光學精密工程·封面 | 芯片表面微小缺陷目標檢測

2023-05-05 11:29

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

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▍導讀和研究現(xiàn)狀

隨著集成電路制造技術的快速發(fā)展，在晶圓級封裝等先進封裝中，封裝尺寸越來越小，缺陷檢測分辨力要求已經(jīng)由微米級提高到亞微米級。研究亞微米級二維和三維缺陷檢測及復雜缺陷識別分類方法，能夠為研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的半導體芯片封裝缺陷視覺檢測系統(tǒng)提供關鍵技術支撐，進而為解決半導體封測行業(yè)面臨的“卡脖子問題”以及提升器件的良率奠定技術基礎。

針對芯片表面圖案復雜多樣，復雜背景下芯片細微缺陷圖像對比度差，影響成像質(zhì)量的問題，我們團隊研究了面向芯片封裝微觀裂紋等缺陷檢測的超分辨算法。針對芯片表面蝕刻尺度小、形貌復雜而圖案尺度大等難題，團隊研究了多尺度圖形模式識別算法和多尺寸缺陷快速識別分類技術。針對芯片表面臟污、焊球缺陷、芯片異位等鏡檢環(huán)節(jié)缺陷能提供的數(shù)據(jù)集有限，而神經(jīng)網(wǎng)絡需要大量數(shù)據(jù)訓練優(yōu)化等現(xiàn)實問題，團隊研究了對抗網(wǎng)絡虛擬缺陷圖像生成技術，實現(xiàn)了小樣本類別數(shù)據(jù)集增廣，克服了數(shù)據(jù)集中類別間樣本數(shù)據(jù)量不均衡問題，實現(xiàn)了類別間樣本數(shù)據(jù)量的均衡化處理。

合肥工業(yè)大學夏豪杰教授團隊的張進等在《光學精密工程》（EI、Scopus，中文核心期刊，《儀器儀表領域高質(zhì)量科技期刊分級目錄》和《光學和光學工程領域高質(zhì)量科技期刊分級目錄》“T1級”期刊）上發(fā)表了題為“面向小目標測量的通道注意力網(wǎng)絡與系統(tǒng)設計”的封面文章。

2023年第6期封面

▍關鍵技術突破或解決問題描述

1. 面向微小目標高頻特征重建的通道注意力網(wǎng)絡設計

為了解決微小目標的高頻特征分量重建問題，作者設計并搭建了如圖1所示的圖像超分辨率重建網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡采用了端到端的學習方法，并將局部殘差和全局殘差相結(jié)合，以防止訓練過程中的梯度爆炸和梯度消失。網(wǎng)絡中通過跳躍連接的方式使信息在網(wǎng)絡各層間流動，加強了網(wǎng)絡各層之間的聯(lián)系和對信息的充分利用，使得網(wǎng)絡能夠更好地利用低層的信息來指導高層的學習。作者對提取目標圖像的不同頻率特征進行了分析，在模型的底層特征提取模塊中添加通道注意力機制，通過自適應地調(diào)整不同通道之間的權重，使得模型能夠更好地捕捉到輸入特征中的重要信息，以提高對微小目標的識別能力，通過與其它算法的對比實驗，驗證了所提方法的優(yōu)勢。

圖1：網(wǎng)絡模型結(jié)構(gòu)圖

2. 微小目標識別與測量系統(tǒng)研究與設計

為了對微小目標的檢測與測量問題進行研究，作者設計了一個實驗系統(tǒng)（如圖2所示）。實驗中使用USAF1951分辨率板作為實驗對象，通過CCD相機獲取目標圖像并進行畸變校正后對圖像中感興趣的幾何圖元進行識別和測量。

圖2：實驗系統(tǒng)圖

3.微小目標測量精度提升方法研究

由于重建前后USAF1951分辨率板中目標在高頻特征體現(xiàn)上有所差異（如圖3所示），計算機處理結(jié)果并不相同。作者通過對重建前后同一目標進行測量，對比了提出算法對目標測量精度的影響。作者分別從垂直和水平方向?qū)χ亟ㄇ昂蟮木€寬尺寸進行了測量，并計算了相應的誤差。誤差曲線如圖4所示，重建后的測量精度得到了有效提升，其中水平方向平均提高了24.1%，垂直方向平均提高了79.1%。

圖3：重建前后效果對比

圖4：線寬測量相對誤差曲線

研究前景和未來計劃

該研究將圖像超分辨率重建與微小目標識別與測量相結(jié)合，突破了原有硬件平臺的分辨率限制，并且可以根據(jù)目標特征，有針對性地設計圖像超分辨率重建網(wǎng)絡，實現(xiàn)更加精細的圖像重建。在原有硬件平臺基礎上，有效提高了目標測量精度。該研究結(jié)果為半導體封裝領域中芯片的缺陷識別和測量提供了一種新的研究方法，可以幫助我們更好地利用圖像數(shù)據(jù)，提高圖像處理的效率和準確性，具有潛在的應用價值。

團隊負責人簡介

夏豪杰，教授，博士生導師，合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院院長。主要從事精度理論及光電超精密測量技術及儀器等領域的研究工作。近5年來主持國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、安徽省重大科技攻關項目等科研項目10余項，在國外內(nèi)期刊發(fā)表學術論文40余篇，授權發(fā)明專利22項，近年來先后獲得中國儀器儀表學會科學技術獎一等獎、安徽省技術發(fā)明獎二等獎等獎項。在教學方面，主持教育部新工科項目、安徽省專業(yè)綜合改革試點、品牌專業(yè)建設等省級質(zhì)量工程項目5項目，近年來先后獲得省級教學成果一等獎、特等獎3項。

團隊簡介

合肥工業(yè)大學夏豪杰教授團隊依托“費業(yè)泰精密工程中心”，在繼續(xù)深入研究精度理論的基礎上，圍繞超精密測量、復雜外形測量與大尺寸動態(tài)目標測量等應用需求，研究光電精密測量技術及儀器。團隊承擔過多項國家重點研發(fā)計劃、國家重大科學儀器開發(fā)專項、國家自然科學基金儀器專項和裝備預研專項等，研發(fā)了納米光柵干涉儀、并聯(lián)掃描工作臺、超分辨相機、光學微納掃描測頭、超精密氣浮軸承等微納測控部件，研發(fā)了超分辨視覺檢測系統(tǒng)、視覺跟蹤掃描測量系統(tǒng)、三維微納掃描測量系統(tǒng)、飛秒激光形貌測量與超分辨成像等系統(tǒng)，研究成果應用于“天問一號”等國家重大工程以及集成電路缺陷檢測。