BagStack Classification for Data Imbalance Problems with Application to Defect Detection and Labeling in Semiconductor Units

abstract: Despite the fact that machine learning supports the development of computer vision applications by shortening the development cycle, finding a general learning algorithm that solves a wide range of applications is still bounded by the ”no free lunch theorem”. The search for the right algorithm to solve a specific problem is driven by the problem itself, the data availability and many other requirements. Automated visual inspection (AVI) systems represent a major part of these challenging computer vision applications. They are gaining growing interest in the manufacturing industry to detect defective products and keep these from reaching customers. The process of defect detection and classification in semiconductor units is challenging due to different acceptable variations that the manufacturing process introduces. Other variations are also typically introduced when using optical inspection systems due to changes in lighting conditions and misalignment of the imaged units, which makes the defect detection process more challenging. In this thesis, a BagStack classification framework is proposed, which makes use of stacking and bagging concepts to handle both variance and bias errors. The classifier is designed to handle the data imbalance and overfitting problems by adaptively transforming the multi-class classification problem into multiple binary classification problems, applying a bagging approach to train a set of base learners for each specific problem, adaptively specifying the number of base learners assigned to each problem, adaptively specifying the number of samples to use from each class, applying a novel data-imbalance aware cross-validation technique to generate the meta-data while taking into account the data imbalance problem at the meta-data level and, finally, using a multi-response random forest regression classifier as a meta-classifier. The BagStack classifier makes use of multiple features to solve the defect classification problem. In order to detect defects, a locally adaptive statistical background modeling is proposed. The proposed BagStack classifier outperforms state-of-the-art image classification techniques on our dataset in terms of overall classification accuracy and average per-class classification accuracy. The proposed detection method achieves high performance on the considered dataset in terms of recall and precision.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Computer Engineering 201

Anomaly Detection Approaches for Semiconductor Manufacturing

Abstract Smart production monitoring is a crucial activity in advanced manufacturing for quality, control and maintenance purposes. Advanced Monitoring Systems aim to detect anomalies and trends; anomalies are data patterns that have different data characteristics from normal instances, while trends are tendencies of production to move in a particular direction over time. In this work, we compare state-of-the-art ML approaches (ABOD, LOF, onlinePCA and osPCA) to detect outliers and events in high-dimensional monitoring problems. The compared anomaly detection strategies have been tested on a real industrial dataset related to a Semiconductor Manufacturing Etching process

Machine learning-based automated segmentation with a feedback loop for 3D synchrotron micro-CT

Die Entwicklung von Synchrotronlichtquellen der dritten Generation hat die Grundlage für die Untersuchung der 3D-Struktur opaker Proben mit einer Auflösung im Mikrometerbereich und höher geschaffen. Dies führte zur Entwicklung der Röntgen-Synchrotron-Mikro-Computertomographie, welche die Schaffung von Bildgebungseinrichtungen zur Untersuchung von Proben verschiedenster Art förderte, z.B. von Modellorganismen, um die Physiologie komplexer lebender Systeme besser zu verstehen. Die Entwicklung moderner Steuerungssysteme und Robotik ermöglichte die vollständige Automatisierung der Röntgenbildgebungsexperimente und die Kalibrierung der Parameter des Versuchsaufbaus während des Betriebs. Die Weiterentwicklung der digitalen Detektorsysteme führte zu Verbesserungen der Auflösung, des Dynamikbereichs, der Empfindlichkeit und anderer wesentlicher Eigenschaften. Diese Verbesserungen führten zu einer beträchtlichen Steigerung des Durchsatzes des Bildgebungsprozesses, aber auf der anderen Seite begannen die Experimente eine wesentlich größere Datenmenge von bis zu Dutzenden von Terabyte zu generieren, welche anschließend manuell verarbeitet wurden. Somit ebneten diese technischen Fortschritte den Weg für die Durchführung effizienterer Hochdurchsatzexperimente zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben, welche Datensätze von besserer Qualität produzierten. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft besteht daher ein hoher Bedarf an einem effizienten, automatisierten Workflow für die Röntgendatenanalyse, welcher eine solche Datenlast bewältigen und wertvolle Erkenntnisse für die Fachexperten liefern kann. Die bestehenden Lösungen für einen solchen Workflow sind nicht direkt auf Hochdurchsatzexperimente anwendbar, da sie für Ad-hoc-Szenarien im Bereich der medizinischen Bildgebung entwickelt wurden. Daher sind sie nicht für Hochdurchsatzdatenströme optimiert und auch nicht in der Lage, die hierarchische Beschaffenheit von Proben zu nutzen. Die wichtigsten Beiträge der vorliegenden Arbeit sind ein neuer automatisierter Analyse-Workflow, der für die effiziente Verarbeitung heterogener Röntgendatensätze hierarchischer Natur geeignet ist. Der entwickelte Workflow basiert auf verbesserten Methoden zur Datenvorverarbeitung, Registrierung, Lokalisierung und Segmentierung. Jede Phase eines Arbeitsablaufs, die eine Trainingsphase beinhaltet, kann automatisch feinabgestimmt werden, um die besten Hyperparameter für den spezifischen Datensatz zu finden. Für die Analyse von Faserstrukturen in Proben wurde eine neue, hochgradig parallelisierbare 3D-Orientierungsanalysemethode entwickelt, die auf einem neuartigen Konzept der emittierenden Strahlen basiert und eine präzisere morphologische Analyse ermöglicht. Alle entwickelten Methoden wurden gründlich an synthetischen Datensätzen validiert, um ihre Anwendbarkeit unter verschiedenen Abbildungsbedingungen quantitativ zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass der Workflow in der Lage ist, eine Reihe von Datensätzen ähnlicher Art zu verarbeiten. Darüber hinaus werden die effizienten CPU/GPU-Implementierungen des entwickelten Workflows und der Methoden vorgestellt und der Gemeinschaft als Module für die Sprache Python zur Verfügung gestellt. Der entwickelte automatisierte Analyse-Workflow wurde erfolgreich für Mikro-CT-Datensätze angewandt, die in Hochdurchsatzröntgenexperimenten im Bereich der Entwicklungsbiologie und Materialwissenschaft gewonnen wurden. Insbesondere wurde dieser Arbeitsablauf für die Analyse der Medaka-Fisch-Datensätze angewandt, was eine automatisierte Segmentierung und anschließende morphologische Analyse von Gehirn, Leber, Kopfnephronen und Herz ermöglichte. Darüber hinaus wurde die entwickelte Methode der 3D-Orientierungsanalyse bei der morphologischen Analyse von Polymergerüst-Datensätzen eingesetzt, um einen Herstellungsprozess in Richtung wünschenswerter Eigenschaften zu lenken

1996 Laboratory directed research and development annual report

This report summarizes progress from the Laboratory Directed Research and Development (LDRD) program during fiscal year 1996. In addition to a programmatic and financial overview, the report includes progress reports from 259 individual R&D projects in seventeen categories. The general areas of research include: engineered processes and materials; computational and information sciences; microelectronics and photonics; engineering sciences; pulsed power; advanced manufacturing technologies; biomedical engineering; energy and environmental science and technology; advanced information technologies; counterproliferation; advanced transportation; national security technology; electronics technologies; idea exploration and exploitation; production; and science at the interfaces - engineering with atoms

Libro de actas. XXXV Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica

596 p.CASEIB2017 vuelve a ser el foro de referencia a nivel nacional para el intercambio científico de conocimiento, experiencias y promoción de la I D i en Ingeniería Biomédica. Un punto de encuentro de científicos, profesionales de la industria, ingenieros biomédicos y profesionales clínicos interesados en las últimas novedades en investigación, educación y aplicación industrial y clínica de la ingeniería biomédica. En la presente edición, más de 160 trabajos de alto nivel científico serán presentados en áreas relevantes de la ingeniería biomédica, tales como: procesado de señal e imagen, instrumentación biomédica, telemedicina, modelado de sistemas biomédicos, sistemas inteligentes y sensores, robótica, planificación y simulación quirúrgica, biofotónica y biomateriales. Cabe destacar las sesiones dedicadas a la competición por el Premio José María Ferrero Corral, y la sesión de competición de alumnos de Grado en Ingeniería biomédica, que persiguen fomentar la participación de jóvenes estudiantes e investigadores