Quelle est la différence entre la plaquette de silicium<100>, <110>, <111>?

1. Structure cristalline et arrangement atomique
1.1 Arrangement atomique

<100>Direction cristalline

• Arrangement atomique de surface: les atomes sont disposés le long du bord du cube pour former une grille carrée.
• Densité atomique: la plus basse (à propos des atomes \/ cm²), la distance atomique est grande et l'énergie de surface est élevée.
• Direction de liaison: les liaisons atomiques de surface sont perpendiculaires au plan cristallin et ont une activité chimique élevée.

100                                              010                                              001

<110>Surface cristalline

• Arrangement atomique: disposé le long de la direction diagonale de la face cube pour former une grille rectangulaire.
• Densité atomique: milieu (à propos des atomes \/ cm²).
• Direction de liaison: les liaisons atomiques de surface sont inclinées à 45 degrés, avec une forte résistance mécanique.

1.2 Énergie de surface et stabilité chimique
<111>><110>><100>(Classement de la stabilité chimique)

• <111>La surface a la meilleure résistance à la corrosion en raison de sa forte densité atomique et de sa forte liaison;
• <100>Les atomes de surface sont lâches et facilement gravés par des produits chimiques (comme KOH).

2. Comportement anisotrope
2.1 Gravure chimique humide (prendre KOH comme exemple)

• Mécanisme clé: Le taux de gravure de KOH sur le silicium est directement lié au degré d'exposition des liaisons atomiques le long de la direction cristalline.
• <100>: Les liaisons atomiques sont facilement attaquées par OH⁻, et le taux de gravure est rapide;
• <111>: Les liaisons atomiques sont étroitement protégées et presque peu réactives.

2.2 gravure à sec (comme la gravure du plasma)

• L'orientation cristalline a peu d'effet, mais le<111>La surface à haute densité peut provoquer un effet de micro-masquage et former la rugosité locale.

3. Comparaison des caractéristiques du processus
3.1 Qualité de la couche d'oxyde

• <100>Avantages: La couche d'oxyde à faible défaut est une exigence centrale des dispositifs CMOS.

3.2 Mobilité des transporteurs (300k)

• Raison: le<100>Le plan de cristal correspond à la symétrie du réseau de silicium, réduisant la diffusion des porteurs.

4. Propriétés mécaniques et thermiques
4.1 Résistance mécanique<111>><110>><100>

• La ténacité à la fracture est: {{0}}. 8 MPA · M¹ \/ ², 0. 7 MPa · M¹ \/ ², 0,6 MPa · M¹ \/ ²
• Exemple d'application: les capteurs de pression MEMS utilisent principalement<110>des plaques parce que leur résistance à la fatigue est meilleure que<100>.

4.2 Coefficient de dilatation thermique
L'anisotropie du silicium conduit à des différences dans les coefficients d'expansion thermique dans différentes directions cristallines:

• <100>: 2.6×10⁻⁶ /K
• <110>: 1.6×10⁻⁶ /K
• <111>: 0.5×10⁻⁶ /K

Impact:<111>Les plaquettes sont sujettes à un stress dans les processus à haute température, et les budgets thermiques doivent être soigneusement conçus.

5. Scénarios d'application
5.1 <100>orientation cristalline

• Circuits intégrés (ICS): plus de 95% des puces logiques du monde (telles que les processeurs et les DRAM) utilisent<100>Wafers.
• Avantages: faible densité de l'état d'interface, mobilité élevée des porteurs et uniformité de la couche d'oxyde.
• Cellules solaires: structure pyramide formée par gravure anisotrope, avec une réflectivité de<5%.
• Exemple: le processus 3 nm de TSMC est basé sur<100>Silicon, avec une longueur de porte de 12 nm.

5.2 <110>Orientation cristalline
Dispositifs MEMS:

• Accelerometers: Use vertical deep grooves to make movable masses (aspect ratio >20:1).
• Capteurs de pression: le coefficient de piézorésistance est le plus grand du<110>Direction (par exemple, le coefficient π₁₁ du silicium est de 6,6 × 10 ^ -11 Pa⁻¹).
• Dispositifs à haute fréquence:<110>Les substrats de silicium peuvent réduire le stress de l'inadéquation du réseau dans la croissance épitaxiale du GAAS.

5.3 <111>Orientation cristalline
Dispositifs optoélectroniques:

• Gan épitaxial: correspondant à réseau élevé avec<111>silicium (inadéquation de 17%, par rapport à<100> 23%).
• Tableaux à points quantiques: les plans atomiques à haute densité fournissent des sites de nucléation ordonnés.
• Modèles de nanostructure: utilisés pour les pointes de sonde AFM ou la croissance des nanofils.

6. Coût et chaîne industrielle

Conducteurs de coûts:

• <100>Les plaquettes ont le coût le plus bas en raison des économies d'échelle;
• <111>Les plaquettes nécessitent des processus spéciaux de coupe et de polissage.

Résumé: la base clé pour sélectionner l'orientation cristalline