Applicazione della visione artificiale nell’industria dei semiconduttori

Author(s):
G. Fazio - ST MICROELECTRONICS

Industry:
Semiconductor

Products:
Machine Vision

The Challenge:
I due problemi affrontati sono: controllo del caricamento dei wafers in una macchina di produzione e il controllo di processo di attacco retro wafers. Nel primo caso il caricamento dei wafers in posizione errate nelle cassette provoca danni importanti. Nel secondo caso un processo errato intacca irrimediabilmente i lotti di produzione. In tutte e due i casi, nella macchina produzione d’interesse non sono previsti controlli automatici.

The Solution:
I due problemi sono stati affrontati introducendo un controllo automatico utilizzanto la stessa tecnica: la visione artificiale. La soluzione adottata prevede l’inspezione dei wafers nelle cassette prima dell’avvio del processo e blocco del caricamento in caso di anomali; e controllo del reatro wafer subito dopo l’attacco e blocco del processo in caso di anomalia.

Breve riassunto
Recentemente abbiamo dovuto affrontare due problemi di controllo di “processo”: controllo del caricamento dei wafers in una macchina di produzione e il controllo di processo di attacco retro wafers. Nel primo caso il caricamento dei wafers in posizione errate nelle cassette provoca danni importanti. Nel secondo caso un processo errato intacca irrimediabilmente i lotti di produzione. In tutti e due i casi sulla macchina di produzione d’interesse non sono previsti controlli. Da qui la necessita di introdurre un controllo automatico.
I due problemi sono stati affrontati utilizzando la tecnica della Visione Artificiale.
Il nostro sistema e’ composto da Hardware (Videocamera e PC) e Software di Natiolal Instruments e sviluppato (algoritmi, illuminatori, assemblaggio etc.) da ImagingLab (IL).

Articolo

Introduzione
I processi per la lavorazione dei semiconduttori hanno un buon livello di automazione, ma per la complessita' dell'ambiente molti aspetti possono essere ulteriormente migliorati.
L'automazione della fabbrica è decisa e progettata in fase di avvio della fabbrica stessa. Alcuni controlli, pero', sono introdotti in seguito (quando la fabbrica e la produzione sono avviati) a fronte di eventi che sono evidenziati durante la produzione e non possono essere valutati a priori.
In genere, tali controlli sono ispezioni visive o procedure per gli operatori.
Chiaramente il passo successivo sarebbe quello di cercare di automatizzarli per ridurre gli errori umani ed aumentare la produttivita', ma la cosa non sempre e' cosi' semplice.
In alcuni casi pur essendo fattibile non risulta conveniente, in altri la fattibilita' e' praticamente impossibile. In ogni caso, volta per volta il problema va valutato attentamente cosi come la soluzione tecnica da adottare.

In questo lavoro saranno presentati due applicazioni che prevedono l'utilizzo della visione artificiale come sistema di controllo automatico nell’industria dei semiconduttori.
La visione artificiale ha enormi potenzialità che al momento non sono ancora del tutto sfruttate. In alcuni ambienti industriali l’applicazione di queste tecniche e’ ampiamente consolidata, ma in altri casi non è ancora così diffusa. Le ragioni potrebbero essere varie tra le quali i costi e la reale fattibilità.
Prendiamo per esempio la produzione di parti meccaniche (viti, ingranaggi etc.).
Questi sono pezzi con una certa forma, tolleranza di lavorazione e ben visibili rispetto all’ambiente circostante (il nastro trasportatore etc.). Prendendo l’immagine di un pezzo meccanico lavorato, risulta relativamente semplice catturarla con una videocamera, fornire le regole di controllo (spessore, forma etc.) e applicare cosi’ il controllo automatico sulla produzione standard.
Di esempi simili ce ne sono tanti altri: controllare un colore particolare, la posizione di un foro etc..
Nella nostra realtà industriale le cose sono un po piu’ complicate.
Infatti, le lavorazioni (spessori deposti, parti rimosse etc.) effettuate sono nanometriche (non visibili a occhio nudo) e sono eseguite su materiali che per loro natura sono molto riflettenti (e’ difficile distinguerli dall’ambiente esterno).
Questa situazione richiede una progettazione del sistema molto particolare.

In questi ultimi anni i costi per l’applicazione di tecniche VA sono notevolmente ridotti e nello stesso tempo la tecnologia ha raggiunto dei livelli altissimi.
Questi fatti ci hanno spinto a prendere in considerazione tale tecnologia per i due progetti di seguito descritti.

Applicazione della VA
Un controllo automatico e' un sistema piu' o meno complesso composto da un "sensore", un "elaboratore" e una "interfaccia".
Il nostro sistema e’ composto da Hardware (Videocamera e PC) e Software della Natiolal Instruments e sviluppato (algoritmi, illuminatori, assemblaggio etc.) da ImagingLab (IL).

Abbiamo scelto questo tipo di HW e di SW per la flessibilita’ del sistema, ma da solo non e’ bastato: un ruolo molto importante lo ha giocato la parte di sviluppo.
Come gia’ detto l’implementazione di tale tecnologia non e’ risultata cosi’ banale.
Si e’ dovuta prestare, infatti, particolare attenzione agli illuminatori (con design dedicato), agli algoritmi (non standard) e anche all’interfacciamento con la macchina.
Quest’ultimo aspetto risulta fondamentale per implementare il controllo in automatico e consiste nel sincronizzare l’acquisizione dell’immagine al momento opportuno e bloccare il “processo” in caso di problemi.
La flessibilita’ dell’HW e del SW sono risultati importanti anche in fase di sviluppo: ci ha consentito di eseguire delle prove preliminare e scremare molte situazioni non valide. L’alternativa sarebbe stata quella di “scrivere” il sw e testarne l’applicazione. Quest’approccio avrebbe portato via parecchio tempo.
Inoltre, la flessibilita’ del sistema ci consentira’ in futuro di ampliare l’utilizzo attuale. Potremo cioe’ introdurre controlli aggiuntivi.
Abbiamo ritenuto, infine, importante sviluppare il sistema appoggiandosi ad esperti, invece di affidarsi ad un acquisto a catalogo, per le ragioni indicate in precedenza: essendo le applicazioni particolari in termini di materiali, dimensioni e ambiente e’ risultato importante eseguire il fine tuning della misura (adattamento degli algoritmi) in fase sperimentale.

Controllo wafers su stazione di caricamento
Il problema e' legato alla presenza di wafers in cross slot o appaiati che sono caricati sulla macchina di produzione. In questa macchina di produzione, le cassette contenente i wafers sono spostate su un piano, un robot li solleva e sono bloccati su un altro robot.
A questo punto sono caricate altre 25 fette in mezzo a quelle esistenti e trasportate nei bagni di chimico.
Se ci sono wafers storti questi entrano forzando nelle guide del robot danneggiandole in quanto sono fatte di materiale plastico morbido con conseguenti gravi danni: costo manutenzione, costo wafers e fermo macchina.
In questo caso si tratta di analizzare la posizione assunta dal singolo wafer all’interno dei 25 slot del carrier in fase di merge di due lotti da 25 wafers ciascuno.
L’obiettivo del progetto e’, quindi, l’individuazione della posizione assunta dal singolo wafer al fine di individuare le circostanze di più wafer inseriti nello stesso slot (sia su un solo lato che su entrambi).

Il sistema è stato realizzato basandosi su hardware (CVS1455) e librerie National Instruments per la parte di acquisizione.
È invece stato necessario sviluppare “ad hoc” la componentistica di illuminazione e ottica
di ripresa.
Il tipo di illuminazione utilizzata prevede l’impiego di illuminatori lineari a LED.
Si è volutamente evitato l’uso di luce strutturata con sorgente laser per evitare qualsiasi restrizione e la necessità di certificazioni legate alla normativa macchine.
È stata utilizzata una camera con sensore CCD ad alta risoluzione (1392 x 1040) e ottica Schneider con focale 4.8 mm.
L’effettiva focale, il posizionamento della videocamera e il FOV (field of view) andranno rivisti in base ai criteri di integrazione sull’apparecchiatura presente in produzione nelle due differenti posizioni di test.

Controllo di processo rimozione retro wafer
Il processo in questione prevede l’attacco del retro del wafer.
Tale processo serve per rimuovere gli strati indesiderati che creerebbero problemi alle operazioni successive (diffusione, litho, rtp)
In questo caso il problema riscontrato e' quello relativo al sovrattacco del silicio che puo' portare problemi per le operazioni successive.
Le possibili cause del soprattacco sono:
- Strati inaspettati sul retro
- Ricetta associata/selezionata in modo errato
- Problemi hardware (leak valvola, temperatura errata...)

Per tale verifica sulla macchina di produzione non e’ previsto nessun controllo e di conseguenza il problema si ripete per tutti i wafers. Per cercare di sopperire a questa mancanza e’ stato introdotto una procedura manuale (controllo visivo) e si basa esclusivamente su un controllo a campione dopo il processo: il wafer processato correttamente presenta uniformita’ in lucidita e colore; mentre se il wafer non e’ processato correttamente presenta delle striature radiali visibili.

Inoltre, per altri processi (quelli in cui non si arriva al silicio) il controllo retro non esiste in quanto l'operatore non e' in gado di stabilire se il wafer e' stato processato o no: se e’ alonato non e' corretto e se e’ uniforme e' ok.
Si tratta, quindi, di analizzare il risultato di un attacco chimico sulla superficie posteriore di un wafer da 8”:
- Una superfice uniforme indica un attacco corretto;
- Una striatura radiale indica invece una condizione di fault.
L’obiettivo del progetto e’ di introdurre l’ispezione automatica di ogni singolo wafer e l’eliminazione dell’intervento / errore umano.
La superfice del wafer ha richiesto qualche accorgimento per la ripresa di immagini uniformemente illuminate e prive di riflessi.
Inoltre, il tipo di illuminazione (fluorescente ad alta frequenza o LED) e l’angolo di incidenza sono stati scelti con molta cura.
E’ stata utilizzata una CCD ad alta risoluzione (1280 x 960) e ottica con focale di 12 mm, ad una distanza variabile tra 300 e 800 mm.
L’effettiva focale, il posizionamento della videocamera e il FOV (field of view) andranno rivisti in base ai criteri di integrazione sull’apparecchiatura di etching presente in produzione.
Per l’identificazione delle striature, fermo restando il requisito di una illuminazione uniforme e priva di riflessi, abbiamo adottato la seguente soluzione:
Analisi morfologica delle striature con compensazione automatica delle variazioni del background. La morfologia delle striature permette una ‘robusta’ discriminazione mediante filtri morfologici.
L’analisi e’ stata applicata a una regione di interesse (ROI) del wafer.

Conclusioni
In questo lavoro sono state descritte due applicazioni della Visione Artificiale (VA) nell’industria dei semiconduttori.
Forse per alcuni ambienti industriali l’applicazione di queste tecniche risulta abbastanza semplice, ma non e’ cosi’ nel nostro caso.
Le due applicazioni sono stare realizzate utilizzando componenti della National Instruments e sono state sviluppate da ImagingLab e consistono nell’introduzione di due controlli automatici: controllo posizione wafers nella cassetta di carico e controllo attacco retro wafers.
In tutte e due le applicazioni si è dovuta prestare molta attenzione allo sviluppo del sistema e la flessibilita’ dei componenti scelti ci ha permesso di raggiungere degli ottimi risultati in tempi relativamente brevi.

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
G. Fazio
ST MICROELECTRONICS
Fax: giuseppe.fazio@st.com

Browse All Case Studies »