Care este diferența dintre waferul de siliciu<100>, <110>, <111>?

1. Structura cristalului și aranjamentul atomic
1.1 Aranjament atomic

<100>Direcția cristalină

• Aranjament atomic de suprafață: atomii sunt aranjați de -a lungul marginii cubului pentru a forma o grilă pătrată.
• Densitatea atomică: cea mai mică (aproximativ atomi/cm²), distanța atomică este mare, iar energia de suprafață este ridicată.
• Direcția de legătură: legăturile atomice de suprafață sunt perpendiculare pe planul de cristal și au o activitate chimică ridicată.

100                                              010                                              001

<110>Suprafață de cristal

• Aranjament atomic: dispus de -a lungul direcției diagonale a feței cubului pentru a forma o grilă dreptunghiulară.
• Densitate atomică: mediu (aproximativ atomi/cm²).
• Direcția de legătură: legăturile atomice de suprafață sunt înclinate la 45 de grade, cu o rezistență mecanică ridicată.

1.2 Energie de suprafață și stabilitate chimică
<111>><110>><100>(Clasarea stabilității chimice)

• <111>Suprafața are cea mai bună rezistență la coroziune datorită densității sale atomice ridicate și a legăturii puternice;
• <100>Atomii de suprafață sunt liberi și ușor gravați de substanțe chimice (cum ar fi KOH).

2. Comportament anisotrop
2.1 Gravură chimică umedă (luând ca exemplu KOH)

• Mecanism cheie: Rata de gravură a KOH pe siliciu este direct legată de gradul de expunere a legăturilor atomice de -a lungul direcției cristalului.
• <100>: Obligațiunile atomice sunt ușor atacate de OH⁻, iar rata de gravare este rapidă;
• <111>: Obligațiile atomice sunt strâns protejate și aproape nereactive.

2.2 Gravură uscată (cum ar fi gravura cu plasmă)

• Orientarea cristalului are un efect redus, dar<111>Suprafața de înaltă densitate poate provoca efect de micro-masking și poate forma rugozitate locală.

3. Comparația caracteristicilor procesului
3.1 Calitatea stratului de oxid

• <100>Avantaje: Stratul de oxid cu defecte reduse este o cerință de bază a dispozitivelor CMOS.

3.2 Mobilitate de transportator (300K)

• Motiv: The<100>Planul de cristal se potrivește cu simetria zăbrelei de siliciu, reducând împrăștierea purtătorului.

4. Proprietăți mecanice și termice
4.1 Forța mecanică<111>><110>><100>

• Duritatea fracturii este: {{0}}. 8 mPa · m¹/², 0. 7 mPa · m¹/², 0,6 mPa · m¹/²
• Exemplu de aplicație: senzorii de presiune MEMS folosesc în mare parte<110>napolitane pentru că rezistența lor la oboseală este mai bună decât<100>.

4.2 Coeficient de expansiune termică
Anisotropia siliciului duce la diferențe de coeficienți de expansiune termică în diferite direcții de cristal:

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

Impact:<111>Napolii sunt predispuse la stres în procesele de temperatură ridicată, iar bugetele termice trebuie să fie proiectate cu atenție.

5. Scenarii de aplicație
5.1 <100>Orientarea cristalului

• Circuite integrate (ICS): mai mult de 95% din cipurile logice din lume (cum ar fi procesoarele și dramele) utilizează<100>placi.
• Avantaje: densitatea stării de interfață scăzută, mobilitate ridicată a purtătorului și uniformitate a stratului de oxid.
• Celule solare: structura piramidelor formate din gravură anisotropă, cu o reflectivitate a<5%.
• Exemplu: Procesul 3NM al TSMC se bazează pe<100>Silicon, cu o lungime de poartă de 12 nm.

5.2 <110>Orientarea cristalului
Dispozitive MEMS:

• Accelerometers: Use vertical deep grooves to make movable masses (aspect ratio >20:1).
• Senzori de presiune: coeficientul de piezoresistență este cel mai mare din<110>direcție (de exemplu, coeficientul π₁₁ al siliciului este 6,6 × 10^-11 pa⁻¹).
• Dispozitive de înaltă frecvență:<110>Substraturile de siliciu pot reduce stresul nepotrivit de zăbrele în creșterea epitaxială GaAs.

5.3 <111>Orientarea cristalului
Dispozitive optoelectronice:

• Gan Epitaxial: Match High Lattice cu<111>siliciu (nepotrivire de 17%, comparativ cu<100> 23%).
• Schițe cu puncte cuantice: Avioanele atomice cu densitate ridicată asigură site-uri de nucleare comandate.
• Șabloane de nanostructură: utilizate pentru sfaturi de sondă AFM sau pentru creșterea nanofirelor.

6. Cost și lanț industrial

Șoferi de costuri:

• <100>Napolitarii au cel mai mic cost din cauza economiilor de scară;
• <111>Plăcile necesită procese speciale de tăiere și lustruire.

Rezumat: baza cheie pentru selectarea orientării cristalului