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Einen ganzen Chip mit dem Elektronenmikroskop abzusuchen, gleicht der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen – selbst wenn der Chip nur wenige Quadratmillimeter groß ist, würde die Fehlersuche, die von einem Tag bis zu mehreren Wochen dauern kann, praktisch unmöglich.

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Daher werden fehlerhafte Chips erst einmal optisch untersucht. Pascal Limbecker demonstriert das mit einem Funkchip, in dem es bei der Inbetriebnahme zu einem Kurzschluss kam. Das Verfahren nennt sich Lock-in Thermografie und ist prinzipiell ganz einfach: Der zu untersuchende Chip ist unter einer Wärmebildkamera montiert, die Versorgungsspannung wird angelegt. Befindet sich irgendwo ein Kurzschluss, wird diese Stelle besonders warm und hebt sich auf dem Wärmebild deutlich ab. Dort wird dann mit den FIBs genauer hingeschaut.

Natürlich kommt hier eine besonders hochauflösende Wärmebildkamera zum Einsatz, ein Pixel entspricht hier einem Quadrat mit 3 μm Kantenlänge. Noch genauer ist das Gerät direkt nebenan, das die Probe zusätzlich mit einem Laser erwärmen kann (Laser Lock-in Thermografie (PDF)). Mit einer Immersionslinse sind Auflösungen von bis zu 100 nm möglich – allerdings kostet allein die Linse 100.000 Euro, das ganze Gerät mehrere Millionen. Neben den thermografischen Anlagen steht noch eine deutlich größere im Raum.

  • Zum Transport sind die Wafer in FOUP genannte Boxen sortiert. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Ein FOUP fasst 25 Wafer mit einem Durchmesser von 300 mm. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Mehr als 900 dieser Transportroboter sind an der Decke der Hallen unterwegs. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Einfach rumstehen darf nichts, zum Abstellen gibt es ausgewiesene Bereiche. Außerdem muss immer abgesperrt werden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Die Maschinen kommen ohne Menschen zurecht, nur selten sitzt jemand davor. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Am Übergang vom gelb beleuchteten Lithografiebereich zum weiß beleuchteten Abschnitt (hier blau durch Weißabgleich) gibt es automatische Türen für die Transportroboter. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Zwischen den einzelnen Hallen gibt es Brücken, die die Reinräume verbinden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Fenster gibt es in den Reinräumen eigentlich kaum, die wenigen sind mit Folie abgeklebt, um schädliche Spektren auszusperren. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Gelegentlich gibt es unter der Decke Stau. Rechts sind die Deckenlagerplätze sowie ein Stocker zu sehen, in denen die Transportroboter FOUPs zwischenlagern. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • In der Bump Test Facility transportiert ein Roboter die FOUPs am Boden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Einige Beispiele von Chips aus der Dresdner Fab. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Im Labor für Materialanalyse dürfen wir auch einen Wafer in die Hand nehmen. Darauf befinden sich verschiedene Teststrukturen. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Geübte Augen erkennen anhand der Muster, was sich auf dem Wafer befindet. Ich muss nachfragen.  (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Im Reinraum ist nur Papier für Notizen erlaubt. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
Geübte Augen erkennen anhand der Muster, was sich auf dem Wafer befindet. Ich muss nachfragen. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

Leuchtende Transistoren offenbaren Fehler

In diesem sogenannten Fotoemissionsmikroskop können ganze Wafer untersucht werden. Es dient dazu, Fehler im Front End, also den Transistoren zu finden. Genutzt wird dabei die Emission von Photonen bei der Elektronen-Loch-Kombination, die einen Halbleiter leitend macht.

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Diese schwachen Lichtblitze sichtbar zu machen, erfordert allerdings einigen Aufwand, die Kamera muss mit flüssigem Stickstoff auf 90 Kelvin (-183,75° C) gekühlt werden. Um Fehler zu finden, wird der Wafer mittels einer Testmatrix kontaktiert und ein Testprogramm ausgeführt. Im Vergleich zu einem als funktionierend bekannten Wafer lassen sich anhand von Unterschieden in der Photonenemission Fehler lokalisieren.

Es gäbe noch so viel zu sehen ...

Im Labor für Materialanalyse endet dann auch recht abrupt unsere Tour durch die Fab 1 – Videoredakteur Martin muss zum Zug. Über vier Stunden waren wir unterwegs, und Karin Raths fallen diverse Dinge ein, die man noch ansehen könnte. Das Untergeschoss der Reinräume mit den vielen Leitungen beispielsweise sei ebenso sehenswert wie der Maschinenpark darüber.

Aber bereits die wenigen Stunden haben einige neue Einblicke gebracht – sowohl zu den technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen der Halbleiterfertigung als auch zur Komplexität des Prozesses. Sie lassen beispielsweise die Handelsbeschränkungen der USA gegen die Halbleiterindustrie in China in neuem Licht erscheinen.

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 Fehlersuche in Chips
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JouMxyzptlk 21. Sep 2022 / Themenstart

Wird dem "IT-New für Profis" wieder gerecht. Es bräuchte mehr von diesem Niveau...

Kaeptn Quasar 21. Sep 2022 / Themenstart

Ich war echt überrascht von der Größe dieser automatisierten Anlage und wieviele Schritte...

Netzweltler 21. Sep 2022 / Themenstart

Bei so teuren Reinräumen gibt es einige Redundanzen bei Energie-/Medienversorgung, der...

jhi (Golem.de) 21. Sep 2022 / Themenstart

Das stimmt, aber das Labor nicht ;)

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