Kristallplan och kristallorientering är två kärnbegrepp inom kristallografi, nära besläktade med kristallstrukturen i kiselbaserad integrerad kretsteknik.
1. Definition och egenskaper för kristallorientering
Kristallorientering representerar en specifik riktning inom en kristall, vanligtvis uttryckt med kristallorienteringsindex. Kristallorientering definieras genom att förbinda två gitterpunkter inom kristallstrukturen, och den har följande egenskaper: varje kristallorientering innehåller ett oändligt antal gitterpunkter; en enda kristallorientering kan bestå av flera parallella kristallorienteringar som bildar en kristallorienteringsfamilj; kristallorienteringsfamiljen täcker alla gitterpunkter inom kristallen.
Betydelsen av kristallorienteringen ligger i att indikera atomernas riktningsarrangemang inom kristallen. Till exempel representerar kristallorienteringen i [111] en specifik riktning där projektionsförhållandena för de tre koordinataxlarna är 1:1:1.
2. Definition och egenskaper hos kristallplan
Ett kristallplan är ett plan för atomernas arrangemang inom en kristall, representerat av kristallplanindex (Millerindex). Till exempel indikerar (111) att reciproka värden för kristallplanets skärningspunkter på koordinataxlarna är i förhållandet 1:1:1. Kristallplanet har följande egenskaper: varje kristallplan innehåller ett oändligt antal gitterpunkter; varje kristallplan har ett oändligt antal parallella plan som bildar en kristallplansfamilj; kristallplansfamiljen täcker hela kristallen.
Bestämning av Miller-index innebär att man tar skärningspunkterna för kristallplanet på varje koordinataxel, hittar deras reciproka värden och omvandlar dem till det minsta heltalsförhållandet. Till exempel har (111)-kristallplanet skärningspunkter på x-, y- och z-axlarna i förhållandet 1:1:1.
3. Sambandet mellan kristallplan och kristallorientering
Kristallplan och kristallorientering är två olika sätt att beskriva en kristalls geometriska struktur. Kristallorientering avser arrangemanget av atomer längs en specifik riktning, medan ett kristallplan avser arrangemanget av atomer på ett specifikt plan. Dessa två har en viss korrespondens, men de representerar olika fysikaliska begrepp.
Nyckelsamband: Normalvektorn för ett kristallplan (dvs. vektorn som är vinkelrät mot det planet) motsvarar en kristallorientering. Till exempel motsvarar normalvektorn för (111)-kristallplanet [111]-kristallorienteringen, vilket innebär att atomarrangemanget längs [111]-riktningen är vinkelrät mot det planet.
I halvledarprocesser påverkar valet av kristallplan i hög grad komponenternas prestanda. Till exempel, i kiselbaserade halvledare är de vanligaste kristallplanen (100) och (111) planen eftersom de har olika atomära arrangemang och bindningsmetoder i olika riktningar. Egenskaper som elektronmobilitet och ytenergi varierar på olika kristallplan, vilket påverkar prestandan och tillväxtprocessen hos halvledarkomponenter.
4. Praktiska tillämpningar inom halvledarprocesser
Vid tillverkning av kiselbaserade halvledare tillämpas kristallorientering och kristallplan i många aspekter:
Kristalltillväxt: Halvledarkristaller odlas vanligtvis längs specifika kristallorienteringar. Kiselkristaller växer oftast längs [100]- eller [111]-orienteringarna eftersom stabiliteten och atomarrangemanget i dessa orienteringar är gynnsamt för kristalltillväxt.
Etsningsprocess: Vid våtetsning har olika kristallplan varierande etsningshastigheter. Till exempel skiljer sig etsningshastigheterna på kiselplanen (100) och (111), vilket resulterar i anisotropa etsningseffekter.
Komponentegenskaper: Elektronmobiliteten i MOSFET-komponenter påverkas av kristallplanet. Vanligtvis är mobiliteten högre på (100)-planet, vilket är anledningen till att moderna kiselbaserade MOSFET-kretsar huvudsakligen använder (100)-wafers.
Sammanfattningsvis är kristallplan och kristallorienteringar två grundläggande sätt att beskriva kristallers struktur inom kristallografi. Kristallorientering representerar de riktningsmässiga egenskaperna inom en kristall, medan kristallplan beskriver specifika plan inom kristallen. Dessa två begrepp är nära besläktade inom halvledartillverkning. Valet av kristallplan påverkar direkt materialets fysikaliska och kemiska egenskaper, medan kristallorientering påverkar kristalltillväxt och bearbetningstekniker. Att förstå sambandet mellan kristallplan och orienteringar är avgörande för att optimera halvledarprocesser och förbättra enheters prestanda.
Publiceringstid: 8 oktober 2024