Kristalvlakken en kristaloriëntatie zijn twee kernconcepten in de kristallografie, nauw verwant aan de kristalstructuur in op silicium gebaseerde geïntegreerde schakelingentechnologie.
1. Definitie en eigenschappen van kristaloriëntatie
Kristaloriëntatie vertegenwoordigt een specifieke richting binnen een kristal, doorgaans uitgedrukt door kristaloriëntatie-indices. De kristaloriëntatie wordt gedefinieerd door twee 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 kristaloriëntatie ligt in het aangeven van de richtingsschikking van 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 atoomrangschikking binnen een kristal, weergegeven door kristalvlakindices (Miller-indices). (111) geeft bijvoorbeeld aan dat de reciprocals van de snijpunten van het kristalvlak op de coördinaatassen een verhouding hebben van 1:1:1. 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 bestrijkt het hele kristal.
De bepaling van Miller-indices omvat het nemen van de snijpunten van het kristalvlak op elke coördinatenas, het vinden van hun tegenhangers en het omzetten ervan in de kleinste gehele verhouding. Het (111) kristalvlak heeft bijvoorbeeld snijpunten op de x-, y- en z-assen in de verhouding van 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 fysieke concepten.
Belangrijkste relatie: De normaalvector van een kristalvlak (dwz de vector loodrecht op dat vlak) komt overeen met een kristaloriëntatie. De normaalvector van het (111) kristalvlak komt bijvoorbeeld overeen met de [111] kristaloriëntatie, wat betekent dat de atomaire rangschikking langs de [111] richting loodrecht op dat vlak staat.
Bij halfgeleiderprocessen heeft de selectie van kristalvlakken een grote invloed op de prestaties van het apparaat. In op silicium gebaseerde halfgeleiders zijn de algemeen gebruikte kristalvlakken bijvoorbeeld de (100) en (111) vlakken, omdat ze verschillende atomaire rangschikkingen en bindingsmethoden in verschillende richtingen hebben. Eigenschappen zoals elektronenmobiliteit en oppervlakte-energie variëren op verschillende kristalvlakken, 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 in veel aspecten toegepast:
Kristalgroei: Halfgeleiderkristallen worden doorgaans gegroeid 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. De etssnelheden op de (100) en (111) vlakken van silicium verschillen bijvoorbeeld, wat resulteert in anisotrope etseffecten.
Apparaatkenmerken: De elektronenmobiliteit in MOSFET-apparaten wordt beïnvloed door het kristalvlak. Normaal gesproken is de mobiliteit hoger op het (100) vlak. Daarom gebruiken moderne, op silicium gebaseerde MOSFET's voornamelijk (100) wafers.
Samenvattend zijn kristalvlakken en kristaloriëntaties twee fundamentele manieren om de structuur van kristallen in kristallografie te beschrijven. Kristaloriëntatie vertegenwoordigt de directionele eigenschappen binnen een kristal, terwijl kristalvlakken specifieke vlakken binnen het kristal beschrijven. Deze twee concepten zijn nauw verwant in de halfgeleiderproductie. De selectie van kristalvlakken heeft een directe invloed op de fysische en chemische eigenschappen van het materiaal, terwijl de kristaloriëntatie de kristalgroei en verwerkingstechnieken beïnvloedt. Het begrijpen van de relatie tussen kristalvlakken en oriëntaties is cruciaal voor het optimaliseren van halfgeleiderprocessen en het verbeteren van de prestaties van apparaten.
Posttijd: 08-okt-2024