FORSCHUNG LEBEN – das Magazin der Universität Stuttgart

Chips auf dem Prüfstand

Neue Testmethoden und Künstliche Intelligenz verbessern die Halbleiterfertigung

Internet, Zahlungsverkehr, Stromversorgung, Verkehr: Nichts kommt mehr ohne integrierte Schaltkreise aus. Durch die Allgegenwart von Chips und Computern gewinnen auch Halbleitertests zunehmend an Bedeutung. Um den wissenschaftlichen Nachwuchs und die Forschung auf diesem Gebiet zu fördern, richtet die Universität Stuttgart in enger Kooperation mit der Firma Advantest eine Graduiertenschule ein.

Wafer (c) Bosch
Wafer werden aus ein- oder polykristallinen Halbleiterrohlingen herstellt und dienen als Substrat für elektronische Bauelemente.

Die Erzeugnisse der 480 Milliarden US-Dollar schweren Halbleiterindustrie werden zum Wegbereiter für neue oder verbesserte Funktionen in immer mehr Produkten des Alltags. „Tatsächlich hängen moderne Gesellschaften heutzutage davon ab, dass Chips zuverlässig und sicher funktionieren“, sagt Prof. Hans-Joachim Wunderlich, Inhaber des Lehrstuhls für Rechnerarchitektur am Institut für Technische Informatik der Universität Stuttgart. „Ohne regelmäßige Überprüfung lassen sich Zuverlässigkeit und Sicherheit der Chips nicht sicherstellen“, so Wunderlich. „Darum erstrecken sich die Tests auch auf den gesamten Lebenszyklus eines integrierten Schaltkreises – von der Entwicklung über die Produktion bis hin zur Überwachung während seines Betriebs.“

Früherkennung senkt Kosten

Entwickler, die einen neuen Chip designen, können dafür zwar immer präziser werdende mathematische Modelle nutzen. Doch parallel schreiten die Miniaturisierung der Strukturen und die Steigerung der Komplexität gleichermaßen rasch voran. So machen allein die Größenordnungen im Bereich weniger Nanometer eine genaue Vorhersage zum Verhalten des neuen Chips schwierig. „Tests an Prototypen tragen deshalb bereits in dieser frühen Phase zu besseren Entwicklungsergebnissen bei“, sagt Wunderlich. Geht der Chip dann in Produktion, wird der Fertigungsprozess sukzessive optimiert. Die Folge: Zu Beginn des Prozesses sind viele Chips auf einem Wafer Ausschuss bzw. entsprechen nicht den strengen Anforderungen, die für sie spezifiziert sind. Daher liegt die Ausbeute anfangs oft nur bei wenigen Prozent. „Die Aufgabe von Testläufen ist hier einerseits, die Spreu vom Weizen zu trennen, und andererseits, wichtige Erkenntnisse aus den Messdaten abzuleiten, was den Fertigungsprozess verbessern könnte“, erläutert Wunderlich. „So gelingt es dem Hersteller nach und nach, die Ausbeute pro Wafer zu steigern und damit die Stückkosten zu senken.“ Bei Speicherchips, wie sie zum Beispiel in jedem PC oder Smartphone zu finden sind, streben die Hersteller in der Massenproduktion Ausbeuten von 99 Prozent an.

Doch auch, wenn ein integrierter Schaltkreis das Werk verlassen hat und in einem wie auch immer gearteten Computersystem arbeitet, spielen Tests weiterhin eine Rolle. „Auf dem Chip sind sozusagen Instrumente integriert, die die Arbeit der anderen Schaltkreise überwachen“, sagt Wunderlich. „Anhand der gewonnenen Testdaten kann der Hersteller einen Rückläufer nach einem Ausfall analysieren, um bestenfalls den Entwicklungsoder Fertigungsprozess entsprechend anzupassen.“ Und so das aufgetretene Problem künftig zu vermeiden.

Prof. Hans-Joachim Wunderlich (li.) beim Kooperationspartner Advantest in Böblingen (c) Universität Stuttgart/U. Regenscheit
Prof. Hans-Joachim Wunderlich (li.) beim Kooperationspartner Advantest in Böblingen an einem der Tester, mithilfe deren Halbleiter über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg geprüft werden können.

Experten gesucht

Was für den Laien sehr kompliziert klingt, ist für Fachleute ein wahrer Fundus an Optionen. „Sie bekommen beim Testen von Chips Daten darüber, wie sich einige hundert Größen im Lauf der Zeit verändern, viele hängen voneinander wechselseitig ab“, umreißt Wunderlich die Herausforderung. Solche Größen können zum Beispiel Temperaturen, Spannungen, Ströme oder die Störanfälligkeit eines Signals sein. „Diese Daten sind schwer zu interpretieren“, sagt der Wissenschaftler, denn oft spielen für den untersuchten Effekt nur eine Handvoll der Parameter überhaupt eine Rolle. Sie zu finden gleicht der berühmten Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen. Eine Suche, die zudem viel Expertise erfordert. Die Fakultät Fünf der Universität Stuttgart will daher im Rahmen der neuen Graduiertenschule gemeinsam mit Advantest an solchen Fragestellungen forschen. Das Unternehmen mit Sitz in Tokio, dessen zweitgrößter Standort in Böblingen angesiedelt ist, gehört zu den führenden Anbietern von automatischen Testlösungen und Messinstrumenten für die Halbleiterindustrie. Es finanziert Ausstattung, Stellen und das Qualifizierungsprogramm und stellt den Promovierenden je einen Mentor oder eine Mentorin zur Seite. Vorgesehen ist auch ein Auslandsaufenthalt.

Forschen mit echten Daten

„Wir arbeiten mit Professor Wunderlichs und anderen Teams der Universität schon seit Jahrzehnten fallbezogen zusammen“, sagt Klaus Siegert, Vice President Forschung & Entwicklung bei Advantest in Böblingen. „Die Graduiertenschule ist aber eine neue Dimension.“ Diese mittelfristige Strategie des Unternehmens sieht den Aufbau einer Cloudbasierten Testinfrastruktur für eigene Kunden vor, die auf Daten und künstlicher Intelligenz beruhen wird. Auch hierzu sollen Kollaborationen wie die mit der Universität Stuttgart beitragen. „Der deutsche Standort ist der erste, der jetzt eine so enge Zusammenarbeit auf den Weg gebracht hat“, sagt Siegert. Die Kooperation ist zunächst auf sechs Jahre angelegt, eine Verlängerung nicht ausgeschlossen. Beide Partner werden aus der gemeinsamen Forschung keine Patente beantragen. So stellen sie sicher, dass weder Publikationen noch die Kommerzialisierung von Resultaten verhindert werden. „Die Graduiertenschule bietet die Möglichkeit, mit echten Daten an etwas zu arbeiten, das in der Industrie auf großes Interesse stoßen wird“, verspricht Siegert, der vor 28 Jahren Elektrotechnik an der Universität Stuttgart studiert hat.

Semiconductor production (c) Bosch
Semiconductor production at Bosch.

KI im Test

Bei der Arbeit des Graduiertenkollegs wird auch Künstliche Intelligenz (KI) ein wichtiges Thema sein. Teilweise bei den Methodiken, um eine bestimmte Fragestellung zu bearbeiten. Teilweise aber auch, wenn es darum geht, die für ein Problem jeweils richtigen Größen zu identifizieren. „Wichtig ist, dass es bei Halbleitertests – anders als in manch anderer Branche, die mit KI-Verfahren arbeitet – nicht nur auf die Klassifi zierung ankommt“, betont Wunderlich. „Vielmehr geht es immer auch darum, zu verstehen, warum bestimmte Abhängigkeiten auftreten.“ Sonst lassen sich Entwicklungs- und Fertigungsprozess oder Betrieb nicht optimieren.

Der Wissenschaftler sieht neben der Ursachensuche bei Design- und Produktproblemen vier weitere Felder, auf denen KI beim Testen nützlich sein kann. Das gilt etwa für Methoden, die dabei helfen, unübersichtliche Testdaten grundsätzlich besser zu verstehen. Darüber hinaus könnte sie zum Einsatz kommen, um die jeweils besten Arbeitszustände eines Chips einzustellen. „Auch die Vorhersage der Lebenszeit und eines Wartungsbedarfs ist eine Prof. Hans-Joachim Wunderlich (li.) beim Kooperationspartner Advantest in Böblingen an einem der Tester, mithilfe deren Halbleiter über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg geprüft werden können. Foto: Universität Stuttgart/U. Regenscheit Aufgabe, die sich mit KI bearbeiten lässt“, so Wunderlich. Und schließlich werde es dank KI möglich, Tests möglichst effi zient und effektiv zu gestalten. „Adaptive Tests – also solche, die aus ihren Ergebnissen selbst lernen – sind unsere Vision.“

Michael Vogel

Prof. Dr. Hans-Joachim Wunderlich
Institut für Technische Informatik, Universität Stuttgart

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Andrea Mayer-Grenu

Wissenschaftsreferentin, Forschungspublikationen

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