Fabrikasi wafer (elektronik)
Produksi Wafer Silikon > Fabrikasi Wafer Silikon Kristal Tunggal

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.