Was ist der Unterschied zwischen Siliziumwafer<100>, <110>, <111>?

1. Kristallstruktur und Atomanordnung
1.1 Atomanordnung

<100>Kristallrichtung

• Oberflächenatomanordnung: Atome werden entlang der Rand des Würfels angeordnet, um ein quadratisches Netz zu bilden.
• Atomdichte: Die niedrigste (etwa Atome\/cm²), der Atomabstand ist groß und die Oberflächenenergie hoch.
• Bindungsrichtung: Die Oberflächenatombindungen sind senkrecht zur Kristallebene und weisen eine hohe chemische Aktivität auf.

100                                              010                                              001

<110>Kristalloberfläche

• Atomanordnung: Entlang der diagonalen Richtung der Würfelfläche angeordnet, um ein rechteckiges Netz zu bilden.
• Atomdichte: Medium (über Atome\/cm²).
• Bindungsrichtung: Die Oberflächenatombindungen werden mit einer hohen mechanischen Festigkeit von 45 Grad geneigt.

1.2 Oberflächenenergie und chemische Stabilität
<111>><110>><100>(Ranking der chemischen Stabilität)

• <111>Die Oberfläche hat aufgrund ihrer hohen Atomdichte und einer starken Bindung die beste Korrosionsbeständigkeit.
• <100>Die Oberflächenatome sind locker und durch Chemikalien (wie KOH) leicht geätzt.

2. Anisotropes Verhalten
2.1 chemische Ätzen feucht (als Beispiel KOH)

• Schlüsselmechanismus: Die Ätzrate von KOH auf Silizium hängt direkt mit dem Grad der Exposition von Atombindungen entlang der Kristallrichtung zusammen.
• <100>: Atomanleihen können leicht von Oh⁻ angegriffen werden, und die Ätzrate ist schnell;
• <111>: Atombindungen sind eng abgeschirmt und fast nicht reaktiv.

2.2 Trockenätzung (wie Plasmaetching)

• Die Kristallorientierung hat wenig Wirkung, aber die<111>Oberfläche mit hoher Dichte kann einen Mikro-Masking-Effekt verursachen und lokale Rauheit bilden.

3. Vergleich der Prozessmerkmale
3.1 Qualitätsschichtqualität

• <100>Vorteile: Niedrige Oxidschicht ist eine Kernbedarf von CMOS-Geräten.

3.2 Mobilität der Träger (300K)

• Grund: die<100>Die Kristallebene entspricht der Symmetrie des Siliziumgitters und reduziert die Trägerstreuung.

4. Mechanische und thermische Eigenschaften
4.1 Mechanische Stärke<111>><110>><100>

• Die Frakturschärfe lautet: {{0}}. 8 MPA · M¹\/², 0.
• Anwendungsbeispiel: MEMS -Drucksensoren verwenden meistens<110>Waffeln, weil ihr Müdigkeitsbeständigkeit besser ist als<100>.

4.2 Wärmeleiterkoeffizient
Die Anisotropie von Silizium führt zu Unterschieden in den thermischen Expansionskoeffizienten in verschiedenen Kristallrichtungen:

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

Auswirkungen:<111>Wafer sind anfällig für Stress in Hochtemperaturprozessen, und die thermischen Budgets müssen sorgfältig gestaltet werden.

5. Anwendungsszenarien
5.1 <100>Kristallorientierung

• Integrierte Schaltkreise (ICs): Mehr als 95% der weltweit logischen Chips (wie CPUs und DRAMs) verwenden<100>Wafer.
• Vorteile: Dichte der niedrigen Grenzflächenzustand, Mobilität mit hoher Träger und Gleichmäßigkeit der Oxidschicht.
• Solarzellen: Pyramidenstruktur durch anisotropes Ätzen mit einem Reflexionsvermögen von<5%.
• Beispiel: Der 3NM -Prozess von TSMC basiert auf<100>Silizium mit einer Torlänge von 12 nm.

5.2 <110>Kristallorientierung
MEMS -Geräte:

• Accelerometers: Use vertical deep grooves to make movable masses (aspect ratio >20:1).
• Drucksensoren: Der Piezoresistanzkoeffizient ist der größte in der<110>Richtung (z. B. beträgt der π₁₁ -Siliziumkoeffizient 6,6 × 10^-11 pa⁻¹).
• Hochfrequenzgeräte:<110>Siliziumsubstrate können den Mismatch -Stress von Gitter beim epitaxialen Wachstum von GaAs verringern.

5.3 <111>Kristallorientierung
Optoelektronische Geräte:

• Gan epitaxial: hohes gitterübereinstimmung mit<111>Silizium (17% Nichtübereinstimmung, im Vergleich zu<100> 23%).
• Quantenpunktarrays: Atomebenen mit hoher Dichte liefern geordnete Keimbildungsstellen.
• Nanostrukturvorlagen: Wird für AFM -Sondenspitzen oder Nanodrahtwachstum verwendet.

6. Kosten und Industriekette

Kosten Treiber:

• <100>Wafer haben aufgrund von Skaleneffekten die niedrigsten Kosten;
• <111>Wafer benötigen spezielle Schnitt- und Polierprozesse.

Zusammenfassung: Die Schlüsselbasis für die Auswahl der Kristallausrichtung