Pelajaran 13.1Mikro & nanoBab 13 · Mikro- dan nanofabrikasi

Pertumbuhan kristal Czochralski (wafer silikon)

Menarik kristal tunggal silikon raksasa perlahan dari lelehan

Pertumbuhan Czochralski (dibaca "cho-HRAHL-skee") membuat kristal tunggal silikon raksasa: satu potong padat di mana setiap atom berada pada kisi yang sama dan sempurna. Bibit kecil dicelupkan ke silikon cair dan ditarik sangat perlahan, dan silikon membeku di atasnya. Diiris menjadi cakram tipis yang disebut wafer, kristal ini menjadi dasar hampir setiap chip komputer dan banyak sel surya.

Foto: ArticCynda, CC0, melalui Wikimedia Commons

Penarik kristal Czochralski dalam penampang · 6 langkahAngka dalam lingkaran sesuai dengan langkah-langkah di bawah. Panel atas adalah potongan tungku (penarik); panel bawah menunjukkan kristal jadi.

Cara kerjanya

Lelehkan silikon. Bongkahan silikon ultramurni dilelehkan dalam wadah kuarsa (mangkuk tahan panas) pada sekitar 1.420 °C. Secuil boron atau fosfor yang telah diukur (dopan, yang menentukan bagaimana silikon menghantarkan listrik) juga dimasukkan, dan gas argon menjauhkan udara dari lelehan.
Celupkan bibit. Kristal bibit kecil, dipotong agar kisi atomnya mengarah ke arah yang dipilih, diturunkan hingga baru menyentuh lelehan. Atom silikon membeku di atasnya dan menyalin kisinya.
Tarik leher tipis. Bibit mula-mula ditarik cepat, membentuk leher selebar hanya beberapa milimeter. Cacat (dislokasi, kekurangan pada kisi atom) tumbuh keluar melalui leher, bukan menyebar ke dalam kristal.
Tumbuhkan bahu dan badan. Tarikan melambat, sehingga kristal melebar menjadi kerucut (bahu), lalu tumbuh pada diameter penuh, biasanya 200 atau 300 mm. Bibit dan wadah berputar berlawanan arah agar lelehan merata, dan kristal naik sekitar satu milimeter per menit.
Runcingkan ekor dan dinginkan. Di akhir, diameter dipersempit menjadi kerucut agar kristal lepas dari lelehan tanpa kejutan termal (perubahan suhu mendadak yang akan merusak kisinya). Kristal jadi, disebut ingot, diangkat keluar dan didinginkan perlahan.
Gerinda dan iris. Ingot digerinda menjadi silinder yang tepat dan diberi takik untuk menandai arah kristalnya. Kawat berlapis berlian mengirisnya menjadi wafer setebal kurang dari 1 mm, yang kemudian dipoles hingga mengilap seperti cermin.

Fakta kunci

Material: Kebanyakan silikon; juga germanium dan beberapa kristal oksida untuk laser dan optik
Komponen khas: Ingot silinder (disebut juga boule), diiris menjadi wafer
Ukuran komponen: Biasanya berdiameter 200–300 mm, panjang hingga sekitar 2 m dan beratnya beberapa ratus kg
Presisi: Satu kisi atom kontinu tanpa dislokasi; diameter dijaga dalam kisaran sekitar satu milimeter sebelum digerinda; wafer jadi rata hingga sekitar satu mikrometer (seperseribu milimeter)
Hasil permukaan: Saat tumbuh: abu-abu metalik mengilap dengan rusuk samar di sepanjangnya; wafer jadi dipoles seperti cermin
Ukuran batch yang cocok: Produksi massal: setiap penarik menumbuhkan satu ingot pada satu waktu, sepanjang waktu
Biaya perkakas dan mesin: Satu penarik berharga kira-kira satu juta dolar; wadah kuarsa adalah barang habis pakai, diganti setelah satu atau beberapa ingot
Kecepatan: Sekitar 1 mm kristal per menit, sehingga satu ingot butuh sehari atau lebih

Kekuatan dan batasan

Kekuatan

Kristal tunggal raksasa yang nyaris sempurna
Doping yang tepat menentukan perilaku listrik
Matang dan sangat otomatis, hingga wafer 300 mm
Titik awal standar untuk chip dan banyak sel surya

Batasan

Oksigen dari wadah kuarsa larut ke dalam silikon
Lambat: satu ingot bisa memakan waktu berhari-hari
Memakai banyak energi dan menghabiskan wadah
Kadar dopan bergeser dari satu ujung ingot ke ujung lainnya

Di mana dipakai

ElektronikProsesor dan chip memori, dibuat pada wafer 300 mm
Energi suryaSel surya monokristal
Elektronika dayaTransistor daya dan dioda di pengisi daya, mobil, dan kereta
Sensor dan MEMS (mesin kecil yang dietsa di silikon)Sensor gambar kamera ponsel, sensor gerak (akselerometer)
Optik dan laserGermanium untuk optik inframerah, kristal laser seperti Nd:YAG

Cara mengenalinya

Sebagian besar, Anda tidak bisa. Kristal itu akhirnya tak terlihat di dalam setiap chip: kotak kecil yang dipotong dari wafer, tertutup dalam kemasan hitam pada papan sirkuit ponsel atau laptop Anda.
Panel surya. Sel monokristal tampak gelap merata, tanpa pola bersisik, dan sering memiliki sudut yang agak terpotong: sel itu dipersegi dari ingot bulat.
Wafer polos. Cakram abu-abu seperti cermin, biasanya dengan takik atau sisi datar kecil di tepinya yang menandai arah kristal.
Ingot utuh, pada foto pabrik atau di museum, tampak seperti peluru abu-abu raksasa dengan rusuk lurus samar di sepanjangnya yang memperlihatkan kisi internal kristal.

Bandingkan dengan

Pengecoran kristal tunggal1.8juga menumbuhkan satu kristal dari bibit, tetapi membekukan komponen logam berbentuk di dalam cetakan, bukan menarik silinder bebas.Molecular beam epitaxy13.3menambahkan lapisan kristal baru di atas wafer jadi, beberapa atom pada satu waktu, bukan menumbuhkan kristal massal.Fotolitografi13.2langkah berikutnya bagi sebagian besar wafer, mencetak pola sirkuit di atasnya.

Tonton

Linton Crystal Technologies · Penyemaian, pembentukan leher, dan penarikan, dianimasikan di dalam penarik

Intel · Posisi ingot dalam perjalanan dari pasir hingga chip jadi

Linton Crystal Technologies · Penarik kristal sungguhan dan ingot jadi di pabrik

Linton Crystal Technologies · Bagaimana ingot diiris menjadi wafer

Lihat foto asli

Wikipedia: Czochralski method — ilustrasi proses dan foto ingot silikon
Pencarian foto Wikimedia Commons

Ingat

Bibit yang ditarik perlahan dari silikon cair tumbuh menjadi satu kristal tanpa cacat sepanjang hingga sekitar 2 m.
Leher tipis, penarikan lambat, putaran berlawanan, dan gas argon menjaga kristal itu tetap sempurna dan bersih.
Hampir setiap chip dan banyak sel surya dimulai sebagai irisan dari ingot seperti itu.