Kvantesensor i diamant skal gøre fejlanalyse af mikrochips hurtigere og mere skånsom

I takt med at halvlederkomponenter bliver mindre, tættere pakket og i stigende grad bygget i 2,5D- og 3D-strukturer, kommer de klassiske fejlanalysemetoder under pres. Nogle er alt for langsomme, mens andre er indirekte. Flere kræver desuden, at man i praksis ødelægger komponenten for at komme tæt nok på.

Force Technology er en del af et dansk-nederlandsk konsortium, der vil udvikle et nyt værktøj til ikke-destruktiv fejlanalyse: et kvantebaseret mikroskop, som bruger syntetisk diamant til at “se” elektriske strømme inde i en chip. Grand Solution-projektet hedder NG-QDMM – Next Generation Quantum Diamond Magnetic Microscope – og målet er at lokalisere elektriske fejl hurtigere, mere præcist og uden at beskadige komponenten.

På sigt er ambitionen også at bringe teknologien tættere på produktionen som near-line metrologi og senere som del af in-line overvågning.

Magnetfelter afslører strømmen i chippen

Metoden lyder næsten som science fiction, men lad mig prøve at gøre det lidt jordnært. Når en elektrisk strøm løber i en leder, opstår der et magnetfelt omkring den. Hvis man kan måle det magnetfelt meget tæt på chippen og med høj nok følsomhed og opløsning, kan man danne et billede af, hvor strømmen faktisk løber – og dermed også hvor den ikke løber som forventet.

På den måde minder princippet om EMC-nærfeltscanning, hvor man med prober kortlægger felter tæt på et print eller et kredsløb. Forskellen er, at kvantesensoren i diamanten bringer følsomhed og rumlig opløsning op på et niveau, der er svært ikke at blive imponeret over. Det er fascinerende, at en kunstigt fremstillet diamant med kontrollerede punktdefekter kan fungere som et magnetisk målehoved for strømveje i avancerede chips.

NV-centre gør diamanten til en kvantesensor

Det kvantemekaniske element ligger i de såkaldte NV-centre (nitrogen-vacancy) i diamanten. Et NV-center er en defekt i krystalgitteret, hvor et nitrogenatom sidder ved siden af en tom plads. Denne defekt har en elektron-spin, og det er netop spin-tilstanden, der gør NV-centret interessant som sensor. Med laserlys kan man bringe spin’et i en veldefineret tilstand, og med mikrobølger kan man “ramme” dets resonans. Når det lokale magnetfelt ændrer sig, forskydes resonansbetingelserne en smule. Det kan aflæses optisk via ændringer i diamantens fluorescens.

Man behøver ikke regne kvantemekanikken igennem for at se pointen: Meget små magnetiske variationer bliver omsat til et målbart signal, som igen kan kobles til strømfordelingen i chippen. Det er i praksis en form for optisk aflæst, kvantebaseret nærfeltsmåling.

Her spiller mikrobølgerne en nøglerolle, for uden dem kan resonanserne ikke aflæses præcist. En af mine opgaver er at lave en mikrobølgestruktur omkring diamanten, som kan beskrives som et loop eller en resonator. Strukturen er dimensioneret til NV-centrenes resonansområde omkring 2,87 GHz og med fokus på et stærkt og ensartet magnetfelt hen over en 1 × 1 mm² diamant.

Hurtigere vej fra fejl til årsag

For pålidelighedsområdet er potentialet oplagt. Hvis man hurtigere kan lokalisere lækstrømme, afbrydelser, kortslutninger eller uventede strømveje, kan man også hurtigere finde root cause. Det er vigtigt i udvikling, i fejlsøgning på returnerede enheder og i analyse af nye pakketeknologier, hvor fejlmekanismer kan være skjulte dybt i strukturen.

En ikke-destruktiv metode gør det desuden lettere at kombinere flere analysetrin på samme prøve og bevare sporbarheden gennem forløbet. For producenter betyder det udsigt til kortere debug-forløb, mindre spild og hurtigere vej til stabil yield. For reliability-ingeniører betyder det et nyt værktøj, der kan supplere termiske, optiske og elektriske metoder med direkte billeddannelse af strømforløb.

Fra laboratoriemetode til industrielt værktøj

I projektet arbejder vi målrettet på at gøre teknologien industriel og praktisk anvendelig. Hvor kvantesensoren og den optiske aflæsning udgør kernen i målemetoden, er det mindst lige så afgørende at kunne positionere prøver præcist, reproducerbart og sikkert i et realistisk fejlanalysemiljø. Derfor lægges der vægt på den mekaniske og systemmæssige integration, herunder præcis bevægelse, prøvehåndtering og den nødvendige automatisering, der skal til, hvis teknologien skal fungere uden for laboratoriet. Overordnet handler indsatsen om at bygge bro mellem avanceret kvantefysik og en robust måleplatform, som giver mening i en ingeniørmæssig hverdag.

Selve projektet løber over tre år og har modtaget 28,8 mio. kr. fra Innovationsfonden gennem Grand Solutions-programmet. Det samlede budget er 42,9 mio. kr., og partnerkredsen omfatter Diasense, DTU, Force Technology, DFM og Eurofins MASER. Det nye i projektet beskrives overordnet som forsøget på at løfte teknologien fra lovende laboratoriemetode til et robust og brugervenligt værktøj, der kan fungere i industrielle fejlanalysemiljøer. Ambitionen er altså ikke blot at demonstrere, at metoden virker, men at gøre den praktisk anvendelig for dem, der arbejder med avanceret chipdiagnostik og pålidelighed i hverdagen.

Kvanteteknologi til konkrete måleproblemer

Hvis projektet lykkes, kan det blive et stærkt eksempel på, hvordan kvanteteknologi ikke kun handler om fremtidens computere, men også om meget konkrete måleproblemer i dagens elektronikindustri. Og netop dér – i mødet mellem avanceret fysik, mikrobølgeteknik, præcisionsmekanik og praktisk fejlanalyse – ligger noget af det mest interessante ved NG-QDMM.

__PRESENT