proses pembuatan Integrated Circuit (IC)

Pada saat ini, sebuah IC dapat berisi jutaan komponen. Komponen-komponen tersebut sedemikian kecilnya sehingga keseluruhan rangkaian hanya menempati luas area kurang dari 1 cm2. Wafer Kristal silikon sebagai bahan awal, berdiameter sekitar 10 cm sampai 30 cm sehingga pada permukaan waferini dapat dibuat puluhan sampai ratusan rangkaian lengkap.Untuk produksi massal bahkan ratusan wafer dapat sekaligus digunakan dalam suatu proses pabrikasi secara bersamaan. Secara garis besar, proses pembuatan silikon kristal wafer dapat dijelaskan dengan gambar berikut ini:

A.  Bahan awal Silicon untuk aplikasi PV dan IC harus mengandung kemurnian 99% atau metalurgi-grade (MG). Ini diperoleh melalui pengurangan Coke (karbon) dalam sebuah tungku bunga api. Reaksi keseluruhan dapat dianggap sebagai: SiO2 + C ->CO2 + Si

Proses selanjutnya adalah proses pemurnian dengan melarutkan Silicon Metalurgical Grade kedalam larutan Asam (HCl) sehingga terbentuk larutan Chlorosilanes. Dan kemudian dilakukan proses distilasi (pemisahan cairan yang berbeda titik didihnya) sehingga didapatkan cairan Trichlorosilane (SiHCL3).

Cairan SiHCl3 kemudian menuju proses reduksi menggunakan gas Hidrogen sehingga terciptalah Polycrystalline Silicon atau yang banyak dikenal sebgai Polysilicon. Karena sudah dalam bentuk padatan, zat ini lebih stabil untuk dilakukan transportasi (ekspor). Indonesia berpotensi untuk mengekspor zat ini daripada hanya mengeskpor pasir silika saja.

Polysilicon kemudian dipanaskan (dilelehkan) sampai suhu 1500 C dan menggunakan teknologi khusus (dalam hal ini teknologi dari Siemen Jerman yang banyak digunakan) akan menghasilkan kristal silicon dalam bentuk padatan rigid. Kemudian batangan kristal silicon inilah yang kemudian dipotong tipis-tipis dengan gergaji berbahan Diamond sehingga terbentuk lempengan wafer atau slice.

wafer yang masih utuh. Wafer Fabrication terdiri dari :

a) Cleaning

Silikon wafer harus senantiasa bersih (tidak terkontaminasi partikel organik maupun logam) dalam setiap tahapan proses Wafer Fabrication. Adapun yang paling banyak digunakan adalah metode RCA Clean.

b) Oxidation

silikon menawarkan berbagai kemudahan antara lain kemudahan untuk membentuk lapisan insulator berkualitas tinggi di atas permukaannya melalui proses oksidasi.Yaitu terjadinya reaksi kimia antara silikon dengan oksigen atau uap air pada temperatur antara 1000oC - 1200oC sehingga membentuk lapisan film Silicon Dioxide (SiO2) pada permukaan wafer yang bersifat stabil pada temperatur tinggi dan merupakan salah satu bahan insulator terbaik

c) Photolithography

Photolithography merupakan proses utama pada Wafer Fabrication, dimana pola mikroskopik yang telah didesain dipindahkan dari masker ke permukaan wafer dalam bentuk rangkaian nyata.Diawali dengan memberikan lapisan photoresist (cairan kimia yang bersifat photosensitive) pada permukaan wafer.Kemudian pada silikon wafer yang sudah dilapisi photoresist tersebut diletakkan di atasnya masker/reticle berbentuk lempengan kaca transparan yang telah dipenuhi pola circuit (die) yangsejenis yang akan dibuat, lalu dipaparkan terhadap sinar UV sehingga lapisan photoresist pada permukaan wafer yang terekspos langsung sinar UV akan mudah dikelupas dengan bantuan cairan kimia khusus.Maka pada permukaan wafer akan terlihat pola circuit seperti pola pada masker/reticle

d) Ion Implantation

Ion implantation ialah proses menanamkan atom impuritas (ion) ke dalam silikon wafer yang tidak tertutup oleh lapisan photoresist dengan bantuan tegangan listrik (untuk mengatur kedalaman penetrasi ion) dan arus listrik (untuk mengatur jumlah ion)Atom impuritas itu sendiri berfungsi untuk mengubah sifat kelistrikan dari silikon wafer

e) Etching

Teknik etching yang dipakai adalah Wet Etching yaitu dengan menggunakan cairan kimia yang mampu menyebar ke segala arah dengan sama rata(isotropic) untuk meluruhkan lapisan SiO2 pada permukaan silikon wafer. Kelemahannya adalah bagian lapisan SiO2 yang berada tepat di bawah lapisan photoresist juga sebagian ada yang ikut luruh,sehingga akan menjadi masalah tersendiri jika jalur polanya sangat tipis.

f) Chemical Vapor Deposition (CVD)

Pada tekanan rendah dan temperatur tertentu gas atau uap kimia akan bereaksi terhadap lapisan film pada permukaan silikon wafer. Gas Ammonia (NH3) dan Dichlorosilane (SiHCl2) akan bereaksi untuk menghasilkan lapisan film Silicon Nitride (Si3N4) yang solid dengan ketebalan beberapa micron atau beberapa nanometer saja. Sedangkan gas-gas sisa reaksi berupa Hydrogen Chloride (HCl), Chlorine (CL2), Hydrogen (H2) danNitrogen (N2) akan dipompa keluar dari reactor.

g) Sputter Deposition

Proses sputtering memanfaatkan medan listrik untuk mengambil ion Argon positif agar membentuk lapisan logam tipis (film) pada target yang berada di permukaan silikon wafer.

h) Chemical Mechanical Planarization (CMP)

CMP adalah kombinasi penggunaan metode kimia (untuk melunakkan terlebih dahulu lapisan materialyang akan dibuang) dan mekanik (penggosokkan dengan polishing slurry) untuk membuang material-material yang tidak diperlukan pada permukaan silikon wafer sehingga hanya material-material yang dibutuhkan saja (sesuai desain) yang masih menempel pada permukaan wafer.

Dari semua proses yang sudah dijelaskan di atas dan dikombinasikan dengan proses lainnya yang jumlahnya sangat banyak, salah satunya adalah Metallization (untuk menghubungkan semua komponen yang terkandung (resistor, kapasitor, transistor dll) sehingga membentuk rangkaian IC yang sesuai dengan desain yang sudah direncanakan), maka hasil akhirnya adalah sejumlah IC (Die) yang masih menyatu pada sebuah silikon wafer.

1.    Wafer Test

Die-die yang dihasilkan pada proses Wafer Fabrication tidak 100% berfungsi dengan baik. Untuk mengetahui die mana saja yang rusak, diperlukan pengetesan awal. Setiap jenis die yang diproduksi memiliki alat pengetesan tersendiri yang disebut probe card. Alat spesial ini dibuat khusus untuk setiap jenis die yang berbeda, tetapi semuanya telah dilengkapi dengan jarum kecil yang dirancang sedemikian rupa supaya pas dengan posisi bond pad pada die yang akan dites. Silikon wafer yang akan dites kemudian dijepit pada alat penjepit yang terdapat pada Wafer Prober.Wafer Prober sepenuhnya dikendalikan oleh Tester, yaitu sistem komputerisasi yang diprogram secara otomatis untuk menggerakan Probe Card guna melakukan pengetesan berbagai sifat kelistrikan pada setiap die yang terdapat pada permukaan silikon wafer kemudian menandai setiap die yang tidak berfungsi dengan baik (rusak).

2.    Packaging

IC Silicon yang sudah berbentuk die perlu penanganan yang hati-hati karena mudah pecah walaupun sudah diberi lapisan pelindung khusus maka diperlukan pengemasan/packaging.

a) Silikon wafer yang sudah dites diletakkan di atas blue tape yang dibentangkan pada logam yang permukaannya rata dengan bagian belakang yang tidak memiliki circuit menempel pada permukaan blue tape tersebut. Kemudian dilanjutkan dengan pemotongan silikon wafer menja dipotongan-potongan die dengan menggunakan pisau khusus (bermata berlian) yang berkecepatan tinggi. Potongan-potongan die akan tetap menempel pada permukaan blue tape.

b) Potongan die yang bagus (telah lolos pengujian awal) dicabut dari blue tape dan dipindahkan keatas lead frame (komponen yang terbuat dari tembaga yang berfungsi sebagai kaki-kaki pada IC) dan direkatkan dengan epoxy kemudian dipanaskan agar epoxy mengeras dan die tidak terlepasdari lead frame. Proses pencabutan dari blue tape dan pemindahan ke atas lead frame dilakukan oleh mesin secara otomatis.

c) Wirebonding, yaitu proses dimana kaki-kaki lead frame dihubungkan ke bond pad yang terdapat pada die dengan menggunakan benang emas (gold wire). Pekerjaan ini juga dilakukan oleh mesin secara otomatis.

d) Molding, yaitu menutup lead frame dengan menggunakan compound yang dipress pada temperature dan tekanan udara tertentu sehingga die dan benang emas yang semula terbuka akan tertutup oleh compound.

e) Solder Platting, yaitu proses penyepuhan kaki-kaki IC dengan timah sehingga kaki-kaki yang terbuatdari tembaga tersebut berwarna perak.

f) Marking, yaitu proses pemberian label tipe IC , part number, nama perusahaan, tanggal dan lain sebagainya untuk memudahkan identifikasi selanjutnya.Teknik molding seperti yang diuraikan di atas, menyebabkan kemasan luar IC lebih besar daripadaukuran die di dalamnya. Efeknya, sinyal frekuensi tinggi dari IC sedikit terganggu.

Teknik untuk mengatasinya diberi nama Flip Chip. Pada teknik ini, terlebih dahulu dibuat bond pad yang merupakan pasangan untuk connecting pad yang terdapat pada die yang akan dikemas. Kemudian pada bond pad yang telah disiapkan tersebut diberi timah yang membentuk bola-bola kecil (bump).Setelah semua bond pad terisi oleh bump, selanjutnya dipasangkan dengan connecting pad pada die untuk kemudian dipanaskan sehingga keduanya menyatu oleh timah yang meleleh.

3.    Final Test

Pengujian akhir dilakukan terhadap semua IC yang sudah selesai dikemas dengan tujuan agar IC yang mengalami kerusakan selama proses packaging tidak ikut terkirim bersama-sama dengan IC yang bagus. Metode pengujian akhir ini hampir sama dengan pengujian awal terhadap silikon wafer, bedanya IC yang sudah jadi tidak memerlukan lagi Wafer Prober tetapi menggunakan Handler. Handler juga sepenuhnya dikendalikan oleh Tester guna melakukan pengetesan berbagai sifat kelistrikan pada setiap IC sekaligus memilah-milah kualitas dari masing-masing IC.