Trend proses & produk

1. Trend proses & produk • Sejak thn 1947, industri sk. telah melihat perkembangan yg berterusan bg proses baru dan yg telah diubahsuai. • Proses yg telah diubahsuai ini telah menjurus ke arah litar yg “reliable & highly integrated” • Proses yg telah diubahsuai ini boleh dibahagikan kpd 2 kategori yg luas iaitu proses dan struktur. • Proses yg telah diubahsuai telah menghasilkan fabrikasi litar yg berdimensi kecil, ketumpatan, kuantiti dan keboleharapan yg tinggi. • Pengubahsuaian terhadap peranti yg baru memberikan prestasi, kawalan kuasa dan keboleharapan yg tinggi.

2. Saiz komponen dan bilangan bil. komponen di dlm IC adalah 2 perkara yg menunjukkan perkembangan IC. • Dimensi komponen dicirikan melalui dimensi terkecil didlm rekabtk IC. • Ini dikenali sebagai saiz ciri ( feature size ) • Selalunya diukur didlm unit micron • Iaitu 1/10000 cm atau 1/100 diameter rambut manusia. Gate Source Drain Feature size

3. Trend proses & produk • Pengurangan saiz ciri & peningkatan ketumpatan IC • Peningkatan saiz cip dan wafer • Pengurangan ketumpatan kecacatan • Peningkatan paras antarasambung • Kos cip • Pertumbuhan industri semikonduktor

4. Pengurangan saiz ciri & peningkatan ketumpatan • Perkembangan teknologi dari SSI hingga ke teknologi hari ini telah membawa bersama pengurangan saiz ciri komponen individu. • Perubahan ini telah membawa kpd perubahan terhadap proses pengimejan, dikenali sebagai fotolitogarfi dan juga perubahan terhadap multilapisan konduktor. • SIA ( Semiconductor Industry Assaciation) telah meramalkan pd thn 2012 saiz ciri akan berkurang sehingga 50 nm ( 0.05 microns ). • Analogi konsep kawasan perumahan. • Terdapat beberapa faedah dlm pengecilan saiz ciri dan peningkatan ketumpatan litar.

5. Pd tahap prestasi litar, memberikan peningkatan kelajuan litar. • Dgn jarak yg pendek utk bergerak dan dgn peranti individu menduduki ruang yg kecil, maklumat boleh dimasukkan dan dikeluarkan dari cip dlm masa yg singkat. • Cthnya : prestasi komputer peribadi. • Stesen kuasa yg kecil diperlukan untuk menjalankan ENIAC telah memberi laluan kpd komputer laptop yg beroperasi dengan satu set bateri shj.

6. Peningkatan saiz cip & wafer • Kemajuan dlm ketumpatan cip dari SSI ke ULSI telah membawa kpd penambahan saiz cip. • Cip SSI beruluran 0.1 in pada sisi ( 0.25 cm ) • Cip ULSI berukuran 0.5 - 0.75 in per sisi ( 1.25 - 1.90 cm) • Cip dibuat diatas sekeping disk silikon nipis, dikenali sebagai wafer. • Cip atau die berbtk segiempat sama atau segiempat tepat ditempatkan disekeliling wafer. ( lihat rajah 1.11) • Meningkatkan saiz cip akan membawa kpd diameter wafer yg lebih besar. • Pada thn 1960-an wafer hanya bersaiz 1 in dan telah kini wafer telah bersaiz 8 in (200mm) dan 12in (300mm).

7. Rajah 1.11 : Kesan pemprosesan cip besar di atas wafer besar.

8. Pengurangan dalam ketumpatan kecacatan • Dengan pengecilan saiz ciri, ketumpatan kecacatan dan saiz kecacatan juga perlu dikurangkan. • Menjadi kritikal semasa proses pembuatan. • Jika satu micron partikel jatuh atas transistor jatuh atas transistor 100 µ- mungkin tak menjadi masalah • Tetapi jika jatuh di atas trnsistor 1 µ, ini akan menjadi ‘killer defect’ kepada transistor- transistor tak boleh beroperasi. • Rajah 1.12 • Keperluan kepada kawalan cemaran telah membawa kepada peningkatan kos pembuatan di dlm julat berbillion dollar.

9. Metal lines Rajah 1.12 : Hubungan antara saiz partikel dan dimensi wafer. Particles Surface layer

10. Peningkatan dlm paras antarasambung • Peningkatan ketumpatan membawa kepada masalah pendawaian (‘wiring’), dimana mengurangkan ruang untuk menyambung komponen. • Ini dapat diatasi dengan merekabentuk lapisan pendawaian bertingkat-tingkat ( multiple level wiring) diatas komponen. • Rajah 1.13

11. Rajah 1.13 : Keratan rentas pemplanaran struktur dua-paras cip VLSI.

12. Kos cip • Kesan yg dirasakan sangat ketara daripada pengubahsuaian proses dan produk ialah harga cip. • Rajah 1.14 menunjukkan kejatuhan harga cip memori tahun demi tahun. • Lengkuk ini adalah tipikal untuk sebarang produk yg telah matang. • Harga akan bermula tinggi, tetapi setelah teknologi dapat dikuasai dan kecekapan pembuatan meningkat, harga jatuh dan akhirnya stabil. • Harga cip telah menurun secara malar walaupun prestasi cip telah meningkat.

13. Rajah 1.14 : Harga cip per bit memori.

14. Pertumbuhan industri semikonduktor • Pada keseluruhanya, industri semikonduktor telah mengalami pertumbuhan yg berterusan. • Sejak kelahiranya dlm thn 1950-an, ianya menuju ke arah penjualan $200 billion setahun dan disokong oleh industri pembekal (supplies) yg membuat penjualan sebanyak $30 billion. • Berjuta-juta cip telah dibekalkan oleh kilang2 yang terdapat diseluruh dunia. • Yg menariknya ialah walaupun industri menunjukkan tanda kematangan ianya masih membesar dgn cepat sekali berbanding dgn industri matang lain • Ini menunjukkan microcip belum lagi sampai ke penghad teknikal dan prestasi.

17. Rajah 1.15 menunjukkan penambahan kuasa cip, dimana ditunjukkan oleh bilangan volume Encyclepedia Britannica, yg boleh disimpan dlm cip memori DRAM ( Dynamic Random-Access Memory) Rajah 1.15 : Kapasiti DRAM

18. Peringkat-Peringkat pembuatan • Pembuatan peranti keadaan pepejal terbahagi kepada 4 peringkat utama : • Penyediaan bahan • Pertumbuhan hablur • Penyedian wafer • Fabrikasi wafer & pembungkusan.

19. Penyedian bahan • Bahan mentah semikonduktor dilombong dan ditulenkan bagi memenuhi standard semikonduktor. • Bagi silikon, bahan mentah asal ialah pasir. • Rajah 1.16 menunjukkan pertukaran pasir ke silikon bergred semikonduktor. • Industri sk. juga membuat litar dan pernati dari bahan germanium sebatian bagi bahan semikonduktor.

20. Rajah 1.16 : Penukaran silikon dioksida ke silikon bergred semikonduktor

21. Pertumbuhan dan penyedian wafer • Dlm peringkat ini bahan dibentuk kepada hablur dengan parameter elektrik dan struktur yang tertentu. • Kemudian hablur akan dipotong dan diberi rawatan permukaan menjadikannya disk nipis dikenali sebagai wafer. Rajah 1.17 : Pertumbuhan hablur dan penyediaan wafer.

22. Rajah 1.18 : Fabrikasi wafer ( & ujian elektrik )

23. Fabrikasi wafer • Selepas fabrikasi wafer, cip atas wafer telah lengkap tetapi tidak diperiksa dan masih dalam bentuk wafer. • Seterusnya ialah pemeriksaan elektrik dipanggil ‘wafer sort’ ke atas setiap cip untuk mengenalpasti cip yang mana menepati spesifikasi pelanggan. • Wafer sort berkemungkinan merupakan langkah terakhir dalam fabrikasi wafer atau langkah pertama dalam proses pembungkusan.

24. Pembungkusan • Pembungkusan adalah suatu ciri proses yg memisahkan wafer kepada cip/die individu dan meletakannya ke dalam pembungkusan perlindung. • Pembungkusan cip adalah perlu bagi melindungi cip daripada cemaran dan utk membekalkan sistem lead elektrik yang tahan lasak yg akan menyambung cip kepada ‘printed circuit board’ atau terus ke produk elektrik. • Kebanyakan cip dibungkus dalam pembungkusan individu.

25. Rajah 1.19 : Peringkat pembungkusan

27. Contoh pembungkus epoksi ( a ) & seramik ( b ) (a) (b)

28. Tetapi terdapat juga cip yg dimasukkan ke dlm litar hibrid atau ‘multichip modules MCM’ atau terus diletakkan ke atas PCB - chip-on-board COB. • Litar bersepadu terdiri daripada peranti keadaan pepejal di atas cip. • Litar hibrid menggabungkan peranti semikonduktor ( diskrit & IC ) dengan perintang filem nipis atau tebal dan pengkonduksi, dan komponen elektrik lain di atas substrak seramik.

29. Dekad pembangunan ( 1951 - 1960 ) • Dekad pemprosesan ( 1961 - 1970 ) • Dekad pengeluaran ( 1971 - 1980 ) • Dekad Automatan ( 1981 - 1990 ) • Era pengeluaran ( 1991 - 2000 ) • 2000 - ? - Era ?

30. Dekad perkembangan ( 1951 - 1960 ) • Walaupun kebaikan bagi peranti elektronik keadaan pepejal dikenalpasti awal, perkembangan ke arah pengecilan belum direalisasi sehingga dua abad kemudian • Ini kerana semasa tahun 1950, jurutera mula menjalankan kerja-kerja mentakrifkan banyak proses-proses asas dan bahan-bahan yg masih digunakan sekarang. • Transistor dari makmal Bell yg dikenali sebagai point contact transistor didpti tidak boleh diharap dan dengan cepat sekali diganti dengan transistor alloy junction ( lihat rajah 1.20 )

31. Rajah 1.20 : Transistor simpangan aloi.

32. Dlm transistor ini, sentuh dialoikan ke permukaan. • Satu lagi teknologi awal ialah simpangan tumbuh (grown junction), dimana simpangan yg diperlukan ditumbuh ke dalam hablur semikonduktor semasa proses pertumbuhan hablur. • Kaedah utama lain utk membina transistor keadaan pepejal ialah field effect transistor ( FET ). • William Shockly menerbitkan asas-asas pengoperasian FET dlm thn 1951 • Transistor ini beroperasi dengan satu jenis arus dan juga dikenali sebagai metal oxide semiconductor (MOS) transistor.

33. Dalam thn 1955,William Shockly meninggalkan makmal Bell dan menubuhkan Shockly Lab. di Palo Alto, California. • Tetapi syarikat ini tidak dapat bertahan, kewujudan syarikat ini telah menerbitkan dan memantapkan pembuatan semikonduktor di West Coast dan memulakan apa yg dikenali sebagai Silicon Valley.

34. Peranti semikonduktor awal diperbuat daripada germanium dan silikon. • Isu mengenai bahan mana yang akan lebih berpengaruh diselesaikan dalam tahun 1956 dan 1957 dengan dua lagi pembaharuan dari makmal Bell, simpangan teresap (diffused junction) dan penopengan oksida. • Simpangan teresap adalah suatu bahagian yang penting dalam transistor mesa yg awal ( rajah 1.21 ) dikeluarkan oleh Texas Instruments. • Perkembangan bagi penopengan oksida yg sebenarnya menarik penggunaan bahan ke zaman silikon. • SiO2 tumbuh secara seragam di atas silikon dan mempunyai indeks pengembangan terma yg sama dgn Si

35. Rajah 1.21 : Mesa transistor with emitter and base.

36. Membenarkan pemprosesan suhu tinggi tanpa berubah bentuk. • SiO2 ialah bahan dielektrik yang membenarkanya berfungsi sebagai penebat. • SiO2 juga adalah penahan efektif kepada pendop yg membentuk rantau N dan P dlm silikon. • Kesan dari perkembangan ini ialah “planar technology” yg diperkenalkan oleh Fairchild Camera dlm thn 1960. • Dengan teknik2 yg telah disebutkan, ianya berkemungkinan utk membentuk simpangan ( menggunakan resapan) dan melindungi ( SiO2 ) simpangan semasa dan selepas proses pembuatan. • Perkembangan penopengan oksida juga membenarkan kesemua pembentukkan transistor berlaku di atas permukaaan wafer, iaitu dlm satu satah

37. Rajah 1.22 : Asas bagi pemprosesan “silicon planar”

38. Makmal Bell juga telah membangunkan teknik2 membentuk transistor ke dalam lapisan bahan semikonduktor berketulenan tinggi yg dimendapkan ke atas wafer. • Lapisan ini dipanggil lapisan epitaksial, membenarkan peranti berkelajuan lebih tinggi dan membekalkan suatu skim untuk pemadatan komponen yang lebih rapat dlm litar dwikutub. • Pada pertengahan thn 1970, teknik pembinaan transistor berjenis dwikutub (bipolar) menjadi begitu berpengaruh. • Istilah dwikutub merujuk kepada struktur transistor yang beroperasi dengan kedua2 arus positif dan negatif.

39. Rajah 1.23 : Transistor dwikutub resapan berganda terbentuk dalam lapisan epitaksial.

40. Industri semikonduktor berkembang di pusat2 teknologi tinggi di sekitar Boston, Silicon Valley di Northern California, dan di Texas Instruments di Dallas, Texas. • Kawasan2 ini mengekalkan penguasaanya sehinggalah 1970 apabila teknologi proses bergerak dari proses berskala makmal ke proses berdasarkan peralatan. • Tahun 1950-an merupakan zaman kegemilangan perkembangan semikonduktor • Dalam masa yg singkat, hampir semua proses-proses asas dan bahan-bahan ditemui. • Dekadnya bermula dengan pembuatan peranti Ge yg kasar buatanya dlm bilangan kecil dan berakhir dengan litar bersepadu yg pertama dan silikon bertegap mantap sebagai bahan untuk semikonduktor di masa akan datang.

41. Dekad Pemprosesan ( 1961 - 1970 ) • Thn 1960-an ialah dekad jurutera proses dan syarikat2 yg baru dibentuk. • Banyak pembuat cip yg baru memasuki pasaran sementara syarikat-syarikat yg telah mantap memperkukuhkan lagi tahap kedudukan mereka • Menjadi bertambah sesak, memyebabkan harga cip menurun. • Jurutera proses perlu mengembangkan proses bagi mendapatkan pengeluaran cip tinggi bagi mendapatkan cip pada harga rendah. • Teknologi merebak apabila jurutera membawa teknologi dari satu syarikat ke satu syarikat lain.

42. Pada masa ini jurutera dibantu oleh vendor yg meningkat bilangannya. • Dlm tahun 1950, kebanyakan peralatan dibuat dan diubahsuaikan di tempat masing2 utk penggunaan semikonduktor. • Begitu juga dengan bahan kimia yg mana dibeli daripada penjual luar pada paras gred industri dan di cuci disitu. • Kodak Corporation telah memperkenalkan fotorintang negatif • Shipley Company memperkenalkan fotorintang positif dan Waycoat memperkembangkan fotorintang positif, yg pertama berdasarkan ‘synthetic polymer’

43. Untuk peralatan, • BTU & Thermaco menjual relau resapan dan pengoksidaan. • K&K dan Kasper membekalkan penjajar sentuh ( contact aligners) utk pengoperasian penopengan. • Kebanyakan pemain syarikat utama pd thn 1950-an membentuk syarikat baru dlm thn 1960-an. • Noyce telah meninggalkan Fairchild utk menubuhkan Intel bersama2 Andrew Grove dan Gordon Moore. • Charles Sporck juga meninggalkan Fairchild untuk menyertai National Sc. • Penurunan harga dipecutkan lagi dgn perkembangan pembungkus plastik utk peranti silikon dlm thn 1963.

44. Dalam thn yg sama RCA mengumumkan kemajuan’insulated field effect transistor ( IFET)’ yg membuka laluan utk industri MOS. • Dalam dekad ini strategi pemasaran yg berpengaruh ialah utk merekabtk yg baru dan menaikkan penjualan sebelum persaingan mengeluarkan rekabtk baru. • Dalam tahun 1970-an pembuatan semikonduktor berubah dari memproses kelompok kecil di makmal ke pembuatan isipadu tinggi.

45. Dekad pengeluaran ( 1971 – 1980 ) • Pergerakan peranti ke paras LSI yg menguntungkan telah tergendala dengan cacat-cacat disebabkan oleh topeng dan kerosakan yg diakibatkan oleh penjajaran sentuh ke atas wafer. • Masalah kecacatan dan penjajaran topeng diselesaikan dengan perkembangan penjajaran penayang praktik (practical projection aligner) yg pertama oleh Perkin & Elmar Company. • Dekad ini juga memperlihatkan pembaharuan dan pengoperasian bagi pembinaan bilik bersih disebabkan oleh pengenalan mesin penanaman ion ( ion implanter ), E-beam utk menghasilkan topeng yg berkualiti tinggi dan ‘lithography mask steppers’ digunakan dalam pembuatan topeng mula timbul dlm bidang fabrikasi utk imej wafer.

46. Semasa dekad ini, peralatan berubah dari operasi manual ke automatik. • Pergerakan dari kawalan operator ke kawalan automatik bagi proses-proses telah meningkat kedua-dua pengeluaran wafer dan keseragamannya.

47. Dekad automatan ( 1981 – 1990 ) • Tekanan dari pasaran dan peningkatan jumlah proses telah membawa kepada proses pengautomatan. • Mesin2 secara automatik akan mengangkat wafer, memproses melalui langkah2 yang telah ditetapkan dan kembalikan wafer kepada pembawa ( carriers ). • Dengan kebanyakkan proses individu yg automatik, fokus dlm tahun 1980-an ialah untuk menghapuskan operator dari kawasan fabrikasi dan penautomatam dlm proses penghantaran bahan dan pergerakan. • Manusia adalah salah satu punca cemaran dlm proses. • Prosedur memakai pakaian kawalan cemaran ( bunny suit ) juga tidak dapat mengawal cemaran ‘particulate’ yang dihasilkan oleh manusia semasa bergerak.

48. Pengautomatan mesin individu membawa cabaran utk membanggunkan kaedah baru untuk memindahkan wafer antara mesin. • Menggunakan slogan “ lights-out, peopleless” • Walaupun proses2 fabrikasi menjadi lebih baik dari segi pencirian dan kawalan, tetapi pada masa yg sama pelbagai trend telah memaksa ke arah rekabentuk yg lebih kompleks. • Rekabentuk baru memberikan cabaran baru ke arah perkembangan proses baru. • 1980-an melihat peningkatan pengeluar Jepun, diikuti oleh ‘ four tigers ’ iaitu Hong Kong, Taiwan,Singapura dan Korea.

49. Era pengeluaran ( 1991 - 2000 ) • Sepanjang 1970-an dan 1980-an, saiz ciri 1 µm muncul sebagai peluang dan cabaran. • Pada awal thn 1990-an, masalah didalam saiz ciri 1 µm telah dapat diatasi dalam makmal dan 50% industri fabrikasi bekerja pada paras mikron dan submikron. • Industri ini menjadi lebih matang di dalam isu pembuatan dan pemasaran. • Strategi pemasaran baru - sentiasa yg pertama mengeluarkan cip yg terkini dan terbesar yg boleh dipasarkan dengan keuntungan yg mencukupi untuk membiayai penyelidikan & pembanggunan ( R & D ) dan rekabentuk yg baru.

50. Perkembangan teknologi dan kemajuan dalam kawalan proses mengerakan industri ke penekanan yg lebih kepada isu pengeluaran. • Isu faktor pengeluaran terdiri daripada : automatan, kos kawalan, proses pencirian dan kawalan, dan kecekapan pekerja. • Strategi untuk mengawal kos termasuk: analisis terperinci kos-hakmilik ( cost-of-ownership ) peralatan, sunsunatur baru bagi fab. ( cluster tools ), teknologi pengasingan wafer ( wafer isolation technology, WIT ), ‘ computer integrated manufacturing - CIM’, kawalan proses statistik, peralatan metrology yg canggih dan etc.