1 ساختار کریستالی و ترتیب اتمی
1.1 ترتیب اتمی
<100>جهت کریستالی
- ترتیب اتمی سطح: اتمها در امتداد لبه مکعب ترتیب داده می شوند تا یک شبکه مربع تشکیل دهند.
- چگالی اتمی: کمترین (در مورد اتمها\/سانتی متر مربع) ، فاصله اتمی زیاد است و انرژی سطح آن زیاد است.
- جهت پیوند: پیوندهای اتمی سطح عمود بر صفحه کریستال و فعالیت شیمیایی بالایی دارند.
100 010 001
<110>سطح کریستال
- آرایش اتمی: در امتداد جهت مورب صورت مکعب تنظیم شده است تا یک شبکه مستطیل شکل تشکیل شود.
- چگالی اتمی: متوسط (در مورد اتمها\/سانتی متر مربع).
- جهت اتصال: پیوندهای اتمی سطح در 45 درجه کج شده و با استحکام مکانیکی بالایی دارند.
1.2 انرژی سطح و ثبات شیمیایی
<111>><110>><100>(رتبه بندی ثبات شیمیایی)
- <111>سطح به دلیل چگالی اتمی بالا و پیوند قوی ، سطح بهترین مقاومت در برابر خوردگی را دارد.
- <100>اتم های سطح شل و به راحتی توسط مواد شیمیایی (مانند KOH) به راحتی حک شده اند.
2. رفتار ناهمسانگرد
2.1 اچ شیمیایی مرطوب (گرفتن KOH به عنوان نمونه)
| جهت گیری کریستال | نرخ اچ (80 درجه ، 30 ٪ KOH) | مورفولوژی اچ | نسبت ناهمسانگردی (<100>:<111>) |
| <100> | 1.4 میکرومتر در دقیقه | V-Groove (Sidewall 54.7 درجه) | 100:1 |
| <110> | ~ 0. 8 میکرومتر در دقیقه | شیار عمودی عمودی (90 درجه ساید | 50:01:00 |
| <111> | ~ 0. 01 میکرومتر در دقیقه | سطح مسطح (لایه توقف اچ) | - |
- مکانیسم کلیدی: میزان اچ کردن KOH بر روی سیلیکون مستقیماً با میزان قرار گرفتن در معرض پیوندهای اتمی در جهت کریستال مرتبط است.
- <100>: اوراق قرضه اتمی به راحتی توسط OH⁻ مورد حمله قرار می گیرد و میزان اچ سریع سریع است.
- <111>: پیوندهای اتمی کاملاً محافظت شده و تقریبا غیر فعال هستند.
2.2 اچینگ خشک (مانند اچینگ پلاسما)
- جهت گیری کریستال تأثیر کمی دارد ، اما<111>سطح با چگالی بالا ممکن است باعث ایجاد اثر میکرو ماسک شود و زبری موضعی را تشکیل دهد.
3. مقایسه ویژگی های فرآیند
3.1 کیفیت لایه اکسید
| جهت گیری کریستال | تراکم نقص Sio₂ (CM⁻²) | چگالی حالت رابط (cm⁻² · ev⁻⁻) | جریان نشت دروازه (سدیم\/سانتی متر مربع) |
| <100> | <1×10¹⁰ | ~1×10¹⁰ | <1 |
| <111> | ~1×10¹¹ | ~1×10¹¹ | >10 |
| <110> | ~5×10¹⁰ | ~5×10¹⁰ | ~5 |
- <100>مزایا: لایه اکسید کم با کمبود یک نیاز اصلی دستگاه های CMOS است.
3.2 تحرک حامل (300K)
| جهت گیری کریستال | تحرک الکترونی (cm²\/(v · s)) | تحرک سوراخ (cm²\/(v · s)) |
| <100> | 1500 | 450 |
| <110> | 1200 | 350 |
| <111> | 900 | 250 |
- دلیل:<100>هواپیمای کریستال با تقارن شبکه سیلیکون مطابقت دارد و پراکندگی حامل را کاهش می دهد.
4. خصوصیات مکانیکی و حرارتی
4.1 قدرت مکانیکی<111>><110>><100>
- سختی شکستگی این است: {{0}}. 8 mpa · m¹\/² ، 0. 7 mPa · m¹\/² ، 0.6 mPa · m¹\/²
- مثال کاربرد: سنسورهای فشار MEMS بیشتر از آنها استفاده می کنند<110>ویفرها زیرا مقاومت در برابر خستگی آنها بهتر از است<100>.
ضریب انبساط حرارتی 4.2
ناهمسانگردی سیلیکون منجر به تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی در جهت های مختلف کریستالی می شود:
- <100>: 2.6×10⁻⁶ /K
- <110>: 1.6×10⁻⁶ /K
- <111>: 0.5×10⁻⁶ /K
تأثیر:<111>ویفرها مستعد استرس در فرآیندهای درجه حرارت بالا هستند و باید بودجه حرارتی با دقت طراحی شود.
5. سناریوهای کاربردی
5.1 <100>جهت گیری کریستال
- مدارهای یکپارچه (IC): بیش از 95 ٪ تراشه های منطق جهان (مانند CPU و DRAM) استفاده می کنند<100>ویفرها
- مزایا: چگالی حالت رابط پایین ، تحرک حامل بالا و یکنواختی لایه اکسید.
- سلولهای خورشیدی: ساختار هرمی که توسط اچینگ ناهمسانگرد تشکیل شده است ، با بازتابی از<5%.
- مثال: فرآیند 3NM TSMC مبتنی بر است<100>سیلیکون ، با طول دروازه 12 نانومتر.
5.2 <110>جهت گیری کریستال
دستگاه های MEMS:
- Accelerometers: Use vertical deep grooves to make movable masses (aspect ratio >20:1).
- سنسورهای فشار: ضریب مقاومت در برابر پیزور بزرگترین در<110>جهت (به عنوان مثال ، ضریب π₁₁ سیلیکون 10 6.6 × 10^-11 pa⁻⁻) است.
- دستگاه های با فرکانس بالا:<110>بسترهای سیلیکون می توانند استرس عدم تطابق شبکه را در رشد اپیتاکسیال GAAS کاهش دهند.
5.3 <111>جهت گیری کریستال
دستگاه های نوری:
- Gan Epitaxial: مطابقت با شبکه بالا با<111>سیلیکون (عدم تطابق 17 ٪ ، در مقایسه با<100> 23%).
- آرایه های کوانتومی نقطه: هواپیماهای اتمی با چگالی بالا مکان های هسته ای سفارش داده شده را فراهم می کنند.
- الگوهای نانوساختار: برای نکات پروب AFM یا رشد نانوسیم استفاده می شود.
6. هزینه و زنجیره صنعتی
| جهت گیری کریستال | سهم بازار | قیمت (نسبت به<100>) | بلوغ فرآیند استاندارد |
| <100>> | 90% | معیار (1 ×) | کاملاً استاندارد |
| <110> | ~5% | 2–3× | جزئی سفارشی |
| <111> | <5% | 4–5× | بسیار سفارشی |
رانندگان هزینه:
- <100>ویفرها به دلیل اقتصاد مقیاس کمترین هزینه را دارند.
- <111>ویفرها به فرآیندهای خاص برش و پولیش نیاز دارند.
خلاصه: مبنای اصلی انتخاب جهت گیری کریستال
| تقاضا | جهت گیری کریستالی توصیه شده | دلایل |
| CMO های با کارایی بالا | <100> | چگالی حالت رابط پایین ، تحرک بالا ، زنجیره فرآیند بالغ |
| ساختار سنگر عمیق MEMS | <110> | قابلیت اچینگ عمودی ، مقاومت مکانیکی بالا |
| دستگاه های نوری\/مواد کوانتومی | <111> | ثبات شیمیایی بالا ، مزیت تطبیق شبکه |
| تولید انبوه کم هزینه | <100> | اثر مقیاس ، زنجیره تأمین استاندارد |
