книги / Оптические методы контроля интегральных микросхем

рованы «ак дефекты. Одной из 'наиболее распростра­ ненных помех является перегиб металлизации на сту­ пеньке окисла, который может быть принят ошибочно за царапину.

Все это приводит к тому, что для повышения досто­ верности дефектоскопического контроля необходимо ра­ ботать с цветным изображением кристалла при большом числе уровней квантования яркости, что резко усложня­ ет аппаратурную реализацию PC. Нестабильность ста­ тистических данных о распределении дефектов кристал­ ла, приводящая к усложнению обучения или самообу­ чения PC в процессе проведения дефектоскопического контроля, резко снижает эффективность PC.

Требования к производительности PC, осуществляю­ щей дефектоскопический контроль кристаллов ИС, опре­ деляются скоростью производственного процесса изго­ товления конкретного типа ИС и при 100%-ном оптиче-

.ском контроле кристаллов также являются основными при разработке соответствующей аппаратуры.

Сварные соединения. Изображения сварных соедине­ ний— объемные, что значительно усложняет распозна­ вание их дефектов. При визуальном контроле оператор довольно легко обнаруживает дефекты типа отслоения сварного узла от контактной площадки или несоответст­ вия формы узла НТД благодаря стереоскопичности зре­ ния. Однако распознавание этих дефектов спомощью уст­ ройства, анализирующего плоское изображение, прак­ тически невозможно. Кроме того, изображения сварных соединений имеют большое число полутонов и бликов и очень нестабильны. Поэтому автоматический оптиче­ ский контроль дефектов сварных соединений оказыва­ ется малоэффективным.

4.2. Устройства автоматического анализа изображений: технические характеристики и перспективы применения

Иопользуемые в PC устройства автоматического ана­ лиза изображений должны отвечать следующим требо­

ваниям:

— распознавание дефектов следует производить не в машинном поле ЭВМ, а на основе сравнения изобра­ жений контролируемой и эталонной структур методами Тздерщзиоцро-вычнсдительной техники;

71

Информация о фрагменте изображения хранится в блоке электрон­ ного окна, который представляет собой оперативное запоминающее устройство, построенное на регистрах сдвига. Информацию, содер­ жащуюся в электронном окне, обрабатывают параллельно в темпе развертки телевизионного датчика с последовательной сменой фраг­ ментов изображения.

В качестве примера рассмотрим реализацию однослойного пря­ моугольного электронного окна при двухуровневом квантовании яркости элементов изображения (рис. 25). С выхода устройства

Рис. 24. Структурная схема вычислительного устройства:

/ — блок электронного окна; 2 — блок выделения признаков в окне; 3 — клас­ сификатор окна; 4 — блок подсчета числа фигур

обработки двоичная информация с первой строки развертки посту­ пает на вход регистра сдвига Pel, число разрядов которого равно числу элементов разложения в строке. Вход Рг2 соединен с выхо­ дом Pel, а вход регистра РгЗ —с выходом Рг2. Таким образом, в некоторый момент времени в трех сдвигающих регистрах окажут­ ся записанными три последовательные строки изображения. Сово­ купность выделенных разрядов (в нашем случае девять) образует однослойное прямоугольное электронное окно, центральный элемент которого обозначен Л'о, а окружающие элементы хги где / = 1, 2 , . . . 8

(рис. 25,а). Дискретная информация в регистрах сдвига сдвигается справа налево и снизу вверх, что создает эффект сканирования изо­ бражения электронным окном слева направо, сверху вниз.

Выходы всех девяти ячеек, входящих в электронное окно, со­ единены с соответствующими входами блока выделения признаков в окне. В блоке выделения признаков анализируются признаки (для разработанного алгоритма — семь), характеризующие дефекты в каждом окне. Часть этих признаков, относящихся к локальным, используется для непосредственной классификации дефектов, на­ пример раковин или выколов в металлизации. Информация о ло­ кальных дефектах подается в блок, называемый классификаторов окна. Признаки, необходимые для определения геометрических раз­

устройства равны 1, если в окне содержится недопустимый дефект,

или 0, если дефект отсутствует. С оконечных блоков сигналы по­ ступают на логическое устройство. Введение нумерации каждого центрального элемента окна вдоль строки и присвоение номера строки каждому центральному элементу этой строки позволяет «привязать> каждое из окон к системе координат.

Основные требования к элементам ТВА для контроля кристал­ лов ИС: для телевизионного датчика на видиконе с диаметром мишени DK—25,4 мм и размером растра на мишени ар X Ьр= 1 0 X

X Ю мм диаметр действующей части мишени £)мл=14 мм. Если

74

нимых строк изображения N n будет равно

в каждом, равным числу элементов разложения в строке 2ЭЛ= 500.

Определим число слоев в окис N=0,5Nn и примем с округле­ нием до ближайшего нечетного А;=0,5(50-*-10) =25-4-5. Выбрав число

За рубежом серийно выпускаются ТАИ хотя и не пред­ назначенные для контроля микросхем, но близкие по функциональному назначению к указанной задаче (кон­ троль биологических микрообъектов, металлографическим анализ). К ним относятся: Micro Videomat, Leitz Classimat (ФРГ), QMS (США), Quantimet-720, Quanti- met-360 (Великобритания) (отечественный аналог ВТ-4001) [114—124, 135] и др. Технические характе­ ристики отдельных устройств приведены в табл. 18.

Указанные ТАИ хотя и отличаются друг от друга функциональными возможностями, точностью, быстро­ действием, конструкцией, ко все они относятся к одно-

76

му классу приборов. Наиболее важными узлами ТАИ являются: телевизионный датчик видеосигнала, который в итоге определяет разрешающую способность ТАИ (под разрешающей способностью здесь понимается ко­ личество различимых элементов изображения либо по строке, либо по кадру); детектор уровня, в котором про исходит преобразование аналогового видеосигнала, со­ ответствующего миогоградациоиному изображению, в дискретный путем квантования по уровню; вычисли­ тельное устройство, в котором путем логической обра­ ботки кодированного видеосигнала определяются коли­ чественные характеристики изображения и производит­ ся распознавание образов.

Функциональные возможности ТАИ рассмотрим на примере Quantimet-720, в ассоциативном вычислителе которого:

— определяются длина, периметр, площадь, средний линейный перерыв (количество пересечений границами объектов общей линии сканирования), фактор формы (функция вида АВ/Сп, где п—1, 2, 3, а А, В, С— любой из вышеперечисленных параметров объекта), ко­ личество объектов, оптическая плотность (интегральное значение любого параметра по всей площади изображения);

— производится классификация объектов по геометрическим размерам и распознавание образов (объектов) по геометрическим и денситометрическим признакам.

В Quantimet-720 выделяется > 30 уровней серого, а его бы­ стродействие в автоматическом режиме равно 1 поле зрения/с.

Фирма Imanco Ltd выпускает также специализированный ТАИ Quantimet-360 для классификации включений и зерен по геометри­ ческим параметрам и коэффициенту отражения [136]. Этот прибор предназначен для анализа и оценки образцов в цеховых условиях, поэтому основное внимание было обращено на надежность, быстро­ действие, простоту управления. Прибор может работать в условиях сильной вибрации, запыленности. Quantimet-360 анализирует 500 полей за 50 с или 2000 полей за 2 мии. За это время производится

также внутренняя проверка ТАИ. Такое быстродействие достигается благодаря непрерывному перемещению образца и импульсной под­ светки.

Другой разновидностью ТАИ является автомат фирмы Hitachi для считывания изображении [137]. Назначение автомата — обна­ ружение дефектов печатных плат. Выявленные «подозрительные» участки с дефектами тина нарушения расстояния между различ­ ными металлизированными дорожками и изменения радиуса кри­ визны в месте изгиба последних индицируются на экране цветного видеокоитрольного устройства, на котором нормальные и «подозри­ тельные» участки изображения печатной платы отличаются по цве­ ту. Решение же о годности печатной платы принимается операто­ ром. Методом электронного окна измеряются параметры (ширина металлизированной дорожки, ширина зазора между соседними до­ рожками, кривизна в месте изгиба дорожки и т. д.) локальных уча­ стков анализируемого изображения и одновременно распознаются указанные дефекты.

77

В системе ASTI (параллельный специализированный преобразо­ ватель образов [138]), предназначенной для классификации хромо­ сом, сигналы телевизионного растра (312,5 строк в растре и 400 точек в строке) преобразуются в цифровую форму. Затем произ­ водятся сжатие данных в’ 5—10 раз и выделяются только точки, интенсивность которых значительно отличается от заданного уровня 'серого. Эти точки потом сопоставляются с образом, хранящимся в памяти мини-ЭВМ, и специальная логика выделяет несовпадаю­ щие точки. После этого производится обратное преобразование — из цифровой формы в аналоговый сигнал, который создает изображе­ ние на экране. На экране выделенные логикой образы подчеркива­ ются —воспроизводятся более яркими, чем не выделенные. В си­ стеме имеется также генератор контуров, позволяющий оператору указывать на образы или даже на их части, которые он хочет вы­ делить.

Определенный интерес представляет установка для анализа изо­ бражений 1225 System фирмы International Imaging System (США), предназначенная для анализа изображения и предметов в отражен­ ном и проходящем свете, а также самосветящнхся объектов [139|. После квантования аналогового сигнала по 32 уровням и соот­ ветствующей обработки информация в цифровой форме подается на цветной дисплей. Плотности изображаются тремя основными цветами: красным, синим и зеленым, а также их комбинацией. В связи с тем, что глаз очень хорошо различает цвета и их оттенки, изображение выглядит очень контрастно. Это позво­ ляет оператору провести точный анализ изображения и при помощи; цифрового процессора подсчитывать площади с одинаковой оптиче­ ской плотностью.

Изображение объекта может преобразовываться специальным; блоком в трехмерное. В качестве третьей координаты используется; оптическая плотность. Углы между координатными осями могут из­ меняться оператором. Это позволяет получать квазистереоскопиче.-- ские изображения объекта на специальном черно-белом мониторе.

Прн анализе деталей изображения, слабо заметных на общем' фоне, можно воспользоваться усилителем изменения плотности. Он; работает по принципу усиления разности между плотностями точек,, разнесенных на небольшое расстояние, которое обеспечивается ре­ гулировкой задержки сигнала, вычитанием его из пришедшего сиг­ нала и регулировкой усиления этой разницы. Происходит как бы: подчеркивание границ отдельных деталей. Такое подчеркивание гра­ ниц происходит только по одной координате изображения, и, по­ ворачивая объект, можно выделить скрытые детали. Этот блок позволяет также получить негативное изображение. Усилитель из­ менения плотности работает совместно с приемной камерой и чер­ но-белым монитором.

Лля измерения высоты, ширины и координат деталей объекта служит блок видеомикромегра. На черно-белом дисплее высвечи­ ваются четыре белые линии (две вертикальные и две горизонталь­ ные), а также изображение объекта. Совмещая, вертикальные и го­ ризонтальные линии с деталями, измеряют расстояние между ними или размеры деталей объекта: ширину и высоту с разрешением до 1225 линий.

Рассматриваемая устано-ка может использоваться во всех слу­ чаях, где результаты эксперимента регистрируются на.фотопластин­ ке или фотопленке, и, обработав результаты, можно получить на­

78

глядные данные об объекте. Во многих случаях замена регистраций на фотоматериале регистрацией на экране установки позволяет опе­

ративно управлять экспериментом и наблюдать динамику про­ цессов.

При разработке любой автоматической системы, в том числе и системы для обработки дефектоскопиче­ ской информации, основными факторами, влияющими ыа выбор «принципа ее построения (помимо целевого на­ значения), являются стоимость и .время, необходимые на разработку системы. Эти факторы в значительной степени определяются степенью унификации ее узлов и возможностью приобретения этих узлов разработчиками.

Впоследние годы наметилась тенденция к созданию информационно-логических систем на базе модульных структур. Наиболее перспективной основой для созда­ ния таких систем представляется использование реко­ мендаций стандарта САМАС [140—142], в котором уни­ фикация и стандартизация элементов системы начина­ ется с модулей и постепенно распространяется на струк­ туру и организацию системы в целом.

Всвязи с этим представляется целесообразным при разработке и создании автоматических PC для дефекто­ скопического контроля планарных структур типа фото­ шаблонов и кристаллов ИС использовать рекомендации стандарта САМАС. Это позволяет найти оптимальный вариант построения PC, обеспечить переориентацию PC на контроль других типов структур и модернизацию PC без изменения конструкции в целом.

Оптико-электронные распознающие системы когерент­ ного типа. Одним из перспективных направлений созда­ ния автоматических PC для дефектоскопического конт­ роля фотошаблонов и кристаллов ИС является исполь­ зование методов подавления изображения топологии в оптической части PC (оптическом процессоре) при по­ мощи масок или оптических пространственных фильт­ ров и последовательного анализа выделенных дефектов

телевизионным автоматом [75].

На рис. 26 представлена структурная схема оптико-электронной PC, в которой подавление изображения топологии осуществляется в оптическом процессоре методом когерентной пространственной фильтрации, а количественная оценка размеров выделенных дефек­ тов на соответствие критериям отбраковки интегральным компара­ тором *>.

*> В разработке PC принимал участие И. И. Лоиский.

79

PC работает следующим образом. Световой пучок лазера (/) (рис. 27) расширяется коллиматором (2) и модулируется изобра­ жением контролируемой структуры (<?), записанной на мишени про-- странственно-временного модулятора (ПВМ) (4). При контроле фо­ тошаблонов наиболее прост и эффективен контроль на просвет, что' позволяет вводить контролируемые структуры в устройство непо­ средственно. Линза 5 осуществляет фурье-иреобразованне входного

Рис. 26. Структурная схема оптико-электронной PC когерентного типа:

/ — источник когерентного света с коллиматором; 2 — устройство ввода с кон­ тролируемой структурой; 3 — оптический процессор; 4 — эталонная структура; 5 — видеоконтрольное устройство; 6 — оптическая система; 7, 8 — фотоэлектри­ ческие датчики с усилителями; 9 — интегральный компаратор; 10 — пороговое устройство; // — исполнительное устройство; 12 — проекционный кинескоп; 13 —

программатор

Рис. 27. Структурная схема оптического процессора:

80*