Kāda ir atšķirība starp silīcija vafeļu<100>, <110>, <111>?

1. Kristāla struktūra un atomu izkārtojums
1.1 atomu izkārtojums

<100>Kristāla virziens

• Virsmas atomu izkārtojums: atomi ir izvietoti gar kuba malu, veidojot kvadrātveida režģi.
• Atomu blīvums: zemākais (apmēram atomi\/cm²), atomu attālums ir liels, un virsmas enerģija ir augsta.
• Saistīšanas virziens: Virsmas atomu saites ir perpendikulāri kristāla plaknei un tām ir augsta ķīmiska aktivitāte.

100                                              010                                              001

<110>Kristāla virsma

• Atomu izvietojums: izvietots gar kuba virsmas diagonālo virzienu, veidojot taisnstūra režģi.
• Atomu blīvums: barotne (apmēram atomi\/cm²).
• Līmēšanas virziens: Virsmas atomu saites ir noliektas 45 grādos, ar augstu mehānisko izturību.

1.2 Virsmas enerģija un ķīmiskā stabilitāte
<111>Līdz<110>Līdz<100>(Ķīmiskās stabilitātes rangs)

• <111>Virsmai ir vislabākā izturība pret koroziju, pateicoties tās lielajam atomu blīvumam un spēcīgai saistīšanai;
• <100>Virsmas atomi ir vaļīgi un viegli iegravēti ar ķīmiskām vielām (piemēram, KOH).

2. Anizotropiska uzvedība
2.1 Mitra ķīmiskā kodināšana (kā piemēru var ņemt KOH)

• Galvenais mehānisms: KOH kodināšanas ātrums uz silīcija ir tieši saistīts ar atomu saišu iedarbības pakāpi kristāla virzienā.
• <100>: Atomu saites viegli uzbruks OH⁻, un kodināšanas ātrums ir ātrs;
• <111>: Atomu saites ir cieši ekranētas un gandrīz nereaģējošas.

2.2 Sausa kodināšana (piemēram, plazmas kodināšana)

• Kristāla orientācijai ir maza ietekme, bet<111>Augsta blīvuma virsma var izraisīt mikro maskēšanas efektu un veidot vietējo raupjumu.

3. Procesa īpašību salīdzinājums
3.1 oksīda slāņa kvalitāte

• <100>Priekšrocības: zemas defekta oksīda slānis ir CMOS ierīču galvenā prasība.

3.2. Pārvadātāja mobilitāte (300K)

• Iemesls:<100>Kristāla plakne atbilst silīcija režģa simetrijai, samazinot nesēja izkliedi.

4. Mehāniskās un termiskās īpašības
4.1 Mehāniskā izturība<111>Līdz<110>Līdz<100>

• Lūzuma izturība ir: {{0}}. 8 MPa · m¹\/², 0. 7 MPa · M¹\/², 0,6 MPa · m¹\/²
• Pielietojuma piemērs: MEMS spiediena sensori galvenokārt izmanto<110>vaferi, jo viņu noguruma pretestība ir labāka nekā<100>.

4.2 Termiskās izplešanās koeficients
Silīcija anizotropija noved pie atšķirībām termiskās izplešanās koeficientos dažādos kristāla virzienos:

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

Ietekme:<111>Vafejām ir tendence uz stresu augstas temperatūras procesos, un termiskie budžeti ir rūpīgi jāizprot.

5. Lietojumprogrammu scenāriji
5.1 <100>kristāla orientācija

• Integrētas shēmas (IC): vairāk nekā 95% no pasaules loģikas mikroshēmām (piemēram, CPU un DRAM)<100>vafeles.
• Priekšrocības: zema saskarnes stāvokļa blīvums, augsta nesējmateriāla mobilitāte un oksīda slāņa vienveidība.
• Saules šūnas: piramīdas struktūra, kas veidojas ar anizotropisku kodināšanu, ar atstarošanos<5%.
• Piemērs: TSMC 3nm process ir balstīts uz<100>Silīcijs ar vārtu garumu 12 nm.

5.2 <110>Kristāla orientācija
MEMS ierīces:

• Accelerometers: Use vertical deep grooves to make movable masses (aspect ratio >20:1).
• Spiediena sensori: Pjezorezistences koeficients ir lielākais<110>Virziens (piemēram, silīcija π₁₁ koeficients ir 6,6 × 10^-11 Pa⁻¹).
• Augstas frekvences ierīces:<110>Silīcija substrāti var samazināt režģa neatbilstības stresu GaAs epitaksiālajā augšanā.

5.3 <111>Kristāla orientācija
Optoelektroniskās ierīces:

• GAN epitaksiālais: lielas režģa spēles ar<111>silīcijs (17% neatbilstība, salīdzinot ar<100> 23%).
• Kvantu punktu bloki: augsta blīvuma atomu plaknes nodrošina sakārtotas kodolizācijas vietas.
• Nanostruktūras veidnes: Izmanto AFM zondes padomiem vai nanodaļu augšanai.

6. Izmaksas un rūpniecības ķēde

Izmaksu autovadītāji:

• <100>Vaferiem ir viszemākās izmaksas apjomradītu ietaupījumu dēļ;
• <111>Vaferiem nepieciešami īpaši griešanas un pulēšanas procesi.

Kopsavilkums: kristāla orientācijas izvēles galvenais pamats