Kristalvlakken en kristaloriëntatie zijn twee kernconcepten in de kristallografie, nauw verwant aan de kristalstructuur in op silicium gebaseerde geïntegreerde schakelingtechnologie.
1. Definitie en eigenschappen van kristaloriëntatie
Kristaloriëntatie vertegenwoordigt een specifieke richting binnen een kristal, doorgaans uitgedrukt in kristaloriëntatie-indices. Kristaloriëntatie wordt gedefinieerd door twee willekeurige roosterpunten binnen de kristalstructuur met elkaar te verbinden en heeft de volgende kenmerken: elke kristaloriëntatie bevat een oneindig aantal roosterpunten; een enkele kristaloriëntatie kan bestaan uit meerdere parallelle kristaloriëntaties die een kristaloriëntatiefamilie vormen; de kristaloriëntatiefamilie omvat alle roosterpunten binnen het kristal.
De betekenis van de kristaloriëntatie ligt in het aangeven van de richting van de atomen in het kristal. De kristaloriëntatie [111] vertegenwoordigt bijvoorbeeld een specifieke richting waarbij de projectieverhoudingen van de drie coördinaatassen 1:1:1 zijn.
2. Definitie en eigenschappen van kristalvlakken
Een kristalvlak is een vlak van atoomordening binnen een kristal, weergegeven door kristalvlakindices (Miller-indices). Zo geeft (111) aan dat de reciproque waarden van de snijpunten van het kristalvlak op de coördinaatassen een verhouding van 1:1:1 hebben. Het kristalvlak heeft de volgende eigenschappen: elk kristalvlak bevat een oneindig aantal roosterpunten; elk kristalvlak heeft een oneindig aantal parallelle vlakken die een kristalvlakfamilie vormen; de kristalvlakfamilie beslaat het gehele kristal.
De bepaling van Miller-indices omvat het bepalen van de snijpunten van het kristalvlak op elke coördinaatas, het bepalen van hun reciproque waarden en het omrekenen hiervan naar de kleinste gehele getallenverhouding. Het (111) kristalvlak heeft bijvoorbeeld snijpunten op de x-, y- en z-as in de verhouding 1:1:1.
3. De relatie tussen kristalvlakken en kristaloriëntatie
Kristalvlakken en kristaloriëntatie zijn twee verschillende manieren om de geometrische structuur van een kristal te beschrijven. Kristaloriëntatie verwijst naar de rangschikking van atomen in een specifieke richting, terwijl een kristalvlak verwijst naar de rangschikking van atomen op een specifiek vlak. Deze twee hebben een zekere overeenkomst, maar vertegenwoordigen verschillende fysische concepten.
Belangrijke relatie: De normaalvector van een kristalvlak (d.w.z. de vector loodrecht op dat vlak) komt overeen met een kristaloriëntatie. Zo komt de normaalvector van het (111) kristalvlak overeen met de [111] kristaloriëntatie, wat betekent dat de atomaire rangschikking langs de [111] richting loodrecht op dat vlak staat.
In halfgeleiderprocessen heeft de selectie van kristalvlakken een grote invloed op de prestaties van het apparaat. In siliciumgebaseerde halfgeleiders zijn de (100) en (111) vlakken bijvoorbeeld veelgebruikte kristalvlakken, omdat ze verschillende atomaire structuren en bindingsmethoden in verschillende richtingen hebben. Eigenschappen zoals elektronenmobiliteit en oppervlakte-energie variëren per kristalvlak, wat de prestaties en het groeiproces van halfgeleiderapparaten beïnvloedt.
4. Praktische toepassingen in halfgeleiderprocessen
Bij de productie van halfgeleiders op basis van silicium worden kristaloriëntatie en kristalvlakken op veel manieren toegepast:
Kristalgroei: Halfgeleiderkristallen groeien doorgaans langs specifieke kristaloriëntaties. Siliciumkristallen groeien meestal langs de [100]- of [111]-oriëntaties, omdat de stabiliteit en atomaire rangschikking in deze oriëntaties gunstig zijn voor kristalgroei.
Etsproces: Bij nat etsen hebben verschillende kristalvlakken verschillende etssnelheden. Zo verschillen de etssnelheden op de (100) en (111) vlakken van silicium, wat resulteert in anisotrope etseffecten.
Apparaatkenmerken: De elektronenmobiliteit in MOSFET-apparaten wordt beïnvloed door het kristalvlak. De mobiliteit is doorgaans hoger in het (100)-vlak, waardoor moderne silicium-MOSFET's voornamelijk (100)-wafers gebruiken.
Samenvattend zijn kristalvlakken en kristaloriëntaties twee fundamentele manieren om de structuur van kristallen in de kristallografie te beschrijven. Kristaloriëntatie vertegenwoordigt de richtingseigenschappen binnen een kristal, terwijl kristalvlakken specifieke vlakken binnen het kristal beschrijven. Deze twee concepten zijn nauw met elkaar verbonden in de halfgeleiderproductie. De selectie van kristalvlakken heeft een directe invloed op de fysische en chemische eigenschappen van het materiaal, terwijl kristaloriëntatie de kristalgroei en verwerkingstechnieken beïnvloedt. Inzicht in de relatie tussen kristalvlakken en oriëntaties is cruciaal voor het optimaliseren van halfgeleiderprocessen en het verbeteren van de prestaties van apparaten.
Plaatsingstijd: 08-10-2024