Teknologi Rangkaian Terintegrasi #03

Integrated Circuit
Rangkaian Terintegrasi (Integrated Circuit/IC), sering juga disebut sirkuit terpadu, terdiri dari beberapa transistor, resistor, dll yang terinterkoneksi satu sama lain dalam package (paket) kecil dengan terminal-terminal sambungan. IC itu sudah lengkap, hanya memerlukan sambungan input dan output dan sebuah tegangan supply untuk bisa berfungsi. Cara lain, beberapa komponen eksternal harus dihubungkan agar IC itu bisa beroperasional.

IC di dalam sebuah sirkuit elektronik

IC dapat diklasifikasikan menurut fungsinya, sebagai IC analog atau IC digital. IC analog (juga disebut IC linier) bisa berupa amplifier, voltage regulator, dll. IC digital biasanya berisi transistor-transistor baik yang dalam keadaan swicthed-off atau dalam keadaan switched-on. Gerbang-gerbang logika, counting circuits, dan yang semacam terdapat dalam bentuk IC.

Metoda lain mengklasifikasi IC adalah menurut ukurannya small-scale integration (SSI), medium-scale integration (MSI), large-scale integration (LSI), dan very large-scale integration (VLSI). Selang ini dari kurang 12 rangkaian individual per paket sampai di atas 50.000 rangkaian dalam sebuah paket tunggal.

Teknik-teknik yang digunakan dalam manufaktur IC lebih dari satu metoda klasifikasi. Teknik manufaktur yang utama adalah fabrikasi monolitik, thin-film, thick-film, dan hybrid.

IC Monolitik
Di dalam IC Monolitik semua komponen difabrikasi dengan proses difusi pada chip silikon tunggal. Interkoneksi di antara komponen dilakukan di atas permukaan struktur, dan pengawatan sambungan eksternal dihubungkan dengan terminal.

Rangkaian Terintegrasi (integrated circuit/IC) adalah realisasi secara fisik dari komponen-komponen diskrit yang terpisah tapi merupakan satu kesatuan yang berada di atas atau di dalam suatu substrat yang membentuk sebuah rangkaian terintegrasi yang bekerja dengan fungsi khusus.

keping wafer silikon

Bahan dasar sebuah substrat adalah semikonduktor kristal tunggal yang dipotong-potong menjadi beberapa keping wafer. Ukuran sekeping wafer mempunyai tebal 0,2 mm dan diameter 2 cm sampai 12 cm.

Di atas keping wafer ini kemudian dibuat rangkaian-rangkaian yang diinginkan. Sekeping wafer dibagi menjadi sejumlah chip yang berukuran 10 mm x 10 mm. Chip-chip ini selanjutnya dirakit menjadi sebuah package (kemasan).

Implementasi rangkaian logika ke dalam wafer silikon merupakan seni tersendiri. Pemahaman tentang langkah-langkah pengolahan silikon sangat diperlukan agar diperoleh keyakinan dalam mendisain pola rangkaian. Ada aturan disain (design rule) agar sesuai dengan toleransi peralatan proses fabrikasi. Disainer rangkaian terintegrasi menggambar pola berdasarkan aturan itu.

Menggambar pola rangkaian dapat dilakukan secara manual atau dibantu komputer. Tujuannya agar disainer dapat menggunakan fasilitas proses fabrikasi dengan baik dalam merealisasikan rangkaian terintegrasi.

Divais dapat direalisasikan menjadi rangkaian terintegrasi dengan beberapa teknologi, antara lain teknologi bipolar dan teknologi MOS. Teknologi bipolar mempunyai keterbatasan untuk rangkaian yang padat. Teknologi MOS berkembang untuk rangkaian terintegrasi padat seperti VLSI.

Langkah pengolahan dasar yang dpakai untuk fabrikasi beberapa divais silikon, seperti dioda, transistor, dan IC, dapat dikategorikan sebagai berikut.

1. Ion implantation
2. Diffusion
3. Oxidation
4. Photolithography
5. Chemical-vapor depostion (termasuk epitaxy)
6. Metalization

Berawal dengan wafer silikon kristal tunggal, pengolahan yang tercantum di atas tadi dapat dipakai untuk menghasilkan divais diskrit yang berfungsi (yaitu, dioda dan transistor individual) dan IC. Divais atau IC ini dalam bentuk wafer, dengan puluhan, ratusan, atau bahkan ribuan divais atau IC pada wafer silikon yang sama.

Wafer itu kemudian harus dipotong-potong untuk mendapatkan dice atau chip. Chip ini kemudian dijadikan kapsul (encapsulated) atau dikemas (packaged), dengan bermacam-macam kemasan dengan metoda pengemasan yang ada. Ada tiga tujuan dasar pengemasan.

1. membuat kapsul pada chip untuk melindungi chip dari pengaruh lingkungan,
2. memberikan kemudahan akses ke beberapa bagian dari chip melalui struktur pin sedemikian rupa sehingga divais dapat dengan mudah ditancapkan (plug) pada atau dihubungkan pada bagian yang lain dari suatu sistem, dan
3. memberi fasilitas heat transfer untuk keluar dari divais ke udara.

Proses fabrikasi dasar yang tercantum di atas tadi biasanya diaplikasikan berkali-kali secara berturut-turut, terutama dalam kasus IC, dimana sebanyak 20 pengulangan dari langkah-langkah fotolitografi, oksidasi, implantasi ion, dan difusi yang bisa dilakukan.

Persiapan Wafer Silikon

Material awal untuk pengolahan divais silikon adalah wafer silikon kristal tunggal yang jenis dan doping-nya yang sesuai kondukvitasnya. Urutan persiapan wafer silikon terdiri dari langkah-langkah dasar berikut ini.

1. Pertumbuhan kristal dan doping
2. Ingot trimming dan grinding
3. Ingot slicing
4. Wafer polishing dan etching
5. Wafer cleaning

Pertumbuhan Kristal

Dalam proses pertumbuhan kristal, ingot silikon kristal tunggal dengan tingkat dan jenis doping yang cukup untuk diproduksi. Material awal untuk pertumbuhan kristal adalah silikon polikristalin yang tingkat kemurniannya tinggi yang disebut semicoductor grade silicon.

Tingkat kemurnian dari material ini dalam selang lebih dari 99,9999999 atau kermurnian 9-nines. Ini terkait dengan suatu konsentrasi impuriti sebesar lebih dari 1 part per billion atoms (>1 ppba), yaitu kurang dari satu atom impuriti untuk setiap miliar (10⁹) atom silikon. Banyaknya atom per satuan isi adalah 5.0 x 10²² cm^-3, sehingga konsentrasi impuriti sebesar 1 ppba berkait dengan kerapatan sebesar 5 x 10¹³ cm^-3. Kebanyakan dari kerapatan impuritas residual ini merupakan impuritas akseptor seperti boron, dan resistivitas yang terkait dengan kerapaatan impuritas di atas tadi hampir 300 ohm-cm. Polyscrystaline silicon dengaan kosentrasi impuritas kurang dari 0,1 ppba itu ada.



Proses pertumbuhan kristal Czochralski merupakan proses yang paling sering digunakan untuk memproduksi ingot silikon kristal tunggal. Polycrystalline silicon bersama dengan sejumlah dopant yang cukup atau silikon yang didoping dimasukkan ke dalam sebuah quartz crucible, yang kemdian dimasukkan sebuah tungku pertumbuhan kristal.

Bahan itu kemudian dipanasi sampai pada suhu sedikit di atas titik cair/leleh silikon yaitu 1420^oC. Sebuah batang kecil silikon kristal tunggal yang disebut sebuah seed crystal kemudian dicelupkan ke dalam cairan/lelehan silikon dan perlahan-lahan ditarik, seperti pada gambar di bawah ini. Konduksi panas pada seed crystal itu akan menurunkan suhu lelehan silikon yang terhubung dengan seed crystal itu sedikit di bawah titik leleh silikon.

Bersambung ke Fabrikasi dan Karakteristik IC

back