Perpustakaan Digital ITB

Pengukuran akurat konsentrasi doping dan resistivitas wafer silikon adalah prasyarat mendasar dalam fabrikasi perangkat semikonduktor, yang secara langsung memengaruhi mobilitas pembawa muatan, konduktivitas listrik, dan kinerja komponen secara keseluruhan dalam sirkuit elektrik. Seiring dengan mengecilnya skala arsitektur semikonduktor, mempertahankan keseragaman spasial dari sifat-sifat listrik ini di seluruh permukaan wafer menjadi semakin penting, sehingga membutuhkan teknik karakterisasi material yang presisi dan dapat diulang berulang kali. Sistem pengukuran four-point probe konvensional, meskipun banyak digunakan, sering kali bergantung pada penentuan posisi mekanis secara manual, kontrol instrumentasi yang terdesentralisasi, dan alur kerja pemrosesan data secara luring. Metodologi yang terfragmentasi ini secara inheren menimbulkan inefisiensi pengukuran dan inkonsistensi fisik yang signifikan, terutama tekanan kontak probe yang bervariasi, yang dapat menyebabkan resistansi kontak yang tinggi, kerusakan fisik pada permukaan silikon yang rapuh, dan peningkatan kerentanan terhadap kesalahan manusia (human error) selama transkripsi dan analisis data. Untuk mengatasi keterbatasan krusial ini dan merampingkan alur kerja karakterisasi, tugas akhir ini menyajikan desain komprehensif, pengembangan, dan implementasi subsistem pengukuran four-point probe otomatis yang terintegrasi penuh. Arsitektur yang diusulkan membangun platform yang secara mulus menyinkronkan firmware kontrol embedded, penentuan posisi mekanis berpresisi tinggi, antarmuka instrumentasi presisi, dan antarmuka pengguna grafis (GUI) yang intuitif. Pada tingkat perangkat keras dasar, firmware kontrol sistem diimplementasikan pada mikrokontroler Arduino Mega 2560 Pro. Firmware yang dirancang bertanggung jawab untuk mengatur pergerakan spasial bermotor tiga sumbu (X, Y, Z) yang kompleks, mengelola integrasi sensor batas untuk batas mekanis yang aman, dan mengeksekusi akuisisi data pengukuran analog secara sinkron. Sistem yang dirancang juga memanfaatkan protokol komunikasi serial USB antara perangkat keras dan perangkat lunak. Untuk melengkapi perangkat keras yang telah dirancang, sebuah aplikasi desktop berbasis Python dirancang khusus untuk berfungsi sebagai pusat kontrol, pemantauan, dan analitik sistem. GUI ini mengintegrasikan kebutuhan akan perangkat lunak pencatatan data terpisah dengan menyediakan lingkungan terintegrasi bagi pengguna untuk konfigurasi pengukuran dinamis, pemantauan data dan perhitungan otomatis dari parameter tegangan dan arus seperti sheet resistance dan bulk resistance. Untuk meningkatkan kemampuan analitik, arsitektur perangkat lunak ini menggabungkan pemodelan fisik tingkat lanjut, secara ii spesifik mengintegrasikan model mobilitas empiris Caughey-Thomas. Hal ini memungkinkan sistem untuk secara otonom dan akurat menerjemahkan data resistivitas listrik mentah menjadi estimasi konsentrasi doping yang presisi, dengan memperhitungkan hubungan nonlinier antara mobilitas pembawa muatan dan kepadatan dopan pada silikon. Lebih lanjut, aplikasi ini dilengkapi dengan visualisasi interpolasi spasial, yang memungkinkan pengguna untuk menghasilkan peta kontur yang komprehensif dan mendetail mengenai distribusi doping di seluruh permukaan wafer, sehingga memfasilitasi analisis keseragaman spasial secara langsung tanpa memerlukan perangkat lunak visualisasi pihak ketiga. Evaluasi eksperimental telah dilakukan untuk memvalidasi ketahanan mekanis dan akurasi komputasi dari subsistem yang dikembangkan. Mekanisme penentuan posisi mekanis otomatis ini diuji menggunakan standar urutan pengukuran sembilan titik, dan berhasil mencapai akurasi penargetan spasial lebih dari 95%. Untuk mengoptimalkan kecepatan pengujian sekaligus menjaga secara ketat wafer silikon dan ujung probe, mekanisme penurunan sumbu Z dirancang dengan profil kecepatan dua tahap khusus. Probe pada awalnya mengeksekusi kecepatan pendekatan cepat sebesar 0,2083 cm/s untuk meminimalkan waktu transisi, kemudian melambat hingga kecepatan sentuh yang terkontrol sebesar 0,125 cm/s tepat sebelum menyentuh permukaan, memastikan kontak fisik yang aman, tidak merusak, dan konsisten. Validasi terhadap algoritma komputasi yang diimplementasikan memberikan hasil yang baik, menunjukkan tingkat akurasi yang luar biasa dengan deviasi maksimum yang dihitung hanya sebesar 2,058% untuk estimasi resistivitas dan 0,605% untuk estimasi konsentrasi doping ketika dibandingkan dengan nilai referensi teoretis yang telah ditetapkan. Sehingga, keberhasilan penerapan subsistem yang diusulkan ini menghadirkan solusi karakterisasi wafer silikon otomatis yang mudah diakses, terintegrasi penuh, dan efisien secara operasional, yang secara efektif mengurangi inkonsistensi mekanis dan komputasi dari metode manual tradisional sembari mempertahankan tingkat akurasi yang tinggi.