1、機器視覺-半導體生產之眼白皮書 圖片：Adobe StockBuilding Vision for BusinessMVTec Software GmbH機器視覺-半導體生產之眼目錄簡介.3機器視覺-生產之眼.4 缺陷檢測.4 測量.4 高精度位置檢測.5 Blob 分析.5 識別.5生產工藝和具體使用案例介紹.6 EUV 光刻：掩模與晶圓的精確對準.6 探針臺測試：設置焦點并確定旋轉角度.6 劃片.7 接合：制造成品芯片的眾多步驟.8MVTec HALCON.11 總結.12 簡介半導體制造已不再是新興行業。然而，全球對這一“舊經濟”的關注和需求卻居高不下。這背后有數字化、氣候變化和可持續發

2、展等大趨勢的推動。然而，半導體制造高度復雜且規模較小，其供應鏈又受到政治、經濟和物流紊亂的影響。新冠疫情引發的需求動蕩導致許多行業面臨半導體短缺。此外，地緣政治力量和貿易爭端也造成半導體供應吃緊。最后，消費電子領域的需求急劇增加，同樣會導致供需不平衡。新冠疫情爆發以來，對于 5G 手機、筆記本電腦以及其他居家辦公消費電子產品的需求迅速增長。與此同時，汽車逐漸成為真正的“輪上計算機”，依靠電子器件和半導體為電池管理、駕駛輔助系統和消費電子產品提供支持。機器視覺可以實現半導體生產中的最高精度。圖片(LRTB)：iStock(x3)、Adobe Stock、MVTec、iStock為了確保半導體的供

3、應并減少對供應鏈中斷的依賴，全球許多地區都在迅速建立半導體制造能力。半導體的生產十分復雜，涉及 1,000 余個不同的工藝步驟。與之相應地，生產設施的建設非常復雜和敏感。此外，不同的半導體制造商實施的生產工藝并不相同。還有不同類型的晶圓和芯片，對生產也提出了不同的要求。因此，所謂統一的半導體制造工藝并不存在。這意味著，該行業需要采用靈活的技術，確保在不同工藝條件下迅速增加價值。機器視覺就是這樣一項關鍵技術。其突出優勢在于可以自動化、高精度地執行高精度半導體生產中眾多必要的檢查和校準流程。3機器視覺-生產之眼缺陷檢測幾乎在每個生產場景中，都至少有一個步驟是要檢查產品有無功能或外觀缺陷。在現今高度

4、自動化的生產環境中，人們廣泛使用機器視覺來執行這項任務，因為它相對人工檢查優勢眾多：機器檢查的速度更快，結果客觀且可重復，而且不存在因疲勞或任務單調乏味而導致檢查質量下降的風險。人工智能，尤其是深度學習技術越來越強大，并且能夠滿足非常具體的要求，因此對于半導體生產也很有意義。在機器視覺領域，深度學習正在讓越來越多過去無法實現的應用成為可能。此外，它還可以顯著提高現有應用的性能?；谏疃葘W習的異常值檢測能夠實現自動化的表面檢測，用于缺陷檢測和分割等場合。這項技術能夠準確無誤地獨立定位偏差，亦即任何類型的缺陷。只需要沒有缺陷的示例圖像，就可以訓練模型。與其他深度學習方法不同，無需標記工作。在推理過

5、程中，異常值檢測對圖像中明顯偏離訓練圖像的區域進行分割。測量關于質量控制，除了檢查缺陷外，確定尺寸精度也十分關鍵。這涉及到檢查元器件是否在規定的公差范圍內。工業圖像處理能夠在一毫秒內對直線或圓弧邊緣進行亞像素精確測量。2D 測量同樣可以實現。2D 測量技術可用于測量特定幾何形狀的物體。這些形狀可以是圓形、橢圓形、矩形和直線。最后，還有一些方法可用于 3D 測量：可以使用不同技術重建視差圖像、距離圖像或表面的 3D 坐標，例如雙目、多圖像和光度三維重建、激光三角測量和 機器視覺的應用場景靈活多樣，因而在眾多行業中得到廣泛使用。其中一個主要應用領域是制造業的質量保證。機器視覺可用于工業生產過程的視

6、覺監測、檢查和控制，因此被譽為“生產之眼”。機器視覺組件包括相機、照明、饋線和計算單元等硬件。相機負責捕捉靜態或動態的圖像，圖像處理軟件則利用先進技術從圖像中提取信息。由此產生的優勢如下：圖像處理速度極快，有時檢查步驟在幾毫秒內即可完成。機器視覺作為自動化流程的一部分，全天隨時可以使用。此外，機器視覺的性能和持久能力均超過人眼。機器視覺需要的空間很小，可以集成到無塵室環境中，并可處理涉及對人體有害的物質的工作。機器視覺的結果準確、可靠且可重復。不同于人工檢查，機器視覺的結果百分之百客觀。根據具體情況，有不同的技術可用于實現不同的應用。4Depth from Focus。此外，只用一臺相機就可以

7、輕松確定圓形和矩形物體的 3D 位置?？梢允褂?3D 數據精確測量 3D 圖元，例如圓柱體、球體和平面。另一種與半導體行業有關的方法是 3D 標定。這項技術可以對用戶的區域或線掃描相機進行獨特而準確的描述。在此過程中，通過一組內部和外部相機參數，將圖像坐標映射到世界坐標。在機器人應用中，還可以確定機器人和相機之間的關系。高精度位置檢測即使物體被部分遮擋，匹配方法也能可靠地將其找出，精準度超過 1/20 像素。此外，還可以對圖像進行適當對齊?；谛螤畹膩喯袼販蚀_匹配是機器視覺中最重要的技術之一。利用這項技術，可以精準可靠地實時找到物體，即使其存在旋轉、縮放、透視失真、局部變形、部分遮擋、脫離圖像

8、的情況或受到非線性照明變化的影響也能實現?；谛螤畹钠ヅ淇商幚?8 位或 16 位圖像，以及彩色和多通道圖像。此外，也可以使用圖像模板或 CAD 數據訓練物體。還可以定位由可相對于彼此移動的多個部分組成的物體。Blob 分析Blob 分析是基本的圖像處理功能之一。它是從連通像素中提取具有相同邏輯狀態的特征(Blob)。高質量的機器視覺軟件程序包括一套算子和工具，確保對眾多不同的物體特征進行分割和分析。通過這種方式，將任意形狀的 Blob 定義為“感興趣區域”，應用于后續圖像處理。即使是更加復雜的物體，例如重疊物體，也能可靠處理。Blob 分析主要包括兩個步驟：分割，即運用預處理工具和算子，將感

9、興趣的像素從圖像背景中分離出來。第二步是特征提取。涉及計算一個或多個 Blob 的面積（即像素數）、重心或方向等特征。識別產品識別和可追溯性需求的重要程度越來越高，對于半導體工業也是一樣。元器件上會印刷、標記、標刻、蝕刻或標示各種條形碼、二維碼、字符和符號，以便識別內容并提供重要的制造信息?，F代機器視覺軟件提供了所有必要的方法和技術，可以讀取以任何方式附加的字符、代碼和符號。如今，讀取條形碼和二維碼是最簡單的物品識別方法之一。條形碼和二維碼有多種不同類型，不過這兩類代碼面臨的挑戰基本相同，因為代碼可能會損壞或因其他原因干擾讀取。最新的圖像處理算法克服了這些問題，可對信息進行穩定快速的解碼。除了

10、條形碼和二維碼之外，一些物品還可能擁有各類標簽，其中包含各類文本或字符。在這種情況下，可以選擇光學字符識別(OCR)，基于文本識別物品。這些文本可能采用不同的字體、字號甚至打印樣式，例如點陣式打印。另一方面，也有一些基于深度學習的 OCR 方法。這些方法可以非常穩定地定位字符，甚至不受其方向和字體的影響。利用字符自動分組的能力，可以識別整個單詞，從而實現避免誤讀相似字符等效果，大大提高識別性能。5 瓦赫寧根大學及研究中心生產工藝和具體使用案例介紹半導體的生產由三個階段組成：晶圓生產、前端工藝和后端工藝。整個工藝又可劃分為幾個步驟，包括 EUV 光刻、探針臺測試、劃片和裸片、球焊和打線接合。在以

11、上所有以及更多其他工藝步驟中，機器視覺都可以并且已經在提供支持，顯著改善了成效。有兩個功能特別突出。首先，利用機器視覺可以精確可靠地確定所有元器件的位置。其次，質量控制得到了進一步改善，因為機器視覺能夠可靠檢測到任何偏離規定標準的偏差。下文以不同生產步驟為例，在此基礎上解釋機器視覺提供的附加值。在實踐中可以對所述工藝進行調整。此外，還介紹了工藝步驟以及如何利用機器視覺對其進行進一步優化。EUV 光刻：掩模與晶圓的精確對準1X 光刻的一個重要工藝步驟是將掩模與晶圓精確對準，以便提供目標結構。這個步驟有一個絕對要求，即晶圓的位置已知。借助基于形狀的匹配方法，可以將掩模和晶圓精確對準，確保光刻技術不

12、出差錯。這一步驟和許多其他工藝步驟還有一項任務是自動讀取晶圓標簽。與其他行業一樣，標簽有助于在生產過程中追蹤元器件。半導體生產使用的是 SEMI 字體。利用 OCR，可以確定已經使用以及后續步驟中將要使用的工藝參數。光學字符識別(OCR)能夠可靠檢測字符，實現對晶圓生產歷史記錄的端到端追蹤。圖片：MVTec6探針臺測試：設置焦點并確定旋轉角度機器視覺還可以為探針臺測試提供支持。晶圓上的結構十分微小，因此需要使用顯微鏡。通常情況下，考慮到晶圓的尺寸，探針臺測試會使用兩臺顯微鏡。只有這樣，才能達到足夠高的圖像分辨率。粗略對準后，需要以非常高的精度對晶圓進行精細對準。即使是微小的定位誤差也會導致探針

13、錯過目標，損壞晶圓。第一步是通過確定焦平面來確定傾斜度。為此，兩臺顯微鏡都要拍攝一張圖像。然后對其進行比較。如果兩張圖像的清晰度相同，說明晶圓已經正確對準。如果不同，機器會重新調整，直到圖像清晰度相同。第二步是由機器檢查晶圓的對準情況，是完全對齊還是有一定旋轉角度。這些任務使用基于形狀的匹配完成。利用兩臺相機位置之間的已知距離確定左右兩張圖像之間的位移（相對于訓練過的數據）和圍繞軸線中心的旋轉角度，然后進行校正。裸片尺寸確定劃片是一項精密的加工操作，使用機械切割或激光將晶圓分離成獨立裸片。機器視覺可以幫助操作員在機器中進行晶圓設置。每種晶圓類型都需要重新進行這項操作，因為只有在已知晶圓尺寸的前

14、提下才能進行設置。例如，在確定尺寸時，可以使用快速傅里葉變換。為了分析晶圓的周期性結構，先將圖像轉換到傅里葉域，以便簡化輸入圖像的自相關計算?？梢酝ㄟ^局部極大值從所得圖像中識別出周期性模式。X 和 Y 方向局部極大值之間的距離各為一塊裸片的尺寸。這樣可以大大簡化設置，降低操作錯誤的風險。劃片旋轉角度為了在加工機器中精確對準晶圓，不僅必須知道晶圓的尺寸，還必須知道晶圓的旋轉角度。為此，一些半導體制造商的工藝要求先確定旋轉中心。兩張連續圖像之間的旋轉角度和旋轉中心可以從光流場中計算得出。知道旋轉中心之后，只需在機器視覺軟件中進行一次算子調用，即可正確對準晶圓。由此確定的旋轉角度可以用來校正晶圓的方

15、向。為了確保裸片接合機無損執行拾取和放置程序，晶圓的方向非常重要。由于晶圓的形狀已知，所以要根據旋轉點與之前訓練的圖像進行匹配。這樣就可以確定旋轉角度，將晶圓正確對準。檢查裸片切割裸片時，可能會出現邊緣崩裂等情況。此時，工業圖像處理可以在深度學習方法異常值檢測的幫助下提供支持。只需幾張“良品圖像”，就可以訓練強大的機器視覺軟件穩定檢出裸片上的任何損壞，即異常值。7使用“光流”方法，可以可靠地確定晶圓的旋轉中心。圖片：MVTec接合：制造成品芯片的眾多步驟最后的生產步驟是封裝，將芯片封裝在一個塑料外殼內。為此，首先要將裸片插入外殼中。然后通過幾個步驟，將它們連接到封裝的相關觸點。其中，打線接合特

16、別重要。這涉及將導線連接到焊盤，即裸片的接觸點，以及外殼上的引線框架。機器視覺可以為在外殼中對準裸片以及檢查接合是否正確提供特殊支持。封裝期間，將裸片放置在塑料外殼中，使用接合工藝固定接觸點。圖片：iStock裸片接合：確定裸片在裸片接合機中的位置 裸片分離出來之后，必須知道其位置才能進行進一步加工。拾取和放置任務（即從裸片接合機中取出裸片）需要使用夾持器或機器人系統。使用基于形狀的匹配方法確定位置?？墒褂脴硕ǚ椒?，將圖像中以高精度確定的位置轉換為機器人坐標系，用于精確放置。8確定裸片位置這一流程如下：首先，必須確定每塊裸片在外殼中的位置。對于這一任務，基于形狀的匹配方法同樣適用。如同其他工藝

17、步驟所述，通過 CAD 數據等方式示教裸片模型。通過將訓練數據與原始圖像匹配，找到裸片。通過轉換標定數據，將裸片的準確位置傳送到打線接合機。裸片接合控制將裸片放在外殼中時，會使用一種特殊的粘合劑。接合過程中可能會出現缺陷，例如可能會形成氣泡。此時，機器視覺也可以提供支持。利用深度學習方法的異常值檢測，只需訓練幾張良品圖像，就能快速可靠地找出缺陷。合理推論，不同的芯片類型也可以訓練。這可以大大提高生產工藝的效率，因為不再需要針對每種新的芯片類型更換機器。檢查焊盤插入封裝后，一些芯片類型還需要檢查裸片上的焊盤是否有缺陷。此外，還要確定焊盤的確切位置。為此，讓相機沿著裸片邊緣順時針移動，逐一識別并檢

18、查焊盤。對于每張圖像，確定可見焊盤的數量，并使用亞像素精確的邊緣提取器來確定每個焊盤的大小和位置。使用亞像素邊緣檢測對芯片上的接觸點（焊盤）進行高精度測量。圖片：MVTec檢查焊線完成打線接合后，利用光學檢查來檢查接觸點是否有缺陷。缺陷可能有如下幾種：導線在焊盤上的接觸點不夠大，切割長度不夠長，或者在接合時施加的壓力錯誤。檢查期間，首先在圖像中定位焊盤。這是縮小相關區域的第一步。然后，使用機器視覺分割方法來定位圖像中的導線。根據這兩條信息，可以確定是否達到了最小重疊量。通過類似方式，可以檢查導線是否連接到引線框架的相關接觸區域。9檢查焊球以下示例展示了另一種接合方法（即球焊接合）的光學檢查。同

19、樣，首先提取焊盤。然后，在焊盤區域內搜索焊球。對于任何離邊緣太近的焊球或不包含焊球的焊盤，都會顯示錯誤信息。焊盤和導線之間最佳接觸點的質量檢查。圖片：MVTec導線檢查無論是使用打線接合還是球焊接合方法，在接合完成后，都必須對導線進行檢查。由于照明條件不佳，打線接合后的焊線檢查是一項巨大的挑戰。然而，機器視覺軟件可以可靠地檢查導線的軌跡。首先，使用 Blob 分析提取導線的起點和終點。然后，將“感興趣區域”縮小到這些點之間的區域。最后，可以通過先進的線條檢測算法來檢測導線。在這一步，即使是幾乎看不到導線的黑暗區域也可以檢查。此外，還需要檢查導線的 3D 軌跡。具體而言，需要確定每根導線是否位于

20、其指定的 3D 通道中。為此，采用 Depth from Focus(DFF)方法。使用“Depth from Focus”方法可以檢查導線的走向。圖片：MVTec10MVTec HALCON晶圓加工的每一個工藝步驟都需要最高的精度。因此，機器視覺是眾多工藝步驟的唯一選擇。但這還不是全部：為了跟上客戶制造工藝的發展，圖像處理系統的供應商必須提供更加先進的算法和工具組合。MVTec Software GmbH 的 HALCON 機器視覺軟件為各種用例提供了一流的工具。MVTec 幫助半導體制造商和機器制造商降低成本，避免廢品，推進新的制造技術和生產方案。首選的工具是 MVTec HALCON，這

21、是一款綜合性的工業圖像處理標準軟件，擁有集成開發環境(HDevelop)。除了最先進的圖像處理技術，例如全面的 3D 視覺和深度學習方法集，這套軟件還提供卓越的性能和 GPU 加速。在深度學習領域，HALCON 提供了豐富的算子、功能和方法供客戶選擇，它們或者基于深度學習技術，或者允許客戶在自己的應用程序中使用深度學習技術。HALCON 另一項重要的現實優勢是擁有含超過 2100 個算子的資料庫，可以完成各種各樣的任務，這使其成為市場上最全面的圖像處理庫。從圖像采集到最新的圖像處理工具，一切都是現成可用的！這款軟件已在全球數以萬計的應用中得到驗證，并且廣泛用于幾乎所有行業和應用領域。所有的 H

22、ALCON 算子都非常穩定可靠。圖片：MVTecMVTec HALCON 是綜合性的工業圖像處理標準軟件。11總結半導體行業面臨著盡快擴大產能的艱巨任務。同時，還需要建立更穩定的新供應鏈。不過，該行業的優勢是已經實現了非常高的自動化水平。MVTec 標準軟件 HALCON 提供的現代機器視覺技術可以提供重要的進一步支持。其優勢涵蓋：您需要能力出眾的合作伙伴來持續推動生產工藝的數字化。您可以在 找到由業內可靠合作伙伴組成的強大網絡，通過其獲得軟件實施方面的專業支持。我們也十分樂意幫助您找到合適的合作伙伴。敬請聯系我們，告知您需要我們針對哪些具體要求提供支持：您可以在 找到有關我們產品和服務的所有信息。竭誠為您服務 專業：MVTec 為全球半導體行業的眾多客戶提供服務，涉及價值鏈的各個階段。靈活：各種算子和技術可以靈活組合，最大程度適應當前任務。速度：算子專為跟上不斷提高的生產速度而設計：快速算法、多核支持和 GPU 支持。專用：各種算子專門針對半導體應用進行優化，例如基于形狀的匹配。支持：由能力出眾的工程師（免費）提供 HALCON 支持。MVTec HALCON 已廣泛用于半導體制造的所有工藝步驟，助力其實現端到端的自動化。這不僅提高了生產效率，也讓元器件的質量達到了新的高度。12