全球半導(dǎo)體制造產(chǎn)能正在不斷擴(kuò)大。然而，該行業(yè)的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，包含 1000 多個(gè)不同步驟，因此生產(chǎn)能力的發(fā)展同樣復(fù)雜而精細(xì)。所以，半導(dǎo)體行業(yè)需要既能快速實(shí)施和調(diào)整、又能提高生產(chǎn)效率的技術(shù)。機(jī)器視覺(jué)正是其中的一項(xiàng)重要技術(shù)。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于可以自動(dòng)化、高精度地執(zhí)行半導(dǎo)體制造中眾多必要的檢測(cè)和校準(zhǔn)流程。德國(guó)慕尼黑 MVTec Software公司提供的機(jī)器視覺(jué)軟件產(chǎn)品HALCON 和MERLIC，可提升半導(dǎo)體制造的各個(gè)工藝步驟的效益。

圖1：機(jī)器視覺(jué)以最高精度支持半導(dǎo)體生產(chǎn)。

用于半導(dǎo)體制造的強(qiáng)大機(jī)器視覺(jué)技術(shù)

幾乎在所有半導(dǎo)體生產(chǎn)場(chǎng)景中，都有至少一個(gè)步驟需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能或外觀缺陷檢查。在高度自動(dòng)化的生產(chǎn)環(huán)境中，與人工檢查相比，使用機(jī)器視覺(jué)檢查具有諸多優(yōu)勢(shì)：機(jī)器視覺(jué)檢查速度更快、結(jié)果客觀且可重復(fù)，而且檢查質(zhì)量不會(huì)因疲勞或任務(wù)單調(diào)乏味而降低。異常值檢測(cè)等深度學(xué)習(xí)技術(shù)也適用于這一目的。例如，它可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)表面檢查，檢測(cè)并分割缺陷。 

質(zhì)量檢查必須同時(shí)檢查尺寸精度和缺陷。機(jī)器視覺(jué)可以沿著線段或圓弧，在幾毫秒內(nèi)對(duì)邊緣進(jìn)行亞像素精度的測(cè)量。配合2D測(cè)量技術(shù)，還可以檢查特定幾何形狀的物體。此外，還有一些 3D 測(cè)量方法，包括使用視差圖像、距離圖像或通過(guò)各種方法重建3D表面坐標(biāo)。

尋找對(duì)象也很重要。最重要的是，使用亞像素精度的基于形狀的匹配。該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確、穩(wěn)健地發(fā)現(xiàn)物體。即使它們被旋轉(zhuǎn)、縮放、透視扭曲、局部變形、部分覆蓋或位于圖像之外，該功能仍然有效。 

不同工藝步驟中的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)

 如上所述，半導(dǎo)體生產(chǎn)中有許多工藝步驟。下面將以一些流程為例，同時(shí)說(shuō)明機(jī)器視覺(jué)如何提供支持。 

切割是一種精密加工，其使用機(jī)械切割或激光將晶圓分成單獨(dú)的芯片。機(jī)器視覺(jué)支持操作員在機(jī)器中設(shè)置晶圓。必須對(duì)每種晶圓類(lèi)型再次執(zhí)行此操作，因?yàn)楸仨氈�道晶圓的尺寸才能進(jìn)行設(shè)置。例如，可以使用快速傅立葉變換來(lái)確定尺寸。這顯著簡(jiǎn)化了設(shè)置并降低了操作錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。隨后，當(dāng)切割模具時(shí)，可能會(huì)發(fā)生邊緣處出現(xiàn)破裂等情況。在這里，工業(yè)圖像處理可以支持使用深度學(xué)習(xí)方法的異常檢測(cè)。只需一些“好的圖像”，就可以訓(xùn)練強(qiáng)大的機(jī)器視覺(jué)軟件來(lái)可靠地檢測(cè)模具的任何損壞，即異常情況。

封裝：制造成品芯片的最后步驟

圖2：在封裝過(guò)程中，芯片被放置在塑料外殼中，并使用粘合工藝設(shè)置接觸點(diǎn)。

除了質(zhì)量檢查外，機(jī)器視覺(jué)可以有效提供支持的另一項(xiàng)應(yīng)用是尋找并對(duì)齊晶圓和芯片。在這項(xiàng)應(yīng)用中，基于形狀的亞像素準(zhǔn)確匹配技術(shù)大顯身手。這項(xiàng)技術(shù)能夠準(zhǔn)確可靠地對(duì)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。即使在物體旋轉(zhuǎn)、縮放、視角扭曲、局部變形、部分遮擋或超出圖像之外等情況下，也能正常檢測(cè)。

體現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)附加價(jià)值的一個(gè)例子是封裝生產(chǎn)步驟，即將芯片封裝在塑料外殼中。首先，要將單個(gè)裸片插入外殼。然后，通過(guò)幾個(gè)步驟將它們連接到相應(yīng)封裝的相關(guān)觸點(diǎn)上。為了讓后續(xù)加工順利進(jìn)行，在封裝內(nèi)精確定位芯片是一個(gè)關(guān)鍵步驟。對(duì)此，基于形狀的匹配方法非常適合。在實(shí)踐中，通過(guò)CAD數(shù)據(jù)等方式訓(xùn)練模具模型。通過(guò)將訓(xùn)練數(shù)據(jù)與原始圖像相匹配，可以定位模具并計(jì)算出其在塑料外殼中的位置，以方便后續(xù)加工的進(jìn)行。 

上述生產(chǎn)步驟說(shuō)明了機(jī)器視覺(jué)的附加價(jià)值。此外，作為“半導(dǎo)體生產(chǎn)之眼”，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)貫穿了整個(gè)工藝鏈。特別是在質(zhì)量保證和包裝環(huán)節(jié)，高性能機(jī)器視覺(jué)軟件可為高效生產(chǎn)作出重要貢獻(xiàn)。

圖3：使用亞像素邊緣檢測(cè)對(duì)芯片上的接觸點(diǎn)（焊盤(pán)）進(jìn)行高精度測(cè)量。