Pembuatan Semikonduktor

BERBAGAI chip yang mutakhir sudah diciptakan untuk berbagai keperluan. Ada chip yang bebas dijual oleh produsennya, ada pula yang ‘sementara disembunyikan’ karena memiliki nilai strategis. Misalnya saja chip yang modern, ditemukan oleh perusahaan Cyberwork Inc, di Kanada. Chip ini dipakai pada peralatan robot sehingga tercipta robot yang dapat mengenali lingkungannya, misalnya ada manusia atau benda-benda lain di sekitarnya.

Chip-chip modern terus dikembangkan. Dipoles dengan teknologi lain, jadilah chip modem. Misalnya chip ACT yang dapat mengubah gelombang suara menjadi sinyal digital. Semua chip-chip itu mengandung bahan semikonduktor untuk pelewat arus.

Penemuan chip-chip tersebut tidak ada artinya tanpa adanya bahan semi-konduktor. Dan bahan semikonduktor yang sudah ditemukan, misalnya silikon, germanium dan sebagainya, tidak asal beli di pasaran. Harus memiliki kemurnian yang tinggi dan berupa kristal.

Setelah murni—tergantung pada tujuan lanjutan— bisa ditambah dengan unsur lain guna menghasilkan semikonduktor jenis p misalnya.

Masalahnya, bagaimana sebenarnya membuat bahan semikonduktor yang memiliki kemurnian 99, 99999999%, bukan hanya 99,999%? Untuk meneapai hal itu diperlukan dua tahapan yaitu: 1. Pemurnian 2. Pertumbuhan kristal

PEMURNIAN
Pemurnian bahan semikonduktor dapat dilakukan melalui proses kimia dan proses fisika. Keduanya diperlukan dan saling menunjang. Sebagai tahap awal, dilakukan pemumian melalui proses kimia. Proses kimia itu diperlukan untuk memperoleh unsur mumi, misalnya Si dari senyawa SiCl4 dan SiHCl3 (yang mulanya Si ini dari batuan Si oksida) atau Ge dari mineral argyrodite, AgS.GeS2.

Kemurnian unsur yang diperoleh dengan proses kimia ini cuma sekitar 99,999%. Padahal untuk menjadi semikonduktor murni, unsur itu kemurniannya harus lebih tinggi lagi. Upaya untuk memperoleh unsur dengan kemurnian yang tinggi dapat dilakukan melalui proses fisika yakni proses segregasi. Proses ini diclasari bahwa terdapat perbedaan sifat kelarutan zat pengotor di dalam lelehan dan di dalam zat padat yang terbentuk dari pendinginan. Zat pengotor dari bagian yang padat terserap ke bagian yang sedang meleleh. Keunggulan proses yang ditemukan pada tahun 1952 oleh Pfann (AS) yaitu dapat dihasilkan kemurnian mencapai 99,99999999% ! Memang tidak murni sekali, tetapi mampu meminimalkan zat pengotor.

Untuk mendapatkan unsur yang sangat murni melalui proses segregasi itu, dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu seluruh bahan semikonduktor dilelehkan kemudian dibekukan kembali mulai dari salah satu ujungnya (cara ini disebut cara pembekuan normal untuk pembuatan kristal tunggal). Cara kedua yaitu bagian yang meleleh digeserkan sepanjang batang semikonduktor yang berbentuk memanjang, sehingga setiap bagian dilelehkan dan dibekukan kembali secara berurutan (cara ini disebut cara pemurnian wilayah/ daerah atau zone refining).

ZONE REFINING
Dari dua cara itu, cara yang terakhir yang paling unggul dan banyak dipakai di industri semikonduktor. Ilustrasi sederhana dari cara ini dapat dilihat pada gambar.

Germanium dan silikon yang dimurnikan berdasarkan cara pemurnian wilayah ini dapat mencapai kemurnian 1 atom pengotor dalam 1012 atom germanium atau silikon.

Selain Si dan Ge, Te juga telah dimurnikan dengan cara ini, demikian juga semikonduktor ektrinsik seperti InSb, GaAS, InP, AgCl, AgBr.

Penguraian komponen yang mudah menguap diatasi dengan menjaga agar di atas lelehnya tetap terdapat uap dari komponen tersebut dengan tekanan yang dapat memelihara kesetimbangan, sehingga komponen tersebut tidak menguap pada pemanasan untuk mencapai titik lelehnya. Hal ini dapat dilakukan dengan melakukan proses pemurnian dalam suatu tabung selubung tertutup. Uap yang terbentuk pertama akan menahan penguraian lebih lanjut. Tentunya untuk mencegah kondensasi, tabung selubung pun dijaga suhunya yaitu di atas suhu dimana tekanan uap zat dalam bentuk murninya sama dengan tekanan yang harus dijaga tersebut.

Suatu cara yang lebih meyakinkan adalah dengan memberikan sejumlah komponen muminya yang mudah menguap itu secara terpisah ke dalam tabung. Di sini diperlukan dua tungku pemanas, satu untuk menguapkan uap mumi tersebut, sedang yang lain untuk memelihara tekanan uap yang diperIukan. Cara ini digunakan untuk memperoleh PbS, CdTe dan GaAS murni.

PERTUMBUHAN KRSITAL
Setelah diperoleh zat semikonduk-tor murni, proses selanjutnya adalah menumbuhkan kristal tunggal. Diperlukan kristal tunggal karena kristal yang diperoleh dari pemurnian dengan cara zone refining masih sebagai prokristal. Sususan kristal yang tidak seragam pada prokristal ini akan mengurangi mobilitas pembawa muatan dan juga akan mengurangi waktu hidup pembawa muatan, yang berarti tidak menunjukkan hantaran listrik yang seharusnya.

Karena hantaran listrik semikonduktor adalah relatif kecil, akibat di atas akan mempunyai banyak pengaruh besar terhadap harga hantaran, sehingga kristal ini tentu tidak dapat digunakan, karena hantarannya sepanjang kristal demikian, tidak seragam.

Ada dua cara yang umum untuk menumbuhkan kristal tunggal yang digunakan dalam industri semikonduktor yaitu cara crystal pulling dan cara floating zone. Di sini hanya sedikit diuraikan mengenai cara yang pertama.

CARA CRYSTAL PULLING
Untuk menumbuhkan kristal, pertama kali suhu lelehan dijaga sedikit di atas titik lelehnya. Benih kristal disen-tuhkan ke lelehan, kemudian suhu dinaikkan sedikit untuk melelehkan sebagian kecil dari benih kristal pemancing, sehingga diperoleh jaminan bahwa lelehan “membasahi” benih kristal. Suhu diturunkan sampai lelehan mulai membeku pada benih kristal. Ketika benih tepat meninggalkan lelehan, mekanisme pertumbuhan kristalnya secara nyata dimualai, dengan terjadinya pendinginan akibat konduksi dan radiasi terhadap sekelilingnya. Pertumbuhan akan terus berlangsung sampai tercapai ukuran yang dikehendaki.

Keunggulan cara ini adalah kristal yang tumbuh dan bidang antar permu-kaan cair-padat tidak mengadakan kontak dengan dinding wadah. Ini menghindarkan kesempatan adanya kontaminasi terhadap kristal yang sedang tumbuh, dan juga menghindarkan setiap perusakan mekanis terhadap kristal karena adanya perbedaan kontraksi panas antara kristal dan wadahnya.

Ketidakmampuan mengatasi problem dalam cara crystal pulling adalah pemilihan wadah yang memadai. Artinya pemilihan suatu wadah yang tidak akan memberi kontaminasi, terutama pada saat pengerjaan dengan suhu tinggi, dimana pada kondisi demikian, kereaktifan zat pada umumnya naik.

Sebagai contoh, Si yang akan ditumbuhkan dengan menggunakan wa-dah dari silika (Si02) Lelehan Si pada 1442 °C, yaitu titik lelehnya, akan bereaksi dengan silika:

Si_(l) + SiO_{2 (s)} — 2 SiO _(g)

Tekanan uap SiO pada suhu tersebut adalah 10 mmHg, selain itu boron yang biasanya terdapat sebagai pengo-tor dalam silika akan dibebaskan selama reaksi dan masuk dalam lelehan Si.

CARA ZONE TERAPUNG (FLOATING ZONE)
Cara ini dapat mengatasi problem di atas. Suatu batang yang telah dimurnikan, ditegakkan di antara dua penyangga yang dapat dilelehkan sesuai dengan cara zone refining, dengan suatu pemanas induksi radio frekuensi. Kemudian diberibenih kristal tunggal pemancing (seed). Dengan mulai melelehkan dari ujung batang yang bersinggungan dengan kristal tunggal pemancing dan menggerakkan daerah leleh ini menuju ke ujung yang lain, akan diperoleh kristal tunggal.

Doping Hantaran listrik suatu semikonduktor sangat dipengaruhi oleh kctidak scmpurnaan kristal, baik sebagai pengotor maupun adanya cacat kristal. Yang menjadi masalah adalah. jenis ketidaksempurnaan tersebut ada dalam kristal untuk memperoleh hantaran sesuai dengan kebutuhan, atau dengan kata lain bagaimana memperoleh suatu kristal dengan ketidaksempurnaan yang dapat dikontrol. Penambahan zat yang dapat menimbulkan ketidaksempurnaan, disebut doping.

Apabila dikehendaki semikonduktor ekstrinsik, harus dilakukan doping, yaitu memberikan atom yang dapat merubah semikonduktor intrinsik men-jadi semikonduktor tipe p atau tipe n.

Suatu masalah yang harus diperhatikan dalam teknik doping ini adalah bahwa wadahnya harus dijaga suhunya, selalu sedikit di atas lelehan selama pertumbuhan kristal; hal ini untuk mencegah terjadinya pertumbuhan inti yang banyak sepanjang dinding wadah yang justru tidak dikehendaki dalam usaha memperoleh kristal tunggal.

Cara ini banyak dilakukan untuk memperoleh krsital tunggal Ge, GaAS, InAS, InSb dan GaSb. Doping Bor unsur bor (B) terhadap Ge untuk memperoleh semikonduktor tipe p dan doping fosfor (P) untuk memperoleh semikonduktor tipe n telah dilakukan dengan crystal pulling dalam hampa udara.

Ada beberapa cara untuk melakukan doping yaitu doping langsung terhadap kristal yang sudah sempuma terbentuk dan doping dilakukan bersama-sama dengan pertumbuhan kristal.

Itulah gambaran sekilas mengenai pembuatan semikonduktor. Berbagai peralatan teknologi yang lebih canggih dikembangkan untuk membuat bahan semikonduktor kristal tunggal, pen-doping-an dan sebagainya. Kalau kita amati, ternyata hanya temuan untuk memurnikan suatu unsur sampai batas maksimum, ada gunanya. –mgs.

Sumber: Majalah AKU TAHU/ JANUARI 1993