Fabrikasi wafer (elektronik)

Fabrikasi waferadalahproseduryang terdiri dari banyakprosesberurutan berulang untuk menghasilkanrangkaian listrikataufotoniklengkap padawafersemikonduktordalam prosesfabrikasi perangkat semikonduktor. Contohnya termasuk produksi penguat frekuensi radio (RF), LED, komponen komputer optik, danmikroprosesoruntukkomputer. Fabrikasi wafer digunakan untuk membuat komponen dengan struktur listrik yang diperlukan.
Proses utama dimulai dengan insinyur kelistrikan merancang rangkaian dan mendefinisikan fungsinya, serta menentukan sinyal, input/output, dan voltase yang diperlukan. Spesifikasi rangkaian listrik ini dimasukkan ke dalam perangkat lunak desain sirkuit listrik, seperti SPICE, dan kemudian diimpor ke program tata letak sirkuit, yang serupa dengan yang digunakan untuk desain berbantuan komputer. Hal ini diperlukan agar lapisan dapat ditentukan untuk produksi masker foto. Resolusi sirkuit meningkat dengan cepat pada setiap langkah desain, karena skala sirkuit pada awal proses desain sudah diukur dalam pecahan mikrometer. Setiap langkah meningkatkan kepadatan sirkuit untuk area tertentu.
Wafer silikon awalnya kosong dan murni. Sirkuit dibangun berlapis-lapis di ruangan yang bersih. Pertama, pola photoresist disamarkan dengan detail mikrometer pada permukaan wafer. Wafer kemudian terkena sinar ultraviolet gelombang pendek dan area yang tidak terpapar kemudian digores dan dibersihkan. Uap kimia panas diendapkan ke zona yang diinginkan dan dipanggang dalam suhu tinggi, yang kemudian merembeskan uap ke zona yang diinginkan. Dalam beberapa kasus, ion, seperti O2+ atau O+, ditanamkan dalam pola yang tepat dan pada kedalaman tertentu dengan menggunakan sumber ion yang digerakkan oleh RF.
Langkah-langkah ini sering diulang ratusan kali, bergantung pada kompleksitas rangkaian yang diinginkan dan koneksinya.
Proses baru untuk mencapai setiap langkah ini dengan resolusi yang lebih baik dan cara yang lebih baik muncul setiap tahun, sebagai hasil dari perubahan teknologi yang terus-menerus dalam industri fabrikasi wafer. Teknologi baru menghasilkan fitur permukaan yang sangat kecil seperti transistor dan sistem mikro-elektro-mekanis (MEMS) yang lebih padat. Peningkatan kepadatan ini melanjutkan tren yang sering disebut sebagai Hukum Moore.
Luar biasa adalah istilah umum untuk tempat terjadinya proses-proses ini. Seringkali pabrik tersebut dimiliki oleh perusahaan yang menjual chip tersebut, seperti Intel, Texas Instruments, atau Freescale. Pengecoran adalah pabrik di mana chip atau wafer semikonduktor dibuat sesuai pesanan perusahaan pihak ketiga yang menjual chip tersebut, seperti pabrik yang dimiliki oleh Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), United Microelectronics Corporation (UMC), GlobalFoundries dan Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC).
Pada tahun 2013, biaya pembangunan pabrik wafer generasi berikutnya mencapai lebih dari $10 miliar.
Produksi wafer silikon dimulai dengan peleburan silikon murni. Kemudian, menggunakan heat gun atau tungku, memanaskannya, dan melakukan anil pada suhu tinggi.
Pindahkan setiap wafer silikon dari tungku ke alat yang disebut stensil etsa. Jadi, ia mengetsanya untuk menghilangkan bahan silikon yang tidak diinginkan. Bagian yang tersisa di bagian bawah stensil etsa adalah lapisan benih. Terakhir, poles untuk memperlihatkan permukaan kristal ingot silikon. Di bawah ini adalah rincian persiapan dan produksi.
Tujuan dari pembuatan media wafer silikon adalah untuk menghilangkan bahan silikon yang tidak diinginkan, pada lapisan benih. Oleh karena itu, proses ini disebut sebagai produksi wafer silikon. Ini dimulai dengan uap yang menghilangkan bahan silikon yang tidak diinginkan. Kemudian, memanaskannya dalam oven secukupnya untuk menyelesaikan proses ini.
Tempatkan benih kristal tunggal pada wadah wafer berputar untuk menumbuhkan silikon kristal pada lapisan benih. Setelah kristal tumbuh, kristal dipotong menjadi irisan tipis dan dikirim untuk pengujian dan pengemasan.
Wafer tersebut dkirimkan untuk disortir ketebalannya. Kemudian siap untuk proses kristalisasi.
Langkah selanjutnya dalam wafer adalah memutar dan mengetsa wafer. Kemudian lapping dengan cara memoles permukaan wafer silikon tersebut. Pada langkah ini,  digunakan mesin lapping yang disebut lap-polisher.
Wafer dengan ukuran dan kerataan yang sama kemudian dikemas dan dikirim untuk siap untuk proses selanjutnya.
Silikon adalah unsur paling melimpah kedua di kerak bumi (oksigen adalah yang pertama). Ini terjadi secara alami di batuan dan pasir silikat (mengandung Si-O). Unsur silikon yang digunakan dalam pembuatan perangkat semikonduktor dihasilkan dari pasir kuarsa dan kuarsit dengan kemurnian tinggi, yang mengandung sedikit pengotor. Silikon kelas elektronik, nama yang digunakan untuk kelas silikon yang digunakan dalam pembuatan perangkat semikonduktor, adalah produk dari serangkaian proses yang dimulai dengan konversi pasir kuarsa atau kuarsit menjadi “silikon kelas metalurgi” (MG-Si), dalam mesin listrik. tungku busur menurut reaksi kimianya:
SiO 2 + C → Si + CO 2
Silikon yang dibuat dengan cara ini disebut “kelas metalurgi” karena sebagian besar produksi dunia digunakan untuk pembuatan baja. Ini sekitar 98% murni. MG-Si tidak cukup murni untuk digunakan langsung dalam manufaktur elektronik. Sebagian kecil (5% – 10%) dari produksi MG-Si di seluruh dunia dimurnikan lebih lanjut untuk digunakan dalam manufaktur elektronik. Pemurnian MG-Si menjadi silikon kelas semikonduktor (elektronik) adalah proses multi-langkah. Dalam proses ini, MG-Si pertama-tama digiling di ball-mill untuk menghasilkan produk yang sangat halus (75% < 40 µM) partikel yang kemudian diumpankan ke Reaktor Fluidized Bed (FBR). Di sana MG-Si bereaksi dengan gas asam klorida anhidrat (HCl), pada 575 K (kira-kira 300ºC) menurut reaksi:
Si + 3HCl → SiHCl 3 + H 2
Reaksi hidroklorinasi di FBR menghasilkan produk gas yang mengandung sekitar 90% triklorosilan (SiHCl 3 ). Sisa 10% gas yang dihasilkan pada langkah ini sebagian besar adalah tetraklorosilana, SiCl 4 , dengan beberapa diklorosilan, SiH 2 Cl 2 . Campuran gas ini dimasukkan melalui serangkaian distilasi fraksional yang memurnikan triklorosilan dan mengumpulkan serta menggunakan kembali produk samping tetraklorosilana dan diklorosilana. Proses pemurnian ini menghasilkan triklorosilan yang sangat murni dengan pengotor utama pada kisaran bagian per miliar yang rendah. Silikon polikristalin padat yang dimurnikan diproduksi dari triklorosilan dengan kemurnian tinggi menggunakan metode yang dikenal sebagai “Proses Siemens.” Dalam proses ini, triklorosilan diencerkan dengan hidrogen dan diumpankan ke reaktor pengendapan uap kimia. Di sana, kondisi reaksi disesuaikan sehingga silikon polikristalin diendapkan pada batang silikon yang dipanaskan dengan listrik sesuai dengan kebalikan dari reaksi pembentukan triklorosilan:
SiHCl 3 + H 2 → Si + 3HC
Produk sampingan dari reaksi pengendapan (H 2 , HCl, SiHCl 3 , SiCl 4 dan SiH 2 Cl 2 ) ditangkap dan didaur ulang melalui proses produksi dan pemurnian triklorosilan. Kimia produksi, pemurnian dan silikon proses pengendapan yang terkait dengan silikon tingkat semikonduktor lebih kompleks daripada penjelasan sederhana ini. Ada juga sejumlah bahan kimia alternatif yang dapat dan sedang digunakan untuk produksi polisilikon.
Wafer silikon yang sangat familiar bagi kita di industri semikonduktor sebenarnya adalah irisan tipis dari kristal silikon tunggal besar yang ditumbuhkan dari silikon polikristalin tingkat elektronik yang dilelehkan. Proses yang digunakan dalam menumbuhkan kristal tunggal ini dikenal sebagai proses Czochralski yang diambil dari nama penemunya, Jan Czochralski.
Proses Czochralski dilakukan dalam ruang yang dapat dievakuasi, biasanya disebut sebagai “penarik kristal” yang menampung wadah besar, biasanya kuarsa, dan elemen pemanas listrik. Polisilikon tingkat semikonduktor dimasukkan (diisi) ke dalam wadah bersama dengan dopan seperti fosfor atau boron dalam jumlah yang tepat yang mungkin diperlukan untuk memberikan karakteristik P atau N yang ditentukan pada wafer produk. Evakuasi menghilangkan udara dari ruangan untuk menghindari oksidasi silikon yang dipanaskan selama proses pertumbuhan. Wadah bermuatan dipanaskan secara listrik hingga suhu yang cukup untuk melelehkan polisilikon (lebih besar dari 1421ºC). Setelah muatan silikon meleleh sepenuhnya, benih kristal kecil, yang dipasang pada batang, diturunkan ke dalam silikon cair. Kristal benih biasanya berdiameter sekitar 5 mm dan panjang hingga 300 mm. Ini bertindak sebagai “starter” untuk pertumbuhan kristal silikon yang lebih besar dari lelehan. Kristal benih dipasang pada batang dengan sisi kristal yang diketahui berorientasi vertikal dalam lelehan (sisi kristal ditentukan oleh “Indeks Miller”). Dalam kasus kristal benih, faset yang memiliki indeks Miller <100>, <110> atau <111> biasanya dipilih. Pertumbuhan kristal dari lelehan akan menyesuaikan dengan orientasi awal ini, sehingga kristal tunggal besar akhir memiliki orientasi kristal yang diketahui. Setelah direndam dalam lelehan, kristal benih secara perlahan (beberapa cm/jam) ditarik dari lelehan seiring dengan pertumbuhan kristal yang lebih besar. Kecepatan tarikan menentukan diameter akhir kristal besar. Kristal dan wadah diputar selama tarikan kristal untuk meningkatkan homogenitas kristal dan distribusi dopan. Kristal besar terakhir berbentuk silinder; itu disebut “boule.” Pertumbuhan Czochralski adalah metode paling ekonomis untuk produksi boule kristal silikon yang cocok untuk memproduksi wafer silikon untuk fabrikasi perangkat semikonduktor umum (dikenal sebagai wafer CZ). Metode tersebut dapat membentuk boule yang cukup besar untuk menghasilkan wafer silikon dengan diameter hingga 450 mm. Namun, metode ini mempunyai keterbatasan tertentu. Karena boule ditanam dalam wadah kuarsa (SiO 2 ), kontaminasi oksigen selalu ada dalam silikon (biasanya 1018 atom cm-3 atau 20 ppm). Cawan lebur grafit telah digunakan untuk menghindari kontaminasi ini, namun cawan tersebut menghasilkan pengotor karbon dalam silikon, meskipun konsentrasinya lebih rendah. Pengotor oksigen dan karbon menurunkan panjang difusi pembawa minoritas dalam wafer silikon akhir. Homogenitas dopan pada arah aksial dan radial juga terbatas pada silikon Czochralski, sehingga sulit untuk mendapatkan wafer dengan resistivitas lebih besar dari 100 ohm-cm.
Silikon dengan kemurnian lebih tinggi dapat diproduksi dengan metode yang dikenal sebagai pemurnian Float Zone (FZ). Dalam metode ini, ingot silikon polikristalin dipasang secara vertikal di ruang pertumbuhan, baik di bawah atmosfer vakum atau inert. Ingot tidak bersentuhan dengan komponen ruangan mana pun kecuali gas sekitar dan kristal benih yang orientasinya diketahui pada dasarnya. Ingot dipanaskan menggunakan kumparan frekuensi radio (RF) non-kontak yang membentuk zona bahan leleh di dalam ingot, biasanya setebal sekitar 2 cm. Dalam proses FZ, batang bergerak vertikal ke bawah, memungkinkan zona cair bergerak ke atas sepanjang batangan, mendorong pengotor mendahului lelehan dan meninggalkan silikon kristal tunggal yang sangat murni. Wafer silikon FZ memiliki resistivitas setinggi 10.000 ohm-cm.
Setelah boule silikon dibuat, boule tersebut dipotong menjadi panjang yang dapat diatur dan masing-masing panjangnya digiling sesuai diameter yang diinginkan. Flat orientasi yang menunjukkan doping silikon dan orientasi untuk wafer berdiameter kurang dari 200 mm juga dimasukkan ke dalam boule pada tahap ini. Untuk wafer dengan diameter kurang dari 200 mm, bidang datar primer (terbesar) diorientasikan tegak lurus terhadap sumbu kristal tertentu seperti <111> atau <100>. Flat sekunder (lebih kecil) menunjukkan apakah wafer bertipe p atau tipe n. Wafer 200 mm (8 inci) dan 300 mm (12 inci) menggunakan takik tunggal yang berorientasi pada sumbu kristal tertentu untuk menunjukkan orientasi wafer tanpa indikator untuk jenis doping.
Setelah boule digiling hingga diameter yang diinginkan dan dibuat rata, boule dipotong menjadi irisan tipis menggunakan pisau bertatahkan berlian atau kawat baja. Tepi irisan silikon biasanya membulat pada tahap ini. Penandaan laser yang menunjukkan jenis silikon, resistivitas, pabrikan, dll. juga ditambahkan di dekat flat primer saat ini. Kedua permukaan irisan yang belum selesai digiling dan disusun sedemikian rupa sehingga semua irisan berada dalam toleransi ketebalan dan kerataan yang ditentukan. Penggilingan membawa irisan ke dalam toleransi ketebalan dan kerataan yang kasar setelah itu proses pemukulan menghilangkan sisa bahan terakhir yang tidak diinginkan dari permukaan irisan, meninggalkan permukaan yang halus, rata, dan tidak dipoles. Lapping biasanya mencapai toleransi keseragaman kurang dari 2,5 µm pada kerataan permukaan wafer.
Tahap terakhir dalam pembuatan wafer silikon melibatkan pengetsaan kimiawi setiap lapisan permukaan yang mungkin telah mengumpulkan kerusakan kristal dan kontaminasi selama penggergajian, penggilingan, dan pemukulan; diikuti dengan pemolesan mekanis kimia (CMP) untuk menghasilkan permukaan yang sangat reflektif, bebas goresan dan kerusakan pada satu sisi wafer. Pengetsaan kimia dilakukan dengan menggunakan larutan etsa asam fluorida (HF) yang dicampur dengan asam nitrat dan asam asetat yang dapat melarutkan silikon. Dalam CMP, irisan silikon dipasang pada pembawa dan ditempatkan dalam mesin CMP di mana irisan tersebut menjalani pemolesan kimia dan mekanis gabungan. Biasanya, CMP menggunakan bantalan pemoles poliuretan keras yang dikombinasikan dengan bubur partikel abrasif alumina atau silika yang terdispersi halus dalam larutan alkali. Produk akhir dari proses CMP adalah wafer silikon yang kita, sebagai pengguna, sudah familiar dengannya. Ia memiliki permukaan yang sangat reflektif, bebas goresan dan kerusakan di satu sisi tempat perangkat semikonduktor dapat dibuat.
Semikonduktor majemuk adalah bahan penting dalam banyak perangkat militer dan elektronik khusus lainnya seperti laser, perangkat elektronik frekuensi tinggi, LED, penerima optik, sirkuit terpadu optoelektronik, dll. GaN telah umum digunakan dalam banyak aplikasi LED komersial yang berbeda sejak tahun 1990-an. .
Tabel 1 memberikan daftar semikonduktor senyawa unsur dan biner (dua elemen) beserta sifat celah pita dan besarnya. Selain semikonduktor senyawa biner, semikonduktor senyawa terner (tiga elemen) juga dikenal dan digunakan dalam fabrikasi perangkat. Semikonduktor senyawa terner mencakup bahan seperti aluminium galium arsenida, AlGaAs, indium galium arsenida, InGaAs dan indium aluminium arsenida, InAlAs. Semikonduktor senyawa kuarter (empat elemen) juga dikenal dan digunakan dalam mikroelektronika modern.
Kemampuan memancarkan cahaya yang unik dari semikonduktor majemuk disebabkan oleh fakta bahwa semikonduktor tersebut merupakan semikonduktor celah pita langsung. Tabel 1 menunjukkan semikonduktor mana yang memiliki sifat ini. Panjang gelombang cahaya yang dipancarkan oleh perangkat yang dibuat dari semikonduktor celah pita langsung bergantung pada energi celah pita. Dengan secara terampil merekayasa struktur celah pita perangkat komposit yang dibangun dari semikonduktor senyawa berbeda dengan celah pita langsung, para insinyur telah mampu menghasilkan perangkat pemancar cahaya solid state mulai dari laser yang digunakan dalam komunikasi serat optik hingga bola lampu LED efisiensi tinggi. Pembahasan rinci mengenai implikasi celah pita langsung dan tidak langsung pada material semikonduktor berada di luar cakupan penelitian ini.
Semikonduktor senyawa biner yang sederhana dapat dibuat dalam jumlah besar, dan wafer kristal tunggal diproduksi dengan proses yang serupa dengan yang digunakan dalam pembuatan wafer silikon. GaAs, InP dan senyawa ingot semikonduktor lainnya dapat ditanam menggunakan metode Czochralski atau Bridgman-Stockbarger dengan wafer yang dibuat dengan cara yang mirip dengan produksi wafer silikon. Pengkondisian permukaan wafer semikonduktor majemuk, (yaitu, menjadikannya reflektif dan datar) diperumit oleh fakta bahwa setidaknya terdapat dua elemen dan elemen ini dapat bereaksi dengan etsa dan abrasif dalam cara yang berbeda.
Tabel 1. Semikonduktor unsur dan semikonduktor senyawa biner.
Masing-masing disebut sebagai pasar peralatan wafer fab atau pasar (peralatan) ujung depan wafer, keduanya menggunakan akronim WFE, pasarnya adalah produsen mesin yang pada gilirannya memproduksi semikonduktor.Tautan apexresearch pada tahun 2020 mengidentifikasi Applied Materials, ASML, KLA-Tencor, Lam Research, TEL dan Dainippon Screen Manufacturing sebagai pelaku pasar[2] sedangkan laporan Electronicsweekly.com tahun 2019, mengutip presiden The Information Network, Robert Castellano, berfokus pada masing-masing pasar saham yang dipimpin oleh dua pemimpin, Applied Materials dan ASML.
Alfa Chemistry, Manufacturer Silicon/Silicon Dioxide Wafers, didirikan pada tahun 2015, berbasis di New York, AS sebagai perusahaan bioteknologi dan produsen bahan graphene. Portofolio produk mereka meliputi graphene oxide, film graphene CVD, layanan modifikasi graphene, seri graphene, material mirip graphene, bahan nano karbon, titik kuantum, nanopartikel yang akan datang, dan layanan transfer graphene. Perusahaan juga menyediakan layanan di bidang manufaktur khusus, dan analisis graphene dengan jaminan kualitas. Produknya digunakan di berbagai industri yang meliputi energi, elektronik digital, lingkungan, tekstil, pelapisan, dan ilmu biomedis.
Wafer World, Distributor Silicon Wafer. adalah pemasok wafer dan bahan semikonduktor yang berbasis di Florida dengan berbagai ketebalan dan orientasi yang terdiri dari berbagai bahan termasuk galium arsenida, kuarsa, germanium, dan safir. Didirikan pada tahun 1997, perusahaan ini melayani klien di lebih dari 45 negara di enam benua. Fasilitas manufaktur perusahaan dapat mengakomodasi berbagai spesifikasi dan kualitas produk, menawarkan layanan Pengemasan Ruang Bersih yang melibatkan pengendalian lingkungan untuk meminimalkan risiko kontaminasi. Industri yang dilayani oleh Wafer World, Inc. termasuk dirgantara, tenaga surya, semikonduktor, dan bioteknologi.
WaferPro adalah distributor pemasok wafer silikon dan bahan semikonduktor lainnya yang digunakan dalam sistem mikroelektromekanis, optik, dan energi surya. Didirikan pada tahun 2016, lini produk perusahaan yang berbasis di California ini mencakup float zone (FZ), silikon termal oksida, silikon pada isolator (SOI), dan wafer silikon nitrida. Perusahaan ini menawarkan layanan seperti pengiriman ke seluruh dunia dan dukungan pelanggan dalam bentuk saran teknis, penawaran harga, dan belanja online untuk menambah kenyamanan. Produk WaferPro telah digunakan oleh berbagai perusahaan di bidang teknologi, antara lain Intel, Apple, Nvidia, dan Tesla.
LONGi Green Energy Technology Co., Ltd. (LGET), Pabrikan Wafer Silikon Monokristalin, adalah produsen modul surya yang berbasis di Xi'an, Tiongkok. Awalnya didirikan pada tahun 2000 sebelum berganti nama dari Xi'an Longi Silicon Materials Corporation pada tahun 2017, perusahaan ini memproduksi berbagai solusi fotovoltaik surya (PV) yang memasok klien di bidang elektronik, pembangkit listrik, dan nanoteknologi. Portofolio produk perusahaan mencakup wafer monokristalin, sel, dan modul dengan serangkaian teknologi terintegrasi seperti PERC, TOPCon, multi-busbar, dan pelacakan cerdas. Dengan klien seperti Rahimafrooz Renewable Energy dan tur ATP, LGET adalah salah satu pengembang proyek tenaga surya terbesar di Xi'an saat ini.
Okmetic, Manufacturer Pabrikan Wafer silikon, adalah produsen wafer silikon khusus berskala besar yang digunakan dalam produksi filter frekuensi radio, sensor, dan sistem mekanis elektronik mikro (MEMS), Awalnya didirikan di Finlandia pada tahun 1985, perusahaan ini sekarang dimiliki oleh Grup Industri Silikon Nasional Tiongkok, yang berbasis di Shanghai. Perusahaan ini memproduksi berbagai bahan semikonduktor, termasuk wafer berpola untuk produksi yang hemat biaya atau efisien, wafer resistivitas tinggi untuk perangkat yang beroperasi pada frekuensi tinggi, dan wafer poles satu dan dua sisi yang dapat menahan tegangan tinggi. Okmetic juga memiliki departemen R&D yang agresif untuk mengikuti perkembangan teknologi baru di industri semikonduktor.
Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., Pabrikan Distributor Wafer Silikon, didirikan pada tahun 1926 di Jepang, adalah produsen dan distributor bahan kimia sintetis dan bahan elektronik, seperti silikon semikonduktor dan kuarsa tanah jarang. Perusahaan ini menawarkan berbagai macam produk, termasuk sealant silikon dan karet, serta turunan selulosa yang digunakan dalam makanan dan obat-obatan, dan magnet tanah jarang. Perusahaan ini memiliki empat segmen bisnis inti, termasuk bahan kimia infrastruktur, bahan elektronik, agen fungsional berbasis silikon, dan teknik khusus untuk pengembangan desain, konstruksi, dan pemeliharaan pabrik.
SIEGERT WAFER GmbH, Distributor Wafer Silikon, adalah pemasok wafer multinasional yang terbuat dari berbagai bahan, termasuk safir, silikon, dan kaca. Perusahaan ini didirikan pada tahun 2012 di Aachen, Jerman, dengan produk yang digunakan pada layar OLED, sel surya, sensor kimia, dan layar sentuh. Perusahaan ini menawarkan layanan diagnostik dan layanan penyesuaian wafer, serta pertanyaan inventaris terperinci melalui situs web mereka. SIEGERT WAFER GmbH melayani klien di industri elektronik, bioteknologi, dan nanoteknologi, termasuk Infineon Technologies AG dan Fraunhofer Institute for Laser Technology (ILT).