manfaat silikon dalam elektronika
Post on 30-Jun-2015
1.120 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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
top related