manfaat silikon dalam elektronika

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.
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 (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 → fosfor

C
↑
Si
↓
Ge

Tabel periodik




Informasi umum
Nama, lambang, nomor atom
silikon, Si, 14
Deret kimia
metaloid

Golongan, periode, blok
14, 3, p

Penampilan
Sebagai lempengan: kristal
dengan permukaan sedikit
biru 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 cairan
pada titik didih
2,57 g•cm−3
Titik leleh
1687 K
(1420 °C, 2577 °F)

Titik didih
3538 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 oksidasi
4, 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
Konduktivitas termal
(300 K) 149 W•m−1•K−1
Ekspansi termal
(25 °C) 2,6 µm•m−1•K−1
Kecepatan suara (thin rod)
(20 °C) 8433 m/s

Modulus Young
150 GPa
Modulus limbak
100 GPa
Kekerasan Mohs
7
Nomor CAS
7440-21-3
Sela pita energy at 300 K
1,12 eV

Isotop tertentu
Artikel utama: Isotop dari silikon

iso
NA
Umur paruh
DM
DE (MeV)
DP

28Si 92,23% Si stabil dengan 14 neutron

29Si 4,67% Si stabil dengan 15 neutron

30Si 3,1% Si stabil dengan 16 neutron

32Si syn
170 tahun
β-
13,020 32P





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 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
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.

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)
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.

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.

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).

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.

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.

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)

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)
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.

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