В чем разница между кремниевой пластиной<100>, <110>, <111>?

1. Кристаллическая структура и атомное расположение
1.1 Атомное расположение

<100>Кристаллическое направление

• Поверхностное атомное расположение: атомы расположены вдоль края куба, образуя квадратную сетку.
• Атомная плотность: самая низкая (около атомов/см²), атомное расстояние большое, а поверхностная энергия высока.
• Направление связывания: поверхностные атомные связи перпендикулярны плоскости кристаллов и обладают высокой химической активностью.

100                                              010                                              001

<110>Кристаллическая поверхность

• Атомное расположение: расположено вдоль диагонального направления кубической поверхности с образованием прямоугольной сетки.
• Атомная плотность: средняя (около атомов/см²).
• Направление связывания: поверхностные атомные связи наклоняются на 45 градусов с высокой механической прочностью.

1.2 Поверхностная энергия и химическая стабильность
<111>><110>><100>(Ранжирование химической стабильности)

• <111>Поверхность обладает лучшей коррозионной стойкостью из -за его высокой атомной плотности и сильной связи;
• <100>Поверхностные атомы свободны и легко запечатлеваются химическими веществами (такими как Ко).

2. Анизотропное поведение
2.1 Мокрое химическое травление (в качестве примера забирает Ко)

• Ключевой механизм: скорость травления KOH на кремнии напрямую связана со степенью воздействия атомных связей вдоль направления кристалла.
• <100>: Атомные связи легко подвергаются атаке OH⁻, а скорость травления быстрая;
• <111>: Атомные связи плотно защищены и почти нереактивными.

2.2 Сухое травление (например, травление в плазме)

• Ориентация кристаллов мало влияет, но<111>Поверхность высокой плотности может вызвать эффект микробайки и образовывать локальную шероховатость.

3. Сравнение характеристик процесса
3.1 Качество оксидного слоя

• <100>Преимущества: низкоразмерный оксидный слой является ядро ​​требованием устройств CMOS.

3.2 Mobility Carrier (300K)

• Причина:<100>Кристаллическая плоскость соответствует симметрии кремниевой решетки, уменьшая рассеяние носителей.

4. Механические и тепловые свойства
4.1 Механическая прочность<111>><110>><100>

• Строгость разрушения: {{0}}. 8 МПа · M¹/², 0. 7 MPA · M¹/², 0,6 МПа · M¹/²
• Пример применения: датчики давления MEMS в основном используют<110>пластики, потому что их устойчивость к усталости лучше, чем<100>.

4.2 Коэффициент термического расширения
Анизотропия кремния приводит к различиям в коэффициентах термического расширения в разных направлениях кристаллов:

• <100>: 2.6×10⁻⁶ /K
• <110>: 1.6×10⁻⁶ /K
• <111>: 0.5×10⁻⁶ /K

Влияние:<111>Пластики склонны к напряжению в высокотемпературных процессах, и тепловые бюджеты должны быть тщательно разработаны.

5. Сценарии приложения
5.1 <100>кристаллическая ориентация

• Интегрированные схемы (ICS): более 95% мировых логических чипов (такие как процессоры и драмы)<100>пластины.
• Преимущества: низкая плотность состояния интерфейса, высокая подвижность носителей и однородность оксида.
• Солнечные элементы: структура пирамиды, образованная анизотропным травлением, с отражательной способностью<5%.
• Пример: 3NM процесса TSMC основан на<100>кремний, с длиной ворот 12 нм.

5.2 <110>Кристаллическая ориентация
Устройства MEMS:

• Accelerometers: Use vertical deep grooves to make movable masses (aspect ratio >20:1).
• Датчики давления: коэффициент пьезорезиседа является крупнейшим в<110>Направление (например, коэффициент π₁₁ кремния составляет 6,6 × 10^-11 pa⁻⁻).
• Высокочастотные устройства:<110>Силиконовые субстраты могут снизить стресс несоответствия решетки при эпитаксиальном росте GaAs.

5.3 <111>Кристаллическая ориентация
Оптоэлектронные устройства:

• Ган Эпитаксиальный: высокая решетка сочетается с<111>кремний (17% несоответствие по сравнению с<100> 23%).
• Квантовые точечные массивы: атомные плоскости высокой плотности предоставляют упорядоченные сайты зародышеобразования.
• Шаблоны наноструктуры: используется для кончиков зондов AFM или роста нанопроволоков.

6. Стоимость и промышленная сеть

Драйверы стоимости:

• <100>Вафры имеют самую низкую стоимость из -за экономии масштаба;
• <111>Вафры требуют специальных процессов резки и полировки.

Резюме: ключевая основа для выбора ориентации кристаллов