摘要：从市场格局看，2D视觉领域外资品牌具备较强的先发优势，国产2D视觉的发展进程可以总结为国产化替代的过程。相比之下，3D视觉内外资品牌起步差距较小，只是技术路线与应用领域有所差异，外资3D视觉厂商更多应用于检测领域，国产3D视觉厂商更多应用于定位引导领域。
近年来，随着微电子技术的高速发展，各种半导体芯片的集成度越来越高，同时芯片的体积趋向于小型化、微型化，对芯片的质量检测提出更高的要求。
机器视觉作为整个光学晶圆检测和量测的绝对关键部件，正在半导体领域发挥着至关重要的作用。
从市场格局看，2D视觉领域外资品牌具备较强的先发优势，国产2D视觉的发展进程可以总结为国产化替代的过程。相比之下，3D视觉内外资品牌起步差距较小，只是技术路线与应用领域有所差异，外资3D视觉厂商更多应用于检测领域，国产3D视觉厂商更多应用于定位引导领域。
这就导致半导体检测设备商大多使用外资机器视觉产品，外资机器视觉品牌在半导体领域占据着大半壁江山。国产机器视觉品牌则更多专注于物流、工程机械、金属加工、3C电子等毛利率较低、对产品精度要求相对较低的中低端场景中。
这背后隐藏的是，一条难以跨越的“技术鸿沟”。
半导体是出了名的高技术门槛行业，对检测设备的精度和稳定性要求极高。
精度高到什么程度？
在3C及锂电行业中，相机系统的精度最多可达到微米级别，其中0.5至0.7微米的精度已属上乘。然而，在半导体领域，这一标准则显著提升，百纳米级别的精度仅能视为常规水平。就数据传输速度而言，半导体检测通常涉及的数据量在100GB至200GB之间，某些情况下甚至可能高达400GB/秒。相比之下，在3C和锂电行业，相机系统即便达到50GB/秒或25GB/秒的数据传输速度，也已相当可观。显然，这两个领域在精度和数据处理速度上的要求存在着显著的差异。
行业人士向高工机器人介绍，半导体设备对相机系统的精度要求极为严苛，普遍达到了亚微米级别。当然，这一要求并非一成不变，而是根据半导体制造的不同工艺环节而有所差异。
例如，在半导体领域的先进封装环节，对3D成像系统的精度要求基本是在亚微米级别；在半导体的前道缺陷检测环节，对3D成像系统的精度要求一般在几十纳米左右。
埃科光电市场总监王弘毅在接受高工机器人调研时则认为，半导体的缺陷检测，对视觉成像系统的精度要求都是在纳米级别的，比如50纳米。
在稳定性方面，据了解，一般半导体的设备保养至少2个月一次，在此期间，设备里的部件都不能出现任何问题，这就意味着相机在24小时运转的情况下不能出现任何的故障或宕机的情况。
相机系统的精度和稳定性，背后折射的是不同的技术路线。据了解，半导体行业用的技术路线与现在大部分机器视觉企业用的技术路线不一致。
半导体行业更多聚焦在光谱共焦、白光干涉的技术路线，其中，光谱共焦对于深孔、缝隙、弯曲、透明等多种形貌或材质的表面测量有着高度的适应性，全量程都可保持高精度及高横向分辨率。
市场上大部分机器视觉企业的技术路线是结构光，结构光可分为散斑结构光、条纹结构光、线扫结构光。
散斑结构光可以做到30帧/秒，速度快，但精度较低，不适合半导体场景。缩小视野范围，提升相机分辨率之后，部分基于条纹结构光或者线扫结构光的传感器能获取精度在亚微米水平的3D数据，能应用在一部分半导体相关的检测工艺上，但往往成像速度是一个需要持续攻克的难关。
另一行业人士指出：“如果以条纹或者线扫结构光的技术路线去攻克更高精度的半导体检测工艺是比较困难的。原因在于，半导体的高精度检测和制程紧密相关，对纳米级的精度的要求和对扫描检测速度越来越高的追求，使得传统的结构光路线难以满足。
因此，当前涉足半导体领域的机器视觉企业，倾向于通过更为复杂的光学设计方案来提高精度和成像速度。这些方案包括光谱共焦技术、白光干涉技术等，通过精密的光学设计、结构设计实现对半导体检测的高精度、高速成像，从而确保检测结果的准确性和可靠性。”
另外，从光刻技术上看，光刻技术作为半导体制造的核心环节，对芯片的性能和成本有着决定性的影响。深紫外光(DUV)和极紫外光(EUV)是半导体光刻技术中两种关键的光源，深紫外光的光源波长通常在193纳米至248纳米之间；极紫外光的波长位于10纳米到14纳米之间，通常为13.5纳米，尤其适用于5纳米及以下的工艺节点。
行业人士表示：“半导体领域的光谱波段，基本都取决于深紫外或者极紫外的波段。极紫外光位于真空紫外与软X射线之间，这一波段的电磁波能量较高，只能在真空中传播。极紫外相机通常需要真空腔体，其生存环境的温度都要控制在零点几度的范围。但在3C、锂电等行业，检测系统用可见光就已经足够。”
在技术壁垒面前，大多数的半导体生产车间还是依赖于进口相机系统，国产机器视觉企业难有立足之地。
但，我们或许也不用太过悲观。
如今，外资品牌占据主导地位的局势似乎有了被打破的迹象，一批“勇者”已经在征途上。近两年，机器视觉行业内卷加剧，行业洗牌加速，求生存、谋发展、寻增量，已成为大部分企业的重中之重。从机器视觉的下游应用看，高工机器人产业研究所（GGII）数据显示：2023年，中国机器视觉在半导体行业应用占比为10.74%。这意味着，半导体行业还是一片蓝海。同时，国际政策瞬息多变，也给国产机器视觉带来了半导体行业的入场券。2022年-2023年期间，美、日、荷三国先后出台半导体设备出口限制政策，这意味着91.5%的半导体设备可能随时向中国禁运。2024年，美国继续发布了更为严厉的对华半导体出口管制措施，日本政府也迅速作出反应，加严了对华半导体零部件的出口限制，以配合美国对华芯片产业链的制裁。在此背景下，半导体厂商不得不改变以进口设备为主的要求。从半导体的制造过程看，每个半导体产品的制造都需要数百个工艺，整个制造过程可分为八个步骤：晶圆加工 - 氧化 - 光刻 -刻蚀 - 薄膜沉积 - 互连 - 测试 - 封装，每个步骤都需要进行实时检测。根据检测功能的不同分为量测类和缺陷检测类两种。量测类应用主要包括透明薄膜厚度、不透明薄膜厚度、膜应力、掺杂浓度、关键尺寸、套准精度等；缺陷检测类分为明暗场光学图形图片缺陷检测、无图形表面检测、宏观缺陷检测等。在这些检测过程中，机器视觉发挥了重要的作用。行业人士认为，缺陷检测的难度高于量测，量测主要是做晶圆的几何形貌、关键尺寸，相对检测容易一点。但也有部分行业人士有不同的看法，其认为：“量测的难度高于检测。检测的难度较低，对于国产机器视觉企业来说，或许是一个撬开半导体大门的机会点。因为检测对于相机系统的绝对精度要求没那么高，可以让机器视觉企业借助AI、大模型等前沿技术进行训练，积累数据，提高检测的准确率和速度。”但不管怎样，半导体的大门终于是叩开了。从以进口检测设备为主，到逐渐接受国产检测设备，再到部分技术难度相对较低的半导体制程，检测设备的视觉零部件（如相机、镜头、光源、软件、工控机等）开始使用国产产品，再到如今视觉零部件经历过严格测试验证后，半导体企业开始接受部分高精度的国产产品，国产机器视觉企业解决了从“0”到“1”的问题。唯琴科技创始人林少斌在接受高工机器人调研时介绍：“半导体企业在遴选供应商时，需综合考量多重因素，除对产品性能进行多轮严格验证外，还需全面评估供应商的技术拓展能力，包括其是否具备充足的资源储备与专业能力，以支持企业在多样化应用场景下的定制化扩展需求。”当前，以埃科光电、博视像元、唯琴科技、罗博威视等为代表的企业已经在半导体行业展现出创新能力和竞争力。例如，在应对半导体封测检测场景方面，埃科光电近期推出的光谱共聚焦传感器系列，基于同轴式光谱共聚焦技术开发而成，提供高达30KHz扫描速度、最大测量视野可达10.2mm，X方向分辨率可达1.9um，Z方向重复精度可达50nm，具有高精度、高速度、多功能、无接触在线检测等优势，为半导体、消费电子和动力电池等精密制造行业提供卓越检测方案。博视像元的产品已批量应用于纳米图形晶圆缺陷检测、纳米无图晶圆缺陷检测、Sic检测、晶圆几何形貌测量、关键尺寸测量，套刻测量、宏观晶圆缺陷检测、DUV/EUV激光束分析等关键领域，累计交付近万台高性能相机。唯琴科技自研的3D线激光轮廓传感器应用场景丰富，可以检测平面，或者圆柱、流动面的高度、深度、厚度等信息，已应用在晶圆制造环节的晶圆表面瑕疵检测以及尺寸量测、芯片封装等环节。罗博威视子公司武汉罗博半导体在2023年正式推出全自动Wafer光学量检测装备，能够针对先进封装封测段切割前、切割后晶圆进行2D和3D一体的光学量检测，能够有效识别线路污染、保护层划伤、残胶、气泡等对芯片性能造成影响的缺陷。同时，还可对晶圆的结构尺寸和结构特性进行量化描述，如RDL线宽、线间距、关键尺寸等物理参数。“不积跬步无以至千里，不积小流无以成江河”。突破技术的桎梏，国产机器视觉企业正在逐渐加入半导体的“高端局”，开展一场新的较量。这个过程或许很难，但迎难而上才是中国企业独有的特色。备注：关于半导体行业，欢迎各位来交流、探索，该文章若有不足之处，也欢迎各位读者指正~
来源：高工机器人
