Apa Itu Semikonduktor? Panduan Lengkap Industri Semikonduktor, dari Wafer hingga Chip.

Bobby Brown

Perbarui 2023-11-23

Apa Itu Semikonduktor? Panduan Lengkap Industri Semikonduktor, dari Wafer hingga Chip.

1. Apa itu Semikonduktor?
2. Apa itu IC (integrated circuit) ?
3. Apa itu Wafer? Perbedaan Wafer dan Chip
4. Semiconductor Supply Chain
5. Bagaimana Wafer Dibuat?
Penggunaan Flow Meter dan Nozzle dalam Industri Semikonduktor

1. Apa itu Semikonduktor?

Semikonduktor adalah material yang memiliki sifat elektronik unik, dengan konduktivitas listrik berada di antara konduktor dan isolator. Material semikonduktor digunakan untuk membuat komponen seperti transistor dan dioda, yang merupakan bagian penting dari peralatan elektronik.

Semikonduktor digunakan dalam perangkat sederhana seperti sel surya dan LED, dan lebih umum difabrikasi menjadi chip yang mendukung IC (Integrated Circuits), mikroprosesor, chip memori, dan modul komunikasi seperti Bluetooth, Wi-Fi, serta komunikasi seluler. Semikonduktor juga memainkan peran penting dalam sistem seperti anti-lock braking systems (ABS).

[1]

2. Apa itu IC (integrated circuit) ?

Integrated circuit (IC), juga dikenal sebagai mikrochip atau chip, adalah komponen elektronik yang mengintegrasikan jutaan transistor dan elemen lain (seperti resistor dan kapasitor) ke dalam satu substrat semikonduktor kecil, biasanya terbuat dari silikon. Substrat ini dikenal sebagai chip, yang membuat IC sering disebut sebagai chip. Elemen-elemen yang terintegrasi ini bekerja sama untuk melakukan berbagai fungsi, seperti pemrosesan data, penyimpanan data, penguatan sinyal, atau berfungsi sebagai osilator, penghitung, atau logic gate.

[2][3]

3. Apa itu Wafer? Perbedaan Wafer dan Chip

Wafer dalam elektronik adalah lembaran tipis berbentuk lingkaran yang terbuat dari material semikonduktor, biasanya silikon, yang berfungsi sebagai dasar untuk pembuatan mikrochip. Selama proses manufaktur, beberapa lapisan material ditambahkan ke wafer, dan pola rumit diukir di dalamnya untuk membentuk sirkuit terpadu. Setelah itu, wafer dipotong menjadi banyak komponen individual yang dikenal sebagai chip.

[4][5]

4. Semiconductor Supply Chain

| Supply Chain Semikonduktor

Rantai industri semikonduktor dapat dibagi menjadi tiga segmen utama: desain IC, manufaktur IC, dan pengemasan serta pengujian IC.

Banyak perusahaan desain IC yang fabless, artinya mereka hanya merancang dan menjual chip, tetapi proses manufaktur dan pengujian diserahkan kepada pihak lain. Perusahaan fabless terkenal termasuk Qualcomm, NVIDIA, Broadcom, serta perusahaan semikonduktor Taiwan seperti MediaTek, Novatek, dan Realtek.

Manufaktur IC ditangani oleh foundry seperti TSMC dan UMC dari Taiwan, serta GlobalFoundries. Proses pengemasan dan pengujian IC dilakukan oleh OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) seperti ASE dan SPIL yang berbasis di Taiwan, serta Amkor dan JCET.

Ada juga perusahaan Integrated Device Manufacturers (IDM) seperti Intel, Samsung Electronics, dan Texas Instruments. Perusahaan IDM ini mendesain, memproduksi, mengemas, dan menguji chip mereka sendiri, mengelola seluruh segmen rantai industri semikonduktor dengan kemampuan produksi penuh.

1 ) Upstream Industri Semikonduktor

Segmen upstream dari industri semikonduktor berfokus pada desain IC, di mana perusahaan menciptakan dan memverifikasi fungsi chip, mengubah konsep menjadi desain chip.

Memory ICs: Menyimpan data dan instruksi program; digunakan dalam PC, smartphone, konsol game, dan kamera digital.
Micro Component ICs: Termasuk CPU dan GPU yang menangani pemrosesan data dan perintah; digunakan dalam smartphone, elektronik otomotif, dan peralatan rumah tangga.
Logic ICs: Melakukan operasi logis dan kontrol sinyal; digunakan dalam perangkat komunikasi, elektronik otomotif, dan otomatisasi industri.
Analog ICs: Memproses sinyal kontinu seperti tegangan dan arus; digunakan dalam peralatan audio, komunikasi nirkabel, manajemen daya, dan sensor.

2 ）Midstream Industri Semikonduktor

Setelah desain IC selesai, langkah selanjutnya adalah fase produksi. Segmen midstream dari industri semikonduktor—manufacturing IC—melibatkan produksi dan pengolahan wafer, di mana sirkuit yang telah dirancang difabrikasi ke dalam wafer untuk menghasilkan chip (IC).

| Proses Pembuatan Wafer (Lihat Bab 4 untuk Detail)

3 ) Downstream Industri Semikonduktor

Setelah proses pembuatan, langkah selanjutnya adalah memeriksa fungsi wafer. Segmen downstream dari industri semikonduktor melibatkan pengemasan dan pengujian IC. Selama pengemasan semikonduktor, wafer yang dihasilkan pada fase midstream dipotong menjadi die IC individu, yang kemudian ditempatkan dalam kemasan pelindung yang juga menyediakan koneksi listrik. Setelah pengemasan, pengujian IC memastikan bahwa IC yang sudah dikemas berfungsi dengan baik dan memenuhi spesifikasi kinerja. Hanya setelah langkah-langkah ini, IC menjadi produk akhir—chip yang siap dipasarkan.

5. Bagaimana Wafer Dibuat?

| Proses Pembuatan Wafer

[6]

Apa perbedaan antara wafer dan chip? Wafer adalah bahan awal untuk memproduksi chip. Ini adalah substrat silikon tipis dan bulat yang biasanya terbuat dari silikon monokristal. Proses pembuatan wafer melibatkan dua tahap utama: tahap pertama mencakup pembersihan wafer, pertumbuhan kristal, penarikan ingot, pemotongan wafer, dan pemolesan; dan tahap kedua, yang dikenal sebagai fabrikasi wafer, mencakup proses seperti deposisi uap, pelapisan photoresist, eksposur, pengembangan, pengukiran, penghilangan photoresist, dan pembersihan akhir.

Pembersihan Wafer
Permukaan bahan mentah wafer dibersihkan melalui peleburan suhu tinggi dan pelarut seperti asam hidrofluorat (HF) atau hidroksida kalium (KOH) untuk menghilangkan kontaminan dan sisa organik, memastikan kualitas substrat yang sangat baik.

Crystal Growth
Bahan mentah silikon berkualitas tinggi, silikon dioksida, dimasukkan ke dalam furnace untuk pemurnian, mengubahnya menjadi silikon tingkat metalurgi. Setelah proses distilasi dan pemurnian, silikon ini mengalami proses dekomposisi perlahan untuk memproduksi "silikon polikristalin."

Ingot Pulling
Silikon polikristalin dicairkan dengan asam borat dan fosfor dalam crucible kuarsa. Pada suhu tinggi, sebuah batang kristal tunggal (biji kristal) dicelupkan dan ditarik ke atas sambil berputar. Silikon menempel pada biji kristal dan mengeras merata di batang, membentuk ingot silikon kristal tunggal berbentuk kolom.

Wafer Slicing
Kolom kristal yang baru diproduksi memiliki permukaan yang tidak rata. Untuk memprosesnya, diperlukan alat berlian kelas industri untuk menghilangkan ujung yang meruncing, menyesuaikan diameter, dan memotong menjadi irisan wafer menggunakan mata gergaji keras atau gergaji kawat.

Polishing & Lapping
Setelah pemotongan wafer, permukaan menjadi kasar dan memerlukan proses penghalusan dan penggilingan. Polishing bertujuan untuk membuat permukaan kristal lebih halus dan mengkilap, sementara penggilingan membentuk tepi wafer menjadi lengkungan yang halus.

CVD (Deposisi Uap Kimia)
CVD adalah proses di mana prekursor gas diperkenalkan ke dalam ruang reaksi. Ketika gas-gas ini bersentuhan dengan substrat yang dipanaskan, mereka menghasilkan material yang mengendap, membentuk film tipis di permukaan substrat, yang digunakan untuk menciptakan lapisan isolasi atau konduktif.

Photoresist Coating
Ketika terpapar, fotoresist mengalami perubahan kimia. Pertama, lapisan fotoresist yang seragam dilapiskan pada permukaan wafer, memungkinkan untuk dihapus atau dipertahankan dalam langkah paparan dan pengembangan berikutnya, membentuk pola yang diinginkan.

Exposure
Menggunakan pola pada fotomask, lapisan fotoresist dipaparkan ke cahaya ultraviolet. Fotomask disejajarkan di atas wafer yang dilapisi fotoresist, menyebabkan reaksi kimia pada lapisan fotoresist di area yang diterangi, memulai reaksi fotokimia.

Fotolitografi
Wafer yang diekspos ke larutan pengembang (yang mungkin mengandung alkali seperti natrium hidroksida, kalium hidroksida, dan aditif) secara selektif menghilangkan area fotoresist yang tidak terpapar, meninggalkan template di wilayah yang terpapar.

Etching
Menggunakan larutan penggores asam atau alkali, hapus material yang mendasari berdasarkan pola pada lapisan fotoresist, meninggalkan area yang dilindungi di permukaan wafer (area fotoresist yang terpapar) tetap tidak terpengaruh, membentuk mikrostruktur chip.

Penghilangan Fotoresist
Setelah pengembangan, fotoresist yang tersisa dihilangkan melalui metode kimia, termal, atau mekanis, seperti larutan penghapus, untuk mencegah dampak buruk pada kinerja perangkat.

Pembersihan Akhir
Akhirnya, chip menjalani proses pembersihan kedua, yang mungkin melibatkan pelarut organik atau anorganik, surfaktan, atau teknik pembersihan ultrasonik, untuk menghilangkan bahan kimia dan partikel residual dari proses pembuatan, memastikan chip yang dihasilkan bersih dan memenuhi spesifikasi.

Penggunaan Flow Meter dan Nozzle dalam Industri Semikonduktor

Pengaplikasian 1: Memantau Aliran Kimia

Dalam pembuatan semikonduktor, pengendalian yang tepat terhadap aliran cairan kimia sangat penting karena proses yang kompleks dan sensitif. Setiap langkah dalam proses produksi bergantung pada pasokan dan laju aliran kimia yang akurat, yang berdampak pada kualitas dan stabilitas produk akhir. Flow Meter cairan berperan penting disini dalam mengontrol dan memantau aliran fluida di dalam pipa dengan tepat, memastikan kualitas dan kinerja produk.

| Saat mengangkut bahan kimia dari fasilitas penyimpanan pusat ke berbagai peralatan, penggunaan flowmeter memungkinkan pemantauan yang tepat terhadap jumlah cairan yang dikirim.

Kasus: Pabrik Semikonduktor Teknologi Tiongkok

Situasi: Pabrik-pabrik tradisional yang tidak dilengkapi dengan sistem pasokan bahan kimia pusat sering kali mengangkut berbagai bahan kimia secara terpisah ke berbagai area dan peralatan. Praktik ini dapat menimbulkan potensi bahaya keselamatan serta mengurangi efisiensi dalam penggunaan bahan kimia.

Solusi: Flow Meter Paddle Wheel FP-AS510 dari LORRIC

Untuk mengatasi masalah ini, kami merekomendasikan pendirian ruang penyimpanan bahan kimia pusat di dalam pabrik perusahaan. Selama operasi, bahan kimia dikirimkan secara terpusat ke setiap mesin, dan flow meter paddlewheel FP-AS510 digunakan untuk menghitung jumlah yang dibutuhkan secara akurat, mengurangi biaya kerugian bahan kimia selama proses.

Flow meter FP-AS510, yang memiliki berbagai paten dan sertifikasi internasional, dilengkapi dengan teknologi AxleSense yang dipatenkan. Struktur baling-baling airnya mampu mendeteksi aliran cairan yang sangat rendah sekalipun, menghasilkan pengukuran cairan yang presisi. FP-AS510 juga menyediakan kemampuan pemantauan real-time untuk kondisi baling yang abnormal, mendeteksi masalah hilangnya deteksi aliran yang disebabkan oleh baling yang hilang.

Dengan memasang FP-AS510, perusahaan dapat menghitung dosis dengan akurat untuk setiap mesin selama persiapan bahan kimia, yang berujung pada penghematan biaya. Selain itu, mengingat sifat agen kimia yang sangat terkonsentrasi dan korosif, yang dapat menimbulkan risiko selama penyimpanan dan transportasi, penggunaan FP-AS510 dapat mengatasi masalah ini. Produk ini terbuat dari material PVDF, memberikan ketahanan yang sangat baik terhadap pelarut dan korosi asam-basa, menghilangkan kekhawatiran tentang korosi dan kebocoran bahan kimia, serta meningkatkan keselamatan di tempat kerja.

Pengaplikasian 2: Pengukuran dan Pemantauan Air Ultra-Murni

Dalam proses pembuatan semikonduktor, sejumlah besar air ultra-murni digunakan untuk membersihkan wafer, membilas komponen elektronik, etsa, dan lainnya. Selama proses pengolahan air ultra-murni, pengukuran aliran cairan yang akurat sangat diperlukan. Misalnya, dalam proses osmosis terbalik (RO), mengukur laju aliran konsentrat sangat penting untuk mengontrol rasio konsentrasi dan mencegah penumpukan pada membran. Pemantauan terus-menerus aliran air juga membantu mengevaluasi kinerja peralatan RO, sehingga potensi masalah atau anomali dapat terdeteksi dengan cepat.

Dalam proses deionisasi (DI), resin pertukaran ion digunakan untuk menghilangkan ion dari air, sehingga perlu dilakukan pemantauan laju aliran melalui resin dan laju aliran cairan pencucian balik untuk memastikan penghilangan ion yang efektif. Selain itu, kontrol yang tepat terhadap dosis bahan kimia diperlukan selama fase penambahan bahan kimia dalam pengolahan air ultra-murni, seperti mengukur dosis disinfektan (klorin, klorin dioksida, ozon) untuk menghilangkan mikroba atau agen penyesuaian pH (asam sulfat, natrium hidroksida) untuk menjaga stabilitas kualitas air.

Oleh karena itu, operasi pengolahan air ultra-murni membutuhkan pengukuran aliran cairan yang sangat akurat serta alat pengukur yang tahan terhadap bahan kimia.

| Pemantauan laju aliran cairan selama proses deionisasi (DI) dan reverse osmosis (RO) memastikan kualitas air dan kinerja peralatan

Kasus: Pabrik Semikonduktor Terkemuka di Taiwan

Situasi: Perusahaan ini mengkhususkan diri dalam sistem pengolahan air, termasuk sistem air ultra-murni, daur ulang limbah, dan proyek pengolahan limbah. Selama fase pengolahan air ultra-murni, flow meter elektromagnetik standar tidak dapat digunakan karena air ultra-murni bersifat non-konduktif. Perusahaan mencari solusi flow meter ultrasonik, tetapi model umum di pasaran memiliki prosedur instalasi dan pengaturan yang rumit dan menyulitkan. Mereka juga memerlukan pengisian ulang gel ultrasonik secara teratur, yang mengakibatkan pengalaman pengguna yang kurang optimal. Selain itu, perusahaan memerlukan solusi untuk mengukur aliran cairan kecil dengan akurat dan memastikan ketahanan kimia yang baik selama fase pengolahan air ultra-murni.

Solution: Flow Meter Ultrasonic LORRIC
Kami merekomendasikan pemasangan flow meter ultrasonik LORRIC pada peralatan pengolahan air ultra-murni perusahaan. Meter ini menawarkan instalasi yang mudah, pengukuran aliran dua arah yang menghilangkan kekhawatiran arah aliran, pelacakan probe yang dipatenkan untuk penempatan yang tepat, dan pengikat untuk pemasangan yang aman. Ini meningkatkan akurasi aliran, memastikan stabilitas, dan memungkinkan penghapusan dan pemeliharaan tanpa merusak, menyederhanakan proses instalasi. Flow meter ultrasonik LORRIC menggunakan dua sensor untuk mengukur frekuensi gelombang ultrasonik, menghitung kecepatan aliran yang akurat. Meter ini ideal untuk sistem RO, memantau air dengan konsentrasi tinggi melalui membran ultrafiltrasi untuk menjaga stabilitas, dan proses DI, mengoptimalkan penghilangan ion melalui resin pertukaran ion. Meter ini menawarkan ketahanan kimia yang sangat baik, memenuhi persyaratan spesifik.

Pengaplikasian 3: Nozzle Spiral - Komponen Inti dalam Pengolahan Emisi Semikonduktor

Dalam proses pembuatan semikonduktor, gas berbahaya (seperti amonia, sulfur dioksida, nitrogen dioksida, asam hidrofluorat, dll.) dihasilkan sebagai emisi. Oleh karena itu, nozel spiral digunakan di menara pengolahan emisi untuk menyemprotkan agen pencuci seperti larutan alkali (natrium hidroksida) untuk menetralkan gas asam (amonia) atau larutan asam (asam hidrofluorat) untuk menetralkan gas alkali (natrium hidroksida, amonium hidroksida). Proses ini mengubah zat berbahaya menjadi senyawa yang stabil dan dapat dikelola, membersihkan emisi yang dikeluarkan oleh pabrik, memastikan kepatuhan terhadap peraturan pengolahan emisi, dan mendukung tujuan pembangunan berkelanjutan.

| Menara pengolahan limbah menggunakan nozzle untuk menyemprotkan bahan kimia, mengubah zat berbahaya yang dihasilkan selama pembuatan semikonduktor menjadi senyawa yang stabil dan mudah diolah.

Kasus: Pabrik Wafer Terkemuka di Taiwan

Situasi: Nozzle dari merek-merek pada umumnya diproduksi menggunakan teknik cetakan injeksi plastik, yang menciptakan model nozzle secara langsung dari cetakan. Metode manufaktur ini membatasi kemampuan nozzle spiral untuk memiliki permukaan spiral dan saluran konikal yang presisi tinggi, mengakibatkan area penyemprotan yang lebih kecil dan kinerja yang kurang efektif. Selain itu, nozzle generik sering menggunakan PP (polipropilena), yang kurang kuat dan keras, rentan terhadap patah, dan memiliki ketahanan terbatas terhadap lingkungan kimia bersuhu tinggi. Nozzle-nozzle ini tidak hanya gagal mencapai cakupan penyemprotan yang optimal, tetapi juga kurang memiliki ketahanan korosi yang diperlukan untuk pengolahan limbah di industri semikonduktor.

Solusi: Nozzle Spiral LORRIC
Nozzle spiral LORRIC diproduksi melalui pemesinan presisi, membentuk bahan menjadi nozzle spiral konikal padat. Jalur yang lebih besar untuk benda asing secara efektif mencegah penyumbatan oleh kotoran, dan cakupan penyemprotan mereka lebih besar dibandingkan merek lain di pasaran, dengan sudut hingga 170 derajat. Selain itu, nozzle spiral LORRIC terbuat dari bahan tahan korosi berkualitas tinggi - UPVC (polivinil klorida) dan PEEK (polieter eter keton), yang memperpanjang umur nozzle di lingkungan yang sangat reaktif secara kimia. Mereka adalah pilihan terbaik untuk pengolahan emisi di industri pembuatan semikonduktor.