ステージ３をＺ軸方向に駆動する（図２参照）。

【0063】

媒質Ｍを保持した後、超音波Ｗの焦点位置を調整する（ステップＳ０３）。ここでは、まず、超音波振動子２がチップＣと対向する位置に来るように、ステージ３をＸ軸方向及びＹ軸方向に駆動する。次に、レシーバ１３から出力される超音波Ｗの反射波の時間波形Ｋにおける第２ピークＰ２の出現位置に基づいて、超音波Ｗの焦点位置が半導体デバイスＤ内部のチップＣ表面に一致するようにステージ３をＺ軸方向に駆動する（図３参照）。超音波Ｗの焦点位置の調整は、ステージ制御部２１によって自動で実行してもよく、超音波検査装置１のユーザが時間波形Ｋの第２ピークＰ２の出現位置を目視で確認しながら手動で実行してもよい。

【0064】

超音波Ｗの焦点位置の調整後、半導体デバイスＤの傾きを調整するステップを実行してもよい。このステップでは、例えばステージ３をＸ軸方向及びＹ軸方向に一軸ずつ駆動させたときの反射波の時間波形Ｋが互いに一致するように、保持板或いはステージ３の姿勢を調整する。当該ステップも、ステージ制御部２１によって自動で実行してもよく、超音波検査装置１のユーザが時間波形Ｋを目視で確認しながら手動で行ってもよい。

【0065】

超音波Ｗの焦点位置の調整の後、半導体デバイスＤに向けて超音波振動子２から超音波Ｗを照射する照射ステップを実行する。照射ステップでは、まず、超音波振動子２に入力する駆動信号のキャリア周波数を設定する（ステップＳ０４）。ここでは、上述した出射周波数スペクトルＷ０に対する反射周波数スペクトルＷ１の比Ｒを用いる方式、キャリア周波数を掃引する方式、或いはこれらの方式を組み合わせることにより、半導体デバイスＤ内での超音波Ｗの吸収が最大となるように駆動信号の最適周波数を設定する。ステップＳ０４では、最適周波数を含む一定の範囲内で複数の周波数の駆動信号を生成してもよく、半導体デバイスＤの被検査領域の位置毎の最適周波数を示すマッピング情報に基づいて駆動信号を生成してもよい。

【0066】

最適周波数の設定後、半導体デバイスＤの反射画像を生成する（ステップＳ０５）。ステップＳ０５では、ステップＳ０４で生成した駆動信号をパルスジェネレータ４から超音波振動子２に入力し、超音波振動子２から半導体デバイスＤに超音波Ｗを照射する。そして、半導体デバイスＤからの反射波をレシーバ１３で検出し、レシーバ１３から出力された検出信号と、ステージ制御部２１から出力されるステージ３の位置情報とに基づいてマッピングを行い、反射画像３２を生成する。

【0067】

反射画像３２に基づく解析位置の確認後、半導体デバイスＤに定電圧（又は定電流）を印加すると共に、超音波Ｗの照射を行う（ステップＳ０６）。ステップＳ０６では、電源装置１０から半導体デバイスＤに定電圧（又は定電流）を印加する。また、パルスジェネレータ４から超音波振動子２に駆動信号を入力し、超音波振動子２からの超音波Ｗを半導体デバイスＤに照射する。そして、ステージ３をＸＹ軸方向に駆動し、超音波Ｗの照射に応じた半導体デバイスＤの電流又は電圧の変化を半導体デバイスＤの検査面Ｄｔの各位置において検出する。半導体デバイスＤの電流又は電圧の変化を反応検出部５で検出し、検出信号のＡＣ成分を反応検出部５からロックインアンプ６に出力する。ロックインアンプ６において、反応検出部５から出力された検出信号とパルスジェネレータ４から出力された参照信号とに基づくロックイン検出を行い、その検出信号を解析部２２に出力する。

【0068】

照射ステップの後、超音波振動子２からの超音波Ｗの照射に応じて半導体デバイスから出力される出力信号（ここではロックインアンプ６から出力される検出信号）を解析する解析ステップを実行する。解析ステップでは、ロックイン検出の検出信号に基づいて解析画像３１を生成する（ステップＳ０７）。すなわち、半導体デバイスＤの検査中にロックインアンプ６から出力された検出信号を、ステージ制御部２１から出力されるステージ３の位置情報に基づいてマッピングし、解析画像３１を生成する。

【0069】

ステップＳ０４において最適周波数を含む一定の範囲内で複数の周波数の駆動信号を生成する場合、ステップＳ０７では、これら複数の周波数の駆動信号に基づく複数の解析画像３１を生成する。この場合、複数の解析画像３１中の信号点とノイズ点とをそれぞれ指定し、これらの点での信号強度の比に基づいて画像のＳＮ比を算出する。そして、生成した複数の解析画像３１のうち、最もＳＮ比が高い解析画像３１を選択する（ステップＳ０８）。解析画像３１を生成した後、解析画像３１と反射画像３２とを重畳した重畳画像３３を生成し、モニタ８に重畳画像３３を表示する（ステップＳ０９）。

【0070】

以上説明したように、超音波検査装置１では、半導体デバイスＤ内での超音波Ｗの吸収が最大となるように駆動信号の最適周波数を設定する。駆動信号を最適周波数とすることで、半導体デバイスＤ内で超音波Ｗの共振を十分に生じさせることができる。この最適周波数は、共振周波数と言い換えることができる。このため、超音波Ｗの集束強度が高まると共に、超音波Ｗの照射位置で半導体デバイスＤの温度が上昇し、超音波Ｗの照射に応じて半導体デバイスＤから出力される出力信号の強度を十分に高めることができる。出力信号の強度を高めることで、解析画像３１の感度を十分に確保でき、検査精度の向上が図られる。

【0071】

超音波検査装置１では、超音波振動子２から出力した超音波Ｗの強度時間波形Ｔ０をフーリエ変換して得られる出射周波数スペクトルＷ０と、半導体デバイスＤの表面で反射した超音波Ｗの強度時間波形Ｔ１をフーリエ変換して得られる反射周波数スペクトルＷ１との比Ｒに基づいて駆動信号の最適周波数を設定する。このような手法によれば、周波数Ｗを幅広い範囲で掃引することなく、駆動信号の最適周波数を精度良く導出できる。また、超音波検査装置１では、掃引範囲内で出力信号の強度が最も高くなる周波数を駆動信号の最適周波数として設定する。この手法によれば、簡単な処理で駆動信号の最適周波数を導出できる。

【0072】

超音波検査装置１では、半導体デバイスＤの被検査領域の位置毎の最適周波数を示すマッピング情報に基づいて駆動信号を生成する。この場合、半導体デバイスＤの被検査領域の構造（樹脂厚や材質など）が位置によってばらついていたとしても、常に最適な周波数の駆動信号を用いて出力信号の解析を行うことができる。

【0073】

超音波検査装置１では、半導体デバイスＤの被検査領域において出力信号の解析結果をマッピングすることにより解析画像３１を生成する。これにより、半導体デバイスＤの検査結果を解析画像３１に基づいて容易に把握することが可能となる。また、超音波検査装置１では、最適周波数を含む一定の範囲内で複数の周波数の駆動信号を生成し、複数の周波数の駆動信号に基づいて生成された複数の解析画像３１のうち、最もＳＮ比が高い解析画像３１を選択して外部出力する。これにより、半導体デバイスＤの被検査領域の構造（樹脂厚や材質など）が位置によってばらついていたとしても、感度の高い解析画像３１に基づいて半導体デバイスＤの検査を精度良く実施することができる。

【0074】

本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上述した超音波検査装置１では、検査面Ｄｔを下方に向けた状態で半導体デバイスＤが保持され、超音波振動子２の先端面２ａが検査面Ｄｔと対向するように上方向きに配置されているが、半導体デバイスＤと超音波振動子２との配置関係はこれに限られない。例えば検査面Ｄｔを上方に向けた状態で半導体デバイスＤが保持され、超音波振動子２の先端面２ａが検査面Ｄｔと対向するように下方向きに配置されていてもよい。

【0075】

また、上述した超音波検査装置１では、出射周波数スペクトルＷ０と、反射周波数スペクトルＷ１との比Ｒに基づいて駆動信号の最適周波数が導出されているが、演算処理の簡単化のため、反射周波数スペクトルＷ１のみに基づいて駆動信号の最適周波数を導出してもよい。この場合、例えば反射周波数スペクトルＷ１のうち、スペクトル強度が最小となる周波数を駆動信号の最適周波数として設定すればよい。

【符号の説明】

【0076】

１…超音波検査装置、２…超音波振動子、４…パルスジェネレータ（信号生成部）、２２…解析部、３１…解析画像、Ｄ…半導体デバイス、Ｗ…超音波。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】