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Wie ein Chip entsteht — Fertigungsprozesse im Reinraum

Zehn Aufgaben von der Sandkörnung bis zur fertigen Ausbeute im Reinraum einer echten Chipfabrik — Schritt für Schritt. Mit ausführlichem Lösungsweg zu jeder einzelnen Aufgabe.

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Übungsaufgaben

Alle Übungen fortlaufend nummeriert — zuerst die interaktiven Übungen zum Klicken, Ziehen und Knobeln, danach die Rechen- und Textaufgaben. Jede Übung gibt dir sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen dir die gestuften Tipps.

A1
Der Weg des Wafers
AFB I

Welche Aussagen über die Chipfertigung stimmen?

Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
Chips entstehen nie einzeln, sondern immer scheibenweise auf dem Wafer. Die Verdrahtung kommt erst nach dem Dotieren, weil sie die fertigen Bauteile verbindet. Und der Reinraum ist partikelarm, nicht keimfrei — geschützt wird das Produkt.
A2
Stimmt's? — Fünferserie
AFB I

Fünf Behauptungen rund um Reinheit, Reinraum und Ausbeute.

Fünf Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann startest du die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5

Alle fünf Aussagen hängen an einem Satz: Reinheit ist in der Chipfertigung kein Luxus, sondern die Bedingung dafür, dass überhaupt brauchbare Chips entstehen.
A3
Lückentext mit Wortbank
AFB I

Setze die Fachbegriffe an die richtige Stelle — ein Wort bleibt übrig.

Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.

Ausgangsstoff der Chipfertigung ist . Aus dem gereinigten Silizium zieht man einen . Von ihm wird eine dünne Scheibe abgesägt, der . Darauf kommt eine lichtempfindliche Schicht aus . Alle diese Schritte laufen in einem ab.

Lötzinn bleibt übrig: Gelötet wird erst viel später, wenn das fertige Gehäuse auf eine Platine kommt. Auf dem Wafer wäre das Metall viel zu grob.
A4
Drei Abschnitte der Fertigung
AFB I

Sortiert wird danach, in welchem Abschnitt der Fertigung der Schritt stattfindet.

Ziehe jede Karte in den passenden Korb — oder wähle sie mit Enter aus und drücke dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1Material herstellen
2Strukturen erzeugen
3Fertigstellen
Unterscheidungsmerkmal: Im ersten Abschnitt entsteht das Material, im zweiten das Muster darin, im dritten wird aus der Scheibe ein einbaufertiges Bauteil.
A5
Blitzrechnung
AFB I

Auf einem Wafer entstehen 400 Chips. Beim elektrischen Test bestehen 372 davon. Wie groß ist die Ausbeute in Prozent?

Rechne selbst und trage das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
372 : 400 = 0,93 = 93 %. Trick: 400 = 4 · 100, also einfach 372 : 4 = 93 rechnen.
A6
Der Fertigungsweg in fünf Etappen
AFB II

Bringe die Etappen vom Rohstoff bis zum verkaufsfertigen Chip in die richtige Reihenfolge.

Ziehe die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Aus Quarzsand wird Rohsilizium gewonnen.
2Das Silizium wird zu Reinstsilizium gereinigt und zum Einkristall gezogen.
3Der Kristall wird in Wafer gesägt und poliert.
4Belichten, Ätzen, Dotieren und Metallisieren erzeugen die Schaltung.
5Die Chips werden getestet, vereinzelt und in Gehäuse gesetzt.
Am häufigsten rutscht das Sägen hinter das Belichten. Belichtet wird aber immer die fertige, polierte Scheibe — zersägt wird erst ganz am Ende, und dann in einzelne Chips.
A7
Rechenkette
AFB II

Ein Wafer hat 300 mm Durchmesser. Ein Chip misst 10 mm × 10 mm. Die Ausbeute beträgt 80 %. Rechne mit π ≈ 3,14.

Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
  1. Wie groß ist die Fläche des Wafers? mm²
  2. Wie viele Chips passen rechnerisch darauf? Runde auf volle Hundert ab. Chips
  3. Wie viele dieser Chips bestehen bei 80 % Ausbeute den Test? Chips
  4. Die Reinheit wird verbessert, die Ausbeute steigt auf 90 %. Wie viele gute Chips sind es dann? Chips
Die Kette zeigt, warum Reinheit Geld wert ist: Zehn Prozentpunkte mehr Ausbeute bringen bei gleichem Aufwand 70 zusätzliche Chips pro Wafer.
A8
Schritt und Zweck
AFB II

Verbinde jeden Fertigungsschritt mit dem Zweck, den er erfüllt.

Klicke links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Sortiere die Schritte nach der Leitfrage: Geht es um das Material, um das Muster oder um die Verdrahtung? Dann ist die Zuordnung in einem Durchgang erledigt.
A9
Fehlersuche im Schulheft
AFB II

Sechs Sätze aus einem Schulheft — drei davon sind falsch. Finde sie.

In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.
Zeile 6 ist der Klassiker: Eine Zahl aus der Aufgabe wird ungeprüft als Prozentwert übernommen. Frage dich immer zuerst, welcher Wert durch welchen geteilt gehört.
A10
Mehr oder weniger gute Chips?
AFB III

Verändert wird jeweils nur eine Größe der Fertigung. Schätze für jede Zeile ein, wie sich die Zahl der guten Chips je Wafer ändert — ohne zu rechnen.

Wähle für jede Zeile eine Stufe: 1 = viel weniger, 2 = etwas weniger, 3 = unverändert, 4 = etwas mehr, 5 = viel mehr. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = viel weniger5 = viel mehr
Die Wafer laufen durch einen anderen Reinraum derselben Reinheitsklasse.
Der Waferdurchmesser steigt von 200 mm auf 300 mm.
Die Ausbeute sinkt von 90 % auf 80 %.
Die Fläche eines einzelnen Chips wird vervierfacht.
Die Kantenlänge eines Chips sinkt von 10 mm auf 9 mm.
Flächen entscheiden: Waferdurchmesser und Chipkante gehen quadratisch ein, die Ausbeute dagegen nur einfach. Deshalb wiegt ein größerer Wafer schwerer als zehn Prozentpunkte Ausbeute.