隨著晶圓廠和設(shè)備制造商對晶圓圖形缺陷檢測的精度和速度有了更高的要求,先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)正成為提升良率和產(chǎn)量的解決方案。

晶圓制造工廠每個月能夠生產(chǎn)一千萬個經(jīng)過檢驗(yàn)、計(jì)量和測試的晶圓級圖像。工程師需要分析這些數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量提升,并丟棄那些無法加工的晶圓。同時(shí),他們依賴于為數(shù)據(jù)分析提供數(shù)十年支持的計(jì)算機(jī)視覺算法。然而,如今的芯片復(fù)雜度不斷提升,對可靠性和更長使用壽命的要求日益提高,早期的機(jī)器視覺已經(jīng)無法滿足當(dāng)今市場的需求。誤分類率非常高,錯誤驗(yàn)證經(jīng)常發(fā)生,好的晶圓經(jīng)過驗(yàn)證被判定為壞晶圓,這就需要人工進(jìn)行終檢和評估。

誤分類將會導(dǎo)致晶圓廠吞吐量的降低,增加了制造成本。此外,邊緣圖像的人工審查導(dǎo)致操作員或技術(shù)人員做出的決策不一致。隨著晶體管密度增加,決策分歧更加明顯,無論在水平方向還是垂直方向,圖形越來越細(xì)微,以至于現(xiàn)有設(shè)備愈加難以辨別。

為了提升精度,晶圓測試圖需要在不同工藝步驟的空間圖形背景下進(jìn)行正確分類。反過來,這就需要一個與檢測晶圓圖像類似的計(jì)算分析。事實(shí)證明,隨著工程師開始使用最先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)方法,精度和速度的提升意義重大。通過使用深度學(xué)習(xí)技術(shù),誤分類持續(xù)降低,所需人工也在不斷縮減。

據(jù)2021先進(jìn)半導(dǎo)體制造大會(ASMC 2021)上的許多演講表示,工程師在晶圓級圖像上使用先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)(包括深度學(xué)習(xí)技術(shù))來快速響應(yīng)產(chǎn)量限制事件,并提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。相較于過去而言,這些方法的使用越來越廣泛,并且底層計(jì)算硬件——專為深度學(xué)習(xí)而設(shè)計(jì)的GPU——能夠使用大規(guī)模并行配置處理數(shù)據(jù)。

“全面推動使用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行缺陷分類和晶圓處理,”新思科技(Synopsys)產(chǎn)品市場總監(jiān)Anjaneya Thakar表示?！案玫挠布约案倪M(jìn)的軟件算法為機(jī)器學(xué)習(xí)更加廣泛的使用提供了助力。我們已經(jīng)能夠?qū)D像處理和計(jì)算機(jī)視覺用于這些檢測和處理任務(wù)上。但是先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)可以發(fā)現(xiàn)新的趨勢?！?/p>

除此之外,某些市場(尤其是汽車、醫(yī)療和軍用/航空)對消除潛在缺陷的需求也在不斷增長。在這些領(lǐng)域,越來越多更先進(jìn)的分析晶圓圖像的方法被采用。

“與領(lǐng)先的汽車制造商及其供應(yīng)商密切合作,使KLA更加專注零缺陷,從而推出I-PAT等新的解決方案,以實(shí)現(xiàn)十億分之一的目標(biāo),”KLA戰(zhàn)略合作高級總監(jiān)Jay Rathert表示?！拔覀兿Ｍ谶@個領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新,不斷推動汽車市場的互聯(lián)化、自動化和電子化趨勢。”

晶圓圖形和計(jì)算機(jī)視覺

應(yīng)用程序、更高的復(fù)雜性和密度以及新方法等所有這些因素都會增加處理晶圓所需的時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)更加有效的成本管控,工程師使用晶圓圖像來識別低良率的來源。例如,通過使用晶圓圖像來主動報(bào)廢晶圓,識別需要返工的晶圓,并標(biāo)記有問題的設(shè)備。

在過去的幾十年里,半導(dǎo)體制造商一直依賴計(jì)算機(jī)視覺,這也是機(jī)器視覺在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域最早的應(yīng)用之一。這些系統(tǒng)被稱為自動光學(xué)檢測(AOI),使用信號處理算法來識別宏觀和圍觀物理變形。

缺陷檢測為晶圓廠處理步驟提供了反饋回路。晶圓測試結(jié)果生成的分類圖(好或壞裸晶)也可以作為圖像進(jìn)行分析。它們的數(shù)據(jù)粒度明顯大于來自光學(xué)檢測工具的像素化數(shù)據(jù)。然而,晶圓圖的測試結(jié)果可以匹配光刻過程中產(chǎn)生的飛濺,以及AOI系統(tǒng)可能遺漏的處理過程中產(chǎn)生的劃痕。因此,晶圓測試圖為晶圓廠提供了有效的反饋。

生成的模型基于好壞晶圓的圖形。數(shù)據(jù)預(yù)處理可以在特征提取或圖形標(biāo)記之前增強(qiáng)圖像。例如,對于AOI圖像,工程師可以使用濾波器提高圖像質(zhì)量以進(jìn)一步增強(qiáng)圖像。相比之下,基于晶圓測試圖的圖像無法通過濾波器優(yōu)化,因?yàn)槊總€晶圓都被簡單標(biāo)記為好/壞。

特征提取要求工程師決定模型應(yīng)該考慮哪些圖像特征。例如,通過圖像標(biāo)記,工程師可以為模型命名空間圖形以供學(xué)習(xí)。

機(jī)器學(xué)習(xí)模型從一組訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)開始。然后需要檢查算法來確保正確識別相似圖像。晶圓測試圖基于晶圓空間圖形進(jìn)行分類。對于AOI晶圓圖形,重點(diǎn)是缺陷識別。需要良好和有缺陷的晶圓共同來訓(xùn)練模型。

“當(dāng)識別工具捕獲圖像時(shí),僅缺陷圖像是否足以了解缺陷的詳細(xì)信息?對于計(jì)算圖像分類來講,有兩種解決方案——基于參考和非基于參考,”O(jiān)nto Innovation市場和客戶解決方案總監(jiān)Prasad Bachiraju表示?！坝捎谌毕輬D像與同一晶圓的參考點(diǎn)進(jìn)行比較,因此相較于非基于參考方案,基于參考的解決方案在缺陷分類時(shí)擁有更高的準(zhǔn)確度。使用基于非參考的分類能夠減少晶圓間可變性或批次間可變性可能給缺陷分類帶來的挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)基于參考的設(shè)計(jì)并非沒有挑戰(zhàn)。大部分系統(tǒng)使用非參考方案,因此人們現(xiàn)在選擇使用深度學(xué)習(xí)?！?/p>

現(xiàn)階段,AOI系統(tǒng)仍使用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)視覺機(jī)器學(xué)習(xí)。由于傳統(tǒng)方法會產(chǎn)生過多誤報(bào),而檢測到?jīng)]有缺陷的缺陷,因此標(biāo)記為有缺陷的晶圓需要人工審查。誤報(bào)數(shù)量在10%到15%的情況并不少見。人工審查既費(fèi)時(shí),又過于主觀,因此容易出錯。據(jù)2007年,AMD和Rudolph(現(xiàn)為Onto)工程師報(bào)告稱,經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員之間一致性為43%,操作員判定結(jié)果的可重復(fù)性為93%。

AOI系統(tǒng)也無法找到晶圓廠工程師關(guān)注的所有缺陷。這就推動了傳統(tǒng)方式向先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的轉(zhuǎn)變,來構(gòu)建更好的檢測和分類方法。

“我們當(dāng)前的系統(tǒng)使用一個原始的人工智能技術(shù),”CyberOptics CEO Subodh Kulkarni稱?！安榭磮D像后,你可以看到某些區(qū)域內(nèi)存在問題,但AI并不能看到這個問題。當(dāng)你使用深度學(xué)習(xí)算法時(shí),可以檢測所有這些東西。但深度學(xué)習(xí)算法需要花費(fèi)一周時(shí)間進(jìn)行編程和測試,這是不切實(shí)際的。因此,在我們所面對的市場領(lǐng)域,機(jī)器學(xué)習(xí)正在不斷創(chuàng)新和發(fā)展。深度學(xué)習(xí)算法逐漸變得更加快速,編程也更加輕松簡單?！?/p>

要在這方面取得成功,需要對你試圖通過機(jī)器學(xué)習(xí)完成什么有一個深入的了解。

了解問題并減少解決問題所需的數(shù)據(jù)對于深度學(xué)習(xí)至關(guān)重要,但晶圓廠和設(shè)備供應(yīng)商正在取得進(jìn)展。在今年的ASMC上,幾個工程團(tuán)隊(duì)報(bào)告了其企業(yè)在先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的成功應(yīng)用,以及支持迭代學(xué)習(xí)過程所需的工程工作。雖然深度學(xué)習(xí)技術(shù)能夠輕松區(qū)分貓和狗,但種類繁多的缺陷圖形及其廣泛的圖像尺寸范圍給學(xué)習(xí)過程帶來了巨大的挑戰(zhàn)。此外,盡管晶圓測試分類圖和晶圓圖像檢測的圖像在數(shù)據(jù)粒度方面有很大差異,它們可以采用同樣的解決方案。

機(jī)器學(xué)習(xí)和晶圓測試圖

自世紀(jì)之交以來,工程團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用晶圓測試結(jié)果來查看空間圖形,從而能夠?qū)τ袉栴}的設(shè)備和工藝步驟進(jìn)行反饋。通過應(yīng)用先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)方法,可以使用來自測試數(shù)據(jù)的產(chǎn)量特征圖庫正確識別圖形。反過來,這也可以反饋到晶圓廠設(shè)備上。

在2021 ASMC報(bào)告中,格芯(GlobalFoundries)的工程師將計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用中常見的支持向量機(jī)(SVM)技術(shù)與用于晶圓測試圖分類的四層的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)進(jìn)行了比較。目標(biāo)是提高低產(chǎn)量分類的準(zhǔn)確性。

SVM需要特征工程來促進(jìn)模型訓(xùn)練。CNN需要對集合中現(xiàn)有的圖形進(jìn)行訓(xùn)練,并遍歷120次。使用12個不同的晶圓圖對300至500張圖像進(jìn)行簽名,每個圖像都經(jīng)由工程師手動標(biāo)記,兩種模型都得到了訓(xùn)練。

對12個不同特征的正確分類結(jié)果進(jìn)行平均,CNN表現(xiàn)優(yōu)于SVM。SVM解決方案的整體精度為59%,對圖形位置和密度具有高度靈敏度,但對圖形形狀的靈敏度較低。相比較而言,四層CNN整體精度為90%,并對圖形形狀的靈敏度較高。

低產(chǎn)量晶圓具有特定的空間圖形,通?？梢宰匪莸教囟ǖ墓に嚥襟E。將晶圓圖圖形分類與晶圓設(shè)備譜系(即處理晶圓的特定設(shè)備)相結(jié)合,可幫助工程師/技術(shù)人員查明根本原因。盡管制造設(shè)施將這些晶圓圖圖形存儲到圖形檢測庫中,如今的復(fù)雜系統(tǒng)仍會出現(xiàn)新的圖形。

主動檢測過去的未知圖形可以更快地響應(yīng)流程問題。這促使SkyWater Technology和Onto Innovation共同開發(fā)解決方案。他們推出了一個在線空間特征檢測解決方案,構(gòu)建了一個更加系統(tǒng)化的方式,來識別具有新的空間圖形分組(未知圖形)的4%的晶圓。

“首先采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對未知圖形進(jìn)行自動發(fā)現(xiàn),”SkyWater的David Gross和Katherine Gramling,以及Onto的Prasad Bachiraju在2021 ASMC的報(bào)告中寫道。“自動發(fā)現(xiàn)過程通過基于SPR引擎生成的數(shù)百個特征向量對具有相似圖形的晶圓驚醒分組來生成pareto報(bào)告。因此,我們最終得到top-n、高影響力、自動發(fā)現(xiàn)的圖像,來幫助我們理解那些新的、開始出現(xiàn)或未被注意到的圖形。這個過程幫助我們有效地維護(hù)了全面的圖形庫,能夠?qū)ιa(chǎn)問題作出主動響應(yīng)?！?/span>

機(jī)器學(xué)習(xí)和晶圓AOI圖像

這項(xiàng)技術(shù)突破意義重大。在AOI圖形上成功運(yùn)行深度學(xué)習(xí)模型需要實(shí)際圖像上的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(即尋找變色或圖形形狀)和研發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)算法的專業(yè)知識。晶圓圖像數(shù)據(jù)提出了特殊圖像檢測和分類挑戰(zhàn),由于廣泛的缺陷尺寸范圍和種類繁多的圖像應(yīng)用。然后由工程師/技術(shù)人員在學(xué)習(xí)周期之間檢查結(jié)果,他們了解圖像處理和檢測到的缺陷。

在兩份2021 ASMC的報(bào)告中,作者詳細(xì)描述了構(gòu)建模型的前期投入。不過,在這兩個情況下,這些投入都證明是值得的。由此產(chǎn)生的模型顯著改善了檢測和分類。

格芯工程團(tuán)隊(duì)分享了其在光刻工藝中應(yīng)用先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)果。對于光刻過程的在線控制,晶圓廠在光阻顯影(也稱為顯影后檢查,或ADI)后使用AOI來檢測點(diǎn)缺陷和涂層缺陷。一旦檢測到涂層缺陷,可以通過從受影響的晶圓上去除所有抗蝕劑并在刻蝕前重復(fù)光刻步驟來修復(fù)涂層缺陷。如果遺漏掉缺陷,對晶圓產(chǎn)量的影響將會非常明顯。

通過100%的檢測,ADI以大于30微米的分辨率尋找宏觀層面的變化。這種檢測的檢測方法依賴于顏色差異,但它們對于微弱顏色缺乏靈敏性。雖然可以訓(xùn)練和調(diào)整商用計(jì)算機(jī)視覺ML模型來提高靈敏度和選擇性,但它們的誤報(bào)率仍然很高。

格芯研發(fā)了一種新的方法,來提高微弱圖像的檢測并減少誤報(bào)結(jié)果。首先,采用圖像均衡來增加微弱缺陷區(qū)域的可見性。

其次,在學(xué)習(xí)周期中使用先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)和可解釋人工智能方法。這提供了關(guān)于為什么初始預(yù)測結(jié)果在晶圓邊緣的圖像失敗的重要見解,包括誤報(bào)和漏報(bào)。

“我們的關(guān)注點(diǎn)聚焦于ADI圖像大小,以及ML系統(tǒng)如何管理這些尺寸,”格芯調(diào)查者寫道?！罢{(diào)查圖像大小發(fā)現(xiàn)ADI提供了廣泛的圖像尺寸(許多高達(dá)4256,但大多數(shù)低于2240像素);并且ML系統(tǒng)使用裁剪圖像到最大x或y尺寸為2240像素。這種裁剪方法是一個問題,因?yàn)槿绻叽邕^大和/或缺陷靠近邊緣,那么發(fā)送到模型進(jìn)行預(yù)測的ML訓(xùn)練集中的圖像可能已經(jīng)被裁剪掉缺陷?！?/p>

他們通過將所有圖像按比例縮放到最大x/y尺寸為2240像素來修復(fù)圖像裁剪。

不過,晶圓圖像分類和更先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法不僅限于毫米以下的工藝技術(shù)。來自Hitachi ABB Power Grids的工程師也在ASMC 2021上分享了他們的成果。同樣為了減少誤報(bào)和增加檢測,他們開發(fā)了一種復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)方法,用于來自五種不同功率器件的晶圓圖像中發(fā)現(xiàn)的缺陷,包括用于高壓應(yīng)用(1．2kV至6．5kV)的雙極型IGBT和功率二極管。

由于要檢測的缺陷類型的范圍以及某些缺陷類型的罕見和獨(dú)特性,他們選擇使用對象檢測方法,而不是圖像分類方法。他們需要檢測的缺陷圖像大小從幾十到幾十萬像素不等。前者因?yàn)槌叽缯伎倛D像的0．01%至0．1%,因此存在很大的檢測挑戰(zhàn)。若缺陷過大超過了圖像尺寸,則需要使用AOI工具進(jìn)行裁剪。

通過選擇較小的圖像進(jìn)行分析,他們報(bào)告說該模型更加容易學(xué)習(xí)圖像背景,從而減少誤報(bào)。通過他們的對象檢測方法,將基于區(qū)域的CNN和主動學(xué)習(xí)與遷移學(xué)習(xí)相結(jié)合,以使用僅有500至2500個實(shí)例的訓(xùn)練集來檢測小缺陷。經(jīng)歷6個學(xué)習(xí)周期,總共2431個訓(xùn)練示例,分類結(jié)果的精度為0．98,召回率為0．8。精度等于正確率與預(yù)測正確的比率,而召回率等于正確率與實(shí)際正確的比率。

更多內(nèi)容

使用晶圓圖像檢測或晶圓分類圖,工程目標(biāo)從根本上圍繞晶圓圖像,以采取預(yù)動作提升產(chǎn)量和質(zhì)量。

“從晶圓廠的檢測和測量工具中獲取的數(shù)據(jù)量非常大。因此,需要機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來遍歷這些數(shù)據(jù),找到數(shù)據(jù)趨勢并在出現(xiàn)問題時(shí)做標(biāo)記,”新思科技的Thakar表示?！皩τ谶@些模型來說,圖像是絕佳的訓(xùn)練工具。機(jī)器學(xué)習(xí)解決了硅制造領(lǐng)域中一個關(guān)鍵性問題:如何查看所有這些數(shù)據(jù)并找出哪些是產(chǎn)量效應(yīng),哪些不是。找到這個問題的答案將會推動機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)在執(zhí)行缺陷分析中的應(yīng)用。”

總結(jié)

由于這些方法獲得了良好的分類和檢測指標(biāo),因此晶圓廠工程團(tuán)隊(duì)正在采用更加復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行晶圓圖像審查。用于加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、開源圖像庫的計(jì)算硬件和增加的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)經(jīng)驗(yàn),通常有利于他們采用這些方法。

預(yù)計(jì)未來晶圓廠工程團(tuán)隊(duì)將會開發(fā)先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。