JP6884202B2 - 欠陥検査装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、部材間の接合部を非破壊に検査する欠陥検査装置および欠陥検査方法に関するものである。

電子部品における半導体チップは、基板およびリードフレーム上にはんだ付けされて搭載される。はんだ接合部の接合品質は、はんだ接合部に内在するはんだボイドのサイズまたはボイドの量によって決定される。はんだボイドの状態は、非破壊検査であるＸ線検査により定量化されることが多い。Ｘ線検査によるはんだボイドの検査時間は電子部品の構造の複雑化に伴い長くなる。特に電力用の半導体モジュールにおいては、３次元的な配線の適用が拡大されており、また、半導体チップの大面積化の開発も進められているため、Ｘ線検査によるはんだボイドの検査時間は長くなる傾向にある。

Ｘ線検査と同様に、超音波探傷によっても非破壊検査は可能であるが、超音波探傷はスキャンに時間を要する。それに加え、超音波探傷による検査は、検査対象物の半導体モジュールを水に浸漬した状態で検査を実行するため、半導体モジュール内部が汚染される可能性がある。よって、超音波探傷による検査は、組立途中の半導体モジュールの全てを超音波探傷によって検査することはできず、一部のモジュールへの適用に限定される。

電力用の半導体モジュールは大電流を通電する。はんだ接合部にサイズの大きなボイドを有する半導体モジュールに大電流が通電された場合、ボイド部分の温度が急峻に上昇して絶縁破壊すなわち短絡が発生することがある。このためはんだ接合部に対するボイドの管理は非常に重要である。

最近では、半導体チップの薄厚化、または、１つの半導体チップあたりの電流密度の増加により、短絡が発生するボイドサイズの限界が小さくなり、高精度なボイド検査が要求されている。

特開平５−５２７８５号公報 特開２０１１−２４７７３５号公報

特許文献１には電子部品の接合部検査方法が提案されている。その接合部検査方法は、電子部品のリードをレーザで加熱し、リードから放射される赤外線を赤外線カメラで検出し、接合部の温度変化から欠陥を識別して判定する。

電子部品のリードの表面は、酸化されておりレーザを吸収しやすい。そのため、低出力のレーザの照射でも、接合部を検査するのに十分な加熱を得ることができる。しかし、その一方で、半導体チップのような鏡面状態の表面にレーザを照射した場合、その表面におけるレーザの吸収率は１０％に満たない。接合部を検査するのに十分な温度上昇が得られず、ボイドの区別が困難となる。そのため、１０００Ｗ級の高出力レーザで半導体チップを加熱することが求められる。

しかし、高出力のレーザを使用した場合、半導体チップ外にはみ出したレーザが、その半導体チップが接合された基板の温度を上昇させる。その基板の温度上昇により、接合部のはんだが再溶融するなどの不都合が生じる。これは、基板表面におけるレーザの吸収率が、半導体チップ表面におけるレーザの吸収率よりも高いためである。例えば、アルミナ基板におけるレーザの吸収率は３０％以上あり、半導体チップの吸収率よりも高い。

特許文献２には、接合基板の熱特性の面内分布の測定方法が提案されている。その測定方法は、接合基板の表面にレーザを照射し、裏面を赤外線カメラで観察する。

半導体チップの厚さおよびはんだ接合部の厚さに比べて基板の厚さは数倍以上に厚い。さらに基板はＣｕ箔−セラミック−Ｃｕ箔の積層構造で構成されている。半導体チップ表面にレーザが照射されると、レーザにより生じた熱は各層の界面を通過して裏面に到達する。このとき基板が厚く、界面が多いと熱が基板または半導体チップの面内方向に拡散しまたは熱干渉する。すなわち、裏面から放射される赤外線もその熱拡散の状態が反映されるため、接合部のボイドの検出分解能が低下する。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、被検査物である試料をレーザ照射により加熱して接合部を検査する際、検査領域外の温度上昇を抑制し、接合部の欠陥の検出分解能を向上させる欠陥検査装置の提供を目的とする。

本発明に係る欠陥検査装置は、第１部材と、第１部材上に接合材により接合された第２部材とを含む試料を載置するステージと、ステージに設けられ、第１部材がステージと対面するように載置された試料を第１部材側から冷却する冷却部と、試料の第２部材の表面に、レーザを照射して試料を加熱するレーザ光源と、レーザにより加熱される第２部材の表面から輻射される赤外線を検出して赤外線画像を撮影する赤外線カメラと、赤外線画像に基づいて、第１部材と第２部材との接合状態を解析する制御部と、ステージの上方に設けられ、上方から照射されるレーザの照射領域よりも面積が大きいマスクと、マスクを冷却する冷却機構と、を備える。制御部は、試料における赤外線放射率の異なる複数の領域から輻射される赤外線による赤外線画像につき、複数の領域を、別々に画像処理して接合状態を解析する。マスクは、マスクを貫通し、マスクの下方に位置してステージに載置される試料の第２部材の表面が露出する開口部を含む。マスクは、開口部の縁に傾斜面を有する。傾斜面は、第２部材の表面に入射するレーザの入射角よりも大きい角度で、開口部の中心からマスクの外側に向かって上方に傾斜している。

本発明によれば、被検査物である試料をレーザ照射により加熱して接合部を検査する際、検査領域外の温度上昇を抑制し、接合部の欠陥の検出分解能を向上させる欠陥検査装置の提供が可能である。例えば、本発明によれば、欠陥検査装置は、高出力レーザによって加熱された試料を急冷して試料の温度勾配を大きくし、ボイドの検査分解能を高めることを可能にする。さらに、レーザによる加熱の際、試料の接合部のはんだが再溶融されることを抑制する。

実施の形態１における欠陥検査装置の構成を模式的に示す図である。 実施の形態１における半導体チップの表面を示す図である。 実施の形態１における試料およびステージの構成を模式的に示す図である。 実施の形態１における凹部を有する冷却部の構成の一例を示す図である。 実施の形態１における試料とレーザの照射領域とを示す平面図である。 実施の形態１における欠陥検査装置が有する処理回路の一例を示す図である。 実施の形態１における欠陥検査装置が有する処理回路の一例を示す図である。 実施の形態１における欠陥検査方法を示すフローチャートである。 実施の形態１における試料の温度の時間変化を示す図である。 実施の形態１における温度の時間変化から算出された周波数と位相の関係を示す図である。 実施の形態１における赤外線画像の解析方法の詳細を示すフローチャートである。 実施の形態１における赤外線画像の一例を示す図である。 実施の形態１における所定の時間ごとに取得された赤外線画像を模式的に示す図である。 実施の形態１における一のピクセルにおける温度の時間変化のデータを示す図である。 実施の形態１における一のピクセルにおける周波数と位相との関係を示す図である。 実施の形態１における全てのピクセルにおける周波数ごとの位相のデータを模式的に示す図である。 実施の形態１における位相画像を示す図である。 実施の形態２における欠陥検査装置の構成を模式的に示す図である。 実施の形態２における試料、マスクおよびレーザの照射領域を示す平面図である。 実施の形態３における欠陥検査装置が備えるマスクの断面図である。 実施の形態４における欠陥検査装置の構成を模式的に示す図である。 実施の形態５における欠陥検査装置が検査する試料の構成を示す図である。 実施の形態６における欠陥検査装置が検査する半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態７における欠陥検査装置が検査する半導体装置の構成を示す図である。

本明細書における欠陥検査装置および欠陥検査方法の実施の形態を説明する。

＜実施の形態１＞
図１は実施の形態１における欠陥検査装置の構成を模式的に示す図である。

欠陥検査装置は、ステージ３、ステージコントローラ８、レーザ光源１、赤外線カメラ２、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラ４、制御装置６ａ、制御ＰＣ（Personal Computer）６ｂ、ビームダンパー１１、チラー９、冷媒配管１２および筐体５で構成される。

ステージ３、ステージコントローラ８、レーザ光源１、赤外線カメラ２、ＣＣＤカメラ４およびビームダンパー１１は、筐体５の内部に設置される。つまり、筐体５は、レーザが伝搬または散乱する可能性のある範囲を覆う。制御装置６ａ、制御ＰＣ６ｂ、ステージコントローラ８およびチラー９は筐体５の外部に設置される。

ステージ３に載置される試料１７は、第１部材である板状の基板１５と、基板１５よりも厚さが薄い第２部材である半導体チップ１６とがはんだ（図示せず）により接合された構成を有する。

基板１５は、セラミック製の基板本体上に、銅箔とセラミックと銅パターンからなる配線とが順に形成された構成を有する。つまり、基板１５は、絶縁基板である。基板本体のセラミックは、例えば、ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＡｌＮまたはＳｉ_３Ｎ_４などである。特に、ＡｌＮは熱伝導率が高いため、試料１７のレーザ加熱時に生じた熱が、効率良く下方の冷却部３ａに伝導する。つまり、ＡｌＮは、半導体チップ１６から基板１５を介して冷却部３ａまでの温度勾配を大きくする。基板本体のセラミックは、ガラスエポキシ基板よりも高熱伝導であることが好ましい。例えば、セラミックが、３Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する材料であれば、高い放熱性が得られる。または、基板１５は、銅製の基板本体（銅ベース板）と銅パターンとの間を樹脂で接着した樹脂絶縁銅ベース板であっても、実施の形態１に示される効果を奏する。

半導体チップ１６は、ダイオード、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等である。半導体チップ１６は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣまたはＧａＮを主成分に含む電力用半導体チップである。本実施の形態１においては、半導体チップ１６は、電力用半導体装置に搭載する電力用半導体チップのＩＧＢＴである。図２は、半導体チップ１６の表面１６ａを示す図である。半導体チップ１６のチップサイズは、例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さは９０ｕｍである。半導体チップ１６の表面１６ａにはアルミまたはアルミを含む合金からなる金属層１６ｃが形成される。また、表面１６ａにおいて、ガードリング１６ｅおよびゲートライン１６ｆに対応する領域には、ポリイミド、ガラスコートなどの絶縁材料からなる絶縁層１６ｄが形成される。図１に示される半導体チップ１６の裏面１６ｂは、接合材であるはんだにより、基板１５に接合される。例えば、半導体チップ１６は、ダイボンディングにより基板１５に実装される。なお、ダイボンディング層の図示は省略されている。

本実施の形態１において、欠陥検査装置が検査する検査対象の試料１７は、半導体チップ１６が基板１５上にはんだでダイボンドされた半導体モジュールの仕掛品である。欠陥検査装置は、半導体モジュールの組立工程において、半導体チップ１６と基板１５とを接合するはんだ内部のボイドサイズを検査する。

ステージ３は、冷却部３ａとＸ−Ｙ−θステージ３ｂとを含む。冷却部３ａは後述するチラー９に冷媒配管１２を介して接続される。冷却部３ａには、検査対象物である試料１７が載置される。本実施の形態１においては、試料１７の基板１５はステージ３の設置面３ｃに、つまり、冷却部３ａに当接して載置される。冷却部３ａは、ステージ３に載置された試料１７を基板１５側から冷却する。または、図３に示すように、試料１７の基板１５は、ステージ３の設置面３ｃに設けられる熱伝導部材１８を介してステージ３に載置されてもよい。冷却部３ａは、熱伝導部材１８を介して試料１７の基板１５を冷却する。熱伝導部材１８は、例えば、熱伝導シートまたは熱伝導グリス等である。試料１７が熱伝導部材１８を介してステージ３に載置されることで、基板１５と冷却部３ａとの間の熱伝導性が改善される。特に、試料１７の反り等により、試料１７と設置面３ｃとの間に空隙が生じる場合には、熱伝導部材１８によりその空隙をなくすことが可能である。

冷却部３ａは、試料１７が載置される設置面３ｃにおいて、基板１５が設置される領域よりも大きい面積を有する。また冷却部３ａは、設置面３ｃにおいて、後述するレーザ光源１によるレーザの照射面積よりも大きい。冷却部３ａは、冷媒配管１２とチラー９とに接続されて冷却される冷媒方式でなくてもよく、例えば、冷却部３ａはペルチェ素子であっても良い。

冷却部３ａは、アルミニウムまたは銅からなる金属板でもよい。また、冷却部３ａは、試料１７の第１部材が有する被設置面の形状に応じた凹部または凸部を有してもよい。第１部材の被設置面とは、第１部材がステージ３に載置されるに際し、ステージ３の設置面３ｃに当接する面のことである。図４は、凹部３ｄを有する冷却部３ａの構成の一例を示す図である。図４において、第１部材はヒートシンク１４とそのヒートシンク１４に取り付けられた基板１５とを有する。冷却部３ａは、設置面３ｃにおいて、ヒートシンク１４のフィン１４ａに嵌合する凹部３ｄを有する。または、凹部３ｄに代えて、冷却部３ａは、ヒートシンク１４に嵌合する凸部（図示せず）を有してもよい。または例えば、上述したように、第１部材が板状の基板１５である場合、冷却部３ａは、設置面３ｃにおいて、その基板１５がその外周に沿って嵌合する凹部を有してもよい。このような構成により、第１部材と冷却部３ａとの接触面積が増加し、冷却効果が向上する。

冷却部３ａは、試料１７の下方（第１部材側）から冷却ファンなどで空気を送り込むことにより試料１７を空冷する構成を有してもよい。それにより、第１部材が、板状の構造でなくヒートシンク等の様々な構造を有する場合であっても、冷却部３ａは試料１７を冷却することができる。

冷却部３ａは、試料１７の基板１５にて発生する熱を吸熱または放熱することができる構成であればよい。

Ｘ−Ｙ−θステージ３ｂは、冷却部３ａをＸ方向、Ｙ方向または回転方向に駆動することにより、ステージ３に載置される試料１７の位置を調整可能にする。

ステージコントローラ８は、筐体５の外部に設けられ、Ｘ−Ｙ−θステージ３ｂに接続し、Ｘ−Ｙ−θステージ３ｂの駆動を制御する。欠陥検査装置のユーザーはステージコントローラ８によりＸ−Ｙ−θステージ３ｂの遠隔操作が可能である。

レーザ光源１は、半導体チップ１６の表面１６ａに、レーザを照射して試料１７を加熱する。半導体チップ１６の表面１６ａの垂線から１度以上傾いてレーザが入射するように入射光路１ａが形成される。例えば、レーザ光源１がステージ３の設置面３ｃの垂線に対して１度以上傾いて固定され、そのレーザ光源１から出射するレーザは、直接、半導体チップ１６の表面１６ａに入射する。このような構成により、半導体チップ１６の表面１６ａにて反射する反射光が伝搬する反射光路１ｂは、入射光路１ａとは異なる光路を形成する。すなわち、入射光路１ａを伝搬する入射光と反射光路１ｂを伝搬する反射光とは干渉しない。また、上記の構成は、半導体チップ１６の表面１６ａにて反射する反射光がレーザ光源１に戻ってレーザ光源１にダメージを与えることを防ぐことができる。なお、実際の製品の製造工程においては、半導体チップ１６に傾きが発生することは常識である。従って、レーザの入射角度は、赤外線カメラ２との干渉も考慮すると、２０度以上とすることが好ましい。それにより、反射光によるレーザ光源１のダメージを確実に防ぐことができる。

図５は、試料１７とレーザの照射領域１ｃとを示す平面図である。レーザの照射領域１ｃは半導体チップ１６の全面を照射できる範囲である。レーザの照射形状は円形であり、その円形の直径は少なくとも半導体チップ１６の対角距離より大きい。レーザの照射形状は、円形に限られず四角形であってもよい。

レーザ光源１は、例えば、ＹＡＧレーザまたは半導体レーザである。上述したように、半導体チップ１６の表面１６ａの大部分はアルミを含む合金である。レーザ光源１はアルミ合金によって比較的吸収されやすい波長帯のレーザを出射することが好ましく、レーザの波長は２０００ｎｍ以下が望ましい。さらに、アルミは、波長域７００〜１０００ｎｍにおいて高い吸収係数を有するため、レーザはその７００〜１０００ｎｍの波長を有することが好ましい。レーザの波長が７００〜１０００ｎｍである場合、後述するボイドの検出分解能をさらに高めることができる。なお、それ以外の領域でもレーザの出力を増やすことにより検出分解能を高めることが可能になる。

レーザ光源１の出力は５００Ｗ以上であることが望ましい。レーザの照射時間は１秒以内が望ましい。これは、試料１７が長時間加熱されると、熱拡散によって試料１７内の温度変化が小さくなるためである。

ビームダンパー１１は、図１に示すように、反射光路１ｂ上に設けられる。ビームダンパー１１は、半導体チップ１６の表面１６ａにて反射するレーザを吸収する。試料１７の傾きすなわち半導体チップ１６の傾きまたは基板１５の傾きにより反射光路１ｂがずれた場合でも、ビームダンパー１１が反射光を吸収できるように、ビームダンパー１１の受光面は、その受光面におけるレーザの照射面積よりも大きくすることが望ましい。ビームダンパー１１は、レーザが筐体内で散乱することを防ぎ、赤外線カメラ２や各装置の配線がレーザによって損傷することを防止する。また反射したレーザが、半導体チップ１６または基板１５を照射することが無い。そのため、試料１７の温度変化が安定し、検査精度が向上する。ビームダンパー１１は一例であり、レーザを吸収する部材であれば同様の効果が得られる。

赤外線カメラ２は、レーザにより加熱される半導体チップ１６の表面１６ａから輻射される赤外線を検出する。赤外線カメラ２は、レーザの入射光路１ａおよび反射光路１ｂから避けて設置される。赤外線カメラ２は、半導体チップ１６の表面１６ａに対して垂直な位置に設置されることが望ましい。しかし、表面１６ａのアルミまたはアルミ合金が鏡面であり、赤外線カメラ２の映り込みが生じる場合は、表面１６ａの垂線に対して角度を付けて設置されてもよい。本実施の形態１においては、赤外線カメラ２は半導体チップ１６の表面１６ａまたはステージ３の設置面３ｃに対し垂直な位置に固定されている。赤外線カメラ２のサンプリングレートは、０．０５秒、できれば０．０１秒以下が好ましい。

また、赤外線カメラ２やレーザ光源１の使用により発生する異物などから赤外線カメラ２を保護するために、赤外線カメラ２のレンズには、保護カバーが取り付けられていることが好ましい。赤外線カメラ２をレーザから保護するために、保護カバーは、レーザの波長が透過せず、赤外線の波長が透過する光学特性を有する。ここでは、保護カバーは、２０００ｎｍ以下、特にＹＡＧレーザの波長である１１００ｎｍ前後の波長をカットし、２０００ｎｍ〜６０００ｎｍ範囲の波長を透過する光学特性を有する。保護カバーは、これらの特性を満たす材料として、シリコンまたはゲルマニウムを主成分とする窓材を含むことが好ましい。保護カバーにより、赤外線カメラを保護しつつ、正確に半導体チップ１６の温度を測定することが可能となる。

また、赤外線カメラは、被測定物の直上に設置され、その撮像面は、ステージ３に対し平行に設置されることが好ましい。

ＣＣＤカメラ４は、ステージ３に設置された半導体チップ１６の周辺を撮影する。本実施の形態において、ＣＣＤカメラ４は、ステージ３の斜め上方に設置される。ＣＣＤカメラ４によって撮影される画像により、欠陥検査装置のユーザーは、レーザの照射位置、赤外線カメラ２の撮影位置および半導体チップ１６の位置のそれぞれの位置を調整することができる。

制御部６は、制御装置６ａと制御ＰＣ６ｂとを含む。制御部６は、赤外線カメラ２により検出される赤外線の強度に基づいて、半導体チップ１６と基板１５との接合状態を解析する。制御装置６ａは、レーザ光源１と赤外線カメラ２とに接続し、レーザ光源１および赤外線カメラ２の駆動を制御する。制御ＰＣ６ｂは、筐体５の外部に設けられ、ＣＣＤカメラ４に接続し、ＣＣＤカメラ４の駆動を制御する。欠陥検査装置のユーザーは制御ＰＣ６ｂにより遠隔でＣＣＤカメラ４を操作可能である。また、制御ＰＣ６ｂは、制御装置６ａとも接続し、制御装置６ａとの間でデータを送受信する。

図６は欠陥検査装置が有する処理回路６０の一例を示す図である。制御部６の各機能は、処理回路６０により実現される。つまり、制御部６の各機能は、制御装置６ａまたは制御ＰＣ６ｂに含まれる処理回路６０により実現される。

処理回路６０が専用のハードウェアである場合、処理回路６０は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせた回路等である。制御部６の各機能は、複数の処理回路により個別に実現されてもよいし、１つの処理回路によりまとめて実現されてもよい。

図７は欠陥検査装置が有する処理回路の別の一例を示す図である。処理回路は、プロセッサ６１とメモリ６２とを有する。プロセッサ６１がメモリ６２に格納されるプログラムを実行することにより、制御部６の各機能が実現される。例えば、プログラムとして記述されたソフトウェアまたはファームウェアがプロセッサ６１により実行されることにより各機能が実現される。すなわち、欠陥検査装置は、プログラムを格納するメモリ６２と、そのプログラムを実行するプロセッサ６１とを有する。

プログラムには、欠陥検査装置が、赤外線カメラ２により検出される赤外線の強度に基づいて、半導体チップ１６と基板１５との接合状態を解析する機能が記述されている。また、プログラムには、欠陥検査装置が、所定の時間間隔で撮影された複数の赤外線画像に基づきピクセルごとの温度の時間変化のデータを取得し、取得した温度の時間変化のデータをフーリエ変換することによりピクセルごとの位相の合計値を算出し、位相の合計値と所定の閾値とに基づき、位相の合計値が２値化された画像である位相画像を出力する機能が記述されている。また、プログラムは、制御部６の手順または方法をコンピュータに実行させるものである。

プロセッサ６１は、例えば、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等である。メモリ６２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリである。または、メモリ６２は、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等、今後使用されるあらゆる記憶媒体であってもよい。

上述した制御部６の各機能は、一部が専用のハードウェアによって実現され、他の一部がソフトウェアまたはファームウェアにより実現されてもよい。このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現する。

チラー９は、冷媒配管１２を介してステージ３の冷却部３ａと、ビームダンパー１１とに接続する。チラー９は、冷媒配管１２の中を流れる冷媒、例えば冷却水を冷却し、その冷媒を冷却部３ａとチラー９との間、または、ビームダンパー１１とチラー９との間を循環させる。これにより、冷却部３ａとビームダンパー１１とは冷却される。

図８は欠陥検査装置による欠陥検査方法の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１にて、ステージ３の冷却部３ａに試料１７が載置される。この際、基板１５が冷却部３ａに接するように試料１７は載置されてもよいし、熱伝導部材１８を介して冷却部３ａに載置されてもよい。後述するステップＳ３におけるレーザの照射までに、試料１７は冷却部３ａによってボイドの検査に必要な温度にまで冷却される。

ステップＳ２にて、試料１７の位置、レーザ光源１によるレーザの照射位置および赤外線カメラ２の観察位置が調整される。ＣＣＤカメラ４は、ステージ３に載置された試料１７を撮影し、制御ＰＣ６ｂは試料１７の画像を表示する。ユーザーは、制御ＰＣ６ｂに表示された試料１７の画像を確認しながら、ステージコントローラ８を操作する。その操作により、Ｘ−Ｙ−θステージ３が駆動され、試料１７の位置が調整される。また、レーザの照射位置および赤外線カメラ２の観察位置も一致するよう調整される。なお、この際、筐体５は閉じられている。

ステップＳ３にて、半導体チップ１６の表面１６ａにレーザが照射され、赤外線カメラ２は表面１６ａの赤外線画像を取得する。上述したように、レーザはパルス幅が１秒以内のパルス光であるので、赤外線カメラ２は制御装置６ａによりレーザ光源１の発振周期に同期して制御される。本実施の形態においては、半導体チップ１６はＳｉＣを主成分とし、基板１５はＡｌＮであるため、試料１７は高熱伝導率であり、冷却部３ａによって効率的に冷却される。そのため、赤外線カメラ２の読み取り速度であるフレームレートは、１００Ｈｚ以上が望ましい。なお、半導体チップ１６の表面１６ａにて反射するレーザは、ビームダンパー１１により吸収される。ビームダンパー１１は、レーザが筐体内で散乱することを防ぐ。

ステップＳ４にて、制御ＰＣ６ｂは、赤外線カメラ２によって取得されたレーザ照射完了から冷却中の赤外線画像を解析する。

ステップＳ５にて、制御ＰＣ６ｂは、ボイドを検出して、ボイドサイズを算出し判定する。ステップＳ４およびステップＳ５は、制御ＰＣ６ｂに代わり制御装置６ａによって行われてもよい。以上の一連のフローにより、欠陥検査装置による欠陥検査方法が完了する。

ステップＳ４およびステップＳ５における赤外線画像の解析およびボイドの検出は、以下のようにして行う。なお、ここでは、数値解析による冷却部３ａの冷却効果を説明する。

図示は省略するが、解析モデルは、半導体チップが基板にはんだによって接合された試料であり、はんだ接合部にφ１ｍｍのボイドが配置される。その試料が冷却部に設置され、半導体チップの表面に５５Ｗの発熱が０．５秒間与えられる。そして、ボイドの直上に位置する表面の温度変化と、ボイドがない領域の直上に位置する表面の温度変化とが解析される。図９は、ボイド有りの位置における温度Ｔ１およびボイド有りの位置における温度Ｔ２の時間変化を示す図である。ボイド有りの場合、表面で発生した熱はボイドが熱抵抗となり、冷却部に効率よく放熱されない。ボイド有りの表面には熱が蓄積されるため温度Ｔ１はボイドがない領域の温度Ｔ２に比べて高い。上述したステップＳ３において実際に欠陥検査装置により測定される半導体チップ１６の表面１６ａの温度変化も同様である。

制御ＰＣ６ｂは、温度Ｔ１の時間変化および温度Ｔ２の時間変化のそれぞれをフーリエ変換し、周波数と位相との関係または周波数と振幅との関係を算出する。ここでは、制御ＰＣ６ｂは、温度Ｔ１と時間との関係を周波数と位相との関係に変換し、同様に、温度Ｔ２と時間との関係を周波数と位相との関係に変換する。さらに、制御ＰＣ６ｂは、これら２つの周波数と位相との関係から、各周波数における位相差を算出する。図１０は、その周波数と位相差との関係を示す。ただし、図１０には、試料が冷却部に設置された場合（冷却部有りの場合）の位相差に加えて、試料が冷却部のないステージに設置された場合（冷却部無しの場合）の位相差も図示されている。なお、ここで図示は省略するが、同様の解析により、各周波数における振幅差も算出される。

この解析において、図１０に示す各々の位相差は、ボイド有りの位置における温度とボイド無しの位置における温度勾配の差に対応する。つまり、位相差が大きいほどボイドの検査分解能が高い。検査分解能とは、より小さなボイドを検出できる能力のことである。また、図示は省略するが、各々の振幅差は、ボイド有りの位置における温度とボイド無しの位置における温度との温度差に対応する。つまり、振幅差が大きいほどボイドの検査分解能が高い。

図１０に示すように、解析周波数が２０Ｈｚのとき，冷却部が有る場合は冷却部が無い場合に比べ位相差が約５％大きい。すなわち、冷却部によりボイドの検出分解能が向上することが示された。

また、温度勾配差が大きいほど位相差は大きく、温度差が大きいほど振幅差は大きい。ボイドは、表面にて発生する熱が冷却部に放熱されることを妨げる熱抵抗として機能する。そのため、半導体チップ１６が高い温度から短い時間で急冷された場合、ボイド有りの位置およびボイド無しの位置における温度勾配の差および温度差は大きくなる。つまり、位相差および振幅差は大きくなる。すなわち、冷却部にて半導体チップ１６を冷却しながら出力の大きなレーザで加熱することにより、ボイドの検出分解能が向上する。

以上に示した数値解析方法と同様に、ステップＳ４において、制御ＰＣ６ｂは、赤外線カメラ２により撮影された半導体チップ１６の面内の温度分布およびその時間変化のデータを取得する。そして、制御ＰＣ６ｂは、その面内の温度分布と時間変化とのデータをフーリエ変換し、その面内における位相分布または振幅分布を算出する。フーリエ変換には計算時間の短縮が可能な高速フーリエ変換が用いられることが好ましい。

図１１は、ステップＳ４における赤外線画像の解析方法の詳細を示すフローチャートである。

ステップＳ４１にて、制御ＰＣ６ｂは、赤外線画像の一のピクセルにおける温度の時間変化のデータを取得する。その際、制御ＰＣ６ｂは、赤外線カメラ２によって、時間ｔ_Ｎ（Ｎ＝１〜Ｎ）ごとに赤外線画像を取得する。図１２は、赤外線画像の一例を示す図である。図１３は、所定の時間ｔ_Ｎ（Ｎ＝１〜Ｎ）ごとに取得された赤外線画像を模式的に示す図である。ここでは、１枚の赤外線画像は、ｉ×ｊピクセルを有する。各ピクセルは、温度データＴ_ｉ，ｊを含む。制御ＰＣ６ｂは、ピクセルごとの温度の時間変化のデータを取得する。図１４は、一のピクセルにおける温度データＴ_ｉ，ｊの時間変化を示す図である。

ステップＳ４２にて、制御ＰＣ６ｂは、一のピクセルにおける温度データＴ_ｉ，ｊの時間変化のデータを高速フーリエ変換する。

ステップＳ４３にて、制御ＰＣ６ｂは、一のピクセルにおける周波数と位相との関係を取得する。図１５は、一のピクセルにおける周波数ｆ_Ｎ（Ｎ＝１〜Ｎ）と位相Φ_ｉ，ｊとの関係を示す図である。

ステップＳ４４にて、制御ＰＣ６ｂは、全てのピクセルに対して周波数と位相との関係を算出したか否かを判定する。全てのピクセルに対して周波数と位相との関係を算出したと制御ＰＣ６ｂが判定した場合、ステップＳ４５が実行される。図１６は、全てのピクセルにおける周波数ｆ_Ｎごとの位相Φ_ｉ，ｊのデータを模式的に示す図である。全てのピクセルに対して周波数と位相との関係を算出していないと制御ＰＣ６ｂが判定した場合、他のピクセルに対して、ステップＳ４１以降が再び実行される。

ステップＳ４５にて、制御ＰＣ６ｂは、ピクセルごとに位相の合計値を算出する。

ステップＳ４６にて、制御ＰＣ６ｂは、各合計値と所定の閾値とに基づき、位相の合計値を２値化する。

ステップＳ４７にて、制御ＰＣ６ｂは、２値化された位相画像を出力する。図１７は、図１２に示される赤外線画像の一部の領域Ａにおける位相画像を示す図である。位相画像におけるボイド１０は、赤外線画像におけるボイド１０よりも鮮明に示されている。

ステップＳ５において、制御ＰＣ６ｂは、ステップＳ４にて算出された面内の位相分布を比較して面内の位相差を、または、面内の振幅分布を比較して面内の振幅差を算出する。それら面内の位相差と振幅差とに基づいて、ボイドの位置およびサイズが判定される。実施の形態１においては、ステップＳ４７にて出力された位相画像に基づき、制御ＰＣ６ｂは、ボイドを検出する。この際、制御ＰＣ６ｂは、ボイドの検出およびサイズの判定に適切な解析周波数を選択する。

より精度よくボイドを検出するためには、検出されるべきボイドサイズの下限値に対して少なくとも５分の１、理想的には１０分の１の大きさを有するピクセルにより赤外線画像を取得すると良い。それにより、ボイドサイズに対して少なくとも５倍、理想的には１０倍の解像度を有する赤外線画像を取得できる。例えば、検出されるべきボイドのサイズがφ０．８ｍｍである場合、１つのピクセルが少なくとも０．１６ｍｍ以下、理想的には０．０８ｍｍ以下のサイズを有する赤外線カメラ２によって赤外線画像が取得されることが好ましい。

ボイドサイズが小さい場合、１回のレーザ照射によって算出される位相画像におけるそのボイド部と非ボイド部の位相差が明確でない。そのため、ボイドの判別が難しい場合がある。ボイド部と非ボイド部のＳ／Ｎ比を向上させるため、制御ＰＣ６ｂは、上記のステップを複数回繰り返すことによって得られる積算された位相画像によりボイドを判定してもよい。このような処理により、制御ＰＣ６ｂは、ノイズが少なく、より明瞭な画像を取得できる。そのため、制御ＰＣ６ｂは、ボイドを正確に判別可能となる。

以上の欠陥検査方法は、フーリエ変換により、各面内位置における温度変化の時間的な波形のずれ、すなわち位相を比較する。そのため、斜め方向からレーザが照射されることによって生じ得るレーザ照射強度の面内不均一性が、ボイドの検出およびボイドのサイズ判定のステップに影響を与えることがほぼない。

図４に示すように、半導体チップ１６の表面１６ａにおけるレーザの照射領域１ｃは、円形形状である。そのため、半導体チップ１６の全面にレーザが照射される場合、レーザの一部は半導体チップ１６からはみ出し、基板１５の温度が上昇する。しかし、本実施の形態における欠陥検査装置は、冷却部３ａにより予め基板１５の温度が低下した状態にてレーザを照射するため、基板１５の最大温度は、冷却部３ａがない場合と比較して低下する。基板１５が冷却された状態においては、ボイドの検出分解能向上のために高出力のレーザを半導体チップ１６に照射しても、基板１５の温度ははんだが再溶融する温度には至らない。欠陥検査装置は、はんだ接合部にダメージを与えることなく、ボイドの検出分解能を高めることを可能にする。また、基板１５が冷却された状態にてレーザが照射されるため、熱は面内方向よりも冷却部に伝達して放熱される。そのため、半導体チップ１６またははんだの冷却勾配は大きくなる。

複数の試料１７が連続的に検査される場合においても、冷却部３ａにより余熱等がステージ３の設置面３ｃに伝導して蓄積されることがなく、ステージ３の設置面３ｃの温度は、検査後速やかに一定値に戻る。よって、検査工程において、ステージ３の冷却時間を設ける必要が無く、スループットが短縮化され、生産性が向上する。

以上をまとめると、本実施の形態１における欠陥検査装置は、接合材であるはんだにより接合された第１部材である基板１５と第２部材である半導体チップ１６とを含む試料１７を載置するステージ３と、基板１５がステージ３に載置される試料１７に含まれる半導体チップ１６の表面１６ａに、レーザを照射して試料１７を加熱するレーザ光源１と、レーザにより加熱される半導体チップ１６の表面１６ａから輻射される赤外線を検出する赤外線カメラ２とを備える。ステージ３は、試料１７に含まれる基板１５を冷却する冷却部３ａを含む。

以上のような構成により、欠陥検査装置は基板１５および半導体チップ１６を予め冷却した状態で検査することを可能にする。欠陥検査装置の冷却部３ａは、レーザ照射後から半導体チップ１６を急冷し温度勾配を従来よりも大きくし、かつ、レーザの出力を上げて欠陥検査を行うことを可能にする。その結果、ボイド等の欠陥の位置およびサイズの検出精度が向上する。つまり、欠陥検査装置は、被検査物である試料１７をレーザ照射により加熱して接合部を検査する際、検査領域外の温度上昇を抑制し、接合部の欠陥の検出分解能を向上させる。また、試料１７の検査終了後、ステージ３の冷却を待つことなく、他の試料の検査を開始できるため、欠陥検査工程のスループットが向上する。

また、欠陥検査装置が含むステージ３は、試料１７の基板１５をステージ３の設置面３ｃに当接して載置する。レーザ光源１は、設置面３ｃに当接して載置される試料１７の半導体チップ１６の表面１６ａに、レーザを照射する。

このような構成により、欠陥検査装置は、半導体チップ１６の温度勾配を大きくすることができ、欠陥の検査分解能を高めることができる。

また、欠陥検査装置が含むステージ３は、試料１７の基板１５をステージ３の設置面３ｃに設けられる熱伝導部材１８上に載置しても良い。レーザ光源１は、熱伝導部材１８を介してステージ３に載置される試料１７の半導体チップ１６の表面１６ａに、レーザを照射する。

このような構成により、欠陥検査装置は、検査対象の試料１７が反りを有する場合でも、レーザ照射によって発生した熱を効率的に冷却部３ａに伝達させることができる。それにより、半導体チップ１６の温度勾配が大きくなる。欠陥検査装置は欠陥の検査分解能を高めることができる。

また、欠陥検査装置は、赤外線カメラ２により検出される赤外線の強度に基づいて、基板１５と半導体チップ１６との接合状態を解析する制御部６をさらに備える。

このような構成により、欠陥検査装置は、赤外線カメラ２によって取得された赤外線画像から欠陥の位置とサイズを算出し判定することを可能にする。

また、欠陥検査装置は、試料１７の半導体チップ１６の表面１６ａにて反射するレーザが伝搬する反射光路１ｂ上に設けられ、半導体チップ１６の表面１６ａにて反射するレーザを吸収するビームダンパー１１をさらに備える。

このような構成により、筐体５内のレーザの反射が低減される。ビームダンパー１１は、レーザが赤外線カメラ２または各装置の配線に損傷を与えることを防ぐ。また、ビームダンパー１１により、半導体チップ１６には反射光が照射されないため、欠陥の検査精度が向上する。

また、欠陥検査装置が含むビームダンパー１１の受光面は、受光面におけるレーザの照射面積よりも大きい。

このような構成により、半導体チップ１６の傾きまたは基板１５の傾き等により、レーザの反射光路１ｂの位置がずれたとしても、ビームダンパー１１は反射光を吸収し迷光を低減する。欠陥検査装置の検査精度が向上する。

また、欠陥検査装置が含むレーザ光源１が出射するレーザのステージ３上における照射領域は、半導体チップ１６よりも大きい。

このような構成により、レーザ光源１は、レーザをスキャンすることなく半導体チップ１６を加熱することができる。

また、欠陥検査装置が含むレーザ光源１は、レーザが半導体チップ１６の表面１６ａに傾いて入射するよう、ステージ３の設置面３ｃの垂線に対し傾いて設けられる。

このような構成により、欠陥検査装置は、半導体チップ１６の表面１６ａにて反射する反射光がレーザ光源１に戻ってレーザ光源１にダメージを与えることを防ぐ。

また、欠陥検査装置が含むレーザ光源１の出力は、５００Ｗ以上が望ましい。

このような構成により、欠陥検査装置の欠陥検出の分解能が向上する。

試料１７の第１部材は板状の部材である基板１５であり、第２部材は第１部材よりも厚さが薄い半導体チップ１６である。

レーザが照射されることにより発熱する半導体チップ１６の表面１６ａと、接合部の欠陥までの距離を短くすることができる。表面１６ａにて発生する熱が面内方向に伝導する影響を受けにくく、欠陥の検出分解能が向上する。

＜実施の形態１の変形例１＞
実施の形態１において示された構成は、半導体チップ１６の表面１６ａにおいて大半の面積を占める金属層１６ｃの下方にボイドが存在する場合を一例として説明された。しかし、ボイドはガードリング１６ｅまたはゲートライン１６ｆの下方に存在する可能性も考えられる。

ガードリング１６ｅおよびゲートライン１６ｆに対応する領域に形成された絶縁層１６ｄが有する赤外線放射率は、金属層１６ｃが有する赤外線放射率とは異なる。よって、両領域における実際の温度が同じ場合であっても、赤外線画像において絶縁層１６ｄに示される温度は、金属層１６ｃに示される温度とは異なる。そのため、絶縁層１６ｄの下方に存在するボイドが正確に検出されない可能性がある。

実施の形態１の変形例１における制御ＰＣ６ｂは、半導体チップ１６の表面１６ａの赤外線画像を、絶縁層１６ｄの領域と金属層１６ｃの領域とに分割し、別々に画像処理してボイドを検出する。つまり、制御ＰＣ６ｂは、絶縁層１６ｄに対応する領域の位相画像と、金属層１６ｃに対応する領域の位相画像とを別々に算出する。その際、例えば、絶縁層１６ｄの位相画像を算出する際の閾値は、金属層１６ｃの位相画像を算出する際の閾値とは異なる値に設定されている。

上記の制御ＰＣ６ｂの機能は、プログラムに記述され、実施の形態１に記載の処理回路によって実行される。プログラムには、欠陥検査装置が、赤外線放射率に基づいて赤外線画像を複数の領域に分割し、各領域においてステップＳ４に示される赤外線画像の解析方法を実行する機能が記述されている。その際、分割される領域ごとに２値化された位相画像を得るための閾値が適切に設定されている。

このような構成により、欠陥検査装置は、検出されるべきボイドサイズが、ガードリング１６ｅまたはゲートライン１６ｆの幅よりも小さい場合であっても、正確にボイドを検出できる。例えば、ガードリング１６ｅの幅が１ｍｍであり、検出されるべきボイドサイズがφ０．５ｍｍであっても、欠陥検査装置は、正確にボイドを検出できる。欠陥検査装置は、検査対象である試料１７の半導体チップ１６の表面１６ａに、互いに異なる赤外線放射率を有する複数の部材が存在する場合であっても、ボイドを正確に検出することができる。

なお、検出されるべきボイドサイズがガードリング１６ｅまたはゲートライン１６ｆの幅よりも大きい場合、制御ＰＣ６ｂは、画像処理または数値的な処理によって、ガードリング１６ｅまたはゲートライン１６ｆに対応する領域において示される温度を無視して検査を行ってもよい。

＜実施の形態１の変形例２＞
実施の形態１の変形例２における欠陥検査装置は、半導体チップ１６の表面１６ａに空気を吹き付けるブロー装置（図示せず）をさらに有する。ブロー装置は、Ｎ_２または還元性を有するガスを噴出する。還元性を有するガスは、例えばＨ_２などである。

欠陥検査装置がブロー装置を有することにより、実施の形態１とは異なる冷却方法にて冷却することができる。つまり、ブロー装置は、半導体チップ１６の表面１６ａに空気を吹き付けることにより冷却する。また、このようなブロー装置は、試料１７を冷却すると同時に、半導体チップ１６の表面１６ａに付着する異物などを除去することができる。そのため、表面１６ａの異物を除去するためのエアブロー工程を削減することができる。また、欠陥検査装置の制御ＰＣ６ｂが異物をボイドと誤判定することもなく、ボイドをより正確に検出することができるようになる。

また、欠陥検査装置は、Ｎ_２や還元性を有するガスを表面１６ａに吹き付けることにより、レーザ照射による半導体チップ１６または基板１５の酸化を抑制することもできる。

＜実施の形態２＞
実施の形態２における欠陥検査装置を説明する。なお、実施の形態１と同様の構成および動作については説明を省略する。図１８は実施の形態２における欠陥検査装置の構成を模式的に示す図である。実施の形態２における欠陥検査装置には、開口部２１を含むマスク２０が設けられる。

マスク２０は、ステージ３の上方に設けられる。ステージ３に設置される試料１７は、マスク２０とステージ３との間に位置する。マスク２０は基板１５の上方の中空に位置しても良いし、マスク２０の厚さが半導体チップ１６の厚さよりも厚い場合は、基板１５と接触していても良い。図１９は、試料１７およびマスク２０を示す平面図である。マスク２０の面積は、レーザの照射領域１ｃよりも大きい。マスク２０は、図示は省略するが、マスク内部に冷却機構を有し、冷却機構は冷媒配管１２を介してチラー９に接続されている。マスク２０は、冷却機構の冷媒によって冷却される。冷媒は、例えば、水または油である。マスク２０の材質は反射率の高いアルミ、銅、金、銀またはこれらを含む合金である。または、マスク２０の材料は、レーザの波長に対して、試料１７が有する吸収係数よりも高い吸収係数を有する材料を含むことが好ましい。マスク２０の冷却機構の冷却能力が高い場合には、レーザを吸収しやすいように、マスク２０の表面に黒化処理が施されてもよい。

開口部２１は、図１８に示すように、マスク２０を貫通する。開口部２１は、図１９に示すように、半導体チップ１６の外形に等しい形状を有する。開口部２１からは、半導体チップ１６の表面１６ａが露出し、それ以外すなわち基板１５はマスク２０に覆われる。

レーザ照射時に基板１５はマスク２０により覆われているため、半導体チップ１６からはみ出して照射されるレーザはマスク２０にて反射する。このため、基板１５は加熱されることなく、半導体チップ１６のみが効率的に加熱される。また、基板１５の加熱を防ぐことにより、基板１５から半導体チップ１６への熱伝導が抑制される。レーザ照射により半導体チップ１６の表面１６ａにて生じる熱は、基板１５を介して冷却部３ａに伝導しやすくなる。よって、マスク２０を有する欠陥検査装置は、半導体チップ１６の温度勾配を大きくし、欠陥の検査分解能を高める。

図示は省略するが、半導体チップ１６の周囲には、はんだフィレットが形成されている。マスク２０はそのはんだフィレットにレーザが照射されることを防ぐ。マスク２０の開口部２１により調整されたレーザの照射領域は、半導体チップ１６の表面１６ａ面内のみを加熱し、はんだフィレットの加熱によるレーザの乱反射を防ぐ。

さらに、半導体チップ１６の外周に、外部と絶縁するためのガードリング１６ｅが幅０．１ｍｍ程度で形成されている。マスク２０の開口部２１により調整されたレーザの照射領域はガードリング１６ｅの内側に配置される。試料１７の設置位置がずれたとしても、半導体チップ１６の面内にレーザが照射される。

さらに、黒化処理されたマスク２０は、黒化処理しないマスクと比較して、レーザを吸収しやすくなる。そのため、マスク２０にて反射し、筐体５内を乱反射して伝搬するレーザ強度が減少し、半導体チップ１６に照射されるノイズが減少する。その結果、赤外線カメラ２で捉える温度のばらつきを抑えて検査精度を高めることができる。マスク２０の表面処理は黒以外でもレーザを吸収しやすい色や材質であればよい。

以上をまとめると、本実施の形態２における欠陥検査装置は、ステージ３の上方に設けられ、上方から照射されるレーザの照射領域よりも面積が大きいマスク２０をさらに備える。マスク２０は、マスク２０を貫通し、かつ、ステージ３に載置されマスク２０とステージ３との間に位置する試料１７に含まれる半導体チップ１６の表面１６ａが露出する開口部２１を含む。

このような構成により、基板１５が加熱されないため、基板１５から半導体チップ１６への熱伝導が抑制される。半導体チップ１６の表面１６ａにて生じる熱が、基板１５を介して冷却部３ａに伝導しやすくなる。つまり、マスク２０は試料１７の温度勾配を大きくし、欠陥検査装置の検査分解能を高める。

また、欠陥検査装置は、マスク２０を冷却する冷却機構をさらに備える。

このような構成により、マスク２０に吸収されるレーザによって生ずる熱が、半導体チップ１６の表面１６ａから輻射される赤外線のノイズとなることを防ぐ。欠陥検査装置の検出分解能が向上する。

また、欠陥検査装置が含むマスク２０の材料は、レーザの波長に対して、試料１７が有する吸収係数よりも高い吸収係数を有する材料を含む。

このような構成により、筐体５内で反射するレーザ強度が減少し、半導体チップ１６に照射されるノイズが減少する。その結果、赤外線カメラ２で捉える温度のばらつきが抑えられ、欠陥検査装置の検査精度が向上する。

＜実施の形態３＞
実施の形態３における欠陥検査装置を説明する。実施の形態３における欠陥検査装置は、実施の形態２の欠陥検査装置と、マスクの開口部の形状が異なるのみである。

図２０は本実施の形態３における欠陥検査装置が備えるマスク２０ａの断面図である。マスク２０ａは、開口部２１ａの縁に傾斜面２２を有する。傾斜面２２は、開口部２１ａの中心からマスク２０ａの外側に向かって上方に傾斜している。その傾斜面２２は、半導体チップ１６の表面１６ａに入射するレーザの入射角よりも大きい角度で傾斜している。

実施の形態２に記載した欠陥検査装置においては、半導体チップ１６の表面１６ａに入射するレーザの入射角が大きくなるにつれて、または、マスク２０ａの厚さが厚くなるにつれて、開口部２１ａの縁によりレーザの照射が妨げられる可能性がある。一方で、本実施の形態における欠陥検査装置が含むマスク２０ａは、開口部２１ａの縁にレーザの入射角以上の角度で傾斜する傾斜面２２を有する。

このような構成により、開口部２１ａの直下に位置する半導体チップ１６の表面１６ａの全面にレーザを照射することが可能となる。その結果、ボイドの検査精度が向上する。また、傾斜面２２は、開口部２１ａの縁の全周に設けられることが望ましい。開口部２１ａの縁に傾斜面２２が設けられない場合、その縁で反射するレーザは予期せぬ方向に散乱または反射し、その後、半導体チップ１６に再入射するなど、ノイズの原因になる。傾斜面２２が開口部２１ａの縁の全周に設けられた欠陥検査装置は、そのようなノイズを低減する。

＜実施の形態４＞
実施の形態４における欠陥検査装置を説明する。

電力用半導体装置の半導体チップ１６のサイズは半導体チップ１６に流れる電流容量に依存する。大電流用の半導体チップ１６は、一辺が１０〜１５ｍｍ以上のサイズを有する。そのような大きなサイズの半導体チップ１６の検査の際には、レーザの照射面積を増やす必要がある。しかし、その場合、半導体チップ１６の表面１６ａにて反射するレーザは照射面積以上に広がって伝搬する。例えば、ビームダンパー１１の受光面において、反射光はその受光面のサイズよりも大きく広がる可能性がある。本実施の形態４における欠陥検査装置は、そのような懸念を解決する。

図２１は、実施の形態４における欠陥検査装置の構成を模式的に示す図である。実施の形態４における欠陥検査装置は、集光光学素子である集光レンズ３０をさらに備える。それ以外の構成は、実施の形態１の構成と同様である。

集光レンズ３０は、試料１７とビームダンパー１１との間の反射光路１ｂ上に設けられる。集光レンズ３０の大きさは、ビームダンパー１１の受光面よりも大きいことが望ましい。

集光レンズ３０は、半導体チップ１６の表面１６ａにて反射した反射光を集光してビームダンパー１１に照射する。つまり、ビームダンパー１１の受光面におけるレーザの照射面積は集光レンズ３０によって縮小される。

大電流用の半導体チップ１６のように大きなサイズを有する表面１６ａにて反射して拡大される反射光は、集光レンズ３０によりビームダンパー１１に収められる。または、半導体チップ１６もしくは基板１５の設置傾き等により、設計位置からずれた反射光路１ｂを伝搬する反射光も、集光レンズ３０によってビームダンパー１１に収められる。このように、集光レンズ３０によって反射光の漏れを防ぐことができる。

＜実施の形態５＞
実施の形態５における欠陥検査装置および欠陥検査方法を説明する。なお、各実施の形態と同様の構成および動作については説明を省略する。

図２２は、実施の形態５における欠陥検査装置が検査する試料１７の構成を示す図である。

試料１７は、半導体モジュールである。半導体モジュールは、試料１７の第１部材として、ヒートシンク５０およびセラミック基板５３を有する。ヒートシンク５０は、ベース部５１およびベース部５１の一方面に取り付けられたフィン部５２を有する。セラミック基板５３は、平板状のセラミック基材５４とそのセラミック基材５４のそれぞれの面に設けられた導体層５５と導体層５６とを有する。セラミック基板５３は、ベース部５１の他方面に取り付けられている。セラミック基板５３は、一方の導体層５５がベース部５１に対面するよう取り付けられている。ヒートシンク５０とは反対側に位置する導体層５６には、はんだ５７を介して半導体チップ１６が接合されている。その半導体チップ１６が、試料１７の第２部材である。図２２は製造途中の半導体モジュールを示しており、半導体モジュールの製品完成時には、端子部７３は、半導体チップ１６に接続される。そして、ベース部５１とケース側部７５とを有するケース部７０に収容された半導体チップ１６等は封止材（図示せず）によって封止される。フィン部５２が取り付けられたベース部５１と回路パターンとが一体化されることで、半導体チップ１６の冷却効果が向上する。

このような構成を有する半導体モジュールにおけるボイドの検査方法として、Ｘ線画像による検査方法が知られている。しかし、Ｘ線画像による検査方法では、フィン部５２に対応する位置つまり凸部におけるＸ線画像とそれ以外の位置つまり凹部におけるＸ線画像とに濃淡が発生し、ボイドの検出ができない。Ｘ線画像によるボイド検査は、試料１７を構成する材料の厚さが均一であることが前提として求められる検査方法であった。材料の厚さが異なる部分が存在する場合、その部分に応じてＸ線の透過率が異なるため、得られるＸ線画像に濃淡が発生する。Ｘ線画像の濃淡の変化がボイドに起因するものか否かの判別が難しい。

実施の形態５における欠陥検査装置は、半導体チップ１６の表面１６ａにレーザを照射して加熱し、その表面１６ａから放射される赤外線を検出する。欠陥検査装置は、ステージ３の設置面３ｃと対面する試料１７の構造によらず、正確にボイドを検出することができる。

また、上記のように試料１７の第１部材がヒートシンクを含む場合、フィン部５２とステージ３の設置面３ｃとの接触面積は、実施の形態１の構成における基板１５と設置面３ｃとの接触面積と比較して小さい。そのため、冷却ファンによる冷却が効果的である。または、フィン部５２の凸部分に対応する冷却部３ａに凹部を設けることで接触面積を多くすることができる。つまり、冷却部３ａが、設置面３ｃにおいて、フィン部５２と嵌合する凹部を有することが好ましい。これにより、冷却部３ａとフィン部５２との接触面積が増加し、冷却効率が向上する。

このような構成を有する欠陥検査装置は、ボイド部と非ボイド部との温度差をより顕著にし、ボイドの検出精度を上げることができる。

＜実施の形態６＞
実施の形態６における欠陥検査装置および欠陥検査方法を説明する。なお、各実施の形態と同様の構成および動作については説明を省略する。

図２３は、実施の形態６における欠陥検査装置が検査する半導体装置の構成を示す図である。

半導体装置は、容器形状を有するケース部７０を有する。ここでは、ケース部７０は、底板であるベース部５１と側板であるケース側部７５とを有する。ケース部７０は、容器形状の内部に半導体チップ１６と硬化前の封止材７１とを保持する。半導体チップ１６は、例えば、セラミック基板５３上にはんだ５７によってダイボンドされている。また、半導体チップ１６と端子部７３とはワイヤ７２等で接続され、回路が形成されている。封止材７１は、ケース部７０に収容された半導体チップ１６および回路等の全体を封止する。封止材７１は、例えば、エポキシ樹脂である。半導体装置は、例えば、電力用半導体装置である。

封止材７１によって半導体チップ１６等を封止する際、ワイヤ７２の下部や、各構成部品の微小な隙間などにボイドが発生することがある。封止材７１の硬化後の検査によって、ボイドが発見されたとしても、そのボイドを取り除くことはできない。封止材７１の硬化前にボイドを発見し除去することが好ましい。

実施の形態６における欠陥検査装置は、封止材７１が硬化される前、例えば、封止材７１をケース内に注入した直後に検査を行い、ボイドを発見することができる。

半導体装置のベース部５１は、ステージ３の設置面３ｃに対面して載置される。レーザ光源１は、ケース部７０内に保持された硬化前の封止材７１の表面に、レーザを照射して半導体装置を加熱する。赤外線カメラ２は、レーザにより加熱される封止材７１の表面から輻射される赤外線を検出する。その際、ステージ３の冷却部３ａは、半導体装置に含まれるケース部７０のベース部５１を冷却する。その他の欠陥検査装置および欠陥検査方法の構成は、他の実施の形態と同様である。

欠陥検査装置が、封止材７１の硬化前にボイドの有無を判別することにより、次の効果を奏する。封止材７１の硬化前の検査であるため、ボイドが発見された場合、ボイドを除去することが可能である。例えば、注射器等によってボイドを吸引することによりボイドを除去することが可能である。また、封止材７１の硬化前に、ケース部７０に振動を加えることで、強制的にボイドを除去することもできる。または、真空脱泡によっても、ボイドを除去することもできる。

封止材７１であるエポキシ樹脂は、温度もしくは配合比の微小な変化等によって粘度が変わる材料である。欠陥検査装置が、エポキシ樹脂の硬化前にボイドの有無を判別することで、その後に封止工程に投入される製品に対し、製造条件をフィードバックして調整することも可能になる。製品の直行率が向上する。

＜実施の形態７＞
実施の形態７における欠陥検査装置および欠陥検査方法を説明する。なお、各実施の形態と同様の構成および動作については説明を省略する。

図２４は、実施の形態７における欠陥検査装置が検査する半導体装置の構成を示す図である。

半導体装置は、半導体チップ１６と絶縁シート１９と封止材５８とを有する。絶縁シート１９は、ダイパッド部７４を介して半導体チップ１６を保持する。絶縁シート１９は、例えば、樹脂製のシートである。封止材５８は、絶縁シート１９の端部において絶縁シート１９と反応した反応層５９が形成されることにより半導体チップ１６とダイパッド部７４と絶縁シート１９とを封止する。封止材５８は、モールド樹脂である。

絶縁シート１９と封止材５８との界面において反応層が形成されない場合、その界面において両者が剥離する。この剥離部分の厚さ（間隙）は微小であるため、Ｘ線画像による検査が難しい。ＳＡＴ（Scanning Acoustic Tomography）による検査は、検査に時間を要し、生産性が悪化する。一方で、実施の形態７における欠陥検査装置は、検査に走査を必要としないため、検査時間が短いという特徴を有する。

レーザ光源１は、ステージ３に載置される半導体装置に含まれる封止材５８の表面に、レーザを照射して半導体装置を加熱する。赤外線カメラ２は、レーザにより加熱される封止材５８の表面から輻射される赤外線を検出する。その際、ステージ３の冷却部３ａは、半導体装置を冷却する。その他の欠陥検査装置および欠陥検査方法の構成は、各実施の形態と同様である。

反応層５９にて発生する剥離は、間隙が微小であるが、その剥離面積は大きいという特徴を有する。欠陥検査装置は、カーボンコンポジットヒータ等の輻射加熱装置を有してもよい。輻射加熱装置は、レーザによる加熱と比較して、広い面積に対してより均一に加熱することに優れている。そのような欠陥検査装置は、広い面積の剥離の検出に対して有効である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

１ レーザ光源、１ａ 入射光路、１ｂ 反射光路、１ｃ 照射領域、２ 赤外線カメラ、３ ステージ、３ａ 冷却部、３ｃ 設置面、４ ＣＣＤカメラ、６ 制御部、６ａ
制御装置、６ｂ 制御ＰＣ、９ チラー、１１ ビームダンパー、１５ 基板、１６ 半導体チップ、１６ａ 表面、１６ｂ 裏面、１７ 試料、１８ 熱伝導部材、２０ マスク、２１ 開口部、２２ 傾斜面、３０ 集光レンズ。

Claims (12)

1. 第１部材と、前記第１部材上に接合材により接合された第２部材とを含む試料（１７）を載置するステージ（３）と、
   前記ステージ（３）に設けられ、前記第１部材が前記ステージ（３）と対面するように載置された前記試料（１７）を前記第１部材側から冷却する冷却部（３ａ）と、
   前記試料（１７）の前記第２部材の表面に、レーザを照射して前記試料（１７）を加熱するレーザ光源（１）と、
   前記レーザにより加熱される前記第２部材の前記表面から輻射される赤外線を検出して赤外線画像を撮影する赤外線カメラ（２）と、
   前記赤外線画像に基づいて、前記第１部材と前記第２部材との接合状態を解析する制御部（６）と、
   前記ステージ（３）の上方に設けられ、前記上方から照射される前記レーザの照射領域（１ｃ）よりも面積が大きいマスク（２０）と、
   前記マスク（２０）を冷却する冷却機構と、を備え、
   前記制御部（６）は、前記試料（１７）における赤外線放射率の異なる複数の領域から輻射される前記赤外線による前記赤外線画像につき、前記複数の領域を、別々に画像処理して前記接合状態を解析し、
   前記マスク（２０）は、前記マスク（２０）を貫通し、前記マスク（２０）の下方に位置して前記ステージ（３）に載置される前記試料（１７）の前記第２部材の前記表面が露出する開口部（２１）を含み、
   前記マスク（２０ａ）は、前記開口部（２１ａ）の縁に傾斜面（２２）を有し、
   前記傾斜面（２２）は、前記第２部材の前記表面に入射する前記レーザの入射角よりも大きい角度で、前記開口部（２１ａ）の中心から前記マスク（２０ａ）の外側に向かって上方に傾斜している、欠陥検査装置。
2. 前記試料（１７）の前記第２部材は、半導体チップ（１６）を含み、
   前記複数の領域は、前記半導体チップ（１６）に含まれるガードリング（１６ｅ）またはゲートライン（１６ｆ）に対応する領域と、前記半導体チップ（１６）の前記表面における金属層（１６ｃ）の領域と、を含む、請求項１に記載の欠陥検査装置。
3. 前記制御部（６）は、
   前記赤外線カメラ（２）によって取得される前記試料（１７）の複数の赤外線画像の各々におけるピクセルごとの温度データの時間変化に基づいて、前記第１部材と前記第２部材との前記接合状態を解析する、請求項１または請求項２に記載の欠陥検査装置。
4. 前記制御部（６）は、
   前記ピクセルごとの前記温度データの前記時間変化をフーリエ変換して得られる前記ピクセルごとの位相データに基づいて、前記接合状態を解析する、請求項３に記載の欠陥検査装置。
5. 前記制御部（６）は、
   前記赤外線カメラ（２）により検出される前記赤外線の強度に基づいて、前記第１部材と前記第２部材との前記接合状態を解析する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の欠陥検査装置。
6. 前記マスク（２０）の材料は、前記レーザの波長に対して、前記試料（１７）が有する吸収係数よりも高い吸収係数を有する材料を含む請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の欠陥検査装置。
7. 前記第１部材は銅を含む部材であり、
   前記第２部材は前記第１部材よりも厚さが薄い半導体チップ（１６）である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の欠陥検査装置。
8. 前記接合材は、はんだを含み、
   前記第１部材は、絶縁基板を含み、
   前記第２部材は、半導体チップ（１６）を含む請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の欠陥検査装置。
9. 前記冷却部（３ａ）は、前記第１部材が前記ステージ（３）に載置されるに際し、前記第１部材が有する面であって前記ステージ（３）に当接する面である被設置面の形状に応じた凹部（３ｄ）または凸部を有する請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の欠陥検査装置。
10. 内部に半導体チップ（１６）を収容し、前記半導体チップ（１６）と前記半導体チップ（１６）を封止するための封止材であって硬化前の封止材（７１）とを保持するケース部（７０）を含む半導体装置を載置するステージ（３）と、
    前記ステージ（３）に設けられ、前記ケース部（７０）の底板であるベース部（５１）が前記ステージ（３）と対面するように載置された前記半導体装置を前記ベース部（５１）側から冷却する冷却部（３ａ）と、
    前記半導体装置の硬化前の前記封止材（７１）の表面に、レーザを照射して前記半導体装置を加熱するレーザ光源（１）と、
    前記レーザにより加熱される硬化前の前記封止材（７１）の前記表面から輻射される赤外線を検出して赤外線画像を撮影する赤外線カメラ（２）と、
    前記赤外線画像に基づいて、硬化前の前記封止材（７１）の欠陥状態を解析する制御部（６）と、
    前記ステージ（３）の上方に設けられ、前記上方から照射される前記レーザの照射領域（１ｃ）よりも面積が大きいマスク（２０）と、
    前記マスク（２０）を冷却する冷却機構と、を備え、
    前記制御部（６）は、前記半導体装置における赤外線放射率の異なる複数の領域から輻射される前記赤外線による前記赤外線画像につき、前記複数の領域を、別々に画像処理して前記欠陥状態を解析し、
    前記マスク（２０）は、前記マスク（２０）を貫通し、前記マスク（２０）の下方に位置して前記ステージ（３）に載置される前記半導体装置の前記封止材（７１）の前記表面が露出する開口部（２１）を含み、
    前記マスク（２０ａ）は、前記開口部（２１ａ）の縁に傾斜面（２２）を有し、
    前記傾斜面（２２）は、前記封止材（７１）の前記表面に入射する前記レーザの入射角よりも大きい角度で、前記開口部（２１ａ）の中心から前記マスク（２０ａ）の外側に向かって上方に傾斜している、欠陥検査装置。
11. 半導体チップ（１６）と、前記半導体チップ（１６）を保持する絶縁シート（１９）と、前記絶縁シート（１９）の端部において前記絶縁シート（１９）と反応することにより前記半導体チップ（１６）と前記絶縁シート（１９）とを封止する封止材（５８）と、を含む半導体装置を載置するステージ（３）と、
    前記ステージ（３）に設けられ、前記半導体装置の前記絶縁シート（１９）側が前記ステージ（３）と対面するように載置された前記半導体装置を前記絶縁シート（１９）側から冷却する冷却部（３ａ）と、
    前記絶縁シート（１９）とは反対側に位置する前記封止材（５８）の表面に、レーザを照射して前記半導体装置を加熱するレーザ光源（１）と、
    前記レーザにより加熱される前記封止材（５８）の前記表面から輻射される赤外線を検出して赤外線画像を撮影する赤外線カメラ（２）と、
    前記赤外線画像に基づいて、前記絶縁シート（１９）と前記封止材（５８）との剥離状態を解析する制御部（６）と、
    前記ステージ（３）の上方に設けられ、前記上方から照射される前記レーザの照射領域（１ｃ）よりも面積が大きいマスク（２０）と、
    前記マスク（２０）を冷却する冷却機構と、を備え、
    前記制御部（６）は、前記半導体装置における赤外線放射率の異なる複数の領域から輻射される前記赤外線による前記赤外線画像につき、前記複数の領域を、別々に画像処理して前記剥離状態を解析し、
    前記マスク（２０）は、前記マスク（２０）を貫通し、前記マスク（２０）の下方に位置して前記ステージ（３）に載置される前記半導体装置の前記封止材（５８）の前記表面が露出する開口部（２１）を含み、
    前記マスク（２０ａ）は、前記開口部（２１ａ）の縁に傾斜面（２２）を有し、
    前記傾斜面（２２）は、前記封止材（５８）の前記表面に入射する前記レーザの入射角よりも大きい角度で、前記開口部（２１ａ）の中心から前記マスク（２０ａ）の外側に向かって上方に傾斜している、欠陥検査装置。
12. 第１部材と、前記第１部材上に接合材により接合された第２部材とを含む試料（１７）を、前記第１部材がステージ（３）と対面するように、前記ステージ（３）に載置する工程と、
    前記試料（１７）を、前記第１部材側から冷却する工程と、
    前記試料（１７）の前記第２部材の表面に、レーザを照射して前記試料（１７）を加熱する工程と、
    前記レーザにより加熱される前記第２部材の前記表面から輻射される赤外線を検出して赤外線画像を撮影する工程と、
    前記赤外線画像に基づいて、前記第１部材と前記第２部材との接合状態を解析する工程と、を備え、
    前記接合状態を解析する工程は、前記試料（１７）における赤外線放射率の異なる複数の領域から輻射される前記赤外線による前記赤外線画像につき、前記複数の領域を、別々に画像処理して前記接合状態を解析することを含み、
    前記レーザは、前記ステージ（３）の上方に設けられるマスク（２０）であって前記上方から照射される前記レーザの照射領域（１ｃ）よりも面積が大きい前記マスク（２０）を貫通する開口部（２１）を介して前記第２部材の前記表面を照射し、
    前記マスク（２０）は、冷却機構によって冷却されており、
    前記第２部材の前記表面は、前記マスク（２０）の下方に位置し、かつ、前記開口部（２１）から露出しており、
    前記マスク（２０ａ）は、前記開口部（２１ａ）の縁に傾斜面（２２）を有し、
    前記傾斜面（２２）は、前記第２部材の前記表面に入射する前記レーザの入射角よりも大きい角度で、前記開口部（２１ａ）の中心から前記マスク（２０ａ）の外側に向かって上方に傾斜しており、
    前記第２部材は、半導体チップ（１６）を含み、
    前記第１部材は、銅製の基板または絶縁基板を含む、半導体装置の製造方法。

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