Wie Wissenschaftler atomare Defekte in Computerchips finden

Der unsichtbare Feind in jedem Chip

Jedes Smartphone, jeder Laptop und jeder KI-Server läuft mit Chips, die mit Milliarden von Transistoren vollgepackt sind – jeder einzelne kleiner als ein Virus. In diesem Maßstab ist ein einzelnes fehlplatziertes Atom keine Kuriosität, sondern ein Defekt, der Elektronen verlangsamt, Energie verschwendet und dazu führen kann, dass ein Chip vollständig ausfällt. Jahrzehntelang waren diese Fehler im atomaren Maßstab im Wesentlichen unsichtbar. Ein Durchbruch im Jahr 2026 durch ein von der Cornell University geleitetes Team in Zusammenarbeit mit dem Chiphersteller TSMC und dem Materialunternehmen ASM änderte dies – durch die Verwendung einer computergestützten Bildgebungsmethode namens Elektronen-Ptychographie, um erstmals Defekte in aktiven Transistoren aufzudecken.

Warum Defekte so schwer zu erkennen sind

Moderne Chips werden im 2-Nanometer-Bereich und darunter gebaut. Die neuesten Transistoren, bekannt als Gate-All-Around (GAA)-Bauelemente, haben Siliziumkanäle, die nur 15 bis 18 Atome breit sind. Bei dieser Größe ist die Oberfläche des Kanals – der Pfad, den Elektronen zurücklegen müssen – von entscheidender Bedeutung. Jede Rauheit, jedes fehlende Atom oder jedes fehlplatzierte Molekül streut Elektronen, was die Geschwindigkeit und Effizienz verringert.

Forscher nennen diese Unregelmäßigkeiten Interface Roughness (Grenzflächenrauheit). In einem anschaulichen Spitznamen nannte das Cornell-Team die sichtbarste Form „Mausbiss“-Defekte – winzige Kerben, die während der Herstellungsschritte wie chemisches Ätzen, Wärmebehandlung und Schichtabscheidung in die Kanalwände gefressen werden. In Prototyp-Chips stellte das Team fest, dass nur etwa 60 Prozent der Siliziumatome in einer perfekten, ungestörten Struktur saßen; der Rest war verzerrt oder aufgeraut.

Traditionelle Elektronenmikroskope können Oberflächen in zwei Dimensionen mit hoher Auflösung abbilden, aber ein Blick in einen fertigen, vergrabenen Transistor in drei Dimensionen – ohne ihn zu zerstören – war bisher nicht möglich.

Was ist Elektronen-Ptychographie?

Ptychographie ist eine computergestützte Bildgebungstechnik, die Rastermikroskopie mit einem Zweig der Physik namens kohärente diffraktive Bildgebung verbindet. So funktioniert es Schritt für Schritt:

• Ein fokussierter Elektronenstrahl wird auf die Probe gerichtet (in diesem Fall ein realer Transistor in einem Chip).
• Während sich der Strahl über überlappende Positionen auf der Probe bewegt, erfasst ein Detektor das vollständige Streumuster – die Art und Weise, wie sich Elektronen nach dem Durchgang durch das Material ausbreiten.
• Durch den Vergleich, wie sich diese Beugungsmuster zwischen benachbarten Scanpositionen verschieben, rekonstruiert ein Computeralgorithmus mathematisch sowohl die Form des Elektronenstrahls als auch eine dreidimensionale Karte der Probe.
• Das Ergebnis ist ein Bild mit einer lateralen Auflösung von unter einem Ångström – feiner als der Abstand zwischen zwei benachbarten Atomen – und genügend Tiefeninformationen, um Defekte zu lokalisieren, die im Inneren des Transistors verborgen sind.

Das Cornell-Team verwendete einen speziellen Detektor, der als Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD) bezeichnet wird und das gesamte Beugungsmuster an jeder Position erfasst, anstatt nur einen einzelnen Intensitätswert. Diese Datenflut – kombiniert mit iterativen Rechenalgorithmen – macht die Technik weitaus leistungsfähiger als die herkömmliche Mikroskopie.

Warum Gate-All-Around-Transistoren dies dringend erforderlich machen

Die Halbleiterindustrie wechselte vom FinFET zur GAA-Architektur am 3-Nanometer-Knoten und darüber hinaus. In einem FinFET umschließt das Gate (der Schalter, der den Elektronenfluss steuert) drei Seiten einer Siliziumfinne. In einem GAA-Bauelement umschließt das Gate alle vier Seiten eines Nanosheet-Kanals, was den Ingenieuren eine bessere elektrostatische Kontrolle ermöglicht und es Chips ermöglicht, schneller mit weniger Stromverlust zu laufen.

Aber diese zusätzliche Kontrolle hat ihren Preis: Die Kanäle sind außerordentlich dünn, und ihre Wände sind von enormer Bedeutung. Laut ASML können GAA-Transistoren eine bis zu 15 Prozent höhere Geschwindigkeit oder eine 30 Prozent bessere Energieeffizienz im Vergleich zu 3-nm-FinFETs liefern – aber nur, wenn die Kanäle gut geformt sind. Mausbiss-Defekte schmälern diese Vorteile direkt.

Vor der Elektronen-Ptychographie verließen sich Chiphersteller auf indirekte statistische Methoden oder zerstörerische Probenpräparation (Aufschneiden von Chips), um abzuleiten, wo sich während der Herstellung Defekte bilden. Keiner dieser Ansätze kann Echtzeit-Prozessverbesserungen in einer modernen Fabrik leiten.

Was die Technik enthüllt – und was als Nächstes kommt

Die in Nature Communications Anfang 2026 veröffentlichte Cornell-Studie zeigte, dass die Elektronen-Ptychographie Spannungsfelder, Grenzflächenrauheit und atomare Verschiebungen in realen GAA-Transistoren abbilden kann, ohne sie zu zerstören. Das bedeutet, dass Ingenieure bei TSMC und anderen Fabriken nun bestimmte Herstellungsschritte – welche Ätzchemie, welche Glühtemperatur – mit den Defekten korrelieren können, die nachgelagert auftreten.

Die Auswirkungen reichen weit über Smartphones hinaus. KI-Rechenzentren sind auf dicht gepackte Chips angewiesen, die mit maximaler Effizienz laufen; Quantencomputer benötigen nahezu perfekte Siliziumoberflächen, um die Qubit-Kohärenz aufrechtzuerhalten; Automobilchips müssen strenge Zuverlässigkeitsstandards erfüllen. Die Elektronen-Ptychographie bietet ein universelles Qualitätskontrollwerkzeug für alle.

Die Technik ist noch weitgehend auf Forschungslabore beschränkt, und das Scannen eines vollständigen Chips mit atomarer Auflösung ist nach wie vor zeitaufwendig. Aber da Detektoren schneller und Algorithmen effizienter werden, wird erwartet, dass sich die Methode näher an die Produktionslinie heranbewegt – und Chipherstellern zum ersten Mal ein echtes Fenster in die atomare Welt im Inneren ihrer Produkte bietet.