C. SILIKON DAN GERMANIUM
Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika. Silikon lebih banyak digunakan
daripada Gemanium karena sifatnya yang lebih stabil pada suhu tinggi. Silikon adalah material dengan struktur pita energi tidak langsung indirect bandgap, di mana nilai
minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita valensi tidak bertemu pada satu harga momentum yang sama. Ini berarti agar terjadi eksitasi dan rekombinasi dari
pembawa muatan diperlukan perubahan yang besar pada nilai momentumnya atau dapat dikatakan dibutuhkan bantuan sebuah partikel dengan momentum yang cukup
seperti phonon untuk mengkonservasi momentum pada semua proses transisi. Dengan kata lain, silikon sulit memancarkan cahaya. Sifat ini menyebabkan silikon
tidak layak digunakan sebagai piranti fotonikoptoelektronik.
1. Silikon Latin: silex, silicis, flint, silicium
Davy pada tahun 1800 menganggap silika sebagai senyawa ketimbang suatu unsur. Sebelas tahun kemudian pada tahun 1811, Gay Lussac dan Thenard mungkin
mempersiapkan amorphous sillikon tidak murni dengan cara memanaskan kalium dengan silikon tetrafluorida.
Pada tahun 1824 Berzelius, yang dianggap sebagai penemu pertama silikon, mempersiapkan amorphous silikon dengan metode yang sama dan kemudian
memurnikannya dengan membuang fluosilika dengan membersihkannya berulang kali. Deville pada tahun 1854 pertama kali mempersiapkan silikon kristal, bentuk
alotropik kedua unsur ini. Silikon sering digunakan untuk membuat serat optik dan dalam operasi plastik
digunakan untuk mengisi bagian tubuh pasien dalam bentuk silikone
. Silikon dalam bentuk mineral dikenal pula sebagai zat kersik.
Sebagian besar silikon digunakan secara komersial tanpa dipisahkan, terkadang dengan sedikit pemrosesan dari senyawanya di alam. Contohnya adalah pemakaian
langsung batuan, pasir silika, dan tanah liat dalam pembangunan gedung. Silika juga terdapat pada keramik.
Banyak senyawa silikon modern seperti silikon karbida
yang dipakai dalam pembuatan keramik berdaya tahan tinggi. Silikon juga dipakai sebagai monomer
dalam pembuatan polimer sintetik silikone
. Unsur silikon juga berperan besar terhadap ekonomi modern. Meski banyak silikon
digunakan pada proses penyulingan baja, pengecoran aluminium, dan beberapa proses industri kimia lainnya, sebagian silikon juga digunakan sebagai bahan semikonduktor
pada elektronik-elektronik. Karena penggunaannya yang besar pada sirkuit
terintegrasi , dasar dari komputer, maka kelangsungan teknologi modern bergantung
pada silikon. Silikon juga merupakan elemen esensial pada biologi, meskipun hanya dibutuhkan
hewan dalam jumlah amat kecil. Beberapa jenis makhluk hidup yang membutuhkannya antara lain jenis
porifera dan mikroorganisme jenis
diatom . Silikon
digunakan untuk membuat struktur tubuh mereka. a. Pengertian Silikon
Silikon adalah suatu unsur kimia
dalam tabel periodik
yang memiliki lambang Si dan
nomor atom 14.
Senyawa yang dibentuk bersifat
paramagnetik . Unsur kimia ini
ditemukan oleh Jöns Jakob Berzelius
. Silikon merupakan unsur metaloid
tetravalensi ,
bersifat lebih tidak reaktif daripada karbon
unsur nonlogam yang tepat berada di atasnya pada
tabel periodik , tetapi lebih reaktif daripada
germanium , metaloid yang
berada persis di bawahnya pada tabel periodik. Kontroversi mengenai sifat-sifat silikon bermula sejak penemuannya: silikon pertama kali dibuat dalam bentuk
murninya pada tahun 1824 dengan nama silisium dari kata bahasa Latin
: silicis, dengan akhiran -ium yang berarti logam. Meski begitu, pada tahun 1831, namanya
diganti menjadi silikon karena sifat-sifat fisiknya lebih mirip dengan karbon
dan boron
. Silikon adalah unsur yang paling melimpah kedua di kerak bumi setelah oksigen.
Sebagian besar silikon ada sebagai komponen batu silikat dan unsur bebasnya tidak ditemukan di alam. Oleh karena itu, silikon dihasilkan dengan mereduksi kuarsa dan
pasir dengan karbon berkualitas tinggi dengan menggunakan tungku listrik. Silikon dengan kemurnian tinggi dihasilkan dengan reduksi SiHCl3 dengan menggunakan
hidrogen. SiHCl3 dihasilkan dengan melakukan hidrokhlorasi silikon berkemurnian rendah diikuti dengan pemurnian.
Silikon merupakan polimer nonorganik yang bervariasi, dari cairan, gel, karet, hingga sejenis plastik keras. Beberapa karakteristik khusus silikon: tak berbau, tak
berwarna, kedap air, serta tak rusak akibat bahan kimia dan proses oksidasi, tahan dalam suhu tinggi, serta tidak dapat menghantarkan listrik.
Silikon yang digunakan untuk semikonduktor dimurnikan lebih lanjut dengan metoda pelelehan berzona kristal Czochralski. Kristal silikon mp 1410o C memiliki
kilap logam dan mengkristal dengan struktur intan. Silikon murni berwujud padat seperti logam dengan titik lebur 1410
C. silikon dikulit bumi terdapat dalam berbagai bentuk silikat, yaitu senyawa silikon dengan
oksigen. Unsur ini dapat dibuat dari silikon dioksida SiO
2
yang terdapat dalam pasir, melalui reaksi:
SiO
2s
+ 2C
s
→ Si
s
+ 2CO
g
Silikon murni berstruktur seperti Intan tetrahedral sehingga sangat keras dan tidak menghantarkan listrik, jika dicampur dengan sedikit unsur lain, seperti
alumunium Al atau boron B. silikon bersifat semikonduktor sedikit menghantarkan listrik, yang diperlukan dalam berbagai peralatan, elektronik, seperti
kalkulator dan Komputer. Itulah sebabnya silikon merupakan zat yang sangat penting dalam dunia modern. Untuk itu dibutuhkan silikon yang kemurniannya sangat tinggi
dan dapat dihasilkan dengan reaksi: SiCl
4g
+ 2H
2g
→ Si
s
+ 4HCl
g
Jari-jari silikon lebih besar dari karbon, sehingga tidak dapat membentuk ikatan π rangkap dua atau tiga sesamanya, hanya ikatan tunggal σ. Karena itu silikon tidak
reaktif pada suhu kamar dan tidak bereaksi dengan asam, tetapi dapat bereaksi dengan basa kuat seperti NaOH.
Si
s
+ 4OH
– aq
→ SiO
4aq
+ 2H
2g
Pada suhu tinggi, silikon dapat bereaksi dengan hidrogen membentuk hidrida, dan dengan halogen membentuk halide, seperti:
Si
s
+ 2H
2
→ SiH
4
Si
s
+ 2Cl
2
→ SiCl
4
Batuan dan mineral yang mengandung silikon, umumnya merupakan zat padat yang mempunyai titik tinggi, keras, yang setiap keping darinya merupakan suatu kisi yang
kontinu terdiri dari atom-atom yang terikat erat. Sebuah contoh dari zat padat demikian, adalah silikon dioksida, yang terdapat dialam dalam bentuk kuarsa, aqata
akik, pasir, dan seterusnya. Ada tiga isotop silikon, 28Si 92.23, 29Si 4.67, dan 30Si 3.10. Sebab
spin intinya I = 12, 29Si digunakan dalam studi NMR senyawa silikon organik atau silikat NMR padatan. Silikat dan senyawa organosilikon menunjukkan variasi
struktur. Kimia organosilikon merupakan area riset dalam kima anorganik yang sangat aktif. Kimia silikon berkembang dengan pesat sejak perkembangan proses industri
untuk menghasilkan senyawa organosilikon dengan reaksi langsung metil khlorida CH3Cl dengan kehadiran katalis tembaga. Proses historis ini ditemukan oleh E. G.
Rochow tahun 1945. Resin silikon, karet silikon, dan minyak silikon digunakan di banyak aplikasi. Akhir-akhir ini, senyawa silikon telah digunakan dengan meluas
dalam sintesis organik selektif. Walaupun silikon adalah unsur tetangga karbon, sifat kimianya sangat berbeda.
Contoh yang sangat terkenal kontras adalah antara silikon dioksida SiO2 dengan struktur 3-dimensi, dan gas karbon dioksida, CO2. Senyawa pertama dengan ikatan
ganda silikon-silikon adalah Mes2Si=SiMes2 Mes adalah mesitil C6H2CH33 dilaporkan tahun 1981, kontras dengan ikatan rangkap karbon-karbon yang sangat
banyak dijumpai. Senyawa seperti ini digunakan untuk menstabilkan ikatan yang tidak stabil dengan substituen yang meruah kestabilan kinetik.
14 aluminium ← silikon → fosfor C
↑ Si
↓ Ge
b. Sumber Silikon Silikon terdapat di matahari dan bintang-bintang dan merupakan komponen utama
satu kelas bahan meteor yang dikenal sebagai aerolites. Ia juga merupakan komponen tektites, gelas alami yang tidak diketahui asalnya.
Silikon membentuk 25.7 kerak bumi dalam jumlah berat, dan merupakan unsur terbanyak kedua, setelah oksigen. Silikon tidak ditemukan bebas di alam, tetapi
muncul sebagian besar sebagai oksida dan sebagai silikat. Pasir, quartz, batu kristal, amethyst, agate, flint, jasper dan opal adalah beberapa macam bentuk silikon oksida.
Granit, hornblende, asbestos, feldspar, tanah liat, mica, dsb merupakan contoh beberapa mineral silikat.
Silikon dipersiapkan secara komersil dengan memanaskan silika dan karbon di dalam tungku pemanas listrik, dengan menggunakan elektroda karbon. Beberapa
metoda lainnya dapat digunakan untuk mempersiapkan unsur ini. Amorphous silikon dapat dipersiapkan sebagai bubuk cokelat yang dapat dicairkan atau diuapkan. Proses
Czochralski biasanya digunakan untuk memproduksi kristal-kristal silikon yang digunakan untuk peralatan semikonduktor. Silikon super murni dapat dipersiapkan
dengan cara dekomposisi termal triklorosilan ultra murni dalam atmosfir hidrogen dan dengan proses vacum float zone.
c. Sifat-Sifat Silikon Silikon kristalin memiliki tampak kelogaman dan berwarna abu-abu. Silikon
merupakan unsur yang tidak reaktif secara kimia inert, tetapi dapat terserang oleh halogen dan alkali. Kebanyakan asam, kecuali hidrofluorik tidak memiliki pengaruh
pada silikon. Unsur silikon mentransmisi lebih dari 95 gelombang cahaya infra merah, dari 1,3 sampai 6 mikrometer.
d. Kegunaan Silikon
Dalam bentuknya sebagai pasir dantanah liat, dapat digunakan untuk membuat bahan bangunana seperti batu bata. Ia juga bergunasebagai bahan tungku pemanas dan
dalam bentuk silikat ia digunakan untuk membuat enamelstambalan gigi, pot-pot tanah liat, dsb. Silika sebagai pasir merupakan bahan utama gelas Gelasdapat dibuat
dalam berbagai macam bentuk dan digunakan sebagai wadah, jendela, insulator, danaplikasi-aplikasi lainnya.
Silikon tetraklorida dapat digunakan sebagai gelas iridize.Silikon super murni dapat didoping dengan boron, gallium, fosfor dan arsenik untukmemproduksi silikon yang
digunakan untuk transistor, sel-sel solar, penyulingan, dan alat-alatsolid-state lainnya, yang digunakan secara ekstensif dalam barang-barang elektronik dan industri
antariksa. Hydrogenated amorphous silicone memiliki potensial untuk memproduksi sel-sel murah untuk mengkonversi energi solar ke energi listrik.Silikon sangat penting
untuk tanaman dan kehidupan binatang. Diatoms dalam air tawar dan airlaut mengekstrasi silika dari air untuk membentuk dinding-dinding sel. Silika ada dalam
abuhasil pembakaran tanaman dan tulang belulang manusia. Silikon bahan penting pembuatan bajadan silikon karbida digunakan dalam alat laser untuk memproduksi
cahaya koheren dengan panjang gelombang 4560 A.
e. Manfaat Silikon dalam Elektronika
Teknologi Pembuatan Processor - Sand Pasir
Pasir, terutama Quartz, memiliki persentase tinggi dalam pembentukan Silicon dioksida SiO2 dan merupakan bahan dasar untuk produksi semikonduktor.
- Silikon Cair Silikon dimurnikan dalam tahap berlapis untuk akhirnya nencapai kualitas produksi
yang disebut Electronic Grade Silicon EGS. EGS mungkin hanya mengandung
sebuah atom asing setiap satu triliun atom Silikonnya. Pada gambar di bawah ini Anda bisa lihat bagaimana sebuah kristal besar tumbuh dari silikon cair yang
dimurnikan. Hasilnya adalah kristal tunggal yang disebut Ingot. Silikon cair – skala: level wafer ~300mm 12 inch
- Kristal Silikon Tunggal – Ingot Sebuah ingot dibuat dari Electronic Grade Silicon. Sebuah ingot memiliki berat sekitar
100 kilogram 220 pound dan memiliki kemurnian Silicon 99.9999. Mono-crystal Silicon Ingot scale: wafer level ~300mm 12 inch
- Pengirisan Ingot Ingot kemudian diiris menjadi disc-disc silikon individual yang disebut wafer.
Ingot Slicing — scale: wafer level ~300mm 12 inch
- Wafer Wafer-wafer ini dipoles sedemikian rupa hingga tanpa cacat, dengan permukaan
selembut kaca cermin. Process rumit 45nm High-KMetal Gate oleh Intel menggunakan wafer dengan diameter 200 milimeter. Saat Intel mulai membuat chip-
chip, perusahaan ini mencetak sirkuit-sirkuit di atas wafer 50 milimeter. Dan untuk saat ini menggunakan wafer 300mm, yang menghasilkan penghematan biaya per-chip.
Wafer — scale: wafer level ~300mm 12 inch
- Mengaplikasikan Photo Resist Cairan warna biru yang di tuangkan di atas wafer saat diputar adalah sebuah proses
dari photo resist yang sama seperti yang kita kenal di film untuk fotografi. Wafer diputar selama tahap ini untuk membuatnya sangat tipis dan bahkan mengaplikasikan
layer photo resist. Applying Photo Resist — scale: wafer level ~300mm 12 inch
- Exposure Hasil dari photo resist diekspos ke sinar ultraviolet UV. Reaksi kimianya ditrigger
oleh tahap pada proses tersebut, sama dengan apa yang terjadi pada material film pada sebuah kamera saat Anda menekan tombol shutter.
Exposure — scale: wafer level ~300mm 12 inch Hasil dari photo resist yang diekspos ke sinar UV akan bersifat dapat larut. Exposure
diselesaikan menggunakan mask yang berfungsi seperti stensil dalam tahap proses ini. Saat digunakan dengan cahaya UV, mask membentuk pola-pola sirkuit yang bervariasi
di atas tiap layer dari mikroprosesor. Sebuah lensa di tengah mengurangi image dari mask. Sehingga yang dicetak di atas wafer biasanya adalah empat kali lebih kecil
secara linier daripada pola-pola dari mask.
- Exposure transistor level Meskipun biasanya ratusan mikroprosesor bisa dihasilkan dari sebuah wafer tunggal,
cerita bergambar ini hanya akan fokus pada sebuah bagian kecil dari sebuah mikroprosesor, yaitu pada sebuah transistor atau bagian-bagiannya. Sebuah transistor
berfungsi seperti sebuah switch, mengendalikan aliran arus listrik dalam sebuah chip komputer. Peneliti-peneliti di Intel telah mengembangkan transistor-transistor yang
sangat kecil sehingga sekitar 30 juta transistor dapat diletakkan pas di kepala sebuah peniti.
Exposure — scale: transistor level ~50-200nm
- Membersihkan Photo Resist Photo resist yang lengket dilarutkan sempurna oleh suatu pelarut. Proses ini
meninggalkan sebuah pola dari photo resist yang dibuat oleh mask. Washing off of Photo Resist scale: transistor level ~50-200nm
- Etching Menggores Photo resist melindungi material yang seharusnya tidak boleh tergores. Material yang
ditinggalkan akan digores disketch dengan bahan kimia. Etching — scale: transistor level ~50-200nm
- Menghapus Photo Resist
Setelah proses Etching, photo resist dihilangkan dan bentuk yang diharapkan menjadi terlihat.
Removing Photo Resist — scale: transistor level ~50-200nm
- Mengaplikasikan Photo Resist Terdapat photo resist warna biru diaplikasikan di sini, diekspos dan photo resist yang
terekspos dibersihkan sebelum tahap berikutnya. Photo resist akan melindungi material yang seharusnya tidak tertanam ion-ion.
Applying Photo Resist — scale: transistor level ~50-200nm
- Penanaman Ion Melalui seuatu proses yang dinamakan “ion implantation” satu bentuk proses yang
disebut doping, area-area wafer silikon yang diekspos dibombardir dengan “kotoran” kimia bervariasi yang disebut Ion-ion. Ion-ion ini ditanam dalam wafer silikon untuk
mengubah silikon pada area ini dalam memperlakukan listrik. Ion-ion ditembakkan di atas permukaan wafer pada kecepatan tinggi. Suatu bidang listrik mempercepat ion-
ion ini hingga kecepatan 300.000 kmjam. Ion Implantation scale: transistor level ~50-200nm
- Menghilangkan Photo Resist Setelah penanaman ion, photo resist dihilangkan dan material yang seharusnya di-
doped warna hijau memiliki atom-atom asing yang sudah tertanam perhatikan sekilas variasi warnanya.
- Transistor yang Sudah Siap Transistor ini sudah dekat pada proses akhirnya. Tiga lubang telah dibentuk etching
di dalam layer insulasi warna magenta di atas transistor. Tiga lubang ini akan terisi dengan tembaga yang akan menghubungkannya ke transistor-transistor lainnya.
Ready Transistor — scale: transistor level ~50-200nm
- Electroplating
Wafer-wafer diletakkan ke sebuah solusi sulfat tembaga di tahap ini. Ion-ion tembaga ditanamkan di atas transistor melalui proses yang disebut electroplating. Ion-ion
tembaga bergerak dari terminal positif anoda menuju terminal negatif katoda yang dipresentasikan oleh wafer.
Electroplating scale: transistor level ~50-200nm
- Tahap Setelah Electroplating Pada permukaan wafer, ion-ion tembaga membentuk menjadi suatu lapisan tipis
tembaga. After Electroplating scale: transistor level ~50-200nm
- Pemolesan Material ekses dari proses sebelumnya di hilangkan
Polishing — scale: transistor level ~50-200nm
- Lapisan Logam Lapisan-lapisan metal dibentuk untuk interkoneksi seperti kabel-kabel di antara
transistor-transistor. Bagaimana koneksi-koneksi itu tersambungkan ditentukan oleh tim desain dan arsitektur yang mengembangkan funsionalitas prosesor tertentu misal
Intel® Core™ i7 Processor. Sementara chip-chip komputer terlihat sangat flat, sesungguhnya didalamnya memiliki lebih dari 20 lapisan yang membentuk sirkuit
yang kompleks. Jika Anda melihat pada pembesaran suatu chip, Anda akan menemukan jaringan yang ruwet dari baris-baris sirkuit dan transistor-transistor yang
mirip sistem jalan raya berlapis di masa depan. Metal Layers — scale: transistor level six transistors combined ~500nm
- Testing Wafer Bagian dari sebuah wafer yang sudah jadi ini diambil untuk dilakukan test
fungsionalitasnya. Pada tahap test ini, pola-pola di masukkan ke dalam tiap chip dan respon dari chip tersebut dimonitor dan dibandingkan dengan daftar yang sudah
ditetapkan.
Wafer Sort Test scale: die level ~10mm ~0.5 inch
- Pengirisan Wafer Wafer di iris-iris menjadi bagian-bagian yang disebut Die.
Wafer Slicing scale: wafer level ~300mm 12 inch
- Memisahkan Die yang Gagal Befungsi Die-die yang saat test pola merespon dengan benar akan diambil untuk tahap
berikutnya. Discarding faulty Dies — scale: wafer level ~300mm 12 inch Discarding faulty Dies scale: wafer level ~300mm 12 inch
- Individual Die Ini adalah die tunggal yang telah jadi pada tahap sebelumnya pengirisan. Die yang
terlihat di sini adalah die dari sebuah prosesor Intel® Core™ i7. Individual Die scale: die level ~10mm ~0.5 inch
- Packaging Bagian dasar, die, dan heatspreader digabungkan menjadi sebuah prosesor yang
lengkap. Bagian dasar berwarna hijau membentuk interface elektris dan mekanis bagi prosesor untuk berinteraksi dengan sistem komputer PC. Heatspreader berwarna
silver berfungsi sebagai pendingin cooler untuk menjaga suhu optimal bagi prosesor. Packaging scale: package level ~20mm ~1 inch
- Prosessor Inilah prosesor yang sudah jadi Intel® Core™ i7 Processor.
Sebuah mikroprosesor adalah suatu produk paling kompleks yang pernah dibuat di muka bumi. Faktanya, dibutuhkan ratusan langkah – hanya bagian-bagian paling
penting saja yang ditampilkan pada artikel ini – yang dikerjakan di suatu lingkungan kerja terbersih di dunia, sebuah lab mikroprosesor.
- Class Testing Selama test terakhir ini, prosesor-prosesor akan ditest untuk key karakteristik mereka
diantaranya test pemakaian daya dan frekuensi maksimumnya Class Testing — scale: package level ~20mm ~1 inch
- Binning Berdasarkan hasil test dari class testing, prosesor dengan kapabilitas yang sama di
kumpulkan pada transporting trays yang sama pula. Binning — scale: package level ~20mm ~1 inch
- Retail Package Prosesor-prosesor yang telah siap dan lolos test akhirnya masuk jalur pemasaran
dalam satu kemasan box.
2. Germanium Latin: Germania, Jerman