Reduksi karbotermik: pasir menjadi silikon metalurgi
Langkah pertama adalah reduksi pasir kuarsa (SiO₂) dengan karbon di furnace listrik: SiO₂ + 2C → Si + 2CO. Produknya silikon metalurgi dengan kemurnian baru sekitar 98 sampai 99 persen [1].
Untuk baja, angka itu sudah cukup. Untuk transistor berukuran nanometer, sisa pengotor sebesar 1 sampai 2 persen terlalu besar, karena sifat listrik semikonduktor ditentukan oleh pengotor pada tingkat yang jauh lebih halus.
Mengapa harus menjadi gas terlebih dahulu: triklorosilan
Kunci rekayasa kimianya terletak di sini. Silikon diubah menjadi triklorosilan, senyawa yang mudah menguap. Begitu berbentuk gas, pemisahan pengotor dapat dilakukan dengan distilasi fraksinasi, prinsip yang sama dengan kolom distilasi di kilang minyak [1].
Kata kuncinya adalah mudah menguap: hanya zat yang dapat diuapkan dan diembunkan berulang kali yang dapat dimurnikan sampai tingkat ekstrem melalui perbedaan titik didih.
Proses Siemens dan arti kemurnian 9N
Triklorosilan murni diuraikan kembali pada batang silikon panas melalui proses Siemens, menumbuhkan polysilicon dengan kemurnian sekitar 99,9999999 persen, yang ditulis 9N (sembilan angka sembilan) [1].
Chip modern umumnya memakai silikon di rentang 9N sampai 11N. Sebagai gambaran skala: pada 9N, dari satu miliar atom, hanya sekitar satu atom yang bukan silikon.
Pelelehan 1.414°C, penarikan kristal, dan pemotongan wafer
Polysilicon dilelehkan pada titik leleh silikon, 1.414°C, kemudian ditarik perlahan menjadi kristal tunggal. Kristal ini dipotong menjadi wafer, umumnya berdiameter 300 mm, dan dari wafer itulah chip AI difabrikasi lapis demi lapis [2].
Urutan lengkapnya menunjukkan peran teknik kimia dari hulu: reaksi reduksi, pemurnian melalui distilasi, dan pertumbuhan kristal. Chip lahir dari proses kimia yang dikendalikan, bukan sekadar dari pasir yang dipotong.