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基于机器视觉的晶圆缺陷检测系统分析与设计

基于机器视觉的晶圆缺陷检测系统分析与设计

作者：陈治杉贵州大学

学位级别：硕士

晶圆在半导体的制造中占据很重要的部分,若封装含缺陷的晶圆,则会影响后期集成电路的性能。随着半导体尺寸越来越小,可能出现成像难以清晰、存在缺角或者遮挡时难以定位、缺陷形状与背景几何图案相似等问题。为降低晶圆缺陷对半导体制... 详细信息

晶圆在半导体的制造中占据很重要的部分,若封装含缺陷的晶圆,则会影响后期集成电路的性能。随着半导体尺寸越来越小,可能出现成像难以清晰、存在缺角或者遮挡时难以定位、缺陷形状与背景几何图案相似等问题。为降低晶圆缺陷对半导体制造的影响,设计一种基于机器视觉的晶圆表面缺陷在线自动检测技术。全文主要分成3个部分,即图像采集系统部分、图像处理算法部分、客户端软件部分。图像采集系统部分:根据项目要求进行机器视觉图像采集系统的设计,最终采用像素为3384×2710的CCD相机,远心镜头,照明方案为白色环形光源的正面、暗场、单向照明。该成像方案对样本晶圆内部目标区域成像清晰,对其非目标区域抑制,增强对比度。图像处理算法部分:采用工业机器视觉软件Halcon框架进行开发。首先,针对晶圆中单个晶元可能出现缺角或者遮挡,设计一种基于轮廓匹配的晶元定位方法。其次,针对晶元背景是有一定规律排列的几何图案,缺陷可能与背景几何图案相似的问题,利用仿射变换原理,设计一种几何图案轮廓仿射变换与分区域检测方法。在此基础上,裁剪几何图案内部区域和几何图案外部区域,分别进行阈值分割和形态学处理,提取缺陷;然后对缺陷做交集,得到总的缺陷,记录缺陷晶圆的坐标。客户端软件部分:结合Halcon框架导出的C++代码,采用MFC框架进行开发。首先,分析软件功能需求,软件功能包括图形可视化界面、与检测设备互相通信数据、相机调试、参数调试、日志记录、自动检测等。然后,根据功能需求设计简洁易操作的软件界面。最后,编写基于MFC的客户端图像处理软件,并对软件进行实验验证和分析,其中自动检测流程的具体步骤为:先开启自动检测流程、相机拍图线程、TCP通信线程,然后等待拍图信号,收到拍图信号就开始拍图并进行晶圆检测缺陷,发送检测结果给机械手。实验结果表明,检测算法能有效解决晶元缺角或严重遮挡导致的无法匹配定位、缺陷与背景几何图案相似的问题,且能有效检测出各种缺陷,单个小晶元的检测速度约430ms,平均检测次品准确率为99.81%,平均检测缺陷准确率为98.80%。算法检测速度快、检测准确率高,效果较好,符合工业项目要求。

关键词：晶圆缺陷检测图像分割形态学处理轮廓匹配机器视觉

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基于离焦图像的晶圆表面缺陷检测

组合机床与自动化加工技术 2023年第7期 110-113,118页

作者：何睿清周鑫宇张慧郝飞宋佳潼南京工程学院信息与通信工程学院南京211167 南京工程学院机械工程学院南京211167

缺陷检测在晶圆生产中起着关键作用,在利用机器视觉检测晶圆缺陷时,无论晶圆有无缺陷均进行自动对焦,从而导致检测效率降低,针对该问题,提出了一种基于离焦图像的晶圆表面缺陷检测方法。可在对焦前下对晶圆进行评估,检测缺陷后进行对焦... 详细信息

缺陷检测在晶圆生产中起着关键作用,在利用机器视觉检测晶圆缺陷时,无论晶圆有无缺陷均进行自动对焦,从而导致检测效率降低,针对该问题,提出了一种基于离焦图像的晶圆表面缺陷检测方法。可在对焦前下对晶圆进行评估,检测缺陷后进行对焦,首先在频域中对晶圆图像进行自适应背景估计和去除,得到光照均匀、特征突出的检测图像;然后使用区域合并的优化分水岭算法进行图像分割;最后对分割后缺陷区域进行缺陷识别。实验结果表明,该方法可以准确鉴别晶圆图像是否存在缺陷,对于存在缺陷的样本,缺陷检测准确率可达95.3%,提高了检测效率。

关键词：晶圆缺陷检测频域图像处理背景估计分水岭算法特征识别

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晶圆表面微米级缺陷检测

计算机工程与设计 2015年第6期36卷 1671-1675,F0003页

作者：戴敬肖朋杨志家马继开沈阳建筑大学信息与控制工程学院辽宁沈阳110168 中国科学院沈阳自动化研究所辽宁沈阳110016

为降低晶圆缺陷对半导体制造的影响,在基于改进的多重中值滤波算法的基础上,以差影法为基本原理,采用归一化互相关的模版匹配方法实现晶圆表面缺陷检测。改进的多重中值滤波算法有效实现噪声点与非噪声点的分辨,归一化模版匹配算法对光... 详细信息

为降低晶圆缺陷对半导体制造的影响,在基于改进的多重中值滤波算法的基础上,以差影法为基本原理,采用归一化互相关的模版匹配方法实现晶圆表面缺陷检测。改进的多重中值滤波算法有效实现噪声点与非噪声点的分辨,归一化模版匹配算法对光照具有很好的鲁棒性。对大量的晶粒进行实验,实验结果表明,该方法可有效检测出晶圆表面的缺陷,精度达到15μm左右,所提检测算法在实际的应用中可代替人工,快速、准确地实现晶圆的缺陷检测。

关键词：晶圆缺陷检测差影双模版匹配多重中值滤波鲁棒性

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半导体晶圆匀胶系统在线缺陷检测方法研究

半导体晶圆匀胶系统在线缺陷检测方法研究

作者：肖朋沈阳建筑大学

学位级别：硕士

近年来,随着我国半导体行业的迅速发展,光刻工艺复杂度不断提高,品圆的缺陷来源越来越多元化,晶圆检测的传统方式主要为人工目检,该检测方法效率低,且易受主观因素影响,产生漏检、误检的情况,已不能满足工业需要。为了提高晶圆缺陷检测... 详细信息

近年来,随着我国半导体行业的迅速发展,光刻工艺复杂度不断提高,品圆的缺陷来源越来越多元化,晶圆检测的传统方式主要为人工目检,该检测方法效率低,且易受主观因素影响,产生漏检、误检的情况,已不能满足工业需要。为了提高晶圆缺陷检测速度与可靠性,实现晶圆缺陷在线视觉检测,降低缺陷对半导体制造业的影响,提高产品的良品率,本文在分析现有缺陷检测方法的基础上,结合计算机技术与图像处理技术,对该课题展开研究。首先,为了获取高分辨率的晶圆表面图像,选用合适的图像采集设备,搭建了图像采集系统。在光源选择中,系统选用红色同轴光源,不仅克服了晶圆表面高反射度的缺点,而且红光较长的波长也最大程度的保护了晶圆表面的光刻胶。微米级的检测精度限制了相机的视场,为了获取完整的晶圆图像,且要避免相机的抖动造成干扰,搭建了三轴运动平台,负责吸附晶圆,按照规定的路径移动,捕获到整个晶圆的完整图像。其次,针对图像在采集、传输过程中,受到光源性能、通道带宽、噪声等的影响而产生噪声的问题,根据图像噪声的特点与算法实验对比,确定采用改进的中值滤波法—多重中值滤波,滤除图像噪声;为了提高图像的对比度,突出我们感兴趣的区域,滤波完成后,采用直方图规定化的方法对图像进行增强,增强图像的判读和识别效果。最后,为了搜索匹配到晶圆图像中所有的Die单元,对模版匹配算法进行了深入的研究,由Die单元分布特点,结合算法实验效果对比,确定采用归一化互相关的模板匹配算法,该方法对图像灰度值的线性变化具有“免疫性”,对光照改变具有较好的鲁棒性。通过图像差影法得到差分图像,将得到的差值与预设的阈值进行比较,大于阈值,则标记为缺陷点。通过大量的实验,验证了该检测系统的可行性,有效的检测出品圆表面的缺陷,精度到达15μm。该系统可在实际应用中取代人工,实现快速准确的缺陷检测。

关键词：晶圆缺陷检测多重中值滤波模板匹配差影法 IMAQ

基于视觉动态重构的高通量晶圆表面缺陷检测系统研究

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基于视觉动态重构的高通量晶圆表面缺陷检测系统研究

作者：时帅江南大学

学位级别：硕士

随着半导体行业发展,晶圆的特征尺寸不断减小,对其加工制造工艺要求不断提高。由于其制造工艺的复杂性高,易产生划痕、胶量不足等缺陷,而这些缺陷会影响晶圆自身导电性,甚至导致半导体报废,影响整个系统正常运转。鉴于上述原因,通常需... 详细信息

随着半导体行业发展,晶圆的特征尺寸不断减小,对其加工制造工艺要求不断提高。由于其制造工艺的复杂性高,易产生划痕、胶量不足等缺陷,而这些缺陷会影响晶圆自身导电性,甚至导致半导体报废,影响整个系统正常运转。鉴于上述原因,通常需对晶圆进行实时检测,并找寻、去除缺陷晶格,避免缺陷晶格再加工,提高经济效益。本文采用运动控制与图像处理相结合的方法,从提高晶圆检测的准确度和降低其重构时间方面展开研究,主要工作内容如下:(1)为实现晶圆片整体晶格检测和全局晶格图像重构,研究晶圆缺陷检测系统运动控制策略,实现晶圆片快速准确移动。采用霍夫直线算法检测晶圆片偏移角度,使用神经网络PID控制策略,旋转校正晶圆片;其次,采用扰动观测器进行视觉伺服控制,对显微视野下晶格位置进行修正,提高晶格识别的准确度。最后,采用边缘检测方法,确定晶圆片移动方向,实现晶圆片全局检测和重构。(2)针对缺陷检测准确率低的问题,采用传统图像处理与深度学习相结合的方法,提高晶圆缺陷检测的准确率。首先,对图像进行预处理,降低图像噪声污染及其它因素对检测精度的影响。其次,采用可变形二值化模板匹配,实现对晶格位置的精确定位。最后,通过改进型Mobilenet V2算法对晶格类型进行分类,提高晶圆缺陷检测的准确率。(3)针对重构效率低的问题,采用特征点匹配的方法,实现对晶圆片上各类别晶格的快速重构。首先,使用SURF算法和RANSAN算法,实现对晶圆图像的快速配准;最后,根据晶格位置信息,采用平均融合算法,构建全局晶格图像,提高了重构速度。(4)为验证晶圆片缺陷准确率、位置精确度和晶格重构速度,进行相关实验。结果表明,所采用的晶格定位及分类算法,准确识别了晶格位置,精确检测了晶格缺陷,并通过提出的运动控制策略,使得晶圆片精确快速移动到指定区域。所提方法能够降低了晶格漏检率,避免缺陷晶格再加工,提高了经济效益。

关键词：晶圆缺陷检测视觉伺服运动控制图像处理重构

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基于机器视觉的晶圆表面缺陷检测

贵州大学学报（自然科学版） 2019年第4期36卷 68-73页

作者：陈治杉刘本永贵州大学大数据与信息工程学院贵州贵阳550025 贵州大学智能信息处理研究所贵州贵阳550025

为降低晶圆缺陷对半导体制造的影响,设计一种基于机器视觉的晶圆表面缺陷在线自动检测技术。首先,针对晶圆中单个晶元可能出现缺角或者遮挡,设计一种基于轮廓匹配的晶元定位方法;其中选取轮廓完整的良品图,经过图像拉伸、中值滤波、边... 详细信息

为降低晶圆缺陷对半导体制造的影响,设计一种基于机器视觉的晶圆表面缺陷在线自动检测技术。首先,针对晶圆中单个晶元可能出现缺角或者遮挡,设计一种基于轮廓匹配的晶元定位方法;其中选取轮廓完整的良品图,经过图像拉伸、中值滤波、边缘检测、形态学处理,得到外边缘轮廓和内部圆点轮廓,建立外边缘轮廓模板,搜索晶圆图像金字塔进行模板匹配。其次,针对晶元背景是有一定规律排列的几何图案,缺陷可能与背景几何图案相似的问题,利用仿射变换原理,设计一种几何图案轮廓仿射变换与分区域检测方法;在此基础上,裁剪几何图案内部区域和几何图案外部区域,分别进行阈值分割和形态学处理,提取缺陷。再次,将缺陷做并集,得到总的缺陷,并进行标记,完成缺陷检测。实验结果表明,所提检测算法能有效解决晶元缺角或严重遮挡无法匹配定位和缺陷与背景几何图案相似的问题,且能有效检测出各种缺陷,单个小晶元的检测速度约430 ms,算法效果好,检测速度快,符合工业要求。

关键词：晶圆缺陷检测图像分割形态学处理轮廓匹配

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晶圆表面缺陷自动检测技术的研究

晶圆表面缺陷自动检测技术的研究

作者：倪天宇东华大学

学位级别：硕士

半导体生产过程中,晶圆加工工艺过程复杂,为保证质量,几乎加工过程中的每一步工序质量都需要进行检测,否则缺陷产品流入下一道工序,不仅对产品的整体质量有很大影响,而且会造成生产成本的巨大浪费。晶圆加工时,很多缺陷会呈现在晶圆表面... 详细信息

半导体生产过程中,晶圆加工工艺过程复杂,为保证质量,几乎加工过程中的每一步工序质量都需要进行检测,否则缺陷产品流入下一道工序,不仅对产品的整体质量有很大影响,而且会造成生产成本的巨大浪费。晶圆加工时,很多缺陷会呈现在晶圆表面,针对这些表面缺陷,快速自动检测设备几乎被国外企业高价垄断,国内半导体企业则仍有很多依然在使用效率低下的人工检测手段,因此很有必要自主实现快速准确的晶圆自动检测设备。本文针对晶圆表面缺陷自动检测技术进行了研究,并结合项目研究的晶圆特点,确定了晶圆表面缺陷自动光学检测方案,为了实现高速高精度检测,对快速获取晶圆表面清晰图像方法和快速准确的视觉缺陷检测算法进行了研究和设计。首先,由于晶圆表面待检测缺陷非常微小,需要用显微光学系统进行图像采集,而成像系统景深范围小于晶圆表面翘曲,在晶圆表面图像获取时需要通过对焦才能保证图像清晰。在高速检测系统中,为了快速获取晶圆表面清晰图像,设计了飞拍自动对焦系统,在飞拍快速获取晶圆表面图像的基础上,通过测距自动对焦,保证了采集图像的清晰度。测距对焦系统以光谱共焦传感器作为测距设备、以对焦深度法进行清晰成像物距自动标定,可以在飞拍过程中提前完成每个拍照点的测距对焦,保证飞拍的连续性,且对焦结果与人工对焦偏差小于1um,能够实现快速获得晶圆表面清晰图像。其次,由于晶圆表面待检测缺陷特征复杂,在高速高精度检测系统中,为了快速准确的检测出晶圆表面缺陷检,设计了基于深度学习的视觉缺陷检测算法。首先提出了通过晶圆加工的GDS文件信息,将采集的晶圆图像先进行晶粒图像分割、提取,屏蔽晶圆的背景信息干扰,减少待处理的图像数据量,提高了缺陷检测速度,且该算法相对于传统的晶粒提取算法具有更快的速度;其次对晶粒图像进行四分切割,晶粒缺陷在切割后的图像中的占比较切割前得到了4倍的提升,使用切割后的图片进行神经网络缺陷检测获得了更高的检测精度。最后确定了YOLOX-Darknet53作为深度学习缺陷检测的神经网络,通过晶圆缺陷数据集测试传统的目标检测网络和新推出的YOLOX-Darknet53网络的速度、精度,验证了YOLOX-Darknet53网络在速度和精度上的优越性,能够实现快速准确的晶圆表面缺陷检测。最后,开发了晶圆表面缺陷自动检测软件,并对晶圆产品进行了自动检测实验,结果表明本系统完成一片八寸晶圆缺陷检测的时间达到107分钟,获取的晶圆表面图像的模糊率小于0.1%,表面缺陷晶粒召回率不低于95%,实现了快速准确的晶圆表面缺陷检测。

关键词：晶圆缺陷检测自动对焦图像分割深度学习 YOLOX-Darknet53

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用于高通量电子束检测的微透镜阵列系统设计

用于高通量电子束检测的微透镜阵列系统设计

作者：李宇聪浙江大学

学位级别：硕士

随着半导体技术的发展,集成电路的制造工艺和技术水平不断提高,晶圆制造加工过程中引入的缺陷对芯片造成的影响也越来越严重,因此晶圆缺陷检测在整个半导体工艺流程中至关重要。按检测设备的发射源来分,缺陷检测可以分为光学检测和电子... 详细信息

随着半导体技术的发展,集成电路的制造工艺和技术水平不断提高,晶圆制造加工过程中引入的缺陷对芯片造成的影响也越来越严重,因此晶圆缺陷检测在整个半导体工艺流程中至关重要。按检测设备的发射源来分,缺陷检测可以分为光学检测和电子束检测。虽然电子束检测相比光学检测方法具有分辨率高、景深大、检测灵敏度高等优点,但由于常规电子束检测设备采用的是单电子束结构,其具有检测速度缓慢、吞吐量低下的问题,因此目前电子束检测难以用于大批量的集成电路芯片的缺陷检测工作中。为了提升电子束检测效率,可以实现高通量并行电子束检测的多电子束系统被提出,并受到越来越多的关注。在四种主流的多电子束系统的设计结构中,多电子源结构很难获得性能一致的大量电子源,而单源单光柱结构虽然制造工艺相对简单但像差严重。因此解决了上述问题的单源多光柱结构成为了较为理想的多电子束系统实现方向。本文以单源多光柱结构为基础,设计了一种用于高通量电子束检测的微透镜阵列系统。本系统是多电子束检测设备的核心结构,可利用系统内设计的子束成型板将电子源产生的单一高能电子束分成大量并行电子束。在所设计的静电透镜和扫描偏转电极等结构的作用下,这些电子束最终在成像平面上成为并行的纳米级电子束扫描探针。本文使用COMSOL Multiphysics仿真软件对系统的各个模块和整体结构进行建模和仿真分析,在电子光学结构和参数设计过程中还使用了SIMION仿真软件进行了交叉验证。论文主要研究内容与研究结果如下:1.微透镜阵列的系统设计。基于扫描电镜、常规电子束检测设备和单源多光柱多电子束系统的结构和参数,本文设计了微透镜阵列系统的整体结构,对系统输入和输出提出了设计约束性指标。系统具体包括两层子束成型板、聚焦透镜、限束板、扫描电极和投影透镜。经过准直的高能电子束会在子束成型板的作用下分束、成型,经过分束的电子束在静电透镜和扫描电极的作用后,可在像平面实现纳米级扫描探针。理想情况下,系统可实现多达1万个微光柱和49万个电子束扫描探针。2.微透镜阵列系统的具体模块设计与仿真。针对微透镜阵列系统的整体结构,本文对其中聚焦透镜和投影透镜组成的双透镜系统、子束成型板、以及扫描电极分别进行了具体的结构和参数设计。设计过程中考虑到了制造工艺和模块散热的情况。最终以整体系统中单个微光柱为例,对微透镜阵列进行了联合仿真分析。系统可实现133倍的缩束倍率、成像束斑大小在18.4nm左右、系统景深在4μm左右、像点扫描范围在±2.34μm左右,以上输出参数实现了系统的设计约束指标。又在条件允许范围内对多个微光柱进行仿真,结果也满足设计约束指标。3.系统误差分析。本文以单光柱联合仿真模型为基础,参照系统结构和实际工艺流程,对微透镜阵列系统使用和制造过程中可能出现的电子束入射误差和系统结构误差进行了仿真与分析,具体包括电子倾角、散角、加工形位误差和装配误差。本文对以上误差进行参数化扫描,得到了系统可忍受的最大误差参数,为后续的设备制造和装配提供理论参考。

关键词：晶圆缺陷检测电子光学多电子束检测微透镜阵列

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六足压电机器人致动原理及其运动特性研究

六足压电机器人致动原理及其运动特性研究

作者：闫轲哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来,随着机器人技术的快速发展,具有大运动范围、微纳米级定位能力的小型移动机器人在生命科学、智能制造、智能检测、光学仪器等领域获得越来越多的关注和需求。压电机器人利用压电致动技术进行工作,具有输出力大、响应速度快、不... 详细信息

近年来,随着机器人技术的快速发展,具有大运动范围、微纳米级定位能力的小型移动机器人在生命科学、智能制造、智能检测、光学仪器等领域获得越来越多的关注和需求。压电机器人利用压电致动技术进行工作,具有输出力大、响应速度快、不受电磁干扰、易于实现纳米级分辨力等特点,在这些领域有着极大的应用潜力。相关领域的快速发展要求压电机器人实现兼顾大行程、纳米级定位能力、多自由度、稳定运动步态并具有紧凑结构等特性,而现阶段的压电机器人在上述特性之间存在矛盾,无法同时兼顾这些特性。为解决这一问题,本文提出了一种六足压电机器人,基于三角步态方案实现平面多自由度稳定步态输出,基于行走致动和直接致动模式的融合切换实现大行程及高精度的运动,最终实现大行程、纳米级定位能力、多自由度、稳定运动步态特性的兼顾,满足相关领域的需求。首先,模仿多足生物的躯干构造,通过模块化思想分析确定了机器人的躯体构成为驱动腿、基体、连接件三部分,以实现稳定步态运动输出为目标,开展机器人的拓扑结构设计,确定了驱动腿布置方式。提出了直接致动模式和行走致动模式两种适用于机器人的运动模式,通过两种模式的切换实现大行程、高精度的运动。机器人采用三角步态方案,保持运动时机器人重心和姿态稳定,获得高步态稳定性的运动输出,并根据多足间的步态配合方案确定了机器人的多自由度运动策略及相应的激励方案。其次,利用伯努利-欧拉梁理论建立了单个压电腿的动力学模型,得到压电腿固有频率及驱动足弯曲位移的解析解,进而得到弯曲位移与激励信号、结构参数间的关系。以驱动足完全“抬起”并离开工作面、实现结构的紧凑性和体积的小型化为优化目标,利用所建立的动力学模型优化压电腿结构,得到压电腿各结构尺寸的具体参数。在确定具体结构尺寸参数后,对动力学模型进行数值仿真,得到位移响应结果与有限元仿真结果相近,验证了所建立的动力学模型的准确性和有效性。以驱动足弯曲时与工作面不发生打滑为优化目标,基于所建立的动力学模型优化机器人的激励信号,获得高效激励方案。然后,加工装配机器人样机,测试压电腿振动及位移特性,结果满足预期设计目标。对机器人展开相关实验测试,机器人直接致动模式下直线运动时线位移分辨力为15nm,旋转运动时角位移分辨力为0.36μrad;在行走致动模式下四个运动方向所能达到的最大运动速度分别为236.56μm/s、232.23μm/s、235.10μm/s、8501.67μrad/s,最大负载为800g(约为自身体重的40倍);大行程运动下机器人基体姿态变化在1μm以内,并具有良好的步距重复性,直线运动位移耦合率低于3.50%,位移重复性达到0.78%,旋转运动角位移重复性达到0.66%,这些结果表明机器人具有优越的步态稳定性。机器人系统在直接致动模式下直线运动方向定位精度达到nm级,旋转方向定位精度达到亚μrad级,行走模式下在大行程直线运动时具有1μm以内的定位精度,旋转运动时具有15μrad以内的定位精度,融合两种致动模式,测试出其在大行程直线运动时具有±20nm的定位精度,旋转运动时具有±0.4μrad的定位精度。实验结果表明,本文所提出的六足压电机器人实现了大运动范围、稳定步态、高精度的运动。最后,开展了晶圆缺陷检测应用试验,六足压电机器人作为晶圆的承载平台,其优越的直线性能保证了检测时的连续性和快速性,其优越的步态稳定性保证了检测时对焦的稳定性,这为晶圆缺陷视觉检测技术提供了有效的助力,展现了机器人在智能检测中作为承载工具的应用潜力。

关键词：六足机器人压电致动高精度稳定步态晶圆缺陷检测