Rincian Blog

1. Latar Belakang dan Konteks Industri

Kemajuan teknologi yang pesat dan meningkatnya permintaan akan produk pintar dengan efisiensi tinggi telah semakin mengukuhkan industri sirkuit terpadu (IC) sebagai pilar strategis pembangunan nasional. Sebagai fondasi ekosistem IC, silikon monokristalin kelas semikonduktor sangat penting bagi inovasi teknologi dan pertumbuhan ekonomi.

Menurut International Semiconductor Industry Association, pasar wafer silikon global mencatat $12,6 miliar dalam penjualan, dengan pengiriman mencapai 14,2 miliar inci persegi. Permintaan terus meningkat dengan stabil.

Industri ini sangat terkonsentrasi: lima pemasok teratas menyumbang lebih dari 85% dari pangsa pasar global—Shin-Etsu Chemical (Jepang), SUMCO (Jepang), GlobalWafers, Siltronic (Jerman), dan SK Siltron (Korea Selatan)—yang menggarisbawahi ketergantungan berat China pada wafer silikon monokristalin impor. Ketergantungan ini merupakan hambatan utama yang membatasi pengembangan IC negara tersebut. Oleh karena itu, penguatan R&D dan kapasitas produksi dalam negeri sangat penting.

2. Silikon Monokristalin: Tinjauan Materi

Silikon monokristalin menopang mikroelektronika modern; lebih dari 90% dari chip IC dan perangkat elektronik dibuat pada silikon. Dominasinya berasal dari beberapa atribut:

• Kelimpahan dan Keamanan Lingkungan: Silikon berlimpah di kerak Bumi, tidak beracun, dan ramah lingkungan.

• Isolasi Listrik dan Oksida Alami: Silikon secara alami menyediakan isolasi listrik; setelah oksidasi termal, ia membentuk SiO₂, dielektrik berkualitas tinggi yang mencegah hilangnya muatan.

• Infrastruktur Manufaktur yang Matang: Beberapa dekade pengembangan proses telah menghasilkan ekosistem pertumbuhan dan fabrikasi wafer yang sangat halus dan terukur.

Secara struktural, silikon monokristalin adalah kisi periodik kontinu dari atom silikon—substrat penting untuk pembuatan chip.

Alur proses (tingkat tinggi): Bijih silikon dimurnikan untuk menghasilkan silikon polikristalin, yang kemudian dilelehkan dan ditumbuhkan menjadi ingot monokristalin dalam tungku pertumbuhan kristal. Ingot dipotong, dilapis, dipoles, dan dibersihkan untuk menghasilkan wafer untuk pemrosesan semikonduktor.

Kelas wafer:

• Kelas semikonduktor: Kemurnian sangat tinggi (hingga 99,999999999%, “11 sembilan”) dan monokristalin yang ketat, dengan persyaratan ketat pada kualitas kristal dan kebersihan permukaan.

• Kelas fotovoltaik: Kemurnian lebih rendah (99,99%–99,9999%) dan spesifikasi kualitas kristal dan permukaan yang kurang menuntut.

Wafer kelas semikonduktor juga menuntut kerataan, kehalusan permukaan, dan kebersihan yang unggul, yang meningkatkan kompleksitas proses dan nilai penggunaan akhir.

Evolusi diameter dan ekonomi: Standar industri telah berkembang dari 4 inci (100 mm) dan 6 inci (150 mm) menjadi 8 inci (200 mm) dan 12 inci (300 mm) wafer. Diameter yang lebih besar memberikan area die yang lebih berguna per proses, meningkatkan efisiensi biaya dan mengurangi kerugian tepi—evolusi yang didorong oleh Hukum Moore dan ekonomi manufaktur. Dalam praktiknya, ukuran wafer disesuaikan dengan aplikasi dan biaya: misalnya, memori umumnya menggunakan 300 mm, sementara banyak perangkat daya tetap pada 200 mm.

Melalui proses yang tepat—fotolitografi, implantasi ion, etsa, deposisi, dan perlakuan termal—wafer silikon memungkinkan berbagai perangkat: penyearah daya tinggi, MOSFET, BJT, dan komponen switching yang mendukung AI, 5G, elektronik otomotif, IoT, dan dirgantara—mesin inti pertumbuhan ekonomi dan inovasi.

3. Teknologi Pertumbuhan Silikon Monokristalin

Metode Czochralski (CZ)

Diusulkan oleh Jan Czochralski pada tahun 1917, metode CZ (penarikan kristal) secara efisien menghasilkan kristal tunggal berukuran besar dan berkualitas tinggi dari lelehan. Saat ini, ini adalah pendekatan dominan untuk silikon: sekitar 98% dari komponen elektronik berbasis silikon, dan ~85% dari mereka mengandalkan wafer yang tumbuh CZ. CZ disukai karena kualitas kristalnya, diameter yang dapat dikontrol, laju pertumbuhan yang relatif cepat, dan throughput yang tinggi.

Prinsip dan peralatan: Proses CZ beroperasi pada suhu tinggi dalam kondisi vakum/inert di dalam tungku pertumbuhan kristal. Silikon polikristalin dimasukkan ke dalam wadah dan dilelehkan. Kristal benih bersentuhan dengan permukaan lelehan; dengan mengontrol suhu, laju penarikan, dan rotasi benih dan wadah secara tepat, atom pada antarmuka lelehan–padat memadat menjadi kristal tunggal dengan orientasi dan diameter yang diinginkan.

Tahapan proses yang khas:

1. Persiapan & Pemuatan Alat: Bongkar, bersihkan, dan muat ulang tungku; buang kontaminan dari kuarsa, grafit, dan komponen lainnya.

2. Pompa-turun, Pengisian-balik & Peleburan: Evakuasi ke vakum, masukkan argon, dan panaskan hingga muatan silikon meleleh sepenuhnya.

3. Penyemaian & Pertumbuhan Awal: Turunkan benih ke dalam lelehan dan buat antarmuka padat–cair yang stabil.

4. Pembentukan Bahu & Pengendalian Diameter: Perluas ke diameter target dan pertahankan kontrol ketat melalui umpan balik suhu dan laju penarikan.

5. Penarikan yang Stabil: Pertahankan pertumbuhan seragam pada diameter yang ditetapkan.

6. Penghentian & Pendinginan: Selesaikan kristal, matikan, dan bongkar ingot.

Jika dieksekusi dengan benar, metode CZ menghasilkan silikon monokristalin berdiameter besar, cacat rendah yang cocok untuk manufaktur semikonduktor canggih.

4. Tantangan dan Arah Produksi

Penskalaan ke diameter yang lebih besar sambil mempertahankan kesempurnaan kristal menimbulkan tantangan signifikan, terutama dalam prediksi dan pengendalian cacat:

• Variabilitas Kualitas dan Kehilangan Hasil: Seiring bertambahnya diameter, medan termal, aliran, dan magnetik di dalam tungku menjadi lebih kompleks. Mengelola efek multipisika yang digabungkan ini sulit, yang mengarah pada ketidakkonsistenan dalam kualitas kristal dan hasil yang lebih rendah.

• Keterbatasan Sistem Kontrol: Strategi saat ini menekankan parameter makroskopik (misalnya, diameter, laju penarikan). Pengendalian cacat skala halus masih sangat bergantung pada keahlian manusia, yang semakin tidak memadai untuk persyaratan IC skala mikro/nano.