Teknik Manufaktur Semikonduktor: Dari Pemurnian Silikon hingga Pembuatan Rangkaian Terpadu

Ringkasan berikut difokuskan secara eksklusif pada pembuatan semikonduktor berbasis silikon, bahan predominant dalam rangkaian terpadu modern. Kemampuan unik silikon untuk membentuk lapisan oksida stabil membuatnya ideal untuk pola yang presisi dari transistor dan mikrokomponen lainnya.

Silikon

Silikon adalah elemen yang paling banyak kedua di kerak Bumi, terutama sebagai silikon dioksida (SiO₂)—umumnya dikenal sebagai pasir silika. Secara industri, silikon diekstrak dengan mereduksi SiO₂ dengan karbon dalam furnace arc listrik:

SiO₂ + C → CO₂ + Si

Silikon grade metalurgi yang dihasilkan cocok untuk aplikasi seperti laminasi transformator tetapi kurang dari kekemurnian yang diperlukan untuk perangkat semikonduktor. Untuk mencapai kekemurnian grade semikonduktor, silikon pertama kali dikonversi menjadi klorida—SiCl₄ atau SiHCl₃—yang dapat difinasikan dengan distilasi fraksional. Reduksi selanjutnya dengan seng atau magnesium ultrapure menghasilkan bentuk "spons" silikon, yang kemudian difinasikan lebih lanjut. Dekomposisi termal SiHCl₃ pada batang silikon polikristal yang dipanaskan menggunakan gas hidrogen adalah rute lain ke silikon ultrapure.

Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂
SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl₂

Setelah difurnish, silikon polikristal dilelehkan dalam salib silika, dipanaskan melalui susceptor grafit yang dipanaskan induksi atau pemanas arus listrik langsung tinggi. Proses Czochralski kemudian menarik "boule" kristal tunggal dari lelehannya, mempertahankan orientasi jaringan kristal dan diameter yang terkontrol. Dopan seperti fosfor atau bor diperkenalkan ke dalam lelehannya untuk mengonstruksi konduktivitas p-tipe atau n-tipe. Seluruh ruang pertumbuhan beroperasi di bawah atmosfer iners untuk mencegah kontaminasi.

Boule digiling hingga diameter yang presisi dan dipotong di ujung-ujungnya. Kemudian iris menjadi wafer menggunakan gergaji bertajam berlian. Giling dan upol selanjutnya menghasilkan wafer dengan ketasaran permukaan sub-mikron. Lapisan n-tipe epitaksial opsional dapat ditetapkan termal di atas wafer untuk meningkatkan kinerja perangkat lebih lanjut. Wafer ini kemudian dikirim ke fabs semikonduktor untuk pembuatan perangkat.

Pemrosesan Semikonduktor

Fotolitografi adalah tulang punggung pola semikonduktor. Proses ini mirip dengan yang digunakan untuk pembuatan papan sirkuit cetak (PCB) tembaga, meskipun dengan suhu yang lebih tinggi dan toleransi yang lebih ketat. Langkah-langkahnya adalah:

• Terapkan photoresist positif pada permukaan wafer.
• Putar wafer untuk menyebarkan resist secara merata.
• Ekspos resist melalui masker kaca krom di bawah cahaya ultraviole.
• Kembangkan resist yang terpapar dalam larutan alkaline, menghapus wilayah yang melunak.
• Ets wafer—biasanya dengan asam hidrofluorida (HF) untuk membuka jendela dalam lapisan silikon dioksida pelindung.
• Lepaskan resist yang tersisa dan subyekkan wafer pada difusi suhu tinggi.

Asam hidrofluorida secara selektif menghapus silikon dioksida sambil meninggalkan silikon tidak terpencil, menciptakan jendela presisi untuk difusi dopan. Dopan diperkenalkan dalam bentuk gas (misalnya, POCl₃ untuk n-tipe atau B₂O₃ untuk p-tipe) dalam furnace difusi yang beroperasi di atas 1000 °C. Difusi hanya terjadi melalui jendela, membentuk persambungan PN yang terdefinisi dengan baik.

Setelah difusi dopan, langkah metalisasi menciptakan kontak listrik. Fotolitografi diulang untuk pola lapisan logam (seringkali aluminium atau tembaga) yang menyambungkan banyak transistor menjadi rangkaian terpadu. Terakhir, wafer dipotong menjadi die individu, dihubungkan kawat ke kerangka kawat, dan dikapsulasi ke dalam paket.

Poin Utama

• Silikon ultrapure sangat penting untuk menciptakan lapisan SiO₂ kaca yang berfungsi sebagai resist fotolitografi.
• Metode Czochralski menghasilkan boule silikon kristal tunggal yang diiris dengan gergaji berlian menjadi wafer.
• Fotolitografi pada silikon mirip dengan pembuatan PCB, menggunakan photoresist, ekspos UV, pengembangan, ets HF, dan difusi dopan.
• Difusi dopan gas yang terkontrol pada suhu tinggi membentuk wilayah aktif dari dioda dan transistor.
• Langkah litografi dan metalisasi berulang memungkinkan integrasi ribuan perangkat pada satu wafer.

Sumber Daya Terkait

• Lembar Kerja Tata Letak dan Pembuatan Papan Sirkuit Cetak