Tinjauan Ringkas Peranan Plasma dalam Penyelidikan dan Industri Semikonduktor

Penulis: Ts. Mohd Faizal Aziz
Pegawai Sains Kanan
Institut kejuruteraan Mikro & Nanoelektronik (IMEN)
Universiti Kebangsaan Malaysia

Industri semikonduktor telah menyaksikan pertumbuhan yang luar biasa dalam beberapa dekad kebelakangan ini yang membawa kepada peningkatan berkadaran terus dalam kuasa dan fungsi peranti elektronik. Seiring kemajuan teknologi, industri semakin bergantung pada teknik pembuatan yang lebih kecil berskala mikro dan nano. Salah satu teknologi tersebut ialah penggunaan plasma.

Daripada proses pemendapan, punaran hinggalah pembersihan, teknologi plasma menawarkan pelbagai aplikasi yang mengubah cara semikonduktor dihasilkan. Artikel ini meninjau secara ringkas teknik penghasilan plasma dalam pembuatan dan penyelidikan semikonduktor yang menyumbang kepada penciptaan peranti elektronik yang semakin kompleks dan berkuasa tinggi.

Sejarah Ringkas Plasma

Plasma mula dikaji pada pertengahan abad ke-19. Sebutan plasma mula digunakan oleh seorang saintis Amerika Irving Langmuir pada tahun 1920. Rambatan gelombang elektromagnet dalam plasma telah diterangkan oleh seorang ahli sains fizik British Edward V. Appleton yang telah menemui pembalikan gelombang radio daripada ionosfera antara tahun 1920-an hingga 1930-an. Pada tahun 1950, plasma telah mula digunakan dalam penyelidikan tenaga nuklear lakuran. Pada tahun 1970, seorang ahli sains fizik Sweden, Hannes Alfven telah memenangi Hadiah Nobel Fizik atas sumbangannya dalam kajian terhadap sifat-sifat plasma. Teknik pemprosesan bahan semikonduktor menghasilkan peranti elektronik menggunakan plasma diperkenalkan pada tahun 1960an. Ia mula digunakan untuk menghilangkan bahan kimia rintangan foto (photoresist) di permukaan wafer silikon bagi menggantikan bahan kimia yang digunakan sebelumnya.

Apakah Plasma

Plasma, sering dirujuk sebagai ‘keadaan jirim keempat’ merupakan gas terion yang terdiri daripada ion, elektron, dan zarah neutral. Tidak seperti keadaan jirim yang lain iaitu pepejal, cecair, dan gas, plasma mempunyai sifat unik seperti kekonduksian elektrik, tingkah laku kolektif, dan kebolehan menjana medan elektromagnet.

Sifat-sifat ini wujud disebabkan kehadiran zarah bercas, menjadikan plasma pengalir elektrik dan haba yang sangat baik. Teknologi plasma telah digunakan dalam pelbagai industri, daripada kesihatan dan aeroangkasa hinggalah sains bahan dan pengeluaran peranti semikonduktor.

Disebabkan sifatnya yang terion, plasma sangat konduktif. Ini membolehkan ia bertindak balas dengan kuat terhadap medan elektromagnet, menjadikannya berguna dalam pelbagai aplikasi. Keadaan jirim keempat ini boleh memindahkan haba dengan cepat, sesuatu yang penting dalam proses yang memerlukan perubahan suhu pantas.

Plasma juga sangat reaktif dan mampu memulakan tindak balas kimia yang biasanya memerlukan suhu atau tekanan yang lebih tinggi. Ciri ini amat berguna dalam pemprosesan dan rawatan bahan.

Penghasilan Plasma

Penghasilan atau penjanaan plasma dilakukan dengan bekalan tenaga gas gas neutral misalnya gas Argon sehingga atom atau molekulnya menjadi terion, iaitu kehilangan atau menerima elektron dan menjadi bercas. Pengionan ini biasanya berlaku apabila tenaga luaran dibekalkan melalui kaedah seperti nyahcas elektrik, gelombang mikro (microwave), atau pancaran laser.

Dalam kaedah nyahcas elektrik, voltan arus terus (DC) atau frekuensi radio (RF) digunakan antara dua elektrod di dalam gas. Apabila medan elektrik mencapai nilai kritikal, ia mencetuskan keadaan pengionan dan mengubah gas tersebut menjadi plasma. Nyahcas RF selalu digunakan dalam aplikasi industri seperti punaran plasma dan Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) kerana ia mampu mengekalkan plasma yang stabil.

Plasma yang dijana oleh gelombang mikro pula menggunakan tenaga gelombang mikro untuk mengionkan gas. Kaedah ini sering digunakan dalam kimia analitikal seperti spektrometer jisim.

Plasma teraruh laser (laser-induced plasma) dihasilkan apabila tenaga tinggi daripada pancaran laser difokuskan ke dalam jumlah gas yang sangat kecil, menghasilkan keadaan plasma untuk tempoh singkat. Teknik ini banyak digunakan dalam diagnostik seperti laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). Setiap kaedah mempunyai kelebihan dan kekangan yang menentukan kesesuaiannya untuk aplikasi tertentu.

Penghasilan Peranti Semikonduktor

Pengeluaran semikonduktor ialah proses kompleks yang melibatkan banyak langkah dan teknologi khusus. Berikut ialah gambaran terperinci tentang aspek-aspek utama dalam pengeluaran semikonduktor.

Bahan Semikonduktor

Semikonduktor biasanya dibuat daripada bahan asas seperti unsur tulen silikon atau sebatian seperti gallium arsenide. Silikon merupakan bahan paling meluas digunakan kerana sifat semikonduktornya yang sangat baik dan sumbernya yang banyak.

Bahan permulaan iaitu silika diproses menjadi wafer silikon nipis yang menjadi substrat peranti semikonduktor. Ini melibatkan beberapa langkah termasuk pertumbuhan ingot kristal tunggal, pemotongan wafer, dan penggilapan permukaan wafer.

Fotolitografi Semikonduktor

Fotolitografi digunakan untuk memindahkan corak litar ke atas wafer. Ia melibatkan pelapisan wafer dengan bahan sensitif cahaya yang dipanggil bahan kimia rintang foto (fotoresist). Cahaya ultraungu (UV) digunakan untuk mendedahkan fotoresist, yang kemudian dibangunkan untuk mendedahkan corak litar.

Selepas fotolitografi, wafer melalui kitaran proses punaran dan pemendapan untuk membina pelbagai lapisan semikonduktor. Proses punaran membuang bahan yang tidak diingini dari permukaan wafer dan boleh dilakukan secara punaran basah (wet etching) atau punaran kering (dry etching) seperti punaran plasma. Pemendapan pula menambah lapisan baharu pada permukaan wafer melalui kaedah seperti Chemical Vapor Deposition (CVD), Physical Vapor Deposition (PVD), dan penubuhan epitaksi.

Kegunaan Semikonduktor

Semikonduktor sangat meluas dalam masyarakat moden dan menjadi tulang belakang kepada pelbagai teknologi yang mempengaruhi kehidupan harian, ekonomi dan pembangunan saintifik.

Peranti Pengkomputeran
Unit Pemprosesan Pusat (CPU) dan Unit Pemprosesan Grafik (GPU) dalam komputer dan komputer riba dibina menggunakan teknologi semikonduktor.

Telefon pintar dan tablet mengandungi pelbagai komponen semikonduktor seperti pemproses, cip memori dan litar pengurusan kuasa.

Telekomunikasi
Peranti rangkaian seperti router, switch dan infrastruktur internet bergantung pada semikonduktor.
Satelit menggunakan komponen semikonduktor dalam sistem komunikasi dan transponder.

Industri Automotif
Unit Kawalan Enjin (ECU) menggunakan mikropengawal berasaskan semikonduktor.
Sistem bantuan pemandu lanjutan (ADAS) bergantung pada sensor dan pemproses semikonduktor.

Peranti Perubatan
Mesin MRI, CT scan dan pelbagai alat diagnostik menggunakan semikonduktor.
Jam pintar dan alat pemantauan kesihatan turut bergantung kepada sensor semikonduktor.

Elektronik Pengguna
TV, pembesar suara Bluetooth, sistem audio dan fon kepala semuanya mengandungi komponen semikonduktor.
Peralatan rumah pintar seperti peti sejuk dan mesin basuh menggunakan cip untuk automasi dan sambungan internet.

Aeroangkasa dan Pertahanan
Kapal terbang dan pesawat udara  menggunakan semikonduktor untuk sistem navigasi, komunikasi dan radar.
Sistem persenjataan bergantung pada komponen semikonduktor yang tahan lasak.

Tenaga Boleh Baharu
Sel solar menggunakan silikon sebagai bahan fotovolta.
Turbin angin menggunakan elektronik kuasa berasaskan semikonduktor untuk menukar dan mengurus tenaga.

Penyelidikan Saintifik
Pengesan zarah dalam fizik tenaga tinggi menggunakan semikonduktor.
Misi angkasa bergantung pada sensor dan komunikasi berasaskan semikonduktor

Penggunaan Plasma dalam Pembuatan Peranti Semikonduktor

Rawatan plasma memainkan peranan penting dalam pembuatan semikonduktor. Ia menawarkan ketepatan, kelajuan, dan kecekapan yang tinggi. Setiap teknik plasma mempunyai kelebihan dan batasannya tersendiri, menjadikannya sesuai untuk langkah tertentu dalam proses fabrikasi semikonduktor.

Antara aplikasi utama penggunaan plasma dalam industri semikonduktor ialah:

1. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)
   Digunakan untuk mendepositkan filem nipis daripada gas ke atas substrat, terutamanya untuk lapisan penebat. Sesuai untuk aplikasi suhu rendah.
2. Punaran kering plasma
   Alternatif lebih tepat berbanding etsa basah, menggunakan ion reaktif dalam plasma untuk membuang bahan dengan ketepatan tinggi.
3. Pembersihan plasma
   Membersihkan permukaan wafer daripada zarah dan kontaminasi sebelum proses seperti doping atau pemendapan.
4. Reactive Ion Etching (RIE)
   Teknik punaran plasma yang sangat terkawal, mampu menghasilkan struktur berskala nanometer dengan ketepatan ekstrem.
5. Doping plasma
   Menambahkan bendasing ke dalam semikonduktor dengan kawalan lebih tepat terhadap taburan dopan.
6. Plasma ashing
   Menggunakan plasma oksigen untuk membuang fotoresist selepas proses fotolitografi.
7. High-Density Plasma Chemical Vapor Deposition (HDPCVD)
   Kaedah pemendapan filem nipis berkualiti tinggi pada kadar lebih pantas berbanding PECVD biasa.

Gabungan teknologi plasma dan teknik pemprosesan dalam penyelidikan dan industri semikonduktor merupakan tulang belakang penting kemajuan industri elektronik dunia. Inovasi ini amat penting dalam meningkatkan prestasi peranti elektronik yang mempengaruhi bidang pengkomputeran, telekomunikasi, kesihatan dan tenaga boleh baharu. Dengan permintaan peranti yang lebih laju dan cekap, peranan plasma dalam pembuatan semikonduktor semakin mendapat tempat dengan inovasi terkini.

[ARTIKEL BERKAITAN – Teknologi Penghasilan Filem Nipis dalam Industri Semikonduktor]
[ARTIKEL BERKAITAN – Teknologi dan Keperluan Bilik Bersih dalam Penyelidikan dan Industri Semikonduktor]