Quantendiamantmikroskop | Präzise Fehleranalyse von komplexen Halbleiterstrukturen mittels Quantensensorik

Wie können Fehler in komplexen, mehrlagigen Chipstapeln gefunden werden? Das Fraunhofer EMFT nutzt dafür Quantentechnologie, bzw. ein Quantendiamantmikroskop. Damit lassen sich Magnetfelder und Stromflüsse in Mikrochips mit höchster Präzision visualisieren, ganz ohne aufwendige Kühlung oder zeitintensives Abrastern der Proben.

Herkömmliche Methoden zur Fehleranalyse defekter Chips stoßen oft an ihre Grenzen, wenn es darum geht, Ströme in tief liegenden Lagen oder innerhalb ganzer Chipstapel (Advanced Packaging) exakt zu lokalisieren. Ohne diese exakte Lokalisierung bleibt die genaue Fehlerursache aber oft im Verborgenen, was langwierige Iterationszyklen in der Entwicklung zur Folge hat und die Markteinführung neuer Chipdesigns erheblich verzögern kann. Das am Fraunhofer EMFT in München eingesetzte Quantendiamantmikroskop bietet hier einen entscheidenden technologischen Vorteil. Sogenannte Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in einem Diamanten fungieren als hochsensible Quantensensoren und reagieren auf kleinste Magnetfeldänderungen.

Im Gegensatz zu etablierten Verfahren nutzt das Quantendiamantmikroskop eine Weitfeld-Messmethode. Anstatt die Probe zeitaufwendig punktweise abzurastern, liefert das System unmittelbar ein Bild der gesamten Magnetfeldverteilung. Ein signifikanter Vorteil ist zudem der Betrieb bei Raumtemperatur. Da das Mikroskop ohne kryogene Gase zur Kühlung auskommt, ist der Prozess deutlich effizienter und kostengünstiger als bisherige Magnetfeld-Messmethoden (wie z. B. SQUID).

Auf diese Weise können Defekte oder Leckströme mit dem Quantendiamantenmikroskop zerstörungsfrei identifiziert werden. Darüber hinaus eröffnet die Technologie neue Möglichkeiten im Bereich der vertrauenswürdigen Elektronik. Durch den Vergleich des gemessenen Stromflusses mit dem Design-Sollwert lassen sich Manipulationen oder Hardware-Trojaner aufspüren. Dank der hohen Messgeschwindigkeit ist die Technologie perspektivisch auch für eine prozessnahe Kontrolle direkt in der Halbleiterproduktion einsetzbar.