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光学精密工程·封面 | 芯片表面微小缺陷目标检测

2023-05-05 11:29

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

▍导读和研究现状

随着集成电路制造技术的快速发展，在晶圆级封装等先进封装中，封装尺寸越来越小，缺陷检测分辨力要求已经由微米级提高到亚微米级。研究亚微米级二维和三维缺陷检测及复杂缺陷识别分类方法，能够为研发具有自主知识产权的半导体芯片封装缺陷视觉检测系统提供关键技术支撑，进而为解决半导体封测行业面临的“卡脖子问题”以及提升器件的良率奠定技术基础。

针对芯片表面图案复杂多样，复杂背景下芯片细微缺陷图像对比度差，影响成像质量的问题，我们团队研究了面向芯片封装微观裂纹等缺陷检测的超分辨算法。针对芯片表面蚀刻尺度小、形貌复杂而图案尺度大等难题，团队研究了多尺度图形模式识别算法和多尺寸缺陷快速识别分类技术。针对芯片表面脏污、焊球缺陷、芯片异位等镜检环节缺陷能提供的数据集有限，而神经网络需要大量数据训练优化等现实问题，团队研究了对抗网络虚拟缺陷图像生成技术，实现了小样本类别数据集增广，克服了数据集中类别间样本数据量不均衡问题，实现了类别间样本数据量的均衡化处理。

合肥工业大学夏豪杰教授团队的张进等在《光学精密工程》（EI、Scopus，中文核心期刊，《仪器仪表领域高质量科技期刊分级目录》和《光学和光学工程领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”期刊）上发表了题为“面向小目标测量的通道注意力网络与系统设计”的封面文章。

2023年第6期封面

▍关键技术突破或解决问题描述

1. 面向微小目标高频特征重建的通道注意力网络设计

为了解决微小目标的高频特征分量重建问题，作者设计并搭建了如图1所示的图像超分辨率重建网络。该网络采用了端到端的学习方法，并将局部残差和全局残差相结合，以防止训练过程中的梯度爆炸和梯度消失。网络中通过跳跃连接的方式使信息在网络各层间流动，加强了网络各层之间的联系和对信息的充分利用，使得网络能够更好地利用低层的信息来指导高层的学习。作者对提取目标图像的不同频率特征进行了分析，在模型的底层特征提取模块中添加通道注意力机制，通过自适应地调整不同通道之间的权重，使得模型能够更好地捕捉到输入特征中的重要信息，以提高对微小目标的识别能力，通过与其它算法的对比实验，验证了所提方法的优势。

图1：网络模型结构图

2. 微小目标识别与测量系统研究与设计

为了对微小目标的检测与测量问题进行研究，作者设计了一个实验系统（如图2所示）。实验中使用USAF1951分辨率板作为实验对象，通过CCD相机获取目标图像并进行畸变校正后对图像中感兴趣的几何图元进行识别和测量。

图2：实验系统图

3.微小目标测量精度提升方法研究

由于重建前后USAF1951分辨率板中目标在高频特征体现上有所差异（如图3所示），计算机处理结果并不相同。作者通过对重建前后同一目标进行测量，对比了提出算法对目标测量精度的影响。作者分别从垂直和水平方向对重建前后的线宽尺寸进行了测量，并计算了相应的误差。误差曲线如图4所示，重建后的测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%。

图3：重建前后效果对比

图4：线宽测量相对误差曲线

研究前景和未来计划

该研究将图像超分辨率重建与微小目标识别与测量相结合，突破了原有硬件平台的分辨率限制，并且可以根据目标特征，有针对性地设计图像超分辨率重建网络，实现更加精细的图像重建。在原有硬件平台基础上，有效提高了目标测量精度。该研究结果为半导体封装领域中芯片的缺陷识别和测量提供了一种新的研究方法，可以帮助我们更好地利用图像数据，提高图像处理的效率和准确性，具有潜在的应用价值。

团队负责人简介

夏豪杰，教授，博士生导师，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院院长。主要从事精度理论及光电超精密测量技术及仪器等领域的研究工作。近5年来主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、安徽省重大科技攻关项目等科研项目10余项，在国外内期刊发表学术论文40余篇，授权发明专利22项，近年来先后获得中国仪器仪表学会科学技术奖一等奖、安徽省技术发明奖二等奖等奖项。在教学方面，主持教育部新工科项目、安徽省专业综合改革试点、品牌专业建设等省级质量工程项目5项目，近年来先后获得省级教学成果一等奖、特等奖3项。

团队简介

合肥工业大学夏豪杰教授团队依托“费业泰精密工程中心”，在继续深入研究精度理论的基础上，围绕超精密测量、复杂外形测量与大尺寸动态目标测量等应用需求，研究光电精密测量技术及仪器。团队承担过多项国家重点研发计划、国家重大科学仪器开发专项、国家自然科学基金仪器专项和装备预研专项等，研发了纳米光栅干涉仪、并联扫描工作台、超分辨相机、光学微纳扫描测头、超精密气浮轴承等微纳测控部件，研发了超分辨视觉检测系统、视觉跟踪扫描测量系统、三维微纳扫描测量系统、飞秒激光形貌测量与超分辨成像等系统，研究成果应用于“天问一号”等国家重大工程以及集成电路缺陷检测。