E513 : TEKNIK ELEKTRONIK BAB 2 : 1 BAB 2 : TUMBESARAN HABLUR DAN PENYEDIAAN WAFER OBJEKTIF : Di akhir pelalajaran ini pelajar akan dapat : a. Mentakrifkan istilah hablur tunggal, polihablur dan amorfus dengan berpandukan rajah struktur hablur.dan perbezaan struktur hablur berdasarkan rajah struktur hablur. b. Menerangkan bagaimana silikon diperolehi dari bahan mentahnya. c. Menulis persamaan kimia. d. Membincangkan dua kaedah tumbesaran hablur tunggal, czochralski dan zon terapung. e. Membuat perbandingan antara kedua-dua kaedah tersebut, seperti dari segi saiz hablur, ketumpatan bendasing, struktur hablur dan keberintangan elektrik. f. Menerangkan ciri-ciri wafer yang sedia untuk menjalani proses-proses pembikinan litar bersepadu seperti ketebalan, diameter dan sifat permukaan wafer. 2.1 Jenis-Jenis Struktur Hablur 2.1.1 Struktur Hablur SiIikon Susunan atom dalam setiap unsur adalah berbeza antara satu sama lain. Bilangan atom, kedudukan relatif atom serta daya tarikan antara atom akan memberikan ciri-ciri bahan yang berbeza. Bahan separa pengalir seperti Silikon dan Germanium mempunyai susunan atom yang tetap. OIeh itu, ia dipanggil sebagai hablur (crystal). Hablur Silikon ditunjukkan dalam gambarajah 3-1 mempunyai susunan atom berbentuk berlian yang terdiri daripada 16 atom. Gambarajah 3-1: Struktur Atom bagi Semikonduktor Silikon dan Germanium
E513 : TEKNIK ELEKTRONIK BAB 2 : 2 Bahan Amorfus (Amorphous) merupakan bahan dimana ia tidak mempunyai susunan atom yang tetap. Susunan atom-atomnya berselerak dan mempunyai jarak di antara satu sama lain seperti dalam gambarajah 3-2 Kegunaan bahan amosfus ini ialah untuk penghasilan transistor filem nipis yang digunakan sebagai elemen pensuisan dalam liquid crystal display (LCD). Dalam bahan separa pengalir intrinsik, susunan atom-atom ini membentuk hablurhablur yang berselerak. Struktur hablur yang tidak teratur ini terdiri daripada kawasan-kawasan hablur tunggal. dan dipanggil sebagai polihablur (polycrystal). Kegunaan bahan polihablur ini ialah digunakan untuk penghasilan Metal-Oxcide- Semikonduktor Field-Effect Transistor (MOSFET) Jika hablur-hablur adalah tersusun, maka struktur ini dipanggil sebagai hablur tunggal (crystalline) Gambarajah 3-2 : Struktur Atom bagi bahan amorfus Gambarajah 3-3 : Struktur Atom bahan polihablur Gambarajah 3-4: Struktur Atom hablur tunggal Bahan separa pengalir yang mempunyai struktur hablur tunggal akan memiliki ciriciri pengaliran elektron yang Iebih sekata dan boleh dijangkakan. Tambahan pula, wafer yang mempunyai struktur hablur tunggal akan menjamin agar permukaan serpih yang dihasilkan adalah sekata. 2.1.2 Pemerolehan Silikon Tulen Bahan asas wafer iaitu silikon biasanya diperolehi daripada pasir (SiO 2 ) yang mempunyai ketulinan sehingga 99.9999 % yang dileburkan pada suhu yang tinggi iaitu suhu 1420 o C.
E513 : TEKNIK ELEKTRONIK BAB 2 : 3 2.1.3 Penghasilan Silikon Tulen (intrinsik) a) Pasir (SiO 2 ) dipanaskan dengan karbon (C) membentuk persamaan berikut : C + SiO 2 Si (cecair) + CO 2 (gas Karbon dioksida) Bagaimanpun peratus ketulinan silikon 98% bercampur bendasing 2%. b) Bagi proses penulinan silikon ia dipanaskan bersama-sama HCl membentuk persamaan : Si + 3HCl SiHCl 3 + H 2 c) Tricholorosilane (SiHCl 3 ) terhasil daripada proses di atas dan kemudiannya dipanaskan bersama hidrogen pada suhu tinggi dan membentuk persamaan :- SiHCl 3 + H 2 Si + 3HCl Penghasilan silikon pada peringkat ini mencapai ketulinan sehingga 99.9999%. 2.2 Kaedah Tumbesaran Hablur Tunggal Wafer sebenarnya adalah kepingan yang dipotong dari rod silikon atau ingot. Ingot merupakan hablur tunggal yang terhasil dari struktur-struktur polihablur (intrinsik) yang didopkan bersama-sama bahan bendasing bagi menghasilkan separa pengalir jenis N atau jenis P. Ingot Wafer Gambarajah 3.5: Ingot yang terhasil dipotong kepada kepingan-kepingan wafer. Proses mengubah struktur polihablur menjadi hablur tunggal ini dikenali sebagai proses Tumbesaran Hablir Tunggal (Crystal Growth) Terdapat DUA (2) kaedah dalam proses Tumbesaran Hablur Tunggal iaitu : i. Kaedah Czochralski (CZ) ii. Kaedah Zon Terapung (Float-zone)
E513 : TEKNIK ELEKTRONIK BAB 2 : 4 Arah Putaran dan tarikan ke atas Gas Lengai (Argon) di masukkan Kebuk Hampagas Hablur Biji Ingot yang terbentuk Leburan Silikon pada suhu 1415 o C Mangkuk pijar kuarza Pemanas R.F Gas Lengai (Argon) keluar Cuk yang berputar lawan arah Gambarajah 3.6 : Tumbesaran hablur tunggal menggunakan kaedah Czochralski 2.3 Kaedah Czochralski (CZ) Bekas kuartza diisi dengan silikon tulen yang telah dicampur dengan sejumlah bendasing terkawal (dopan) bagi tujuan menentukan penghasilan bahan separa pengalir jenis N dan jenis P. Campuran dalam bekas kuartza kemudiannya dipanaskan pada suhu 1415oC sehingga lebur. Hablur biji (craytal seed) atau hablur semaian kemudian dimasukkan ke dalam cecair silikon dan ditarik ke atas perlahan-lahan sambil dipusing setiap masa. Apabila silikon cair tersebut menyejuk, ia akan mengeras dan membentuk struktur hablur tunggal. Hasilnya ialah satu hablur tunggal silikon yang didopkan secara sekata. Ia di panggil sebagai BOULE (atau ingot selinder) dan panjangnya di antara 1 hingga 3 meter. Kebanyakan hablur Si adalah di tumbesarkan dengan menggunakan kaedah CZ. Kaedah ini mampu menghasilkan hablur tunggal yang panjang dan berdiameter antara 10 20 cm Walaubagaimanapun teknologi terkini menggunakan diameter yang lebih besar dimana jongkong yang berdiameter 100 mm ditumbuhkan sehingga 140 mm dengan nilai keberintangan bahan 0.01 hingga 50Ω-cm
E513 : TEKNIK ELEKTRONIK BAB 2 : 5 2.4 Kaedah Zon Terapung (Float-Zone) FZ Satu rod polisilikon dikepit di antara hujung atas dan hujung bawahnya bersentuhan dengan hablur semaian. Pemanas RF digunakan untuk memanas polisilikon supaya menjadi leburan hablur tunggal. Semasa pemanasan satu kawasan kecil yang berhampiran dengan pemanas akan menjadi lebur. Peringkat permulaan pemanas akan diletakkan pada hujung bawah rod yang bersentuhan dengan hablur semaian. Kemudian gelung pemanas akan dianjakkan ke atas secara perlahan-lahan ke atas untuk melebur kawasan rod polisilikon di bahagian atasnya. Apabila suhu pada kawasan leburan yang pertama tadi menjadi rendah leburan silikon akan mula memejal mengikut saiz hablur semaian. Pada akhir proses ini keseluruhan rod ini akan mempunyai struktur hablur tunggal yang sedia untuk digunakan untuk proses penghasilan Litar bersepadu seterusnya. Diameter jongkong silikon hablur tunggal yang dihasilkan melalui proses ini biasanya berukuran antara 50 hingga 150 mm. Hasil teknologi sekrang jongkong yang berdiameter 110mm boleh ditunbuhkan sehingga 140 mm. Nilai keberintangan bahan yang dihasilkan antara 10 200 Ω-cm. Keberintangan yang tinggi ini sesuai untuk digunakan dalam penghasilan peranti-peranti kuasa seperti thyristor dan juga sensor.
E513 : TEKNIK ELEKTRONIK BAB 2 : 6 Gas lengai dimasukkan Kebuk Hampagas Cuk bahagian atas Rod Polihablur Silikon Zon leburan suhu 1415 o C Gegelung RF bergerak atas ke bawah Hablur semaian Cuk bahagian bawah Gas lengai dikeluarkan Gambarajah 3.7 : Tumbesaran hablur tunggal menggunakan kaedah Zon Tunggal 2.5 Proses Penyediaan Wafer Ingot Wafer Setelah melalui proses Kaedah Czochralski (CZ) dan Kaedah Zon Terapung (Float-zone), ingot (jongkong) yang terhasil dikisar supaya mendapat diameter yang sekata/seragam. Proses punaran mungkin dilakukan untuk melincinkan
E513 : TEKNIK ELEKTRONIK BAB 2 : 7 permukaan selinder tersebut dimana permukaan selinder ini akan menjadi bahagian tepi wafer Selinder jongkong kemudiannya melalui proses membuat takukan di sepanjang jongkong. Ia membentuk satu kawasan yang rata bagi tujuan untuk rujukan satah Jongkong dihiris menjadi kepingan-kepingan nipis yang dikenali sebagai wafer dengan menggunakan gergaji mata intan bergantung kepada diameter wafer. Size Diameter Tebal Wafer 2 inci 10 12 mil 100 mm 20 22 mil Proses menggilapkan wafer dilakukan untuk menghilangkan kecacatan hablur pada kedua-dua permukaannya dengan menggunakan sejenis bahan kimia untuk punaran. Komponen-komponen yang akan dibina pada lapisan atas permukaan wafer tersebut biasanya sedalam 10 mikron. Oleh itu permukaan wafer mestilah benarbenar rata sehingga menyerupai seperti cermin dan bersifat hidrofobik. Bagi tujuan itu wafer digilap dengan kaedah mechano-chemical dan kemungkinan 1.5 hingga 2 mil tebal akan disingkirkan. Wafer kemudiannya dibersihkan dan dibilas. Wafer-wafer ini dipindahkan ke tempat lain dengan menggunakan pensil vakum yang tidak menyentuh wafer. Wafer seterusnya sedia untuk digunakan untuk proses seterusnya dalam pembuatan Litar bersepadu.
E513 : TEKNIK ELEKTRONIK BAB 2 : 8 2.6 Cartalir penyediaan wafer Tumbesaran Hablur Tunggal (CZ atau FZ) Mengisar diameter jongkong menjadi sekata Membuat takukan (flat) di sepanjang jongkong Jongkong dipotong kepada kepingan-kepingan nipis Wafer di gilap pada kedua-dua belah permukaanya. Wafer silikon sedia untuk digunakan untuk pembuatan IC