Tinjauan Komprehensif Metode Pertumbuhan Silikon Monokristalin

Tinjauan Komprehensif Metode Pertumbuhan Silikon Monokristalin

1. Latar Belakang Pengembangan Silikon Monokristalin

Kemajuan teknologi dan meningkatnya permintaan akan produk pintar berefisiensi tinggi semakin memperkuat posisi inti industri sirkuit terpadu (IC) dalam pembangunan nasional. Sebagai landasan industri IC, silikon monokristalin semikonduktor memainkan peran penting dalam mendorong inovasi teknologi dan pertumbuhan ekonomi.

Menurut data Asosiasi Industri Semikonduktor Internasional, pasar wafer semikonduktor global mencapai angka penjualan sebesar $12,6 miliar, dengan pengiriman meningkat menjadi 14,2 miliar inci persegi. Selain itu, permintaan wafer silikon terus meningkat secara stabil.

Namun, industri wafer silikon global sangat terkonsentrasi, dengan lima pemasok teratas mendominasi lebih dari 85% pangsa pasar, seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

• Shin-Etsu Chemical (Jepang)

• SUMCO (Jepang)

• Wafer Global

• Siltronic (Jerman)

• SK Siltron (Korea Selatan)

Oligopoli ini mengakibatkan ketergantungan besar Tiongkok terhadap wafer silikon monokristalin impor, yang telah menjadi salah satu hambatan utama yang membatasi pengembangan industri sirkuit terpadu negara tersebut.

Untuk mengatasi tantangan saat ini di sektor manufaktur monokristal silikon semikonduktor, berinvestasi dalam penelitian dan pengembangan serta memperkuat kemampuan produksi dalam negeri merupakan pilihan yang tak terelakkan.

2. Tinjauan Umum Bahan Silikon Monokristalin

Silikon monokristalin merupakan fondasi industri sirkuit terpadu. Hingga saat ini, lebih dari 90% chip IC dan perangkat elektronik dibuat menggunakan silikon monokristalin sebagai material utamanya. Tingginya permintaan silikon monokristalin dan beragamnya aplikasi industrinya disebabkan oleh beberapa faktor:

1. Keamanan dan Ramah Lingkungan:Silikon melimpah di kerak bumi, tidak beracun, dan ramah lingkungan.

2. Isolasi Listrik:Silikon secara alami menunjukkan sifat isolasi listrik, dan setelah perlakuan panas, ia membentuk lapisan pelindung silikon dioksida, yang secara efektif mencegah hilangnya muatan listrik.

3. Teknologi Pertumbuhan yang Matang:Sejarah panjang perkembangan teknologi dalam proses pertumbuhan silikon telah membuatnya jauh lebih canggih daripada bahan semikonduktor lainnya.

Faktor-faktor ini bersama-sama menjaga silikon monokristalin di garis depan industri, membuatnya tak tergantikan oleh bahan lain.

Dalam hal struktur kristal, silikon monokristalin adalah material yang terbuat dari atom-atom silikon yang tersusun dalam kisi periodik, membentuk struktur kontinu. Silikon monokristalin merupakan dasar dari industri manufaktur chip.

Diagram berikut menggambarkan proses lengkap persiapan silikon monokristalin:

Ikhtisar Proses:
Silikon monokristalin diperoleh dari bijih silikon melalui serangkaian tahap pemurnian. Pertama, silikon polikristalin diperoleh, yang kemudian ditumbuhkan menjadi ingot silikon monokristalin dalam tungku pertumbuhan kristal. Setelah itu, silikon tersebut dipotong, dipoles, dan diproses menjadi wafer silikon yang cocok untuk pembuatan chip.

Wafer silikon biasanya dibagi menjadi dua kategori:kelas fotovoltaikDankelas semikonduktorKedua jenis ini terutama berbeda dalam struktur, kemurnian, dan kualitas permukaannya.

• Wafer kelas semikonduktormemiliki kemurnian sangat tinggi hingga 99,999999999%, dan harus bersifat monokristalin.

• Wafer kelas fotovoltaikkurang murni, dengan tingkat kemurnian berkisar antara 99,99% hingga 99,9999%, dan tidak memiliki persyaratan ketat untuk kualitas kristal.

Selain itu, wafer kelas semikonduktor membutuhkan kehalusan dan kebersihan permukaan yang lebih tinggi dibandingkan wafer kelas fotovoltaik. Standar yang lebih tinggi untuk wafer semikonduktor meningkatkan kompleksitas proses pembuatannya dan nilai tambah yang dihasilkan dalam aplikasi.

Bagan berikut menguraikan evolusi spesifikasi wafer semikonduktor, yang telah meningkat dari wafer 4 inci (100 mm) dan 6 inci (150 mm) awal menjadi wafer 8 inci (200 mm) dan 12 inci (300 mm) saat ini.

Dalam preparasi monokristal silikon yang sebenarnya, ukuran wafer bervariasi berdasarkan jenis aplikasi dan faktor biaya. Misalnya, chip memori umumnya menggunakan wafer 12 inci, sementara perangkat daya sering kali menggunakan wafer 8 inci.

Singkatnya, evolusi ukuran wafer merupakan hasil dari Hukum Moore dan faktor ekonomi. Ukuran wafer yang lebih besar memungkinkan pertumbuhan area silikon yang lebih luas dalam kondisi pemrosesan yang sama, sehingga mengurangi biaya produksi sekaligus meminimalkan limbah dari tepi wafer.

Sebagai material krusial dalam perkembangan teknologi modern, wafer silikon semikonduktor, melalui proses presisi seperti fotolitografi dan implantasi ion, memungkinkan produksi berbagai perangkat elektronik, termasuk penyearah daya tinggi, transistor, transistor sambungan bipolar, dan perangkat switching. Perangkat-perangkat ini memainkan peran kunci dalam berbagai bidang seperti kecerdasan buatan, komunikasi 5G, elektronik otomotif, Internet of Things, dan kedirgantaraan, yang menjadi landasan pembangunan ekonomi nasional dan inovasi teknologi.

3. Teknologi Pertumbuhan Silikon Monokristalin

ItuMetode Czochralski (CZ)adalah proses yang efisien untuk menarik material monokristalin berkualitas tinggi dari lelehan. Diusulkan oleh Jan Czochralski pada tahun 1917, metode ini juga dikenal sebagaiPenarikan Kristalmetode.

Saat ini, metode CZ banyak digunakan dalam pembuatan berbagai material semikonduktor. Menurut statistik yang belum lengkap, sekitar 98% komponen elektronik terbuat dari silikon monokristalin, dengan 85% di antaranya diproduksi menggunakan metode CZ.

Metode CZ disukai karena kualitas kristalnya yang sangat baik, ukurannya yang terkendali, laju pertumbuhan yang cepat, dan efisiensi produksi yang tinggi. Karakteristik ini menjadikan silikon monokristalin CZ sebagai material pilihan untuk memenuhi permintaan berkualitas tinggi dan berskala besar di industri elektronik.

Prinsip pertumbuhan silikon monokristalin CZ adalah sebagai berikut:

Proses CZ membutuhkan suhu tinggi, vakum, dan lingkungan tertutup. Peralatan utama untuk proses ini adalahtungku pertumbuhan kristal, yang memfasilitasi kondisi ini.

Diagram berikut mengilustrasikan struktur tungku pertumbuhan kristal.

Dalam proses CZ, silikon murni ditempatkan dalam wadah peleburan, dilelehkan, dan kristal benih dimasukkan ke dalam silikon cair. Dengan mengendalikan parameter seperti suhu, laju tarik, dan kecepatan putaran wadah peleburan secara presisi, atom atau molekul pada antarmuka kristal benih dan silikon cair terus-menerus mengalami reorganisasi, memadat seiring sistem mendingin, dan akhirnya membentuk kristal tunggal.

Teknik pertumbuhan kristal ini menghasilkan silikon monokristalin berdiameter besar berkualitas tinggi dengan orientasi kristal tertentu.

Proses pertumbuhan melibatkan beberapa langkah utama, termasuk:

1. Pembongkaran dan Pemuatan: Menghilangkan kristal dan membersihkan tungku dan komponen secara menyeluruh dari kontaminan seperti kuarsa, grafit, atau kotoran lainnya.

2. Vakum dan Peleburan:Sistem dievakuasi ke ruang hampa, diikuti dengan pengenalan gas argon dan pemanasan muatan silikon.

3. Penarikan Kristal: Kristal benih diturunkan ke dalam silikon cair, dan suhu antarmuka dikontrol dengan hati-hati untuk memastikan kristalisasi yang tepat.

4. Kontrol Pemikiran dan Diameter:Saat kristal tumbuh, diameternya dipantau dan disesuaikan dengan hati-hati untuk memastikan pertumbuhan yang seragam.

5. Akhir Pertumbuhan dan Penutupan Tungku: Setelah ukuran kristal yang diinginkan tercapai, tungku dimatikan, dan kristal dikeluarkan.

Langkah-langkah terperinci dalam proses ini memastikan terciptanya monokristal berkualitas tinggi dan bebas cacat yang cocok untuk manufaktur semikonduktor.

4. Tantangan dalam Produksi Silikon Monokristalin

Salah satu tantangan utama dalam memproduksi monokristal semikonduktor berdiameter besar terletak pada mengatasi hambatan teknis selama proses pertumbuhan, khususnya dalam memprediksi dan mengendalikan cacat kristal:

1. Kualitas Monokristal Tidak Konsisten dan Hasil RendahSeiring bertambahnya ukuran monokristal silikon, kompleksitas lingkungan pertumbuhan pun meningkat, sehingga menyulitkan pengendalian faktor-faktor seperti medan termal, aliran, dan magnet. Hal ini mempersulit upaya mencapai kualitas yang konsisten dan hasil yang lebih tinggi.

2. Proses Kontrol Tidak StabilProses pertumbuhan monokristal silikon semikonduktor sangat kompleks, dengan berbagai medan fisika yang saling berinteraksi, sehingga presisi kontrol menjadi tidak stabil dan menghasilkan rendemen produk yang rendah. Strategi kontrol saat ini terutama berfokus pada dimensi makroskopis kristal, sementara kualitasnya masih disesuaikan berdasarkan pengalaman manual, sehingga sulit memenuhi persyaratan fabrikasi mikro dan nano dalam chip IC.

Untuk mengatasi tantangan ini, pengembangan metode pemantauan dan prediksi kualitas kristal secara daring dan waktu nyata sangat dibutuhkan, seiring dengan peningkatan sistem kontrol untuk memastikan produksi monokristal besar yang stabil dan berkualitas tinggi untuk digunakan dalam sirkuit terpadu.