Vom Sandkorn zu Datenspeicher

Lieferzeiten bei Storage- Produkten optimieren

2. August 2022, 12:51 Uhr | Von Matthias Lippold, Product Sales Manager Storage Central Europe bei Rutronik
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Bis zu vier Monate kann die Lieferzeit von industriellen SD-Karten betragen. Der Grund dafür ist der lange Herstellungsprozess der Flash-basierten Speicher. Eine gute Organisation und verlässliche Distributoren sind für einen reibungslosen Ablauf unabdinglich.

Im Konsumgüterbereich erfolgt die Herstellung von Bauteilen üblicherweise nach dem Build-to-Stock-Verfahren. Das bedeutet, dass die Fertigung großer Stückzahlen schon vor dem Auftrag erfolgt. Ein Großhändler kauft die Ware und der Kunde bekommt das Produkt nach ein bis zwei Tagen. Für die Industrie hingegen arbeiten Hersteller in der Regel nach dem Build-to-Order-Verfahren. Die Produktion von industriellen Bauteilen beginnt erst nach Auftragseingang. Aufgrund des sehr aufwendigen Fertigungsverfahrens verlängern sich bei großen und unerwarteten Bestellungen die Lieferzeiten nochmals. So ist es auch bei SD-Karten für industrielle Anwendungen. Die Lieferung der kleinen Datenträger dauert ganze drei bis vier Monate. Grund dafür ist der lange Herstellungsprozess, welcher sich in drei Einzelschritte unterteilt: die Produktion der Wafer, die Anfertigung der Chips und das Herstellen, Testen sowie Verpacken der SD-Karten.

[Gewinnung von Einkristallen

Wafer bilden die Ausgangsbasis des Flash-Speichers. Auf diesen Scheiben entstehen später die integrierten Schaltkreise (Inte­gra­ted Circuits, ICs). Die Herstellung der Wafer aus Quarzsand mithilfe des Czochralski-Verfahrens dauert etwa ein bis zwei Wochen. Bei diesem Verfahren wird als Erstes polykristallines Silizium mit Dotierstoffen in einem Quarztiegel bei knapp über 1410 °C, dem Schmelzpunkt von Silizium, in einer Inertgas-Atmosphäre (z. B. Argon) eingeschmolzen. In diese Si-Schmelze taucht dann ein Si-Einkristall (Impfling). Durch die Wärmeabfuhr beginnt das geschmolzene Silizium über den Impfling auszukristallisieren. Um die Homogenität und Dotierung des Kristalls zu optimieren, wird bei gegenläufiger Rotation von Tiegel und wachsendem Kristall der Impfling langsam aus der Schmelze gezogen. Damit der Durchmesser des anwachsenden Siliziumzylinders (sog. Ingot) möglichst gleichmäßig wird, beträgt die Ziehgeschwindigkeit üblicherweise wenige Zentimeter pro Stunde. Bevor das Kristallwachstum endet, wird die Geschwindigkeit sukzessive erhöht. Dadurch verringert sich der Durchmesser auf null und vermeidet Spannungsschäden im Kristall.

Das Czochralski-Verfahren ist im Vergleich beispielsweise zum Float-Zone-Verfahren die wirtschaftlichere Variante. Dadurch sind die Wafer kostengünstiger. Auch werden damit große Kristalldurchmesser von derzeit bis zu 46 cm realisierbar. Herausforderungen stellen zum einen mögliche Verunreinigungen mit O2, Kohlenstoff oder diversen Metallen durch die Tiegelwand dar. Denn diese reduzieren die Minoritäten-Lebensdauer im Silizium. Auch können damit keine sehr gering dotierten, hochohmigen CZ-Wafer mit >107 Ω·cm hergestellt werden. Optimiert werden kann das Verfahren jedoch durch ein Magnetfeld bei der Schmelze (Magnetic Czochralski, MCZ): Es erhöht die Homogenität der integrierten Dotierstoffkonzentration, indem nichtstationäre Strömungen der Schmelze verdrängt werden.

[Die letzten Schritte bis zum Wafer

Nach der Durchführung des Czochralski-Verfahrens messen die Einkristalle bis über zwei Meter und besitzen unterschiedliche Durchmesser. Sie werden nun gekürzt und in gleich große Zylinder zerteilt, welche für die Produktion der Flash-Speicher notwendig sind. Eine Drahtsäge schneidet aus diesen Ingots die einzelnen Waferscheiben mit einer Dicke von etwa 1 mm. Anschließendes Schleifen, Ätzen, Polieren und Reinigen bringt sie auf ihre gewünschte Dicke und entfernt Unebenheiten. Je nach Werkstoff und Verwendungszweck variieren die Durchmesser der Scheiben. Bei Silizium sind 150 mm, 200 mm und 300 mm die derzeit gängigsten Maße. Je größer der Durchmesser, desto mehr ICs haben auf einer Scheibe Platz. Zudem ist der Verschnitt bei größeren Wafern geringer – die Herstellung ist also kostengünstiger und ressourcenschonender.

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