Кристаллические плоскости и ориентация кристалла — два основных понятия в кристаллографии, тесно связанных со структурой кристалла в технологии кремниевых интегральных схем.
1. Определение и свойства кристаллографической ориентации
Ориентация кристалла представляет собой определённое направление внутри кристалла, обычно выражаемое индексами кристаллической ориентации. Ориентация кристалла определяется соединением любых двух узлов кристаллической решетки и обладает следующими характеристиками: каждая ориентация кристалла содержит бесконечное число узлов; одна ориентация кристалла может состоять из нескольких параллельных ориентаций, образующих семейство кристаллических ориентаций; семейство кристаллических ориентаций охватывает все узлы кристаллической решетки.
Значение кристаллической ориентации заключается в указании направления расположения атомов внутри кристалла. Например, кристаллическая ориентация [111] представляет собой направление, в котором проекционные соотношения трёх координатных осей составляют 1:1:1.
2. Определение и свойства кристаллических плоскостей
Кристаллическая плоскость – это плоскость расположения атомов в кристалле, представленная индексами кристаллической плоскости (индексами Миллера). Например, (111) означает, что обратные величины пересечений кристаллической плоскости с осями координат относятся как 1:1:1. Кристаллическая плоскость обладает следующими свойствами: каждая кристаллическая плоскость содержит бесконечное число узлов решётки; каждая кристаллическая плоскость имеет бесконечное число параллельных плоскостей, образующих семейство кристаллических плоскостей; семейство кристаллических плоскостей охватывает весь кристалл.
Определение индексов Миллера заключается в определении пересечений кристаллографической плоскости с каждой из осей координат, нахождении их обратных величин и переводе их в наименьшее целое отношение. Например, кристаллографическая плоскость (111) имеет пересечения с осями x, y и z в соотношении 1:1:1.
3. Связь между кристаллографическими плоскостями и ориентацией кристалла
Кристаллические плоскости и кристаллическая ориентация — это два разных способа описания геометрической структуры кристалла. Кристаллическая ориентация относится к расположению атомов вдоль определённого направления, в то время как кристаллическая плоскость относится к расположению атомов на определённой плоскости. Эти два понятия имеют определённое соответствие, но представляют собой разные физические концепции.
Ключевое соотношение: нормальный вектор кристаллографической плоскости (т. е. вектор, перпендикулярный этой плоскости) соответствует кристаллографической ориентации. Например, нормальный вектор кристаллографической плоскости (111) соответствует кристаллографической ориентации [111], что означает, что расположение атомов вдоль направления [111] перпендикулярно этой плоскости.
В полупроводниковых технологиях выбор кристаллографических плоскостей существенно влияет на характеристики устройств. Например, в кремниевых полупроводниках обычно используются кристаллографические плоскости (100) и (111), поскольку они имеют различное расположение атомов и способы связи в разных направлениях. Такие свойства, как подвижность электронов и поверхностная энергия, различаются в зависимости от кристаллографических плоскостей, что влияет на характеристики и процесс роста полупроводниковых устройств.
4. Практическое применение в полупроводниковых процессах
В производстве кремниевых полупроводников ориентация кристаллов и кристаллографические плоскости применяются во многих аспектах:
Рост кристаллов: кристаллы полупроводников обычно выращиваются в определённых ориентациях. 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 влажном травлении разные кристаллографические плоскости имеют разную скорость травления. Например, скорости травления плоскостей (100) и (111) кремния различаются, что приводит к анизотропному эффекту травления.
Характеристики устройств: Подвижность электронов в МОП-транзисторах зависит от кристаллографической плоскости. Как правило, подвижность выше в плоскости (100), поэтому современные кремниевые МОП-транзисторы преимущественно используют пластины с кристаллографической плоскостью (100).
Подводя итог, можно сказать, что кристаллографические плоскости и кристаллографические ориентации – это два основных способа описания структуры кристаллов в кристаллографии. Ориентация кристалла отражает направленные свойства кристалла, в то время как кристаллографические плоскости описывают конкретные плоскости внутри кристалла. Эти два понятия тесно связаны в производстве полупроводников. Выбор кристаллографических плоскостей напрямую влияет на физические и химические свойства материала, а ориентация кристалла – на методы выращивания и обработки кристаллов. Понимание взаимосвязи между кристаллографическими плоскостями и ориентацией имеет решающее значение для оптимизации процессов производства полупроводников и повышения производительности устройств.
Время публикации: 08 октября 2024 г.