Кристалічні площини та орієнтація кристалів є двома основними концепціями в кристалографії, тісно пов’язаними з кристалічною структурою в технології кремнієвих інтегральних схем.
1. Визначення та властивості орієнтації кристала
Орієнтація кристала представляє певний напрямок усередині кристала, який зазвичай виражається індексами орієнтації кристала. Орієнтація кристала визначається з’єднанням будь-яких двох точок решітки в кристалічній структурі та має такі характеристики: кожна орієнтація кристала містить нескінченну кількість точок решітки; одна орієнтація кристала може складатися з кількох паралельних орієнтацій кристалів, що утворюють сімейство орієнтацій кристалів; родина орієнтації кристала охоплює всі точки решітки всередині кристала.
Значення орієнтації кристала полягає у вказівці спрямованого розташування атомів у кристалі. Наприклад, орієнтація кристала [111] представляє певний напрямок, де співвідношення проекцій трьох координатних осей становлять 1:1:1.
2. Визначення та властивості кристалічних площин
Кристалічна площина — це площина розташування атомів у кристалі, представлена індексами кристалічної площини (індекси Міллера). Наприклад, (111) вказує, що зворотні величини перетинів кристалічної площини на осях координат знаходяться у співвідношенні 1:1:1. Кристалічна площина має такі властивості: кожна кристалічна площина містить нескінченну кількість точок решітки; кожна кристалічна площина має нескінченну кількість паралельних площин, що утворюють сімейство кристалічних площин; сімейство кристалічних площин охоплює весь кристал.
Визначення індексів Міллера передбачає взяття точок перетину кристалічної площини на кожній осі координат, знаходження їх зворотних величин і перетворення їх у найменше ціле відношення. Наприклад, кристалічна площина (111) має перетини по осях x, y і z у співвідношенні 1:1:1.
3. Зв'язок між площинами кристалів і орієнтацією кристалів
Кристалічні площини та орієнтація кристала є двома різними способами опису геометричної структури кристала. Орієнтація кристала відноситься до розташування атомів уздовж певного напрямку, тоді як площина кристала відноситься до розташування атомів на певній площині. Ці два мають певну відповідність, але представляють різні фізичні концепції.
Ключове співвідношення: нормальний вектор площини кристала (тобто вектор, перпендикулярний до цієї площини) відповідає орієнтації кристала. Наприклад, нормальний вектор площини кристала (111) відповідає орієнтації кристала [111], тобто розташування атомів уздовж напрямку [111] є перпендикулярним до цієї площини.
У напівпровідникових процесах вибір кристалічних площин сильно впливає на продуктивність пристрою. Наприклад, у напівпровідниках на основі кремнію зазвичай використовуються площини кристалів (100) і (111), оскільки вони мають різне розміщення атомів і методи з’єднання в різних напрямках. Такі властивості, як рухливість електронів і поверхнева енергія, змінюються на різних кристалічних площинах, впливаючи на продуктивність і процес зростання напівпровідникових пристроїв.
4. Практичні застосування в напівпровідникових процесах
У виробництві напівпровідників на основі кремнію орієнтація кристалів і площини кристалів застосовуються в багатьох аспектах:
Зростання кристалів: напівпровідникові кристали зазвичай вирощують уздовж певної орієнтації кристалів. Кристали кремнію найчастіше ростуть уздовж орієнтації [100] або [111], оскільки стабільність і розташування атомів у цих орієнтаціях є сприятливими для росту кристалів.
Процес травлення: під час мокрого травлення різні кристалічні площини мають різну швидкість травлення. Наприклад, швидкість травлення на площинах (100) і (111) кремнію відрізняється, що призводить до анізотропного ефекту травлення.
Характеристики пристрою: на рухливість електронів у MOSFET пристроях впливає площина кристала. Як правило, рухливість вища на площині (100), тому сучасні MOSFET на основі кремнію переважно використовують пластини (100).
Таким чином, площини кристалів і орієнтації кристалів є двома основними способами опису структури кристалів у кристалографії. Орієнтація кристала представляє властивості спрямованості всередині кристала, тоді як площини кристала описують конкретні площини всередині кристала. Ці дві концепції тісно пов’язані у виробництві напівпровідників. Вибір кристалічних площин безпосередньо впливає на фізичні та хімічні властивості матеріалу, тоді як орієнтація кристала впливає на ріст кристала та методи обробки. Розуміння зв’язку між кристалічними площинами та орієнтаціями має вирішальне значення для оптимізації напівпровідникових процесів і покращення продуктивності пристрою.
Час публікації: 8 жовтня 2024 р