Wafer adalah bahan dasar dari komponen sistem mikro. Wafer biasanya berbentuk lempengan tipis berbentuk lingkaran dengan garis di salah satu sisinya. Pada umumnya wafer terbuat dari kristalsilikon.[1]
Bentuk wafer silikon
Pembuatan dan pemurnian silikon
Dari bahan dasar pasir yang mengandung silikon oksida, dibakar menggunakan karbon untuk mengeluarkan oksigen dari silikon. Silikon yang tidak murni ini kemudian dimurnikan dengan proses Siemens atau proses DuPont. Setelah dimurnikan dengan reaksi kimia kemudian wafer di kristalkan dengan proses Czochralski. Caranya adalah melelehkannya kemudian mendinginkannya dengan cara memutar pelan-pelan ke arah atas. Dengan metode ini, maka pengotor akan pelan-pelan berpindah ke bawah dan didapatkan satu batang silikon murni berbentuk silinder. Setelah proses ini berakhir, tempat untuk melelehkan silikon akan menjadi kotor karena kotoran menuju kebawah.[butuh rujukan]
Proses Czochralski dapat dioptimalkan dengan cara melakukan proses ini di dalam ruangan yang berisi gas dan tempat yang sulit bereaksi dengan zat lain seperti gas mulia argon dan quartz.[butuh rujukan]
Batang silikon dipotong-potong menjadi lempengan tipis berbentuk lingkaran dengan pemotong berketelitian sangat tinggi. Wafer yang sudah dipotong kemudian dipoles secara presisi sehingga didapatkan permukaan yang sangat rata seperti cermin sampai mencapai orde micrometer tingkat kerataannya. Sampai pada tingkat ini, wafer sudah siap untuk diproses menjadi sirkuit terpadu atau alat sistem mikro lainnya.[butuh rujukan]
Deskripsi
Wafer silikon merupakan bahan untuk produk semikonduktor. Silikon berarti silikon dan wafer adalah silinder yang diiris tipis. Oleh karena itu, wafer silikon adalah kristal tunggal silikon yang diiris tipis.
Silikon merupakan bahan khas untuk perangkat elektronik. Perangkat elektronik menunjang kehidupan kita. Seiring dengan meningkatnya permintaan perangkat elektronik, kebutuhan akan wafer silikon juga akan meningkat.
Kegunaan Wafer Silikon
Meskipun kita mungkin tidak menyadari penggunaan wafer silikon dalam kehidupan kita sehari-hari, wafer silikon ada di semua perangkat elektronik. Wafer silikon digunakan sebagai substrat untuk produk semikonduktor. Contoh umum penggunaan produk semikonduktor tercantum di bawah ini.
Peralatan otomasi kantor seperti ponsel pintar dan komputer pribadi
Unit kendali peralatan bergerak seperti mobil dan pesawat terbang
AI dan internal robot
Baterai surya
Material wafer semikonduktor
Semikonduktor membentuk dasar desain dan manufaktur elektronik. Substrat tipis berbentuk cakram ini bukan sekadar komponen; mereka adalah kanvas tempat fabrikasi semikonduktor dibuka. Sifat wafer semikonduktor, seperti struktur kristal dan karakteristik listrik, secara langsung mempengaruhi kinerja komponen elektronik akhir. Jenis dan bahan wafer bisa sangat bervariasi, tergantung pada jenis perangkat semikonduktor yang perlu diproduksi. Biasanya, bahan berikut digunakan untuk pembuatan wafer semikonduktor:
Wafer silikon dengan struktur kristal tetap menjadi tulang punggung elektronik, unggul dalam sirkuit logika, mikroprosesor, dan aplikasi memori. Wafer Gallium arsenide (GaAs) menawarkan mobilitas elektron yang unggul dan celah pita langsung, menjadikannya sempurna untuk aplikasi frekuensi tinggi seperti perangkat RF dan optoelektronik. Wafer silikon karbida (SiC) mendefinisikan ulang elektronika daya, menawarkan konduktivitas termal yang luar biasa dan celah pita yang lebar untuk aplikasi pada kendaraan listrik, elektronika daya, dan lingkungan bersuhu tinggi.
Berbagai Jenis Wafer Semikonduktor
Jenis Wafer
Struktur kristal
Mobilitas Elektron
Tipe Celah Pita
Aplikasi
Silikon
kisi kovalen
Sedang
Tidak langsung
Sirkuit logika, mikroprosesor
Gallium Arsenida
Campuran seng
Luar biasa
Langsung
Perangkat RF, amplifier gelombang mikro
Silikon Karbida
Tetrahedral
Bagus sekali
Lebar
Elektronika daya, kendaraan listrik
Indium Fosfida
Wurtzit
Tinggi
Langsung
Fiber optik, teknologi laser
Wafer Silikon: Standar
Wafer silikon , tulang punggung banyak perangkat elektronik, berkat kehebatannya berkat struktur kristal yang disusun dengan cermat. Silikon, unsur Golongan IV, menunjukkan struktur kisi kristal yang diatur oleh ikatan kovalen. Setiap atom silikon, yang memiliki empat elektron valensi, terlibat dalam ikatan kovalen dengan empat atom silikon yang berdekatan. Susunan ini membentuk kisi yang stabil dan teratur di dalam kristal.
Celah pita Optimal untuk Sirkuit Terpadu: Silikon memiliki celah pita energi sekitar 1,1 eV, ideal untuk sirkuit terpadu guna mencegah arus bocor pada suhu kamar.
Stabilitas dan Daya Tahan Termal: Wafer silikon menunjukkan stabilitas termal yang sangat baik, menjaga integritas struktural hingga 1.400°C. Hal ini membuat mereka sangat andal dalam berbagai kondisi suhu.
Kelimpahan dan Efektivitas Biaya: Silikon adalah unsur paling melimpah kedua di kerak bumi. Karena hal ini dan proses manufakturnya yang mapan, ini merupakan pilihan hemat biaya untuk produksi massal.
Kekuatan Mekanik: Wafer silikon memiliki kekuatan mekanik yang signifikan, membuatnya tahan terhadap kerusakan selama proses penanganan dan fabrikasi.
Aplikasi
Mikroelektronika: Wafer silikon adalah bahan dasar untuk perangkat mikroelektronik modern. Silikon adalah standar dalam segala hal mulai dari mikroprosesor dan chip memori hingga transistor dasar.
Sel Surya: Kemampuan silikon untuk mengubah sinar matahari menjadi listrik secara efisien menjadikannya pilihan populer untuk sel fotovoltaik.
Sensor dan Perangkat MEMS: Sifat mekanik silikon dan kompatibilitas dengan teknik mikrofabrikasi membuatnya cocok untuk sistem mikro-elektromekanis (MEMS) dan sensor, termasuk sensor tekanan dan akselerometer.
Metode pembuatan Wafer Silikon
Wafer silikon dibuat dari unsur silikon. Silikon merupakan unsur terbanyak kedua di permukaan bumi setelah oksigen. Ini adalah unsur umum yang ditemukan di tanah dan batuan, tetapi dengan menggunakan kuarsa, bahan untuk wafer silikon dimurnikan.
Batang silikon berbentuk silinder yang disebut ingot silikon digunakan untuk membuat wafer silikon. Wafer silikon diproduksi dengan mengiris batangan silikon menjadi irisan tipis.
Ingot silikon dibuat dari kristal silikon dengan kemurnian tinggi menggunakan dua metode utama: metode CZ (metode Czochralski) dan metode FZ (metode Floating Zone).
Metode CZ
Dalam metode CZ, bahan silikon mentah dilebur dalam tungku bersuhu tinggi dengan suhu melebihi 1.000℃. Ingot silikon selesai dibuat ketika batang silikon benih dimasukkan ke dalam tungku dan diangkat sambil berputar dengan kecepatan tinggi.
Metode FZ
Metode FZ menggunakan bahan silikon polikristalin dalam bentuk batang. Bahan mentah dilekatkan pada bahan silikon monokristalin benih, dan permukaan batas dipanaskan secara induktif. Bahan silikon polikristalin menjadi monokristalin, dan ingot silikon selesai dibuat.
Proses Pembuatan Wafer Silikon
Wafer silikon diproduksi menggunakan ingot silikon yang diproduksi dengan dua metode di atas. Proses pembuatannya adalah sebagai berikut:
Pemotongan Ingot
Ingot dipotong menggunakan pisau berlian untuk menghasilkan wafer dengan ketebalan yang diinginkan.
Pemolesan Wafer
Untuk menjaga kualitas pola sirkuit, permukaan wafer dipoles hingga menjadi seperti cermin. Dengan demikian, bebas dari partikulat dan kotoran lainnya.
Salah satu alasan pengembangan signifikan sirkuit terpadu skala besar yang menggunakan semikonduktor silikon adalah pembentukan teknologi yang memungkinkan produksi massal kristal tunggal silikon dengan kemurnian tinggi dan bebas cacat dengan biaya yang relatif rendah. Silikon yang diproduksi memiliki kemurnian sangat tinggi sebesar 99,999999999% atau lebih tinggi dan disebut "sebelas-sembilan" karena ada sebelas sembilan berturut-turut.
Teknologi fabrikasi ingot silikon juga terus mengalami kemajuan. Ingot sejauh ini telah tumbuh dengan diameter dari 20 mm menjadi 200 mm.
Doping dalam Manufaktur Semikonduktor
Doping dalam pembuatan semikonduktor melibatkan pemasukan elemen tertentu secara sengaja ke dalam kisi kristal silikon untuk mengubah sifat-sifatnya:
Fosfor , unsur Golongan V, atau Boron , unsur Golongan III, dimasukkan ke dalam kisi silikon melalui proses seperti implantasi ion atau pengendapan uap kimia (CVD). Selama implantasi ion, ion fosfor dipercepat dan ditanamkan ke dalam kisi, sedangkan CVD melibatkan pengendapan terkontrol senyawa yang mengandung fosfor ke permukaan silikon.
Efek Doping pada Konduktivitas
Fosfor bertindak sebagai dopan donor, yang berarti elektron tambahan ditambahkan ke kisi silikon. Kelebihan elektron ini meningkatkan konsentrasi elektron keseluruhan, mengakibatkan kelebihan pembawa muatan negatif.
Silikon yang didoping fosfor menjadi semikonduktor tipe-n, sehingga meningkatkan konduktivitas dan mobilitas elektronnya. Hal ini sangat berguna dalam aplikasi yang mengutamakan aliran elektron yang efisien, seperti transistor.
Boron, sebagai dopan akseptor, memasukkan lubang ke dalam kisi silikon dengan menerima elektron. Hal ini menciptakan kelebihan pembawa muatan positif.
Silikon yang didoping boron berubah menjadi semikonduktor tipe-p. Perubahan ini bermanfaat untuk perangkat yang memerlukan pembawa muatan positif, seperti dalam pembuatan sambungan pn untuk dioda.
Wafer Gallium Arsenide (GaAs): Untuk Frekuensi Tinggi
Wafer Gallium Arsenide (GaAs) menonjol sebagai bahan mutakhir untuk elektronik frekuensi tinggi .
Mobilitas Elektron Tinggi (HEM): Karena perbedaan material dan struktur kristal, wafer GaAs menunjukkan mobilitas elektron yang luar biasa.
Struktur Kristal: GaAs memiliki struktur kristal seng-campuran. Setiap atom galium terikat pada empat atom arsenik, menciptakan kisi yang lebih terbuka. Ikatan yang lebih lemah dan massa efektif elektron yang lebih kecil pada GaA memfasilitasi mobilitas elektron yang lebih tinggi.
Massa Elektron Efektif: GaAs memiliki massa efektif elektron yang lebih kecil, membuatnya lebih mudah bergerak dalam kisi kristal.
Keunggulan Celah Pita Langsung: GaAs memiliki celah pita langsung, tidak seperti celah pita tidak langsung silikon. Properti intrinsik ini memungkinkan emisi foton yang efisien.
Aplikasi
Perangkat RF : Mobilitas elektron tinggi wafer GaAs sangat ideal untuk tuntutan aplikasi RF.
Penguat Gelombang Mikro: GaAs mengambil peran penting dalam spektrum gelombang mikro, di mana kemampuannya memperkuat sinyal dengan kemahiran dan kebisingan yang rendah.
Optoelektronik: GaAs diterapkan pada perangkat optoelektronik, memfasilitasi interaksi tanpa batas dengan foton, yang mengarah pada penciptaan dioda pemancar cahaya (LED) dan dioda laser.
Wafer Silicon Carbide (SiC): Untuk Elektronika Daya
Wafer Silicon Carbide (SiC) mewakili lompatan teknologi dalam bahan semikonduktor, khususnya dalam efisiensi elektronika daya.
Konduktivitas Termal: Wafer SiC menunjukkan konduktivitas termal yang luar biasa, menghilangkan panas secara efisien. Karakteristik ini tidak hanya menjamin keandalan perangkat tetapi juga memperluas spektrum aplikasi. Terdiri dari atom silikon dan karbon dalam struktur tetrahedral, SiC memfasilitasi perpindahan panas yang efisien karena beberapa faktor:
Struktur Atom: Ikatan kovalen antara atom silikon dan karbon memungkinkan pengangkutan fonon (getaran kisi terkuantisasi) yang efisien — mekanisme utama konduksi panas dalam bahan kristal. Struktur kristal SiC juga meminimalkan hamburan fonon, memungkinkan fonon melintasi kisi dengan lebih sedikit gangguan.
Kecepatan Termal Tinggi: Atom silikon dan karbon yang relatif ringan, ditambah dengan ikatan kovalen yang kuat, berkontribusi terhadap kecepatan termal getaran kisi yang lebih tinggi. Energi getaran yang meningkat ini memfasilitasi perambatan panas yang cepat melalui material.
Celah Pita Lebar: Celah pita lebar SiC memungkinkan daya tahan tegangan lebih tinggi dan suhu pengoperasian lebih tinggi. Celah pita ini penting karena beberapa alasan:
Diagram Pita Energi: Dalam SiC, celah pita yang lebar menyiratkan pemisahan energi yang lebih besar antara pita valensi dan pita konduksi. Kesenjangan energi yang lebar ini memerlukan tingkat energi yang lebih tinggi bagi elektron untuk bertransisi dari pita valensi ke pita konduksi, menjadikan SiC sebagai isolator pada suhu kamar.
Tegangan Kerusakan Tinggi: Celah pita yang lebar berkontribusi terhadap ketahanan tegangan SiC yang luar biasa, memungkinkan material menahan medan listrik yang lebih tinggi.
Aplikasi
Power Electronics: Wafer SiC menunjukkan efisiensi dan kepadatan daya yang unggul dalam aplikasi seperti inverter dan konverter.
Penggerak Kendaraan Listrik: Toleransi dan efisiensi suhu tinggi SiC meningkatkan jangkauan dan kinerja.
Lingkungan Bersuhu Tinggi: Dari aplikasi luar angkasa hingga lingkungan industri, ketahanan SiC dalam kondisi suhu tinggi menjadikannya sebagai material di lingkungan yang keras.
Wafer Indium Phosphite (InP): Untuk Fotonik
Wafer Indium Fosfida (InP) memainkan peran penting dalam fotonik, memanfaatkan sifat optik dan elektroniknya yang khas.
Celah Pita Langsung: Wafer InP menampilkan celah pita langsung, atribut utama yang meningkatkan kemampuannya untuk berinteraksi dengan foton.
Penyerapan dan Emisi Foton: Dalam spektrum inframerah, foton membawa energi lebih rendah daripada sinar tampak atau ultraviolet. Celah pita langsung InP memungkinkannya menyerap dan memancarkan foton secara efisien di wilayah inframerah.
Transparansi Inframerah: Dalam rentang panjang gelombang inframerah, InP mengalami penyerapan foton yang minimal. Karakteristik ini memungkinkan material menjadi transparan terhadap cahaya inframerah, sehingga dapat melewatinya dengan serapan yang relatif rendah, sehingga cocok untuk aplikasi yang memerlukan kejernihan optik.
Struktur: Struktur elektronik InP memfasilitasi transisi elektron yang selaras dengan tingkat energi cahaya inframerah. Ketika foton inframerah berinteraksi dengan InP, foton tersebut dapat diserap atau ditransmisikan melalui material tanpa menyebabkan transisi elektronik yang signifikan.
Aplikasi
Komunikasi Serat Optik: Wafer InP sangat penting dalam transfer data berkecepatan tinggi, berfungsi sebagai landasan dalam sistem komunikasi serat optik. Ketepatannya dalam menghasilkan dan mendeteksi cahaya berkontribusi pada transmisi data yang cepat dan andal.
Teknologi Laser: Celah pita langsung InP memungkinkan emisi cahaya yang efisien, dapat diterapkan pada perangkat medis, telekomunikasi, dan berbagai industri di mana teknologi laser merupakan bagian integral.
Fotodetektor: Respons InP terhadap foton meluas ke fotodetektor, yang memanfaatkan kemampuannya untuk mengubah sinyal cahaya menjadi sinyal listrik. Fungsionalitas ini digunakan dalam sistem pencitraan, penginderaan, dan komunikasi.
Meskipun menonjol dalam bidang fotonik, wafer InP menghadirkan tantangan seperti kerapuhan material dan biaya produksi karena sifat halus InP.
Pangsa Pasar Wafer Silikon
Pasar elektronik global berkembang setiap tahunnya, dan industri semikonduktor menjadi semakin penting untuk mendukung pertumbuhan ini. Pasar wafer silikon adalah $11,9 miliar pada tahun 2018.
Pangsa Wafer Silikon berdasarkan Wilayah Konsumsi
Pangsa pasar berdasarkan wilayah konsumsi adalah Korea Selatan (35%), Amerika Utara (29%), Taiwan (16%), Tiongkok (10%), dan Jepang (7%), dengan pangsa tertinggi di Amerika Utara, Korea Selatan, dan Taiwan, tempat basis produsen semikonduktor.
Pangsa Penjualan Wafer Silikon berdasarkan Kebangsaan Vendor
Pangsa berdasarkan kewarganegaraan vendor adalah Jepang (55%), Taiwan (20%), Jerman (14%), dan Korea Selatan (10%), dengan perusahaan Jepang memegang pangsa yang tinggi.
