Fraunhofer-Institut für Elektronische Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFTEin Forschungsteam des Fraunhofer EMFT arbeitet im Projekt QuQuSemi gemeinsam mit dem Unternehmen Quantum Diamonds und der TU München an einem hochauflösenden Mikroskop auf Basis diamantbasierter Quantensensoren, das speziell für die Analyse von Halbleiterbauelementen konzipiert ist. Mit einer Ortsauflösung von bis zu 200 Nanometern bei Raumtemperatur soll es die präzise Messung kleinster magnetischer Felder und Temperaturunterschiede ermöglichen.
Hochpräzises Diamant-Mikroskop mit Quantensensoren
Eine Wissenschaftlerin arbeitet am Quanten-Diamantmikroskop.
Die Projektpartner haben sich zum Ziel gesetzt, ein innovatives, hochauflösendes Mikroskop zu entwickeln, das speziell für die Analyse von Halbleiterbauelementen und Multichipmodulen mit diamantbasierten Quantensensoren konzipiert ist. Dabei stehen die industriellen Anforderungen an Auflösung, Sichtfeld und Geschwindigkeit im Fokus.
Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von der Überprüfung von Schaltungen über die Identifikation und Lokalisierung von Fehlern bis hin zu neuartigen zerstörungsfreien Analysen zur Authentizität und Sicherheit. Besonders spannend ist die Fähigkeit des Mikroskops, kleinste magnetische Felder und Temperaturunterschiede mit einer Ortsauflösung von nur wenigen 100 Nanometern bei Raumtemperatur zu messen. Dies ist für die Halbleiterindustrie von entscheidender Bedeutung, da es derzeit kein Verfahren gibt, das diese Auflösung in vertikal integrierten Multichipmodulen unter normalen Laborbedingungen ermöglicht.
Obwohl Temperaturmessungen mit der Lock-In-Thermographie bereits etabliert sind, erreichen herkömmliche Methoden nur eine örtliche Auflösung im Mikrometerbereich. Das Quantensensor-Mikroskop könnte hier neue Möglichkeiten eröffnen, indem es hochaufgelöste Magnetfeld- und Temperaturdaten korreliert und damit tiefere Einblicke in defekte Chipmodule bietet. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Messgeschwindigkeit, die für industrielle Anwendungen essenziell ist: Produktions- und Fehleranalyseprozesse laufen oft nach strengen Zeitvorgaben, weshalb nur Systeme, die in diesem Rhythmus arbeiten können, wirtschaftlich tragfähig sind.
Die QuantumDiamonds GmbH ist der Hauptprojektpartner und kümmert sich um die Integration diamantbasierter Quantensensoren in ein vollintegriertes Mikroskop. Dazu gehören der Aufbau der Versuchsstände, optische Berechnungen zur Auflösungsoptimierung und die Entwicklung von Software zur Datenanalyse. Das Team des Fraunhofer EMFT unterstützt die Konzeption und Validierung des Mikroskops in der Fehleranalyse integrierter Schaltungen und komplexer Multichip-Module sowie bei Authentifizierungsprüfungen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler überprüfen dabei, ob die erforderliche hohe Auflösung und Genauigkeit erreicht wird und geben Empfehlungen zur Verbesserung von Hard- und Software. Die Technische Universität München (TUM) ist zuständig für die Weiterentwicklung des benötigten Diamantmaterials, insbesondere für Diamanthemisphären und Diamantmembranen, die als zentrale Quantensensoren im Mikroskop eingesetzt werden. Diese Materialien sind entscheidend für die Erreichung der erforderlichen Auflösung und müssen hohen Anforderungen an die Spineigenschaften für Temperaturmessungen genügen.
Am Ende des Projekts steht die prototypische Realisierung eines multimodalen Systems, das hochauflösende Temperatur- und Magnetfeldmessungen kombiniert.
Das Vorhaben wird durch das Bayerische Verbundforschungsprogramm (BayVFP) des Freistaates Bayern gefördert.