SILIKON DALAM ELEKTRONIKA

I. PENDAHULUAN

A. Sejarah Silikon

(Latin, silex, silicis, flint). Davy pada tahun 1800 menganggap silika

sebagai senyawa ketimbang suatu unsur. Sebelas tahun kemudian pada

tahun 1811, Gay Lussac dan Thenard mungkin mempersiapkan

amorphous sillikon tidak murni dengan cara memanaskan kalium

dengan silikon tetrafluorida.

Pada tahun 1824 Berzelius, yang dianggap sebagai penemu pertama

silikon, mempersiapkan amorphous silikon dengan metode yang sama

dan kemudian memurnikannya dengan membuang fluosilika dengan

membersihkannya berulang kali. Deville pada tahun 1854 pertama kali

mempersiapkan silikon kristal, bentuk alotropik kedua unsur ini.

B. Pengertian Silikon

Silikon adalah unsur yang paling melimpah kedua di kerak bumi setelah

oksigen. Sebagian besar silikon ada sebagai komponen batu silikat dan

unsur bebasnya tidak ditemukan di alam. Oleh karena itu, silikon

dihasilkan dengan mereduksi kuarsa dan pasir dengan karbon berkualitas

tinggi dengan menggunakan tungku listrik. Silikon dengan kemurnian

tinggi dihasilkan dengan reduksi SiHCl3 dengan menggunakan hidrogen.

SiHCl3 dihasilkan dengan melakukan hidrokhlorasi silikon berkemurnian

rendah diikuti dengan  pemurnian.

1

Silikon merupakan polimer nonorganik yang bervariasi, dari cairan, gel,

karet, hingga sejenis plastik keras. Beberapa karakteristik khusus silikon:

tak berbau, tak berwarna, kedap air, serta tak rusak akibat bahan kimia

dan proses oksidasi, tahan dalam suhu tinggi, serta tidak dapat

menghantarkan listrik.

Silikon yang digunakan untuk semikonduktor dimurnikan lebih lanjut

dengan metoda pelelehan berzona kristal Czochralski. Kristal silikon

(mp 1410o C) memiliki kilap logam dan mengkristal dengan struktur

intan.

Ada tiga isotop silikon, 28Si (92.23%), 29Si (4.67%), dan 30Si (3.10%). 

Sebab spin intinya I = 1/2, 29Si digunakan dalam studi NMR senyawa

silikon organik atau silikat (NMR padatan).

Silikat dan senyawa organosilikon menunjukkan variasi struktur. Kimia

organosilikon merupakan area riset dalam kima anorganik yang sangat

aktif. Kimia silikon berkembang dengan pesat sejak perkembangan

proses industri untuk menghasilkan senyawa organosilikon dengan

reaksi langsung metil khlorida CH3Cl dengan kehadiran katalis tembaga.

Proses historis ini ditemukan oleh E. G. Rochow tahun 1945. Resin

silikon, karet silikon, dan minyak silikon digunakan di banyak aplikasi.

Akhir-akhir ini, senyawa silikon telah digunakan dengan meluas dalam

sintesis organik selektif.

Walaupun silikon adalah unsur tetangga karbon, sifat kimianya sangat

berbeda.  Contoh yang sangat terkenal kontras adalah antara silikon

dioksida SiO2 dengan struktur 3-dimensi, dan gas karbon dioksida, CO2.

Senyawa pertama dengan ikatan ganda silikon-silikon adalah

2

(Mes)2Si=Si(Mes)2 (Mes adalah mesitil C6H2(CH3)3) dilaporkan tahun

1981, kontras dengan ikatan rangkap karbon-karbon yang sangat banyak

dijumpai. Senyawa seperti ini digunakan untuk menstabilkan ikatan yang

tidak stabil dengan substituen yang meruah (kestabilan kinetik).

14 aluminium ← silikon → fosforC↑Si↓

Ge Tabel periodik

3

Informasi umum

Nama, lambang, nomor atom silikon, Si, 14

Deret kimia metaloid

Golongan, periode, blok 14, 3, p

Penampilan

Sebagai lempengan: kristaldengan permukaan sedikitbiru gelap dan mengkilap

Berat atom standar 28,0855(3) g·mol −1

Konfigurasi elektron [Ne] 3s2 3p2

Elektron per kelopak 2, 8, 4

Sifat fisika

Fase solid

Densitas(mendekati suhu kamar)

2,33 g·cm −3

Densitas cairanpada titik didih

2,57 g·cm−3

Titik leleh1687 K(1420 °C, 2577 °F)

Titik didih3538 K(2355 °C, 5909 °F)

Bahang beku 50,21 kJ·mol −1

Bahang penguapan 359 kJ·mol −1

Kapasitas bahang (25 °C) 19,789 J·mol−1·K−1

Tekanan uap

P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k

pada T/K 1908 2102 2339 2636 3021 3537

Sifat atom

Struktur kristal Kubus intan

Bilangan oksidasi4, 3 [1], 2 [2], 1 [3](oksida amfoter)

Elektronegativitas 1.90 (Skala Pauling)

Energi ionisasi(lebih lanjut)

1st: 786,5 kJ·mol −1

2nd: 1577,1 kJ·mol−1

3rd: 3231,6 kJ·mol−1

Ruji atom 117,6 pm

Ruji atom (perhitungan) 111 pm

Ruji kovalen 111 pm

Ruji Van Der Waals 210 pm

Informasi Lain

Pembenahan magnetik Nonmagnetic

4

C. Sumber Silikon

Silikon terdapat di matahari dan bintang-bintang dan merupakan

komponen utama satu kelas bahan meteor yang dikenal sebagai

aerolites. Ia juga merupakan komponen tektites, gelas alami yang tidak

diketahui asalnya.

Silikon membentuk 25.7% kerak bumi dalam jumlah berat, dan

merupakan unsur terbanyak kedua, setelah oksigen. Silikon tidak

ditemukan bebas di alam, tetapi muncul sebagian besar sebagai oksida

dan sebagai silikat. Pasir, quartz, batu kristal, amethyst, agate, flint,

jasper dan opal adalah beberapa macam bentuk silikon oksida. Granit,

hornblende, asbestos, feldspar, tanah liat, mica, dsb merupakan contoh

beberapa mineral silikat.

Silikon dipersiapkan secara komersil dengan memanaskan silika dan

karbon di dalam tungku pemanas listrik, dengan menggunakan elektroda

karbon. Beberapa metoda lainnya dapat digunakan untuk

mempersiapkan unsur ini. Amorphous silikon dapat dipersiapkan sebagai

bubuk cokelat yang dapat dicairkan atau diuapkan. Proses Czochralski

biasanya digunakan untuk memproduksi kristal-kristal silikon yang

digunakan untuk peralatan semikonduktor. Silikon super murni dapat

dipersiapkan dengan cara dekomposisi termal triklorosilan ultra murni

dalam atmosfir hidrogen dan dengan proses vacuum float zone.

D. Sifat-Sifat

Silikon kristalin memiliki tampak kelogaman dan berwarna abu-abu.

Silikon merupakan unsur yang tidak reaktif secara kimia (inert), tetapi

dapat terserang oleh halogen dan alkali. Kebanyakan asam, kecuali

hidrofluorik tidak memiliki pengaruh pada silikon. Unsur silikon

5

mentransmisi lebih dari 95% gelombang cahaya infra merah, dari 1,3

sampai 6 mikrometer.

II. MANFAAT SILIKON DALAM ELEKTRONIKA

A. Teknologi Pembuatan Processor

1. Sand (Pasir)

Pasir, terutama Quartz, memiliki persentase tinggi dalam pembentukan

Silicon dioksida (SiO2) dan merupakan bahan dasar untuk produksi

semikonduktor.

2. Silikon Cair

Silikon dimurnikan dalam tahap berlapis untuk akhirnya nencapai

kualitas produksi yang disebut Electronic Grade Silicon (EGS). EGS

mungkin hanya mengandung sebuah atom asing setiap satu triliun atom

Silikonnya. Pada gambar di bawah ini Anda bisa lihat bagaimana sebuah

kristal besar tumbuh dari silikon cair yang dimurnikan. Hasilnya adalah

kristal tunggal yang disebut Ingot.

Silikon cair – skala: level wafer (~300mm / 12 inch)

3. Kristal Silikon Tunggal – Ingot

6

Sebuah ingot dibuat dari Electronic Grade Silicon. Sebuah ingot

memiliki berat sekitar 100 kilogram (220 pound) dan memiliki kemurnian

Silicon 99.9999%.

Mono-crystal Silicon Ingot scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

4. Pengirisan Ingot

Ingot kemudian diiris menjadi disc-disc silikon individual yang disebut wafer.

Ingot Slicing — scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

5. Wafer

Wafer-wafer ini dipoles sedemikian rupa hingga tanpa cacat, dengan

permukaan selembut kaca cermin. Process rumit 45nm High-K/Metal Gate

oleh Intel menggunakan wafer dengan diameter 200 milimeter. Saat Intel

mulai membuat chip-chip, perusahaan ini mencetak sirkuit-sirkuit di atas

wafer 50 milimeter. Dan untuk saat ini menggunakan wafer 300mm, yang

menghasilkan penghematan biaya per-chip.

7

Wafer — scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

6. Mengaplikasikan Photo Resist

Cairan (warna biru) yang di tuangkan di atas wafer saat diputar adalah

sebuah proses dari photo resist yang sama seperti yang kita kenal di film

untuk fotografi. Wafer diputar selama tahap ini untuk membuatnya sangat

tipis dan bahkan mengaplikasikan layer photo resist.

Applying Photo Resist — scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

7. Exposure

Hasil dari photo resist diekspos ke sinar ultraviolet (UV. Reaksi

kimianya ditrigger oleh tahap pada proses tersebut, sama dengan apa yang

terjadi pada material film pada sebuah kamera saat Anda menekan tombol

shutter.

Exposure — scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

8

Hasil dari photo resist yang diekspos ke sinar UV akan bersifat dapat

larut. Exposure diselesaikan menggunakan mask yang berfungsi seperti

stensil dalam tahap proses ini. Saat digunakan dengan cahaya UV, mask

membentuk pola-pola sirkuit yang bervariasi di atas tiap layer dari

mikroprosesor. Sebuah lensa (di tengah) mengurangi image dari mask.

Sehingga yang dicetak di atas wafer biasanya adalah empat kali lebih kecil

secara linier daripada pola-pola dari mask.

8. Exposure

Meskipun biasanya ratusan mikroprosesor bisa dihasilkan dari sebuah

wafer tunggal, cerita bergambar ini hanya akan fokus pada sebuah bagian

kecil dari sebuah mikroprosesor, yaitu pada sebuah transistor atau bagian-

bagiannya. Sebuah transistor berfungsi seperti sebuah switch,

mengendalikan aliran arus listrik dalam sebuah chip komputer. Peneliti-

peneliti di Intel telah mengembangkan transistor-transistor yang sangat kecil

sehingga sekitar 30 juta transistor dapat diletakkan pas di kepala sebuah

peniti.

Exposure — scale: transistor level (~50-200nm)

9. Membersihkan Photo Resist

Photo resist yang lengket dilarutkan sempurna oleh suatu pelarut. Proses

ini meninggalkan sebuah pola dari photo resist yang dibuat oleh mask.

9

Washing off of Photo Resist scale: transistor level (~50-200nm)

10. Etching (Menggores)

Photo resist melindungi material yang seharusnya tidak boleh tergores.

Material yang ditinggalkan akan digores (disketch) dengan bahan kimia.

Etching — scale: transistor level (~50-200nm)

11. Menghapus Photo Resist

Setelah proses Etching, photo resist dihilangkan dan bentuk yang

diharapkan menjadi terlihat.

Removing Photo Resist — scale: transistor level (~50-200nm)

12. Mengaplikasikan Photo Resist

Terdapat photo resist (warna biru) diaplikasikan di sini, diekspos dan

photo resist yang terekspos dibersihkan sebelum tahap berikutnya. Photo

resist akan melindungi material yang seharusnya tidak tertanam ion-ion.

10

Applying Photo Resist — scale: transistor level (~50-200nm)

13. Penanaman Ion

Melalui seuatu proses yang dinamakan “ion implantation” (satu bentuk

proses yang disebut doping), area-area wafer silikon yang diekspos

dibombardir dengan “kotoran” kimia bervariasi yang disebut Ion-ion. Ion-

ion ini ditanam dalam wafer silikon untuk mengubah silikon pada area ini

dalam memperlakukan listrik. Ion-ion ditembakkan di atas permukaan wafer

pada kecepatan tinggi. Suatu bidang listrik mempercepat ion-ion ini hingga

kecepatan 300.000 km/jam.

Ion Implantation scale: transistor level (~50-200nm)

14. Menghilangkan Photo Resist

Setelah penanaman ion, photo resist dihilangkan dan material yang

seharusnya di-doped (warna hijau) memiliki atom-atom asing yang sudah

tertanam (perhatikan sekilas variasi warnanya).

11

15. Transistor yang Sudah Siap

Transistor ini sudah dekat pada proses akhirnya. Tiga lubang telah

dibentuk (etching) di dalam layer insulasi (warna magenta) di atas transistor.

Tiga lubang ini akan terisi dengan tembaga yang akan menghubungkannya

ke transistor-transistor lainnya.

Ready Transistor — scale: transistor level (~50-200nm)

16. Electroplating

Wafer-wafer diletakkan ke sebuah solusi sulfat tembaga di tahap ini.

Ion-ion tembaga ditanamkan di atas transistor melalui proses yang disebut

electroplating. Ion-ion tembaga bergerak dari terminal positif (anoda)

menuju terminal negatif (katoda) yang dipresentasikan oleh wafer.

Electroplating scale: transistor level (~50-200nm)

17. Tahap Setelah Electroplating

Pada permukaan wafer, ion-ion tembaga membentuk menjadi suatu

lapisan tipis tembaga.

12

After Electroplating scale: transistor level (~50-200nm)

18. Pemolesan

Material ekses dari proses sebelumnya di hilangkan

Polishing — scale: transistor level (~50-200nm)

19. Lapisan Logam

Lapisan-lapisan metal dibentuk untuk interkoneksi (seperti kabel-kabel)

di antara transistor-transistor. Bagaimana koneksi-koneksi itu

tersambungkan ditentukan oleh tim desain dan arsitektur yang

mengembangkan funsionalitas prosesor tertentu (misal Intel® Core™ i7

Processor). Sementara chip-chip komputer terlihat sangat flat, sesungguhnya

didalamnya memiliki lebih dari 20 lapisan yang membentuk sirkuit yang

kompleks. Jika Anda melihat pada pembesaran suatu chip, Anda akan

menemukan jaringan yang ruwet dari baris-baris sirkuit dan transistor-

transistor yang mirip sistem jalan raya berlapis di masa depan.

13

Metal Layers — scale: transistor level (six transistors combined ~500nm)

20. Testing Wafer

Bagian dari sebuah wafer yang sudah jadi ini diambil untuk dilakukan

test fungsionalitasnya. Pada tahap test ini, pola-pola di masukkan ke dalam

tiap chip dan respon dari chip tersebut dimonitor dan dibandingkan dengan

daftar yang sudah ditetapkan.

Wafer Sort Test scale: die level (~10mm / ~0.5 inch)

21. Pengirisan Wafer

Wafer di iris-iris menjadi bagian-bagian yang disebut Die.

Wafer Slicing scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

22. Memisahkan Die yang Gagal Befungsi

Die-die yang saat test pola merespon dengan benar akan diambil untuk

tahap berikutnya. Discarding faulty Dies — scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

14

Discarding faulty Dies scale: wafer level (~300mm / 12 inch)

23. Individual Die

Ini adalah die tunggal yang telah jadi pada tahap sebelumnya

(pengirisan). Die yang terlihat di sini adalah die dari sebuah prosesor Intel®

Core™ i7.

Individual Die scale: die level (~10mm / ~0.5 inch)

24. Packaging

Bagian dasar, die, dan heatspreader digabungkan menjadi sebuah

prosesor yang lengkap. Bagian dasar berwarna hijau membentuk interface

elektris dan mekanis bagi prosesor untuk berinteraksi dengan sistem

komputer (PC). Heatspreader berwarna silver berfungsi sebagai pendingin

(cooler) untuk menjaga suhu optimal bagi prosesor.

Packaging scale: package level (~20mm / ~1 inch)

15

25. Prosessor

Inilah prosesor yang sudah jadi (Intel® Core™ i7 Processor).

Sebuah mikroprosesor adalah suatu produk paling kompleks yang

pernah dibuat di muka bumi. Faktanya, dibutuhkan ratusan langkah – hanya

bagian-bagian paling penting saja yang ditampilkan pada artikel ini – yang

dikerjakan di suatu lingkungan kerja terbersih di dunia, sebuah lab

mikroprosesor.

26. Class Testing

Selama test terakhir ini, prosesor-prosesor akan ditest untuk key

karakteristik mereka (diantaranya test pemakaian daya dan frekuensi

maksimumnya)

Class Testing — scale: package level (~20mm / ~1 inch)

27. Binning

Berdasarkan hasil test dari class testing, prosesor dengan kapabilitas

yang sama di kumpulkan pada transporting trays yang sama pula.

16

Binning — scale: package level (~20mm / ~1 inch)

28. Retail Package

Prosesor-prosesor yang telah siap dan lolos test akhirnya masuk jalur pemasaran dalam satu kemasan box.

s

17