Optische Kontrolle und Inspektion KI für bessere Prozesse in der Chip-Produktion

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Fraunhofer-Institut für Werkstoff und Strahltechnik IWS

Schneider Electric GmbH

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

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Eine präzise flächige Analyse von Hightech-Schichten in der Mikroelektronik, in Batteriefabriken oder auch im Automobilsektor rückt in greifbare Nähe. Möglich macht dies ein am Fraunhofer IWS entwickeltes Messsystem, das Hyperspektralsensorik, Künstliche Intelligenz und spezielle Beleuchtungstechniken zu einem leistungsfähigen hochflexiblen Inspektionssystem integriert.

Die EU-Kommission hat ambitionierte Ziele: Der EU-Anteil auf dem Weltmarkt für Chips soll bis 2030 von knapp 10 auf 20 Prozent wachsen. Dafür müsste sich die Produktion vervierfachen, da Analysten erwarten, dass sich der Markt bis zum Ende des Jahrzehnts verdoppelt. Der sogenannte EU Chips Act soll verhindern, dass Europa von anderen Regionen wie Asien oder Amerika weiter abgehängt wird.

Unter der Leitung von Dr. Philipp Wollmann wollen vier Forscher aus Dresden der Halbleiterindustrie in Deutschland und Europa dabei helfen, besonders effizient sowie mit hoher Qualität und Ausbeute Wafer zu prozessieren.

Im Fokus von DIVE (kurz für »Digital Vision Experts«) steht zunächst die Halbleiterindustrie. Mit ihrer Firma »DIVE imaging systems GmbH« wollen die Gründer Dr. Philipp Wollmann, Dr. Wulf Grählert, Oliver Throl und Livia Szathmáry durch einen neue Art von Oberflächeninspektion und optischer Kontrolle stabile Prozesse gewährleisten, die Ausbeuten erhöhen und Ressourcen sparen.

Die Gründer, die ihre Wurzeln im Fraunhofer IWS haben, denken dabei nicht nur an die Halbleiterindustrie. Perspektivisch will das Quartett seine Technologie für die Inspektion und Analyse von Oberflächen und Schichten breit in unterschiedlichen Branchen etablieren. Von den zahlreichen Szenarien sind die schnelle flächige Schichtdickenmessung, das Erkennen und Lokalisieren kleinster Formfehler oder von Verunreinigungen nur ein kleiner Ausschnitt der Möglichkeiten.

Das Licht in 1000 Farben zerteilt

Das DIVE-System beleuchtet mit sichtbarem Licht und unsichtbarer Infrarotstrahlung mit Wellenlängen zwischen 0,4 und 2,5 µm Siliziumwafer. Eine sogenannte Hyperspektralkamera erfasst dabei das zurückgeworfene Licht. Während das menschliche Auge zum Beispiel nur drei Primärfarben – rot, grün, blau – registriert, unterscheidet die Hyperspektralkamera bis zu 1000 »Farben« beziehungsweise Wellenlängen des Lichts.

Anschließend werden die hochdimensionalen Rohdaten, die schnell auf mehrere Gigabyte anwachsen können, an eine Künstliche Intelligenz (KI) weitergeleitet. Diese KI kann anhand des »1000-Farben-Bildes« sowohl mögliche Schadstellen oder Verunreinigungen erkennen als auch die Qualität von Einzel-Chips oder des gesamten Wafers bewerten. Das DIVE-System kann somit beispielsweise erkennen, ob der Beschichtungsschritt auf dem Wafer gelungen ist, wie homogen, dünn, eben oder defektarm die Schicht ist. Dadurch lässt sich sicherstellen, dass nur die einwandfreien Wafer in den sich anschließenden Fertigungsschritten verwendet werden.

Inline-Lösung für den Reinraum bei Infineon

Bereits heute werden die Wafer in den Halbleiterfabriken bei den vielen Fertigungsschritten bis zum finalen Mikrochip hinsichtlich vieler Eigenschaften überwacht. Die Analyse der gesamten Waferfläche ist vergleichsweise langsam und erfolgt daher in vielen Fällen stichprobenartig.

An dieser Stelle setzt DIVE an: Gemeinsam mit dem Halbleiterhersteller Infineon entwickelt das Team zunächst ein Hyperspektralsystem für Labore jenseits des Reinraums und im nächsten Schritt ein System, das sich in einem solchen einsetzen lässt. Perspektivisch plant DIVE eine inline-Lösung, die sich direkt in die Reinraumanlagen integrieren lässt. Damit wird dann sogar eine Echtzeitanalyse bei vielen Prozessschritten möglich.

Echtzeitanalyse bei vielen Prozessschritten

Das vierköpfige Team rechnet angesichts des großen Potenzials dieser Technologie mit einem raschen Wachstum. Die Gründer bringen viel Know-how mit: Dazu gehören das komplette Systemkonzept einschließlich der Probenbeleuchtung sowie die anspruchsvolle Software zur Systemsteuerung und für die KI-gestützte Datenauswertung. DIVE wird die konzipierten Geräte, Systeme und später ganze Anlagenteile in einer eigenen Produktionslinie selbst fertigen.

Außerdem wird das Team Dienstleistungen, technische Hilfe und kundenspezifische Entwicklungen anbieten. Maßgebliche Unterstützung erhält die Ausgründung dabei vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klima (BMWK), das im Rahmen eines EXIST-Forschungstransfers eine 18-monatige Förderung im Umfang von 1,2 Millionen Euro gewährt.

Hyperspektralsensorik: Künftige Anwendungsszenarien

Nach der Ausgründung von DIVE imaging systems wird das Fraunhofer IWS auch weiterhin intensiv die Hyperspektraltechnologie in unterschiedliche Richtungen weiterentwickeln. Auf der Forschungsagenda stehen beispielsweise Konzepte, die zum Beleuchten der Proben einen Laser nutzen oder Hyperspektralsysteme drastisch miniaturisieren. Außerdem wollen die Forschenden mithilfe von Algorithmen deutlich mehr Informationen aus Rohdaten extrahieren.

Aus diesen Ansätzen sollen sich künftig viele weitere wirtschaftliche und gesellschaftliche Anwendungsszenarien entwickeln, wie beispielsweise die Weiterentwicklung der Hyperspektraltechnik für Bibliotheken, um wertvolle hochempfindliche Kulturgüter in eine öffentlich verfügbare digitale Form zu überführen.

Auf diese Weise könnten in Zukunft digitale Zwillinge entstehen, die neben der klassischen Bild- und Schriftinformation eine Vielzahl weiterer Daten konservieren könnte, wie etwa Papierdicken und -sorten, Alter des Dokuments oder die eingesetzten Farbpigmente.(kr)

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