Кристаллические плоскости и ориентация кристаллов — две основные концепции кристаллографии, тесно связанные с кристаллической структурой в технологии интегральных схем на основе кремния.
1. Определение и свойства кристаллической ориентации.
Ориентация кристалла представляет собой определенное направление внутри кристалла, обычно выражаемое индексами ориентации кристалла. Ориентация кристалла определяется соединением любых двух точек решетки внутри кристаллической структуры и имеет следующие характеристики: каждая ориентация кристалла содержит бесконечное количество точек решетки; ориентация монокристалла может состоять из множества параллельных ориентаций кристаллов, образующих семейство ориентаций кристаллов; семейство ориентации кристалла охватывает все точки решетки внутри кристалла.
Значение ориентации кристалла заключается в указании направленного расположения атомов внутри кристалла. Например, ориентация кристалла [111] представляет собой определенное направление, в котором соотношения проекций трех координатных осей составляют 1:1:1.
2. Определение и свойства кристаллических плоскостей.
Кристаллическая плоскость — это плоскость расположения атомов внутри кристалла, представленная индексами кристаллических плоскостей (индексами Миллера). Например, (111) указывает на то, что обратные точки пересечения кристаллической плоскости на координатных осях находятся в соотношении 1:1:1. Кристаллическая плоскость обладает следующими свойствами: каждая кристаллическая плоскость содержит бесконечное число точек решетки; каждая кристаллическая плоскость имеет бесконечное количество параллельных плоскостей, образующих семейство кристаллических плоскостей; семейство кристаллических плоскостей покрывает весь кристалл.
Определение индексов Миллера включает в себя взятие точек пересечения кристаллической плоскости на каждой оси координат, нахождение их обратных величин и преобразование их в наименьшее целочисленное отношение. Например, кристаллическая плоскость (111) имеет точки пересечения по осям x, y и z в соотношении 1:1:1.
3. Связь между кристаллическими плоскостями и ориентацией кристалла.
Кристаллические плоскости и ориентация кристалла — это два разных способа описания геометрической структуры кристалла. Ориентация кристалла относится к расположению атомов в определенном направлении, тогда как кристаллическая плоскость относится к расположению атомов в определенной плоскости. У этих двух есть определенное соответствие, но они представляют собой разные физические концепции.
Ключевое соотношение: вектор нормали к плоскости кристалла (т. е. вектор, перпендикулярный этой плоскости) соответствует ориентации кристалла. Например, вектор нормали к кристаллической плоскости (111) соответствует ориентации кристалла [111], а это означает, что расположение атомов вдоль направления [111] перпендикулярно этой плоскости.
В полупроводниковых процессах выбор кристаллических плоскостей сильно влияет на характеристики устройства. Например, в полупроводниках на основе кремния обычно используются кристаллические плоскости (100) и (111), поскольку они имеют различное расположение атомов и методы связи в разных направлениях. Такие свойства, как подвижность электронов и поверхностная энергия, различаются в разных плоскостях кристалла, влияя на производительность и процесс выращивания полупроводниковых устройств.
4. Практическое применение в полупроводниковых процессах.
При производстве полупроводников на основе кремния ориентация кристаллов и кристаллические плоскости применяются во многих аспектах:
Выращивание кристаллов: полупроводниковые кристаллы обычно выращиваются в определенной ориентации кристаллов. Кристаллы кремния чаще всего растут в ориентациях [100] или [111], поскольку стабильность и расположение атомов в этих ориентациях благоприятны для роста кристаллов.
Процесс травления: при мокром травлении разные плоскости кристаллов имеют разную скорость травления. Например, скорости травления на плоскостях кремния (100) и (111) различаются, что приводит к анизотропным эффектам травления.
Характеристики устройства: На подвижность электронов в устройствах MOSFET влияет плоскость кристалла. Обычно подвижность выше в плоскости (100), поэтому в современных кремниевых МОП-транзисторах преимущественно используются пластины (100).
Таким образом, кристаллические плоскости и ориентация кристаллов являются двумя фундаментальными способами описания структуры кристаллов в кристаллографии. Ориентация кристалла представляет собой свойства направления внутри кристалла, а кристаллические плоскости описывают определенные плоскости внутри кристалла. Эти две концепции тесно связаны в производстве полупроводников. Выбор кристаллических плоскостей напрямую влияет на физические и химические свойства материала, а ориентация кристаллов влияет на методы их выращивания и обработки. Понимание взаимосвязи между кристаллическими плоскостями и ориентацией имеет решающее значение для оптимизации полупроводниковых процессов и повышения производительности устройств.
Время публикации: 08 октября 2024 г.