Teknik Manufaktur Semikonduktor

Pembuatan semikonduktor berbasis silikon saja dijelaskan dalam bagian ini; kebanyakan semikonduktor adalah silikon. Silikon sangat cocok untuk sirkuit terpadu karena mudah membentuk lapisan oksida, berguna dalam membuat pola komponen terintegrasi seperti transistor.

Silikon

Silikon adalah unsur paling umum kedua di kerak bumi dalam bentuk silikon dioksida, SiO₂ , atau dikenal sebagai pasir silika. Silikon dibebaskan dari silikon dioksida melalui reduksi dengan karbon dalam tungku busur listrik

SiO₂ + C =CO₂ + Si

Silikon kelas metalurgi tersebut cocok untuk digunakan dalam laminasi transformator baja silikon, tetapi hampir tidak cukup murni untuk aplikasi semikonduktor. Konversi ke klorida SiCl₄ (atau SiHCl₃ ) memungkinkan pemurnian dengan distilasi fraksional. Pengurangan dengan seng atau magnesium ultra murni menghasilkan silikon spons, yang membutuhkan pemurnian lebih lanjut. Atau, dekomposisi termal pada pemanas batang silikon polikristalin panas oleh hidrogen menghasilkan silikon ultra murni.

Si + 3HCl =SiHCl₃ + H₂ SiHCl₃ + H₂ =Si + 3HCl₂

Silikon polikristalin dilebur dalam wadah silika leburan yang dipanaskan oleh susceptor grafit yang dipanaskan secara induksi. Pemanas grafit alternatif dapat langsung didorong oleh tegangan rendah pada arus tinggi. Dalam proses Czochralski , lelehan silikon dipadatkan pada batang silikon monokristal berukuran pensil dengan orientasi kisi kristal yang diinginkan. (Gambar di bawah) Batang diputar dan ditarik ke atas dengan kecepatan tertentu untuk mendorong diameter agar melebar hingga beberapa inci. Setelah diameter ini tercapai, boule ditarik secara otomatis dengan kecepatan untuk mempertahankan diameter konstan hingga panjang beberapa kaki. Dopan dapat ditambahkan ke lelehan wadah untuk membuat, misalnya, semikonduktor tipe-P. Aparatus tumbuh tertutup dalam atmosfer lembam.

Pertumbuhan silikon monokristalin Czochralski.

Boule yang sudah jadi digiling hingga diameter akhir yang tepat, dan ujungnya dipangkas. Boule diiris menjadi wafer oleh gergaji berlian diameter dalam. Wafer digiling rata dan dipoles. Wafer bisa memiliki epitaxial tipe-N lapisan tumbuh di atas wafer dengan deposisi termal untuk kualitas yang lebih tinggi. Wafer pada tahap pembuatan ini dikirimkan oleh pabrikan wafer silikon ke pabrikan semikonduktor.

Bule silikon adalah berlian yang digergaji menjadi wafer.

Pemrosesan Semikonduktor

Pemrosesan semikonduktor melibatkan fotolitografi, suatu proses untuk membuat pelat cetak litografi logam dengan etsa asam. Versi berbasis elektronik ini adalah pemrosesan papan sirkuit tercetak tembaga. Ini diulas pada Gambar di bawah ini sebagai pengantar mudah untuk fotolitografi yang terlibat dalam pemrosesan semikonduktor.

Pemrosesan papan sirkuit tercetak tembaga mirip dengan langkah litografi foto dari pemrosesan semikonduktor.

Kita mulai dengan foil tembaga yang dilaminasi ke papan fiberglass epoksi pada Gambar di atas (a). Kami juga membutuhkan karya seni positif dengan garis hitam yang sesuai dengan garis kabel tembaga dan bantalan yang akan tetap berada di papan jadi. Karya seni positif diperlukan karena resistensi akting positif digunakan. Padahal, resistan negatif tersedia untuk papan sirkuit dan pemrosesan semikonduktor. Pada (b) photoresist positif cair diterapkan pada permukaan tembaga dari papan sirkuit tercetak (PCB). Itu dibiarkan kering dan bisa dipanggang dalam oven. Karya seni mungkin merupakan reproduksi positif film plastik dari karya seni asli yang diskalakan ke ukuran yang diperlukan. Karya seni ditempatkan dalam kontak dengan papan sirkuit di bawah pelat kaca di (c). Papan terkena sinar ultraviolet (d) untuk membentuk laten gambar photoresist yang dilunakkan. Karya seni dihilangkan (e) dan penahan yang melunak tersapu oleh larutan alkali (f). Papan sirkuit yang dibilas dan dikeringkan (dipanggang) memiliki gambar penahan yang mengeras di atas garis tembaga dan bantalan yang akan tetap ada setelah etsa. Papan dicelupkan ke dalam etsa (g) untuk menghilangkan tembaga yang tidak dilindungi oleh penahan yang mengeras. Papan yang tergores dibilas dan penahannya dihilangkan dengan pelarut.

Perbedaan utama dalam pola semikonduktor adalah bahwa lapisan silikon dioksida di atas wafer menggantikan penahan selama langkah pemrosesan suhu tinggi. Padahal, resistensi diperlukan dalam pemrosesan basah suhu rendah untuk membuat pola silikon dioksida.

Wafer silikon yang didoping tipe-N pada Gambar di bawah (a) adalah bahan awal dalam pembuatan sambungan semikonduktor. Lapisan silikon dioksida (b) ditumbuhkan di atas wafer dengan adanya oksigen atau uap air pada suhu tinggi (lebih dari 1000o C dalam tungku difusi. Kolam penahan diterapkan ke pusat wafer yang didinginkan, kemudian diputar dalam chuck vakum untuk mendistribusikan resist secara merata. Resistensi yang dipanggang (c) memiliki topeng krom pada kaca yang diterapkan pada wafer di (d). Topeng ini memiliki pola jendela yang terkena sinar ultraviolet (e).

Pembuatan sambungan dioda silikon.

Setelah topeng dilepas pada Gambar di atas (f), resistan positif dapat dikembangkan (g) dalam larutan alkali, membuka jendela pada resistan UV yang dilunakkan. Tujuan dari penahan adalah untuk melindungi silikon dioksida dari etsa asam fluorida (h), hanya menyisakan jendela terbuka yang sesuai dengan bukaan topeng. Tahanan yang tersisa (i) dikeluarkan dari wafer sebelum kembali ke tungku difusi. Wafer terkena gas dopan tipe-P pada suhu tinggi dalam tungku difusi (j). Dopan hanya berdifusi ke dalam silikon melalui bukaan di lapisan silikon dioksida. Setiap difusi P melalui bukaan menghasilkan sambungan PN. Jika dioda adalah produk yang diinginkan, wafer akan digoreskan dengan berlian dan dipecah menjadi chip dioda individu. Namun, seluruh wafer dapat diproses lebih lanjut menjadi transistor sambungan bipolar.

Untuk mengubah dioda menjadi transistor, diperlukan difusi tipe-N kecil di tengah wilayah-P yang ada. Mengulangi langkah sebelumnya dengan topeng yang memiliki bukaan lebih kecil menyelesaikan ini. Meskipun tidak ditunjukkan pada Gambar di atas (j), lapisan oksida mungkin terbentuk pada langkah itu selama difusi-P. Lapisan oksida di atas P-difusi ditunjukkan pada Gambar di bawah (k). Fotoresist positif diterapkan dan dikeringkan (l). Chrome pada kaca emitor mask diterapkan (m), dan UV terkena (n). Topeng dilepas (o). Tahanan UV yang dilunakkan pada bukaan emitor dihilangkan dengan larutan basa (p). Silikon dioksida yang terpapar digores dengan asam fluorida (HF) di (q)

Pembuatan transistor sambungan bipolar, kelanjutan dari Pembuatan sambungan dioda silikon.

Setelah resistan yang tidak terpapar dikeluarkan dari wafer (r), ia ditempatkan dalam tungku difusi (Gambar di atas (s) untuk pemrosesan suhu tinggi. Dopan gas tipe-N, seperti fosfor oksiklorida (POCl) berdifusi melalui emitor kecil jendela di oksida (s). Ini menciptakan lapisan NPN yang sesuai dengan emitor, basis, dan kolektor BJT. Penting agar emitor tipe-N tidak didorong sepenuhnya melalui basis tipe-P, korslet emitor dan kolektor. Daerah basis antara emitor dan kolektor juga harus tipis agar transistor memiliki yang berguna. Jika tidak, daerah basis yang tebal dapat membentuk sepasang dioda daripada transistor. Pada (t) metalisasi ditunjukkan membuat kontak dengan daerah transistor. Hal ini memerlukan pengulangan langkah sebelumnya (tidak ditampilkan di sini) dengan masker untuk bukaan kontak melalui oksida. Pengulangan lain dengan topeng lain mendefinisikan pola metalisasi di atas oksida dan menghubungi daerah transistor melalui bukaan gs.

Metalisasi dapat menghubungkan banyak transistor dan komponen lain ke dalam sirkuit terintegrasi . Padahal, hanya satu transistor yang ditampilkan. Wafer yang sudah jadi digoreskan dengan berlian dan dipecah menjadi cetakan individu untuk pengemasan. Kawat aluminium pengukur halus mengikat kontak logam pada cetakan ke rangka timah , yang mengeluarkan kontak dari paket terakhir.

TINJAUAN:

• Sebagian besar semikonduktor didasarkan pada silikon ultra murni karena membentuk oksida kaca di atas wafer. Oksida ini dapat dipola dengan litografi foto, memungkinkan sirkuit terpadu yang kompleks.
• Kristal silikon berbentuk sosis tumbuh dengan proses Czochralski, Ini adalah berlian yang digergaji menjadi wafer.
• Pola wafer silikon dengan fotolitografi mirip dengan pola papan sirkuit cetak tembaga. Photoresist diterapkan pada wafer, yang terkena sinar UV melalui topeng. Resistensi dikembangkan, kemudian wafer digores.
• pengetsaan asam fluorida membuka jendela di pelindung silikon dioksida di atas wafer.
• Paparan gas dopan pada suhu tinggi menghasilkan sambungan semikonduktor seperti yang didefinisikan oleh bukaan di lapisan silikon dioksida.
• Fotolitografi diulang untuk lebih banyak difusi, kontak, dan metalisasi.
• Metalisasi dapat menghubungkan beberapa komponen ke dalam sirkuit terpadu.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Layout Papan Sirkuit Cetak dan Lembar Kerja Pembuatan