Fabrikasi semikonduktor

Fabrikasi alat semikonduktoradalahprosesyang digunakan untuk menciptakan chip,sirkuit terpaduyang hadir di alatlistrikdanelektroniksehari-hari. Proses ini memiliki urutan yang banyak dari fotografi dan pemrosesan kimia di mana sirkuit elektronik diciptakan secara bertahap di ataswaferyang terbuat dari bahanber-semikonduksimurni.Silikonmerupakan bahan semikonduktor yang paling umum digunakan, meskipungallium arsenide,germanium, dan banyak bahan lainnya diguanakan dalam aplikasi khusus.
Keping chip dibuat menggunakan proses pembuatan yang presisi dengan pengujian yang konstan. Wafer silikon dibuat lapis demi lapis menggunakan langkah pemrosesan berulang yang melibatkan gas, bahan kimia, pelarut, dan penggunaan sinar ultraviolet. Prosesnya meliputi pertumbuhan/pengendapan lapisan epitaksi dan film dielektrik, pembentukan pola (litografi dan etsa), implantasi (doping) dan difusi, serta pengendapan logam interkoneksi (aluminium, tembaga). Setiap lapisan dipola menjadi struktur yang sangat halus dengan dimensi mikron atau bahkan nanometer untuk mengembangkan sirkuit terpadu (IC) yang menghasilkan jutaan hingga miliaran transistor yang saling berhubungan. Ketika  selesai, satu wafer akan berisi ratusan cetakan (chip) identik yang harus melewati pengujian ketat dan kemudian dipotong dari wafer. Setiap chip kemudian dipasang ke paket logam atau plastik. Chip yang dipasang menjalani pengujian akhir dan kemudian siap dirakit menjadi produk akhir.
Cakram silikon 12 inci tampak seperti cermin halus dan mengkilat saat tiba di pabrik. Tiga bulan kemudian, mereka ditutupi dengan ukiran rumit yang membentuk miliaran transistor, saklar mikroskopis yang mengontrol arus listrik dan memungkinkan chip melakukan tugas.
Ada sekitar 700 langkah pemrosesan di sepanjang prosesnya, yang melaluinya lusinan lapisan pola dicetak dan diukir di atas satu sama lain, mengikuti desain yang disediakan oleh setiap pelanggan chip. Pikirkan untuk membuat kue atau bolu. Dalam hal ini kuenya akan terdiri dari 60 hingga 75 lapis, dan kue tersebut dibuat dalam waktu sekitar dua setengah, tiga bulan.
Untuk membuat setiap lapisan, wafer dilapisi dengan bahan kimia peka cahaya. Kemudian printer berteknologi tinggi yang dikenal sebagai mesin litografi memproyeksikan pola kecil yang sama berulang-ulang di seluruh wafer, seolah-olah mencetak pola yang sama pada setiap kotak di papan catur, dengan setiap kotak mewakili chip masa depan. Setelah itu, mesin etsa mengukir pola-pola tersebut ke dalam wafer, dan lebih banyak bahan kimia disimpan dan dipanggang ke permukaan. Proses ini berulang-ulang ketika pola-pola berbeda diletakkan di atas satu sama lain untuk menciptakan lusinan lapisan transistor. Kemudian lapisan-lapisan tersebut dihubungkan satu sama lain melalui kabel tembaga untuk memungkinkan sinyal dan daya mengalir ke seluruh chip.
Pod yang membawa wafer jarang beristirahat selama proses tiga bulan ini, berpindah dari mesin ke mesin sesuai dengan rute yang telah diprogram.
Sejarah kelahiran semikonduktor dapat ditelusuri kembali ke penemuan penyearah (konverter AC-DC) pada tahun 1874. Beberapa dekade kemudian, Bardeen dan Brattain di Bell Laboratories di AS menemukan transistor titik-kontak pada tahun 1947, dan Shockley menemukan persimpangan. transistor pada tahun 1948. Hal ini menandai datangnya era transistor. Pada tahun 1946, Universitas Pennsylvania di AS membuat komputer menggunakan tabung vakum. Komputer itu sangat besar sehingga tabung vakumnya memenuhi seluruh gedung, dan mengkonsumsi listrik dalam jumlah besar serta menghasilkan banyak panas. Belakangan, kalkulator transistor (komputer) yang inovatif dikembangkan, dan sejak itu komputer telah berkembang pesat. Pada tahun 1956, Hadiah Nobel Fisika dianugerahkan bersama kepada Shockley, Bardeen dan Brattain atas kontribusi mereka terhadap penelitian semikonduktor dan pengembangan transistor.
Industri semikonduktor berkembang pesat setelah ditemukannya transistor. Pada tahun 1957, jumlahnya sudah melampaui skala 100 juta dolar. Pada tahun 1959, sirkuit terpadu bipolar (IC) ditemukan oleh Kilby dari Texas Instruments dan Noyce dari Fairchild Semiconductor di AS. Penemuan ini berdampak besar pada sejarah semikonduktor, dan menandai dimulainya era IC. Karena ukurannya yang kecil dan ringan, IC banyak digunakan di berbagai peralatan listrik.
Pada tahun 1967, Texas Instruments mengembangkan kalkulator desktop elektronik (kalkulator) menggunakan IC. Di Jepang, produsen peralatan elektronik merilis kalkulator satu demi satu, dan “perang kalkulator” yang sengit terus berlanjut hingga akhir tahun 1970-an. Integrasi IC semakin maju, dan sirkuit terpadu skala besar (LSI) dikembangkan. Teknologi terus maju. VLSI (dari 100 ribu hingga 10 juta komponen elektronik per chip) dikembangkan pada tahun 1980an, dan ULSI (lebih dari 10 juta komponen elektronik per chip) dikembangkan pada tahun 1990an. Pada tahun 2000-an, sistem LSI (LSI multifungsi dengan banyak fungsi terintegrasi dalam satu chip) dimasukkan ke dalam produksi skala penuh. Seiring kemajuan IC menuju kinerja tinggi dan berbagai fungsi, bidang penerapannya berkembang luas. Semikonduktor kini digunakan di setiap sudut masyarakat kita dan mendukung kehidupan sehari-hari.
Berdasarkan metode pasivasi permukaan silikon, Mohamed Atalla mengembangkan proses logam-oksida-semikonduktor (MOS) pada akhir 1950-an. Dia mengusulkan proses MOS dapat digunakan untuk membangun transistor efek medan silikon (FET) pertama yang berfungsi, yang mulai dia kerjakan dengan bantuan Dawon Kahng di Bell Labs.
Transistor efek medan logam-oksida-semikonduktor (MOSFET) ditemukan oleh Atalla dan Kahng di Bell Labs. Mereka membuat perangkat tersebut pada bulan November 1959, dan menyajikannya sebagai "perangkat permukaan yang diinduksi medan silikon-silikon dioksida" pada awal tahun 1960. Dengan skalabilitasnya yang tinggi,[59] dan konsumsi daya yang jauh lebih rendah serta kepadatan yang lebih tinggi dibandingkan transistor sambungan bipolar, MOSFET memungkinkan pembuatan sirkuit terpadu (IC) berdensitas tinggi, yang memungkinkan integrasi lebih dari 10.000 transistor dalam satu IC.
Transistor efek medan gerbang Schottky (MESFET) galium-arsenida pertama dibuat oleh Carver Mead dan dilaporkan pada tahun 1966. Laporan pertama MOSFET gerbang mengambang (FGMOS) dibuat oleh Dawon Kahng dan Simon Sze pada tahun 1967.
MOSFET telah menjadi perangkat yang paling banyak diproduksi dalam sejarah. Pada tahun 1959, MOSFET diperkenalkan dan pada tahun 2020 masih menjadi jenis transistor dominan yang digunakan, dengan perkiraan total 13 sextillion (1,3×1022) MOSFET yang diproduksi antara tahun 1960 dan 2018. Keuntungan utama transistor MOSFET dibandingkan BJT adalah bahwa mereka tidak mengonsumsi arus kecuali saat berpindah status dan memiliki kecepatan peralihan yang lebih cepat (ideal untuk sinyal digital).
Awalnya ada dua jenis logika MOSFET, PMOS (MOS tipe-p) dan NMOS (MOS tipe-n). Kedua jenis ini dikembangkan oleh Atalla dan Kahng ketika mereka pertama kali menemukan MOSFET, membuat perangkat PMOS dan NMOS dengan proses 20 μm.
Logika MOSFET jenis baru, CMOS (MOS komplementer), ditemukan oleh Chih-Tang Sah dan Frank Wanlass di Fairchild Semiconductor, dan pada bulan Februari 1963 mereka mempublikasikan penemuan tersebut dalam makalah penelitian.
Transistor MOSFET gerbang penyelarasan diri (gerbang silikon) ditemukan oleh Robert Kerwin, Donald Klein dan John Sarace di Bell Labs pada tahun 1967. Peneliti Semikonduktor Fairchild Federico Faggin dan Tom Klein kemudian menggunakan MOSFET gerbang penyelarasan diri untuk mengembangkan silikon pertama. sirkuit terpadu gerbang MOS.
Alat semikonduktoratau semiconductor devices, adalah sejumlah komponen elektronik yang menggunakan sifat-sifat materisemikonduktor, yaitusilikon,germanium, dangallium arsenida.Alat-alat semikonduktor zaman sekarang telah menggantikanalat thermionik(sepertitabung hampa). Alat-alat semikonduktor ini menggunakan konduksi elektronik dalambentuk padat(solid state), bukannyabentuk hampa(vacuum state) ataubentuk gas(gaseous state). Alat-alat semikonduktor dapat ditemukan dalam bentuk-bentukdicrete(potongan) sepertitransistor,diode, dll, atau dapat juga ditemukan sebagai bentuk terintegrasi dalam jumlah yang sangat besar (jutaan) dalam satu keping silikon yang dinamakansirkuit terpadu(IC).
Secara umum, Transistor dapat digolongkan menjadi dua keluarga besar yaitu Transistor Bipolar dan Transistor Efek Medan (Field Effect Transistor). Perbedaan yang paling utama diantara dua pengelompokkan tersebut adalah terletak pada bias Input (atau Output) yang digunakannya. Transistor Bipolar memerlukan arus (current) untuk mengendalikan terminal lainnya sedangkan Field Effect Transistor (FET) hanya menggunakan tegangan saja (tidak memerlukan arus). Pada pengoperasiannya, Transistor Bipolar memerlukan muatan pembawa (carrier) hole dan electron sedangkan FET hanya memerlukan salah satunya.
Berikut ini adalah jenis-jenis Transistor beserta penjelasan singkatnya.
Transistor Bipolar adalah Transistor yang struktur dan prinsip kerjanya memerlukan perpindahan muatan pembawanya yaitu electron di kutup negatif untuk mengisi kekurangan electon atau hole di kutub positif.   Bipolar berasal dari kata “bi” yang artinya adalah “dua” dan kata “polar” yang artinya adalah “kutub”. Transistor Bipolar juga sering disebut juga dengan singkatan BJT yang kepanjangannya adalah Bipolar Junction Transistor.
Jenis-jenis Transistor Bipolar
Transistor Bipolar terdiri dari dua jenis yaitu Transistor NPN dan Transistor PNP. Tiga Terminal Transistor ini diantaranya adalah terminal Basis, Kolektor dan Emitor.
Transistor Efek Medan atau Field Effect Transistor yang disingkat menjadi FET ini adalah jenis Transistor yang menggunakan listrik untuk mengendalikan konduktifitasnya. Yang dimaksud dengan Medan listrik disini adalah Tegangan listrik yang diberikan pada terminal Gate (G) untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan pada terminal Drain (D) ke terminal Source (S). Transistor Efek Medan (FET) ini sering juga disebut sebagai Transistor Unipolar karena pengoperasiannya hanya tergantung pada salah satu muatan pembawa saja, apakah muatan pembawa tersebut merupakan Electron maupun Hole.
Jenis-jenis Transistor Efek Medan (Field Effect Transistor)
Transistor jenis FET ini terdiri dari tiga jenis yaitu Junction Field Effect Transistor (JFET), Metal Oxide Semikonductor Field Effect Transistor (MOSFET) dan Uni Junction Transistor (UJT).
Semikonduktor secara luas dapat diklasifikasikan menjadi dua kategori utama:
Semikonduktor intrinsik adalah bahan murni yang memiliki jumlah pembawa muatan mayoritas dan minoritas yang seimbang, sehingga menghasilkan konduktivitas listrik yang relatif rendah. Di sisi lain, semikonduktor ekstrinsik dibuat dengan memasukkan pengotor, atau dopan, ke dalam bahan intrinsik, yang secara signifikan mengubah sifat listriknya.
Doping adalah proses menambahkan pengotor ke bahan semikonduktor untuk membuat semikonduktor tipe-n atau tipe-p. Semikonduktor tipe-N dibuat dengan memasukkan pengotor donor yang memberikan elektron bebas tambahan, sehingga meningkatkan konduktivitas material. Sebaliknya, semikonduktor tipe-p dibentuk dengan menambahkan pengotor akseptor yang menciptakan lubang tambahan, membuat material lebih konduktif terhadap muatan positif.
Semikonduktor tipe-n dan tipe-p memiliki sifat dan aplikasi yang unik, dan masing-masing memainkan peran penting dalam pembentukan perangkat elektronik. Misalnya, kombinasi material tipe-n dan tipe-p dapat digunakan untuk membuatdioda,transistor,thyristor,amplifier, dan komponen dasar elektronik modern lainnya.
Proses fabrikasi semikonduktor adalah serangkaian langkah kompleks dan rumit yang mengubah bahan mentah menjadi sirkuit terpadu yang sangat canggih. Proses ini melibatkan banyak tahapan penting, termasuk persiapan wafer, fotolitografi, etsa, doping, metalisasi, pasivasi, pengemasan, dan pengujian. Dengan kemajuan berkelanjutan dalam material, teknik, dan peralatan, industri semikonduktor terus mendorong batas-batas inovasi dan skala, memungkinkan pengembangan perangkat elektronik yang lebih kecil, lebih bertenaga, dan lebih efisien.
Meskipun berbagai macam material dapat menunjukkan sifat semikonduktor, beberapa material lebih umum digunakan dalam pembuatan perangkat elektronik karena karakteristik spesifiknya. Dua bahan semikonduktor yang paling umum adalah silikon dan galium arsenida.
Silikon adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan, terutama karena kelimpahannya, biayanya rendah, dan sifatnya yang relatif stabil pada suhu tinggi. Konduktivitas listrik Silikon sekitar 1000 S/m. Selain itu, silikon memiliki infrastruktur fabrikasi yang mapan, menjadikannya pilihan yang menarik bagi produsen. Namun silikon memiliki beberapa kelemahan, seperti mobilitas elektron yang lebih rendah dibandingkan bahan lain, sehingga dapat membatasi kinerja perangkat berkecepatan tinggi.
Gallium arsenida adalah bahan semikonduktor populer lainnya, yang dihargai karena mobilitas elektronnya yang lebih tinggi dan celah pita langsung. Sifat-sifat ini membuatnya cocok untuk aplikasi optoelektronik, seperti laser dan sel surya. Namun, galium arsenida lebih mahal dan jumlahnya lebih sedikit dibandingkan silikon, sehingga membatasi penerapannya secara luas. Kelemahan lain galium arsenida adalah secara intrinsik bersifat semi-isolator dan bukan semikonduktor dengan konduktivitas listrik 0,000001 S/m.
Selain silikon dan galium arsenida, para peneliti terus mengeksplorasi material baru dengan sifat semikonduktor yang menjanjikan. Bahan-bahan tersebut termasuk aluminium nitrida, karbon nanotube, dan banyak bahan lainnya yang berpotensi merevolusi industri. Seiring dengan berkembangnya pemahaman kita tentang material baru ini, kemungkinan besar material tersebut akan memainkan peran yang semakin penting di masa depan fabrikasi semikonduktor.
Bahan berdasarkan konduktivitas listriknya dibedakan menjadi isolator, konduktor, dan semikonduktor. Konduktivitas adalah sifat yang memungkinkan suatu bahan untuk menghantarkan listrik.
Dilansir dari Encyclopaedia Britannica, isolator adalah bahan yang menghalangi arus listrik sehingga tidak bisa menghantarkan listrik. Terlihat pada gambar bahwa bahan isolator memiliki bandgap atau jurang pembatas dimana elektron tidak cukup kuat untuk melompatinya sehingga aliran listrik terhenti. Yang termasuk bahan isolator adalah bahan dengan konduktivitas sangat rendah seperti kertas, plasti, batu-bata, karet, mika, dan udara. Pernahkah kamu tersengat listrik karena kabel yang terkelupas? Bagian yang terkelupas tersebut adalah isolator yang terbuat dari karet. Isolator menjaga agar listrik tidak bocor keluar sehingga tidak membahayakan makhluk hidup. Selain itu isolator juga berfungsi mengisolasi komponen elektronik sehingga tidak ada arus yang bercampur dan alat elektronik dapat bekerja dengan baik.
Konduktor adalah bahan yang dapat menghantarkan arus listrik kaena memiliki konduktivitas tinggi. Konduktor memiliki konduktivitas tinggi karena memiliki pita energi yang tidak terputus atau kontinu. Terlihat pada gambar, pita energi konduktor tidak terpisah sehingga elektron akan terus lewat tanpa hambatan dan arus listrik terus mengalir. Dilansir dari ThoughtCo, bahan yang termasuk konduktor lemah dalah perak, emas, tembaga, alumunium, air raksa, baja, besi, larutan elektrolit seperti air laut, dan air raksa. Adapun yang termasuk konduktor kuat adalah platinum, kuningan, perunggu, grafik, dan larutan elektrolit kuat seperti air lemon. Arus listrik dari pembangkit listrik mengalir melalui kabel dengan konduktor didalamnya sehingga bisa sampai ke rumahmu.
Semikonduktor adalah bahan yang dapat menghantarkan listrik dalam kondisi tertentu. Dilansir dari Lumen Learning, semikonduktor terdiri dari dua jenis yaitu intrinsik dan ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik hanya terdiri dari satu bahan seperti silikon, selenium, atau germanium. Pada semikonduktor intrinsik dapat menghantarkan listrik saat diberikan panas. Panas memberikan tambahan energi pada elektron untuk meloncati jurang bandgap semikonduktor yang tidak terlalu jauh. Sedangkan semikonduktor ektrinsik terdiri dari dua bahan, yaitu tipe p atau positif dan tipe n atau negatif yang tergabung. Semikonduktor tipe n memiliki kelebihan satu elektron valesnsi sehingga mampu melepaskan elektron. Adapun semikonduktor tipe p adalah pembawa muatan bebas atau dapat dibilang memiliki lubang. Saat diberikan arus listrik, elektron dari tipe n akan mengisi lubang-lubang pada tipe p membuat arus dapat mengalir melewati band gap atau jurang kecil semikonduktor.
Proses fabrikasi semikonduktor adalah serangkaian langkah kompleks dan sangat terspesialisasi yang mengubah bahan mentah menjadi komponen elektronik fungsional. Proses ini melibatkan banyak teknik dan teknologi, dan setiap tahapan memerlukan kontrol yang tepat dan perhatian terhadap detail. berbagai tahapan yang terlibat dalam fabrikasi semikonduktor, mulai dari pertumbuhan kristal semikonduktor hingga pengemasan akhir perangkat.
Proses fabrikasi diawali dengan pertumbuhan kristal semikonduktor berkualitas tinggi yang berfungsi sebagai bahan dasar produksi perangkat elektronik. Dalam kasus silikon, metode pertumbuhan kristal yang paling umum adalah proses Czochralski. Proses lain yang banyak digunakan termasuk metode Kyropoulos, teknik Zona Terapung, metode Verneuil, teknik Bridgman, dll. Proses Czochralski melibatkan peleburan silikon dengan kemurnian tinggi di bawah atmosfer terkendali dan kemudian mendinginkannya hingga nol derajat Celcius. Kemudian kristal tunggal diekstraksi dari lelehan dan diiris menjadi wafer film tipis. Selain itu, wafer dipoles dan dibersihkan dengan hati-hati untuk menghasilkan permukaan murni untuk langkah pemrosesan selanjutnya. Salah satu keuntungan menggunakan proses Czochralski adalah menghasilkan pertumbuhan kristal yang baik.
Sebuahwaferpada umumnya terbuat darisilikonyang sangat murni yang dikembangkan menjadiingotsilindermono-crystallineyang memiliki diameter sampai 300 mm menggunakanproses Czochralski. Ingot-ingot ini kemudian dipotong menjadi wafer dengan ketebalan 0,75mm dan disemir untuk mendapatkan permukaan yang rata dan teratur.
Semikonduktor atau silikon kelas surya terbuat dari silika sebagai bahan baku melalui langkah multi-produksi. Silika merupakan material yang paling melimpah di kerak bumi.
Silikon logam unsur dibuat dengan metode reduksi karbotermik dalam tungku listrik. Kemurniannya sekitar 99% yang masih terlalu rendah untuk digunakan sebagai silikon kelas semikonduktor.
(Si02 + 2CSi +2CO)
Unsur silikon kembali dibentuk dengan metode Siemens. Batang ini terbuat dari polikristal, tetapi kemurniannya mencapai 99,999999999% yang disebut “sebelas-sembilan”. Kemurnian “sembilan-sembilan dapat diterima untuk polisilikon tingkat surya.
(HiSCl3+H2Si + 3HCl)
Proses imi menghasilkan Electronic-grade rod dan Solar Grade rod
Ingot kristal tunggal bebas dislokasi dengan orientasi pasti ditumbuhkan dari lelehan polisilikon olehCzochralski(CZ), CZ yang dimodifikasi, atau proses pengecoran multikristalin. Dalam semua proses, sejumlah kecil zat (B, P, So, As) didoping untuk mengatur jenis resistivitas dan konduktivitas.
Ingot silikon kristal tunggal diiris menjadi wafer menggunakan gergaji berlian.
Wafer dipoles berulang kali untuk mendapatkan hasil akhir seperti cermin menggunakan proses mechano-kimia
Kerataan, partikel, goresan, kontaminasi dan deformasi wafer lainnya menjadi perhatian utama dalam proses wafer. Kemurnian bahan kimia, air dan kebersihan proses merupakan faktor kunci dalam produksi.
Sel surya Perangkat yang mengubah foton dari matahari (cahaya matahari) menjadi listrik. Perangkat Semikonduktor IC, LSI, VLSI, dan perangkat diskrit adalah dasar dari perangkat elektronik canggih saat ini dan masa depan.
Setelah wafer dipersiapkan, banyak proses dibutuhkan untuk memproduksi semikonduktor sirkuit terintegrasi yang diinginkan. Pada umumnya, langkah-langkah tersebut dibagi menjadi empat bidang:
Ini adalah daftar teknik pemrosesan yang digunakan berkali-kali selama pembuatan perangkat elektronik modern; Daftar ini tidak selalu berarti pesanan tertentu, atau semua teknik diambil selama pembuatan karena, dalam praktiknya, pesanan dan teknik mana yang diterapkan, sering kali khusus untuk penawaran proses oleh pabrik pengecoran, atau khusus untuk produsen perangkat terintegrasi (IDM) untuk produk mereka sendiri, dan perangkat semikonduktor mungkin tidak memerlukan semua teknik. Peralatan untuk melaksanakan proses ini dibuat oleh segelintir perusahaan. Semua peralatan perlu diuji sebelum pabrik fabrikasi semikonduktor dimulai. Proses-proses ini dilakukan setelah desain sirkuit terpadu. Pabrik semikonduktor beroperasi 24/7 dan banyak pabrik menggunakan air dalam jumlah besar, terutama untuk membilas chip.
Selain itu langkah-langkah seperti Wright etsa dapat dilakukan.
Silika, suatu bentuk silikon (Sio 2), muncul secara alami dalam bentuk kuarsa. Silikon, selain oksigen, menyumbang 27,8% kerak bumi dan merupakan unsur paling melimpah di alam. Berbeda dengan hidrogen dan helium yang mendominasi materi tampak di alam semesta, silikon memiliki kandungan massa kurang dari 0,1%.
Penggunaan silikon dalam perangkat semikonduktor memerlukan silikon metalurgi dengan kemurnian tinggi. Proses mengubah silikon mentah menjadi substrat kristal tunggal yang dapat digunakan dalam proses semikonduktor modern dimulai dengan degradasi silikon dioksida murni. Silikon murni (99,9%) diperoleh dengan elektrolisis dari silikon padat dan senyawa silikon lainnya.
Selain itu, silikon murni yang digunakan dalam sirkuit terpadu terdiri dari satu kristal sempurna. Kristal silikon tunggal terdiri dari atom-atom dalam pola periodik tiga dimensi yang memanjang di sekitar kristal. Semikonduktor yang terbuat dari silikon menjadi wafer yang menjadi silikon pada wafer tersebut.
Kristal polisilikon, yang membentuk banyak kristal tunggal yang lebih kecil dengan orientasi berbeda, tidak digunakan dalam perangkat semikonduktor. Metode Czoralski adalah metode pertumbuhan kristal yang dapat menghasilkan semikonduktor kristal tunggal.
Silikon elektronik (EGS) adalah bahan baku produksi kristal tunggal yang terbuat dari silikon. Pengotor doping (atom seperti boron dan fosfor) ditambahkan ke silikon semikonduktor dengan kemurnian tinggi (beberapa bagian per juta pengotor) dan doping semikonduktor yang tepat mengubahnya menjadi silikon tipe P atau tipe ORN, sejenis silikon dengan sifat elektronik yang berbeda. Bahan dasar semikonduktor digunakan untuk menumbuhkan kristal, dan dalam produksi wafer silikon, pengotornya disebut sebagai PbA dan PbPma.
Silikon elektronik (EGS) didoping dengan unsur-unsur dalam kisaran bagian per miliar (ppb) karbon dan kurang dari 2 bagian per juta (ppm) - jika silikon dimurnikan dengan doping dengan unsur-unsur seperti boron, fosfor, dan arsenik, silikon tersebut dapat diolah menjadi digunakan sebagai semikonduktor untuk berbagai aplikasi. Silikon elektronik adalah bentuk murni silikon polikristalin yang diubah menjadi ingot silikon monokristalin menggunakan proses Czoralskis.
Sebagian besar Mg Si digunakan dalam aplikasi metalurgi pada paduan silikon seperti aluminium dan besi untuk meningkatkan sifat tertentu. Poli polikristalin digunakan untuk membentuk struktur komponen seperti transistor, gerbang dan sirkuit terpadu. Silikon elektronik dan poli kristal dalam bentuk non-kristal amorf (seperti kaca) digunakan dalam sel fotovoltaik (surya) dan transistor film tipis.
Peleburan zona, juga dikenal sebagai pemurnian zona, adalah metode pembersihan silikon pertama di mana sebatang silikon metalurgi dipanaskan hingga meleleh di salah satu ujungnya. Pemanas menggerakkan panjang batang dan menjaga sebagian kecil batang tetap meleleh saat mendingin dan mengeras.
Proses penghilangan material menghilangkan lapisan tipis silikon yang diperlukan untuk produksi wafer yang permukaannya bebas dari kerusakan. Selama proses ini, kabut dapat terbentuk pada permukaan wafer, sehingga memerlukan langkah pemolesan tambahan untuk memberikan hasil akhir yang seperti cermin.
TC diuapkan dan disuling hingga mencapai tingkat kemurnian yang tinggi, kemudian diencerkan dengan H2 sebelum dialirkan ke reaktor pengendapan, di mana TC diubah menjadi silikon elementer. Ini secara alami diubah menjadi Mg Si-TC sehingga pengotor seperti Fe, Al dan B dapat dihilangkan.
Homogenitas doping dalam arah aksial dan radial terbatas pada silikon Czochralski, sehingga sulit untuk mendapatkan wafer dengan resistansi lebih dari 100 ohm/cm. Silikon memiliki indeks bias yang besar (ruang 60-25) dan rangkaian pantulan udara dengan serapan dan transmisi yang signifikan (nol) [52]. Pengotor oksigen dan karbon mengurangi panjang difusi wafer silikon.
Ada kebutuhan yang kuat untuk analisis teoretis dan eksperimental terhadap fenomena kapilaritas suhu tinggi serta perambatan dan infiltrasi lembab yang terjadi dalam sistem keramik Si-B dan X tertentu. Pada bagian berikut, kami menyajikan ikhtisar literatur dan data studi teoritis dan eksperimental fenomena suhu tinggi yang terjadi dalam interaksi bahan berbasis Si dengan keramik yang tersedia, serta ringkasan kesimpulan penelitian yang kami lakukan. menggunakan metode berbasis sessile drop yang dikombinasikan dengan berbagai metode eksperimental yang baru dikembangkan.
Beberapa bahan tahan api yang dikembangkan untuk silikon fotovoltaik suhu tinggi adalah grafit padat [34] (SIC), silikon grafit [5] dan silikon nitrida yang dicampur dengan silika [67], namun bahan ini belum banyak digunakan dalam sistem LHTE karena pengoperasiannya yang bervariasi. kondisi.
Selain itu, wafer silikon premium harganya mahal dibandingkan dengan kualitas silikon lainnya, meskipun kualitas dan masa pakai serta kinerjanya yang lebih lama membenarkan harganya. Silikon murni, juga dikenal sebagai silikon metalurgi, memiliki kualitas yang baik tetapi tidak cocok untuk pembuatan perangkat elektronik. Biayanya yang mahal untuk aplikasi lain seperti sel surya dan liquid crystal display (EG), menjadikan silikon bedah yang ditingkatkan (UMG-SI) sebagai alternatif yang menarik.
Karena kemurnian batu kuarsa yang tinggi, pasir pantai dan kuarsa adalah bahan baku paling umum untuk grade elektronik. Tidak semua pasir adalah kuarsa, namun pasir yang diekstraksi untuk tujuan ini memiliki konsentrasi kuarsa dan silikon dioksida hingga 95%. Pembersihan dimulai dengan memanaskan pasir untuk mengurangi karbon yang dihasilkan karbon monoksida dan silikon.
Sintesis dan pemurnian bahan semikonduktor polikristalin massal merupakan langkah pertama menuju fabrikasi komersial perangkat elektronik. Bahan polikristalin inilah yang kemudian digunakan sebagai bahan baku pembentukan bahan kristal tunggal yang diolah menjadi wafer semikonduktor. Pengaruh kuat terhadap karakteristik kelistrikan semikonduktor yang ditunjukkan oleh sejumlah kecil pengotor memerlukan bahan baku massal dengan kemurnian sangat tinggi (> 99,9999%). Meskipun beberapa tingkat pemurnian dimungkinkan selama proses kristalisasi, penting untuk menggunakan bahan awal dengan kemurnian setinggi mungkin.
Setelah oksigen (46%), silikon (L. silicis flint) merupakan unsur paling melimpah di kerak bumi (28%). Namun, silikon tidak terdapat dalam bentuk unsurnya, melainkan dalam bentuk oksidanya (SiO 2 ) atau dalam bentuk silikat. Pasir, kuarsa, kecubung, batu akik, batu api, dan opal adalah beberapa bentuk oksida yang muncul. Granit, hornblende, asbes, feldspar, tanah liat dan mika, dll. adalah beberapa dari sekian banyak mineral silikat. Dengan pasokan bahan mentah yang tidak terbatas, biaya yang terkait dengan produksi silikon curah bukanlah abstraksi dan konversi oksida, namun pemurnian unsur silikon mentah. Meskipun unsur silikon 98%, yang dikenal sebagai silikon tingkat metalurgi (MGS), mudah diproduksi dalam skala besar, persyaratan kemurnian ekstrem untuk fabrikasi perangkat elektronik memerlukan langkah pemurnian tambahan untuk menghasilkan silikon tingkat elektronik (EGS). Silikon tingkat elektronik juga dikenal sebagai silikon tingkat semikonduktor (SGS). Agar tingkat kemurnian dapat diterima untuk pertumbuhan kristal berikutnya dan fabrikasi perangkat, EGS harus memiliki tingkat pengotor karbon dan oksigen kurang dari beberapa bagian per juta (ppm), dan pengotor logam pada kisaran bagian per miliar (ppb) atau lebih rendah.
EGS adalah bahan baku pembuatan silikon kristal tunggal. Ini adalah bahan polikristalin dengan kemurnian tinggi dan memerlukan elemen doping berada dalam kisaran bagian per miliar. Pengotor utama - boron,fosfor,karbon. Langkah pertama adalah produksi silikon kelas metalurgi (MGS) dalam tungku busur elektroda terendam. Tungku diisi dengan kuarsit dan karbon.
Reaksi yang terjadi di dalam tungku adalah :
Bahan sumber khas untuk produksi komersial unsur silikon adalah kerikil kuarsit; bentuk pasir yang relatif murni (SiO 2). Contohnya, langkah pertama dalam sintesis silikon adalah peleburan dan reduksi silika dalamtungku busur elektroda terendam,submerged-electrode arc furnace. Campuran kerikil kuarsit dan karbon dipanaskan hingga suhu tinggi (sekitar 1800 °C) di dalam tungku. Lapisan karbon terdiri dari campuran batu bara, kokas, dan serpihan kayu. Yang terakhir ini memberikan porositas yang diperlukan sehingga gas yang tercipta selama reaksi (SiO dan CO) dapat mengalir melalui lapisan. Campuran kerikil kuarsit dan karbon dipanaskan hingga suhu tinggi (sekitar 1800 °C) di dalam tungku. Lapisan karbon terdiri dari campuran batu bara, kokas, dan serpihan kayu. Yang terakhir ini memberikan porositas yang diperlukan sehingga gas yang tercipta selama reaksi (SiO dan CO) dapat mengalir melalui lapisan.
Reaksi awal antara lelehan SiO 2 dan C, terjadi pada busur antara elektroda yang berdekatan, dimana suhu lokal dapat melebihi 2000 °C. SiO dan CO kemudian menghasilkan aliran ke zona yang lebih dingin di tungku tempat SiC terbentuk, atau lebih tinggi di lapisan tempat mereka membentuk kembali SiO 2 dan C, SiC bereaksi dengan lelehan SiO 2, menghasilkan silikon yang diinginkan bersama dengan SiO dan CO. Silikon cair yang terbentuk dikeluarkan dari tungku dan dipadatkan.
MGS yang diproduksi sekitar 98-99% murni, dengan pengotor utama adalah aluminium dan besi, namun, memperoleh tingkat pengotor boron yang rendah sangatlah penting, karena merupakan hal yang penting. sulit untuk dihilangkan dan berfungsi sebagai dopan untuk silikon. Kelemahan dari proses di atas adalah memerlukan banyak energi dan bahan mentah. Diperkirakan produksi satu metrik ton (1.000 kg) MGS memerlukan 2500 - 2700 kg kuarsit, 600 kg arang, 600 - 700 kg batu bara atau kokas, 300 - 500 kg serpihan kayu, dan tenaga listrik 500.000 kWh. Saat ini, sekitar 500.000 metrik ton MGS diproduksi per tahun di seluruh dunia. Sebagian besar produksinya (sekitar 70%) digunakan untuk aplikasi metalurgi (misalnya, paduan aluminium-silikon biasanya digunakan untuk blok mesin otomotif) yang merupakan asal mula namanya. Aplikasi dalam berbagai produk kimia seperti resin silikon menyumbang sekitar 30%, dan hanya 1% atau kurang dari total produksi MGS yang digunakan dalam pembuatan EGS dengan kemurnian tinggi untuk industri elektronik. Konsumsi EGS di seluruh dunia saat ini adalah sekitar 5 x 10 6 kg per tahun.
Silikon tingkat elektronik (EGS) adalah bahan polikristalin dengan kemurnian sangat tinggi dan merupakan bahan mentah untuk pertumbuhan silikon kristal tunggal. EGS adalah salah satu bahan paling murni yang umum tersedia. Pembentukan EGS dari MGS dilakukan melalui proses pemurnian kimia. Konsep dasarnya melibatkan konversi MGS menjadi senyawa silikon yang mudah menguap, yang dimurnikan dengan distilasi, dan selanjutnya diurai untuk membentuk kembali unsur silikon dengan kemurnian lebih tinggi (yaitu, EGS). Terlepas dari rute pemurnian yang digunakan, langkah pertama adalah penghancuran fisik MGS diikuti dengan konversi menjadi senyawa silikon yang mudah menguap.
Pembentukan EGS dari MGS dilakukan melalui proses pemurnian kimia. Konsep dasarnya melibatkan konversi MGS menjadi senyawa silikon yang mudah menguap, yang dimurnikan dengan distilasi, dan selanjutnya diurai untuk membentuk kembali unsur silikon dengan kemurnian lebih tinggi (yaitu, EGS). Terlepas dari rute pemurnian yang digunakan, langkah pertama adalah penghancuran fisik MGS diikuti dengan konversi menjadi senyawa silikon yang mudah menguap.
Sejumlah senyawa, seperti monosilana (SiH 4 ), diklosilana (SiH 2 Cl 2 ), triklorosilan (SiHCl 3 ), dan silikon tetraklorida (SiCl 4 ), telah dianggap sebagai zat antara kimia. Diantaranya, SiHCl 3 telah digunakan terutama sebagai senyawa antara untuk pembentukan EGS selanjutnya, meskipun SiH 4 digunakan pada tingkat yang lebih rendah. Silikon tetraklorida dan turunan terklorinasi rendahnya digunakan untuk pertumbuhan deposisi uap kimia (CVD) Si dan SiO 2 . Titik didih silan dan produk terklorinasinya sedemikian rupa sehingga mudah dipisahkan satu sama lain melalui distilasi fraksional. sedemikian rupa sehingga mudah dipisahkan satu sama lain melalui distilasi fraksional.
Alasan dominannya penggunaan SiHCl 3 dalam sintesis EGS adalah sebagai berikut:
Electronic Grade Silicon (EGS), juga dikenal sebagai Silicon kelas semikonduktor, adalah bentuk Silikon ultra murni yang digunakan dalam industri elektronik dan semikonduktor untuk membuat sirkuit terpadu, sel surya, dan perangkat teknologi tinggi lainnya. Tingkat kemurnian yang tinggi ini sangat penting karena sedikit saja pengotor dapat mempengaruhi kinerja dan efisiensi perangkat elektronik secara signifikan.
Berikut adalah spesifikasi utama dari Electronic Grade Silicon:
Silikon Kelas Elektronik dicirikan oleh kemurniannya yang tinggi, konsentrasi dopan yang terkontrol, tingkat pengotor jejak yang rendah, struktur kristal yang terdefinisi dengan baik, resistivitas spesifik, serta permukaan dan dimensi permukaan yang presisi. Spesifikasi ini memastikan bahwa Silicon cocok untuk pembuatan perangkat elektronik dan semikonduktor berkinerja tinggi.