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Wie ein Chip entsteht — Fertigungsprozesse im Reinraum

Zwei Aufgaben zu Ausbeute, Reinheit und den überraschend hohen Kosten eines einzigen kleinen Staubkorns in der Produktion. Mit ausführlichem Lösungsweg zum genauen Nachvollziehen.

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Ausbeute einer Waferfertigung

AFB I–II

In einem Halbleiterwerk entstehen auf jedem Wafer 620 Chips. Beim elektrischen Test auf dem Wafer bestehen 558 Chips. Pro Tag werden 1200 Wafer fertiggestellt.

  1. Beschreiben Sie, wozu der elektrische Test vor dem Vereinzeln des Wafers dient.
  2. Bestimmen Sie die Ausbeute in Prozent sowie die Zahl der guten Chips pro Tag.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Überlegen Sie, welcher Aufwand nach dem Vereinzeln noch für jeden einzelnen Chip anfällt — und was es kosten würde, diesen Aufwand für defekte Chips zu betreiben.Beschreiben verlangt eine geordnete, vollständige Darstellung in Fachsprache, keine Bewertung.
Hinweis zu Aufgabe b)
Die Ausbeute ist der Anteil guter Chips an allen Chips eines Wafers. Erst danach mit der Zahl der Wafer pro Tag multiplizieren.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Der Test prüft jeden Chip noch auf der Scheibe elektrisch durch und markiert die defekten. So werden nur funktionierende Chips vereinzelt, kontaktiert und in ein Gehäuse gesetzt. Das spart Material, Maschinenzeit und Kosten, weil der teuerste Teil der Montage nur für brauchbare Chips anfällt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Ausbeute: \( Y = \dfrac{558}{620} = 0{,}90 = 90\,\% \).
Gute Chips pro Tag: \( 1200 \cdot 558 = 669\,600 \).
Antwort: Die Ausbeute beträgt 90 %; das Werk liefert täglich rund 670 000 brauchbare Chips.

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Was ein Staubkorn kostet

AFB II–III

In einem Reinraum der höchsten Klasse sind höchstens 100 000 Partikel je Kubikmeter Luft zugelassen; normale Raumluft enthält etwa 35 Millionen Partikel je Kubikmeter. Ein Werk prüft eine zusätzliche Filterstufe: Sie soll die Ausbeute von 85 % auf 92 % anheben, kostet aber 40 € je Wafer. Auf einem Wafer entstehen 600 Chips; ein guter Chip bringt 12 € Erlös. Die kleinsten Leiterbahnen auf dem Chip sind 5 nm breit, ein typisches Staubkorn misst rund 10 µm. Nicht alle Angaben werden für jede Teilaufgabe gebraucht.

  1. Erklären Sie mithilfe der Größenangaben, warum ein einzelnes Staubkorn einen ganzen Chip unbrauchbar machen kann.
  2. Vergleichen Sie die Partikelzahl der Reinraumluft mit der normaler Raumluft.
  3. Entscheiden Sie begründet, ob sich die zusätzliche Filterstufe für das Werk lohnt.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Rechnen Sie beide Längen in dieselbe Einheit um und vergleichen Sie sie. 1 µm = 1000 nm.
Hinweis zu Aufgabe b)
Ein Vergleich braucht ein Verhältnis: Teilen Sie die größere Partikelzahl durch die kleinere und formulieren Sie das Ergebnis als „um den Faktor …“.
Hinweis zu Aufgabe c)
Kriterien für die Entscheidung: zusätzliche gute Chips je Wafer, daraus der Mehrerlös je Wafer, dem die Mehrkosten je Wafer gegenüberstehen. Nennen Sie außerdem, was die Rechnung nicht berücksichtigt.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

\( 10\,\mu\text{m} = 10\,000\,\text{nm} \), die Leiterbahn ist 5 nm breit. Das Staubkorn ist also rund 2000-mal breiter als eine Leiterbahn. Es deckt beim Belichten das Muster ab oder unterbricht beziehungsweise überbrückt beim Ätzen mehrere Bahnen. Eine einzige unterbrochene oder kurzgeschlossene Verbindung genügt, damit die Schaltung nicht mehr funktioniert.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

\( \dfrac{35 \cdot 10^{6}}{1 \cdot 10^{5}} = 350 \).
Die Reinraumluft enthält rund 350-mal weniger Partikel als normale Raumluft.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Zusätzliche gute Chips: \( 600 \cdot (0{,}92 - 0{,}85) = 600 \cdot 0{,}07 = 42 \) Chips je Wafer.
Mehrerlös: \( 42 \cdot 12 = 504 \), also 504 € je Wafer — dem stehen 40 € Mehrkosten je Wafer gegenüber.
Entscheidung: Die Filterstufe lohnt sich deutlich — der Mehrerlös übersteigt die Kosten um mehr als das Zwölffache.
Als vollständig gilt eine Antwort, die sich eindeutig festlegt, die Rechnung anführt und mindestens eine Einschränkung nennt, etwa: einmalige Umbaukosten, Stillstandszeiten während des Umbaus oder die Frage, ob die angenommene Ausbeutesteigerung wirklich eintritt.