Zuverlässig bis auf den Nanometer

Kleiner Fehler – große Wirkung. Oft sind Fehler in der Elektronik Grund für einen unfreiwilligen Stopp. Denn für die immer winzigeren Dimensionen auf den Chips fehlen zuverlässige Mess- und Prüfverfahren. Abhilfe schaffen Materialtests für den Nanokosmos.

Mikroelektronische Bauteile schrumpfen von Generation zu Generation. Ein Problem ist, dass sich das verwendete Material im Mikro- oder Nanokosmos oft ganz anders verhält als in der makroskopischen Welt. Verlässliche Daten in diesem Bereich fehlen weitgehend. Um trotzdem Lebensdauer und Qualität beurteilen zu können, müssen etablierte Verfahren mit innovativen Konzepten kombiniert werden. Ein Beispiel dafür ist nanoDAC, ein Testverfahren, das Wissenschaftler aus dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin entwickelten.

DAC steht für Deformationsanalyse durch Korrelationsmethoden und analysiert Materialien auf der Nano- bis Mikroebene. Bisher wird es vorrangig zum Testen in der elektronischen Aufbau- und Verbindungstechnik eingesetzt, also um Lötstellen zu prüfen, Risse im Platinenmaterial zu entdecken oder Eigenspannungen in mikromechanischen Aktoren und Sensoren aufzudecken. „Oft wird die Bedeutung dieser kleinen Bauteile unterschätzt“, betont IZM-Abteilungsleiter Bernd Michel. „Eine Lötstelle oder ein kleiner Sensor kostet nicht viel. Warum also einen enormen Prüfaufwand betreiben? Wenn sie aber ausfallen, können sie hohe finanzielle Schäden verursachen.“

Herzstück des Systems ist ein Atomkraft- oder Rasterelektronenmikroskop. Es nimmt Bilder von Materialien unter verschiedenen Belastungen auf. Mit einer Software ist es möglich, ein fast atomgenaues Bild der Probe und ihrer Fehler wiederzugeben. „Bilder der kritischen Stellen eines Bauteiles werden miteinander verglichen, um Veränderungen und Fehler zu entdecken“, erklärt Dietmar Vogel. „Je nach Belastung werden Verschiebungen lokaler Bildmuster sichtbar. Damit ist ein winziger Riss nachweisbar, obwohl er selbst im Mikroskopbild nicht zweifelsfrei zu erkennen ist.“ Eine spezielle Variante des Systems ist das fibDAC-Verfahren. FIB steht für Focus Ion Beam – also fokussierte Ionenstrahlen. Es ermittelt Eigenspannungen in kleinsten Dimensionen. Das ist etwa für die Chipfertigung interessant, da Eigenspannungen und deren Kontrolle bei der Entwicklung neuer Rechnergenerationen eine wichtige Rolle spielen. Bernd Michel, Dietmar Vogel und Jürgen Keller konzipierten das System und brachten es von der Idee bis zum marktfähigen Messverfahren. Für diese Leistung erhalten sie den Joseph-von-Fraunhofer-Preis. Wie begehrt die Prüfverfahren sind, zeigt die internationale Resonanz. Unternehmen wie Infineon, BMW und Ford – aber auch Bosch, TEMIC und Motorola haben bereits Materialtests im Mikro- und Nanomaßstab durchgeführt oder planen dies.

Ansprechpartner:
Dr. Dietmar Vogel
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dietmar.vogel@izm.fraunhofer.de