Bagaimana Proses Pembuatan Chip Mikroprosesor?

Sirkuit terintegrasi (IC / Integrated Circuit) mikroprosesor adalah
jantung dari hampir semua teknologi modern, seperti komputer atau
smartphone. IC ini terbuat dari bahan semikonduktor, seperti silikon yang
memungkinkan komputer, smartphone, dan perangkat elektronik lainnya
dapat berfungsi.

Dalam artikel ini, istilah IC akan disebut dengan istilah lainnya,
yaitu chip. Di dalam sebuah chip mikroprosesor terdapat miliaran
transistor yang terintegrasi ke dalam perangkat sekecil ujung jari kita.
Bagaimana bisa?

Ternyata proses pembuatan chip tersebut merupakan salah satu cerita yang
paling kompleks, serta membutuhkan keterlibatan sejumlah teknologi
canggih lainnya. Hal itulah yang akan diulas dalam artikel ini.

Namun sebelumnya, sekedar mengingatkan kembali bahwa mikroprosesor
tidak lain adalah sebuah CPU (central processing unit / unit pengolah
pusat ) yang terbuat dari transistor mini dan sirkuit lainnya pada sebuah
IC / sirkuit terintegrasi berbahan semikonduktor[1].

Adapun bagian-bagian mikroprosesor / CPU tersebut terdiri dari 3 komponen
penting, yaitu : Arithmetic Logic Unit (ALU), Register Unit (RU), dan
Control Unit (CU). Jika mikroprosesor ini dihubungkan dengan rangkaian
pendukung, komponen I/O dan memori maka terbentuklah sebuah mikrokomputer
yang dapat dipakai untuk keperluan akuisisi data dan aplikasi kontrol[2].

Apabila komponen-komponen mikro komputer tersebut diletakkan bersama
pada sebuah chip silicon maka terciptalah sebuah mikrokontroler, di mana
mikrokontroler tersebut berisi CPU, memori, timer, port serial dan
paralel, port input / output, serta ADC (analog to digital converter).

Proses Pembuatan Chip Mikroprosesor

Baiklah, sekarang kembali kepada topik awal. Mari kita lihat
langkah-langkah utama dalam proses pembuatan sebuah chip mikroprosesor
dari sebuah video Youtube yang sangat menarik di kanal Branch Education
berjudul “How Are Microchips Made? CPU Manufacturing Process Steps“[3],
berikut ini.

Dari video di atas dapat diambil beberapa hal penting terkait
langkah-langkah / proses pembuatan chip mikroprosesor serta
beberapa hal lainnya, sebagai berikut:

1. Pembuatan Wafer Silikon
Proses dimulai dengan pemurnian kuarsa untuk menghasilkan silikon murni.
Silikon ini kemudian dibentuk menjadi ingot monokristalin dan dipotong
menjadi wafer tipis. Wafer silikon ini menjadi dasar bagi seluruh proses
pembuatan mikro chip / chip mikroprosesor.

2. Proses Litografi
Pada tahap ini, pola nanometrik dibuat di atas wafer menggunakan lapisan
fotoresist yang sensitif terhadap cahaya. Pola tersebut diterapkan
melalui proses berikut:

• Penyebaran lapisan fotoresist.
• Pencahayaan dengan Ultraviolet (UV) melalui fotomask.
• Penghapusan area fotoresist yang terkena UV.

3. Etsa dan Deposisi
Setelah pola dibuat, bahan yang tidak diperlukan dihilangkan melalui
proses etsa (etching). Area yang sudah di-etsa kemudian diisi dengan logam seperti
tembaga atau isolator seperti silikon dioksida untuk membentuk lapisan
fungsional.

4. Penumpukan Lapisan
Proses ini diulangi hingga 80 lapisan terbentuk di atas wafer. Setiap
lapisan membutuhkan pola baru yang dibuat dengan presisi nanometrik.

5. Pengujian dan Inspeksi
Setelah setiap lapisan selesai, wafer diperiksa menggunakan mikroskop
elektron untuk memastikan tidak ada cacat pada pola atau bahan. Jika ada
partikel yang mengganggu, langkah pembersihan menggunakan air ultrapure
dilakukan.

6. Pemotongan dan Pengemasan
Setelah wafer selesai, mikro chip dipotong menggunakan laser, diuji ulang,
dan dipasang pada papan sirkuit cetak. Sebuah penutup pelindung
ditambahkan untuk melindungi chip dari kerusakan.

Tantangan dalam Proses Pembuatan Chip Mikroprosesor

Sejumlah tantangan banyak dijumpai dalam pembuatan mikro chip / chip
mikroprosesor, antara lain adalag persoalan sebagai berikut:

• Miniaturisasi:

Setiap transistor memiliki dimensi hanya beberapa nanometer, sehingga
memerlukan alat yang sangat presisi.

• Biaya yang Tinggi:

Setiap fotomask yang digunakan dalam proses litografi dapat berharga
hingga $300.000.

• Waktu:

Diperlukan waktu hingga 3 bulan untuk menyelesaikan satu wafer dengan
940 langkah proses di pabrik fabrikasi semikonduktor.

Q & A

• Seberapa besar ukuran pabrik fabrikasi semikonduktor? Berdasarkan video di atas, sebuah pabrik fabrikasi semikonduktor
  biasanya memiliki ruangan yang bersih seluas 8 lapangan sepak bola,
  berisi ratusan mesin yang ukurannya bervariasi dari seukuran mobil van
  hingga bus kota, dengan harga antara beberapa juta hingga $170 juta
  per unit.

• Berapa banyak transistor dalam chip CPU modern?
  Setiap chip CPU yang dibuat memiliki 26 miliar transistor,
  dengan banyak lapisan kabel di atas transistor kecil di bagian bawah.

• Berapa banyak chip yang dapat diproduksi dari satu wafer silikon?
  Satu wafer silikon berukuran 300 milimeter dapat memuat 230 chip CPU
  atau 952 chip DRAM yang ukurannya jauh lebih kecil.

• Bagaimana cara menangani chip CPU yang cacat dalam proses produksi?
  Sirkuit semi-fungsional yang rusak karena partikel atau cacat pada
  fotomask dikelompokkan atau “dikelompokkan ulang” berdasarkan bagian
  yang masih berfungsi, sehingga chip yang sebagian berfungsi tetap dapat
  dimanfaatkan secara efisien.

• Bagaimana cara wafer silikon dipindahkan di dalam pabrik fabrikasi?
  Wafer silikon dibawa dalam tumpukan berisi 25 wafer menggunakan wadah
  yang disebut “front opening universal pods” (FOUP), yang diangkat oleh
  sistem transportasi di atas kepala dan dipindahkan di antara alat-alat
  pemrosesan.

Penutup

Proses pembuatan chip mikroprosesor adalah sebuah keajaiban teknik dan
ilmu pengetahuan yang melibatkan ribuan langkah dan alat canggih. Dengan
miliaran transistor yang disusun dalam lapisan-lapisan nanometrik,
chip mikroprosesor memungkinkan lahirnya berbagai inovasi teknologi yang kita
nikmati saat ini.

REFERENSI:
[1] https://id.wikipedia.org/wiki/Mikroprosesor
[2] Kasiyanto, Khoirunnisa, Ramadhani Ulansari dkk. Desain dan
Implementasi Sistem Robotika Berbasis Mikrokontroler. Eureka Media Aksara,
Purbalingga, 2024.
[3] Kanal Youtube Branch Education