ESD-Schaden feststellen – mit dem Elektronenmikroskop

Wenn Mikrochips defekt sind, ist es die Aufgabe der Dresdner Experten des SGS Institut Fresenius, die Ursache zu ermitteln.

Aus dem Alltag kennt bestimmt jeder die Erfahrung mit einer elektrostatischen Entladung (ESD = „electrostatic discharge“). Man fasst einen Gegenstand an und spürt einen plötzlichen Funken. Dahinter steckt, dass hier zwischen zwei Körpern eine große Potenzialdifferenz besteht, sodass es zu einem Ladungsausgleich kommt. Bei einer solchen elektrostatischen Entladung werden vergleichsweise geringe Energien freigesetzt. Für bestimme Schaltungselemente von Mikrochips reicht es jedoch aus, um sie empfindlich zu schädigen. Es gibt zwar Schutzschaltungen, doch diese wirken nur begrenzt. Deswegen werden Bauelemente im Vorfeld einer Markteinführung mit ESD-Tests im Detail auf mögliche Schwachstellen geprüft. Häufig geschieht es jedoch, dass ESD-Schäden beim Endkunden während der Anwendung auftreten. Dann wird das Bauelement an den Lieferanten zurückgeschickt, der versucht, die Ursache für den möglichen ESD-Schaden festzustellen. Für beides kommt der Dresdner Standort der SGS Institut Fresenius GmbH mit dem Schwerpunkt „Microelectronics“ als führender Dienstleister für entsprechende Analytik ins Spiel.

Der ESD-Schaden steckt im Detail

Dabei entstehen kurzzeitig Temperaturen weit über 1000 Grad, was die Siliziumoberfläche zum Schmelzen bringt.

Aus dem Maschinenbau sind vor allem Lösungen am Arbeitsplatz bekannt, um effektiven ESD-Schutz zu gewährleisten. Dazu gehören etwa spezielle Kleidung, Fußböden, Tischplatten oder Gestelle. Um jedoch filigrane ESD-Schäden im Nachhinein festzustellen, ist ein Elektronenmikroskop notwendig. „Mit einem Lichtmikroskop wären sie nur bei einem groben Schaden mit deutlichen Aufschmelzungen sichtbar. Das ist aber nicht die Regel, denn die Aufschmelzungen bei ESD-Schäden sind relativ klein. Zunächst muss man die gesamte Verdrahtungsebene eines geschädigten Bauelements nasschemisch entfernen, also mit Säure abätzen“, erklärt Laborleiter Thomas Freitag. Dadurch wird die eigentliche Halbleiterebene sichtbar – und somit das Siliziumsubstrat. Auf dieser Ebene befinden sich die Transistoren beziehungsweise ganz allgemein diejenigen Komponenten, die ESD-empfindlich sind.

An ihnen lassen sich mithilfe der Analyse am Elektronenmikroskop sogenannte Überschlagsstrompfade erkennen. Diese entstehen, wenn es zu einer elektrostatischen Entladung kommt. „Dabei entstehen kurzzeitig Temperaturen weit über 1000 Grad, was die Siliziumoberfläche zum Schmelzen bringt“, sagt Standortleiter Gerald Dallmann. Ein solcher Überschlagsstrompfad befindet sich zwischen zwei Aktivgebieten (auf den Abbildungen 1 und 2 höher erscheinend). In einem solchen Fall lassen sich ESD-Schäden eindeutig feststellen, da sie charakteristisch ausfallen.

ESD-Schäden feststellen: Nur ein Teil des Leistungsspektrums

Es gibt aber auch Aufträge, bei denen die Bauteile mit Prüfgeräten absichtlich belastet werden. Solche ESD-Tests sind beispielsweise bei einer neu entwickelten Schaltung sinnvoll, die erst noch marktreif gemacht werden muss. „Im Rahmen solcher Tests, bei denen die Bauelemente absichtlich belastet, beziehungsweise überlastet werden, sind Fragen wie diese relevant: Wo genau ist der Schaden entstanden? Welche Schutzschaltung war effektiv, welche nicht?“, sagt Herr Dallmann. Um die Bauteile realistisch zu belasten, setzt man in diesem Rahmen auf ESD-Simulationsmodelle. Zu den gängigsten Modellen gehören das Human Body Model (HBM) und Machine Model (MM). Während beim HBM mit einem Prüfgerät die Entladung eines menschlichen Körpers gegen ein Bauelement simuliert wird, geht es beim MM um die Simulierung der Entladung einer Maschine.

Man hat es bei EOS mit viel größeren Energien zu tun, sodass ein Bauelement regelrecht durchschmelzen kann.

Daneben gilt es oft auch zu entscheiden, ob man es mit ESD oder sogar EOS („electrical overstress“) zu tun hat. Dies kann oft schwierig sein. Grundsätzlich werden elektrische Bauelemente stets für bestimmte maximale Ströme und Spannungen dimensioniert und konstruiert. „Wenn das Bauelement jedoch überlastet wird, kommt es zu Überschlägen, die sich von denjenigen bei ESD deutlich unterscheiden. Man hat es bei EOS mit viel größeren Energien zu tun, sodass ein Bauelement regelrecht durchschmelzen kann“, erläutert Gerald Dallmann. In der Regel tritt EOS während der Anwendung beim Kunden ein. Es gibt jedoch auch Fälle, wo die Unterscheidung zwischen ESD und EOS schwierig wird, hier kommt es auf jede Nuance an.

Globales Experten-Netzwerk

Die SGS Institut Fresenius GmbH ist einer der bedeutendsten Anbieter für nicht-medizinische Analytik. Das unabhängige Labor wurde ursprünglich 1848 in Wiesbaden gegründet und ist seit 2004 Teil der SGS, dem international führenden Prüf- und Zertifizierungsunternehmen. Der Schweizer Prüfkonzern beschäftigt weltweit mehr als 97.000 Mitarbeiter an über 2.600 Standorten. Jede Niederlassung besitzt eine individuelle Spezialisierung. Der ESD-Schwerpunkt in Dresden verdankt sich nicht zuletzt der Tatsache, dass es hier eine lange Tradition für Mikroelektronik gibt. Zwei Abteilungen des damaligen Zentrums für Mikroelektronik Dresden machten sich 1990 selbstständig. Inzwischen ist man einer der führenden industriellen Dienstleister für die Charakterisierung von Werkstoffen, Oberflächen und dünnen Schichten. Auch neben der eigentlichen Analyse können Gerald Dallmann und seine Kollegen aufgrund ihrer Expertise und eines umfangreichen Netzwerks Unternehmen gezielt unterstützen.

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