Yasri Yudhistira

Litografi pada proses pembuatan IC seringkali dianalogikan dengan
bintang. Kok bintang? Karena bintang itu kecil.

Litografi adalah teknik untuk memindahkan gambar atau pola desain
suatu chip dari mask (atau master) ke atas wafer. Karena pola yang
akan dicetak hanya berukuran puluhan atau ratusan nanometer (1
nanometer = 1 per sejuta milimeter) makanya seringkali kita harus
meminjam istilah dan teori dalam teknik melihat bintang.

Sebut saja resolusi Rayleigh yang menyatakan bahwa dua buah bintang
yang saling berdekatan akan dapat dibedakan satu sama lain apabila
jarak keduanya lebih dari suatu bilangan yang berbanding lurus dengan
panjang gelombang cahayanya dan berbanding terbalik dengan numerical
aperture lensa penglihatnya.

Jarak terdekat untuk membedakan dua bintang yang saling berdekatan itu
disebut resolusi.

Apabila jaraknya kurang dari resolusi, kedua bintang tersebut akan
terlihat seperti 1 bintang.

Atau dengan kata lain apabila resolusinya semakin kecil, kita akan
dapat melihat lebih banyak bintang.

Kembali kepada litografi, bintang tersebut dapat kita analogikan
sebagai sisi dari suatu pola, misalnya sisi bujur sangkar. Semakin
baik resolusi suatu sistem litografi, maka kita akan dapat membuat
pola dengan jarak yang semakin dekat.

Memperbaiki resolusi sistem litografi

Salah satu pendiri Intel, Gordon Moore, menyatakan bahwa kerapatan
suatu chip akan berlipat ganda setiap 18 bulan.

Hingga saat ini seluruh industri semikonduktor di dunia berusaha keras
agar ia dapat menghasilkan teknologi sejalan dengan ‘hukum Moore’ ini.

Karena tingkat kerapatan suatu chip erat kaitannya dengan resolusi
sistem litografi, tak heran apabila litografi disebut sebagai
penggerak hukum Moore. Atau lebih kerennya lagi litografi merupakan
penggerak kemajuan industri semikonduktor.

Tanpa litografi yang lebih modern, tidak mungkin kita bisa membuat
chip yang makin padat fitur dan kecanggihan yang kita rasakan hingga
kini.

Bagaimana caranya? Saya akan tulis beberapa tekniknya dalam beberapa
post setelah ini.

Salah satu hal yang paling sulit dimengerti dan dibayangkan tentang semikonduktor adalah ukuran. Sebuah chip canggih pada umumnya berukuran seujung kuku atau lebih kecil, terdiri dari 10 juta transistor atau memori untuk lebih dari 128 juta bit data.

Contoh :

Wafer silikon paling modern berdiameter 300 mm. Kemurniannya 1 per 1 milyard. Bayangkan anda meletakkan permen Mentos seperti papan catur dari Sabang hingga Merauke. Apabila salah satu dari permen Mentos tersebut berwarna merah dan yang lainnya berwarna putih, itulah kira-kira kemurnian 1 per 1 milyard.

Tingkat kerataan wafer ini di bawah 130 nanometer (1 nanometer = 1 per milyard meter). Apabila Anda bayangkan Sabang sampai Merauke adalah tanah rata, tidak ada sesuatu di tanah ini yang tingginya lebih dari 2 meter.

Pada saat pemrosesan, wafer silikon ini dilapisi dengan lapisan fotoresist, seperti lapisan emulsi pada film photo, sehingga sirkit bisa dicetak pada wafer. Fotoresist ini harus benar-benar murni (partikel kecil pun dapat menyebabkan defect “pembunuh”, karena dapat mengakibatkan seluruh chip tidak berfungsi sama sekali). Tetapi besar partikel “pembunuh” ini hampir sama dengan partikel pembentuk fotoresist, yang menyebabkan penyaringan antara fotoresist dan partikel asing ini menjadi sangat sulit.

Ukuran geometri terkecil (minimum feature size) adalah ukuran terkecil dari suatu geometri yang dapat dibuat dalam suatu proses manufaktur. Saat ini (2007) menurut ITRS, ukuran terkecil sudah mencapai 45 nm (atau 45 per 1 milyard meter). Ukuran rambut manusia kira-kira 60.000 hingga 100.000 nm. Artinya ukuran terkecil yang dapat dibuat adalah 1 per 20.000 ukuran rambut manusia. Dan ukuran ini akan terus mengecil di kemudian hari.

Bagian chip yang paling penting (yaitu bagian dari transistor) adalah gate dielectric, yang merupakan lapisan insulator (tidak dapat dilalui arus listrik) yang terapit diantara substrate silikon dan gate di atasnya. Lapisan ini dibuat sedemikian tipis untuk mengatur medan listrik pada substrate sehingga elektron dapat mengalir pada saat tegangan diberikan pada gate dan sebaliknya.

Lapisan gate dielektrik ini hanya berukuran kira-kira 10 atom silikon dioksida.

Industri semikonduktor menghasilkan berbagai jenis chip untuk produk-produk elektronik masa kini. Di bawah ini beberapa contohnya :

Dynamic Random Access Memory (DRAMs) merupakan memori utama komputer — komputer saat ini dapat memiliki hingga 8 DRAM chip pada satu papan elektronik (circuit board) untuk memenuhi kebutuhan pengguna. DRAMs dapat menyimpan memori selama ia menerima energi listrik, sehingga apabila komputer dimatikan, memorinya akan terhapus. Pada saat kita memasukkan informasi ke dalam komputer, DRAM akan menyimpan data tersebut hingga data itu disimpan ke dalam disk.

Mikroprosesor (MPUs) merupakan otak dari suatu komputer. Mikroprosesor terdiri dari unit pemroses pusat (central processing unit) dan memori yang dapat diprogram. Mikroposesor inilah yang menginstruksikan apa yang harus dilakukan pada saat komputer berfungsi. Mikroprosesor juga digunakan pada produk elektronik lainnya.

Application Specific Integrated Circuits (ASICs) merupakan semikonduktor yang didesain untuk fungsi yang sangat spesifik dan digunakan pada produk elektronik seperti kamera, sistem airbag mobil, printer, dan lain-lain.

Digital Signal Processors (DSPs) memproses sinyal, seperti gambar dan suara atau pulsa radar. DSP mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital, kemudian memperbaiki, mengolah dan/atau memanipulasi sinyal tersebut dengan cepat. DSP digunakan pada telepon genggam, modem kecepatan tinggi, dan produk lainnya.

Programmable memory chips (EPROMs, EEPROMs, and Flash) digunakan untuk melakukan fungsi-fungsi yang diprogramkan ke dalam chip. Progam ini disimpan di dalam chip meskipun tidak diberi catu daya. Chip ini digunakan pada telepon genggam, video game, perangkat wireless dan lain-lain.

(Dari Sematech.org)

ITRS (Internasional Technology Roadmap for Semiconductors) disponsori oleh lima gabungan manufaktur chip di seluruh dunia: Eropa, Jepang, Taiwan, Korea dan Amerika Serikat.

Tujuan ITRS adalah untuk menjaga kelangsungan dan kemajuan industri IC (integrated circuit, sirkuit terpadu) dan industri yang menggunakan IC secara efektif baik dari segi biaya maupun kinerjanya, sehingga industri ini dapat bertahan lama dan sukses.

Salah satu hasil dari ITRS adalah roadmap yang berisi arahan bagi industri-industri elektronika yang tergabung di dalamnya, baik manufaktur, lembaga riset, pembuat mesin, dan sebagainya. Roadmap tersebut mengidentifikasi tantangan kritis yang dihadapi, merangsang solusi inovatif dari tantangan-tantangan tersebut, serta membuka pintu partisipasi dari komunitas semikonduktor.

ITRS terakhir hingga saat ini dapat dibuka di http://www.itrs.net/Links/2006Update/2006UpdateFinal.htm

Hingga saat ini telah dirumuskan technology roadmap hingga tahun 2013, yang diperkirakan mencapai 32nm half pitch.

Pitch adalah jeda antara 2 polisilikon. Semakin dekat berarti tingkat kerapatan suatu devais akan semakin tinggi. Satu pitch terdiri dari satu line (garis) dan space (spasi). Half pitch adalah lebar line (garis) polisilikon. Lebar polisilikon menentukan kecepatan suatu devais. Semakin kecil berarti jarak tempuh elektron dari Source ke Drain pada CMOS akan semakin kecil, sehingga memungkinkan kecepatan switching transistor dari on ke off semakin tinggi.

Saat ini (2007) menurut ITRS industri telah mencapi 65nm half pitch.

Istilah node teknologi memang mirip dengan half-pitch, namun kenyataannya saat ini node teknologi tidak lagi menunjukkan half-pitch. Misalnya saat ini Intel mulai meluncurkan produk dengan teknologi 45nm, bukan berarti pitchnya 90nm. Oleh karena itu, istilah node teknologi tidak lagi digunakan dalam ITRS untuk memperjelas pitch sebenarnya.

Karena half-pitch ditentukan oleh kemampuan litografi dalam mencetak rangkaian dengan resolusi yang semakin tinggi, proses litografi merupakan juru kunci kemajuan teknologi semikonduktor. Litografi mengandalkan cahaya untuk mencetak rangkaian pada wafer. Tetapi karena salah satu sifat cahaya, yaitu difraksi, maka semakin dekat jarak dua feature, semakin besar cahaya dibelokkan dari sudut datangnya. Pada saat tertentu cahaya ini tidak dapat lagi ditangkap oleh wafer yang beraksi sebagai layar. Jarak terkecil dua feture ini disebut pitch yang menentukan resolusi teknologi litografi.

Untuk memperbaiki resolusi suati sistem litografi, ada tiga komponen yang berperan. Pertama, menggunakan cahaya dengan panjang gelombang (lambda) sekecil-kecilnya (sekarang industri sedang berusaha menggunakan cahaya dengan panjang gelombang 13.6nm, atau EUV). Kedua, dengan meningkatkan NA (numerical aperture) lensa sistem litografi, sehingga semakin banyak cahaya yang dapat ditampung pada lensa objektifnya. Ketiga, dengan menggunakan RET (resolution enhancement techniques), seperti OPC (optical proximity correction), double patterning, double exposure, dan sebagianya.

Disadur dari Lithoguru

Fabrikasi IC (integrated circuit, atau singkatnya chip) memerlukan bermacam-macam proses baik secara fisik maupun kimiawi pada bahan dasar (substrate) semikonduktor. Yang paling sering digunakan adalah silikon karena kemudahan proses, biaya, dan ketersediaan bahan bakunya. Material lain yang tersedia misalnya GaAs dan InP yang sering digunakan pada laser dan devais-devais radio, seperi radar dan komunikasi satelit.

Pada dasarnya proses yang digunakan dibagi menjadi 3 kategori: pelapisan film (film deposition), pemetaan rangkaian (patterning) dan doping semikonduktor.

Film, yaitu lapisan tipis yang dilapiskan pada permukaan substrat, dapat berupa konduktor maupun isolator. Konduktor, misalnya polisilikon, aluminimum atau tembaga) digunakan untuk menghubungkan satu komponen dengan komponen lainnya. Sementara isolator, seperti silikon dioksida dan dielektrik, digunakan untuk mengisolasi suatu komponen dan komponen lainnya.

Doping digunakan untuk memberikan sifat aktif pada transistor. Pada dasarnya doping mengubah sifat material semikonduktor menjadi lebih sensitif pada perubahan tegangan atau arus disekitarnya. Ada dua jenis doping, yaitu doping yang memberikan lebih banyak elektron pada suatu material, dan doping hole (lawan elektron) yang memberikan hole pada suatu material sehingga mengurangi jumlah elektron pada material tersebut.

Suatu pola sirkit dapat dibentuk untuk, misalnya membentuk suatu daerah dengan doping negatif dan daerah lain dengan doping positif kemudian dihubungkan satu sama lain dengan skematik tertentu. Pola sirkuit ini akan menjadi suatu rangkaian aktif yang apabila diintegrasikan dengan jutaan komponen lainnya, akan menjadi suatu chip pintar yang, tanpa sadar, kita manfaatkan sehari-hari (handphone atau komputer misalnya).

Teknik pemetaan rangkaian pada substrat semikonduktor disebut patterning, yang merupakan gabungan proses litografi dan etch. Litografi bertugas memindahkan gambar dari design pada wafer dengan menggunakan material yang sensitif pada cahaya. Etch menggunakan gambar yang dihasilkan pada proses litografi untuk mengukir gambar tersebut pada substrat atau film di bawahnya menggunakan larutan kimia (wet etch) atau plasma (ion yang tereksitasi, atau dry etch).

Disadur dari EE Times

Power, Efisiensi dan Mobilitas. Itulah 3 kata yang menjadi inti riset mikroprosesor masa depan Intel. Intel memamerkan hasil riset dan prototipenya kepada wartawan dan analis apa yang Intel harap menjadi the next big thing.

Yang dimaksud adalah chip dengan unjuk kerja teraflop, artinya 1 triliun perhitungan aritmatik dalam satu detik. Salah satu prototipe yang dipamerkan adalah apa yang Intel sebut sebagai “prototipe silikon skala tera pertama”.

Prototipe 80-core chip milik Intel

Prosesor ini memiliki 80-core (core, maksudnya unit pemroses, CPU) yang setara dengan superkomputer teraflop. Dengan ukuran 13 mm x 22 mm saat ini, 10 tahun yang lalu komputer dengan kemampuran perhitungan seperti ini dapat berukuran 12 meter x 3 meter.

Dibuat dengan menggunakan proses manufaktur 65-nanometer, masing-masing core memiliki 5Kb cache dan dua floating-point unit (spesialisasi menghitung bilangan riil, yang lebih kompleks ketimbang menghitung bilangan digital 0 dan 1).

Prosesor ini memiliki 40 kali lipat daya penghitungan dibandingkan dengan prosesor quad-core Intel yang baru diluncurkan.

Menurut Intel, komputasi skala tera merupakan chip masa depan Intel. Saat ini Intel memiliki lebih dari 100 proyek R&D di seluruh dunia yang dikhususkan untuk menghadapi tantangan baik hardware maupun software untuk sistem berbasis lebih dari selusin core.

Justin Rattner, chief technology officer Intel, menyatakan bahwa chip ini, yang diberi nama Larrabee, mampu memproses jauh lebih dari 1 teraflop data. Prosesor ini diperkirakan akan muncul di pasaran pada tahun 2010, tetapi tidak menutup kemungkinan untuk tampil pada 2009, katanya.

Untuk membantu developer perangkat lunak memprogram sistem dengan skala tera, Intel telah membuat model pemrograman terbaru yang disebut Ct, yang merupakan perkembangan dari bahasa C dan C++. Pada dasarnya, model ini mampu menangani kompleksitas penghitungan paralel, seperti pembagian beban tugas ke beberapa prosesor untuk menghasilkan hasil yang lebih cepat.

Ct memungkinkan pemrogram seolah-olah mereka membuat aplikasi untuk satu core. Kode yang dihasilkan dioptimisasi untuk dapat bekerja pada beberapa prosesor sekaligus pada saat dikompilasi menjadi bahasa mesin. Intel juga merencanakan untuk meluncurkan model Ct pada komunitas open-source dalam waktu dekat.

Aplikasi yang ditunjukkan Intel untuk menggunakan chip skala tera ini adalah penyunting video dan pembuatan game.

Program penyunting video mampu merekam dan melakukan analisis pertandingan sepak bola, kemudian menganalisis setiap gerak-gerik pemain, misalnya hands ball, offside atau gol. Sistem seperti ini membutuhkan sedikitnya 100 gigaflops (100 milyar perhitungan per detik) yang hanya bisa dilakukan oleh minimum prosesor dengan 64 core.

Tentu saja dengan komputasi skala tera, efisiensi daya menjadi lebih dibutuhkan. Saat ini Intel telah berhasil membuat chip yang lebih powerful, dengan kebutuhan daya yang relatif sama.

Untuk meneruskan tren tersebut, Intel membangun sirkit adaptif di dalam prosesor yang menentukan unjuk kerja minimum yang dibutuhkan untuk tugas tertentu. Daya yang tidak dibutuhkan dimatikan seperlunya.

• SPIE 2007 : Automatic setup of in-line critical dimension (CD) recipes during OPC qualification in a foundry environment (Proceedings Paper).

• SPIE 2007 : Silicon verification of flare model & application to real chip for long range proximity correction (Proceedings Paper)

• US Patent Application : Lithography process optimization and system

Tentang metode optimisasi sistem litografi menggunakan dua atau lebih iluminator. Tujuannya meningkatkan kejelasan gambar (image fidelity), kedalaman fokus (depth of focus) yang tinggi sehingga suatu desain chip lebih mudah dibuat (manufacturable). Sisanya bisa dibaca di sini.

• SPIE 2006 : Lithography process optimization using linear superposition of commonly available illumination modes (Proceedings Paper)

Chip

Rangkaian elektronik yang merupakan gabungan dari jutaan transistor, resistor dan komponen elektronika lain. Jika anda pernah membongkar komputer, hand phone atau peralatan elektronik lain, komponen terbesarnya adalah chip dengan puluhan atau ratusan kaki. Chip ini merupakan otak kerja dari suatu devais elektronika dan berfungsi sangat kompleks. Semakin kompleks fungsi dari suatu chip, semakin banyak jumlah komponen yang terintegrasi di dalamnya.

Wafer

Lempengan silikon berbentuk lingkaran di mana chip dibuat. Diameternya wafer yang tersedia dari 150mm, 200mm, dan 300mm (yang terbesar saat ini). Satu wafer memuat ratusan hingga ribuan chip untuk diproses secara bersamaan.