Wat is het verschil tussen siliciumwafer<100>, <110>, <111>?

1. Kristalstructuur en atomaire opstelling
1.1 Atomaire regeling

<100>Kristalrichting

• Oppervlakte -atomaire opstelling: atomen worden langs de rand van de kubus gerangschikt om een ​​vierkant rooster te vormen.
• Atomaire dichtheid: de laagste (ongeveer atomen\/cm²), de atoomafstand is groot en de oppervlakte -energie is hoog.
• Bindingsrichting: de atoombindingen van het oppervlak staan ​​loodrecht op het kristalvlak en hebben een hoge chemische activiteit.

100                                              010                                              001

<110>Kristaloppervlak

• Atomaire opstelling: gerangschikt langs de diagonale richting van het kubusgezicht om een ​​rechthoekig rooster te vormen.
• Atomaire dichtheid: medium (ongeveer atomen\/cm²).
• Bindingsrichting: de oppervlakteatomaire bindingen worden gekanteld na 45 graden, met een hoge mechanische sterkte.

1.2 oppervlakte -energie en chemische stabiliteit
<111>><110>><100>(Rangorde van chemische stabiliteit)

• <111>Het oppervlak heeft de beste corrosieweerstand vanwege de hoge atoomdichtheid en sterke binding;
• <100>De oppervlakte -atomen zijn los en gemakkelijk geëtst door chemicaliën (zoals KOH).

2. Anisotropisch gedrag
2.1 natte chemische etsen (KOH als voorbeeld nemen)

• Belangrijkste mechanisme: de etssnelheid van KOH op silicium is direct gerelateerd aan de mate van blootstelling van atomaire bindingen langs de kristalrichting.
• <100>: Atomische bindingen worden gemakkelijk aangevallen door OH⁻, en de etssnelheid is snel;
• <111>: Atomische bindingen zijn strak afgeschermd en bijna niet -reactief.

2.2 Droge etsen (zoals plasma -ets)

• De kristaloriëntatie heeft weinig effect, maar de<111>Oppervlakte met hoge dichtheid kan het micro-maskerende effect veroorzaken en lokale ruwheid vormen.

3. Vergelijking van proceskenmerken
3.1 Kwaliteit van de oxidelaag

• <100>Voordelen: low-defect oxidelaag is een kernvereiste van CMOS-apparaten.

3.2 Carrier Mobility (300K)

• Reden: de<100>Kristalvlak komt overeen met de symmetrie van het siliciumrooster, waardoor de dragers worden verminderd.

4. Mechanische en thermische eigenschappen
4.1 Mechanische sterkte<111>><110>><100>

• De breuktaaiheid is: {{{0}}}. 8 mpa · m¹\/², 0. 7 mpa · m¹\/², 0,6 mpa · m¹\/²
• Toepassingsvoorbeeld: MEMS -druksensoren gebruiken meestal<110>wafels omdat hun vermoeidheidsweerstand beter is dan<100>.

4.2 thermische expansiecoëfficiënt
De anisotropie van silicium leidt tot verschillen in thermische expansiecoëfficiënten in verschillende kristalrichtingen:

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

Invloed:<111>Wafels zijn vatbaar voor stress in processen op hoge temperatuur en thermische budgetten moeten zorgvuldig worden ontworpen.

5. Toepassingsscenario's
5.1 <100>kristaloriëntatie

• Integrated Circuits (ICS): meer dan 95% van de logische chips van de wereld (zoals CPU's en DRAM's) gebruiken<100>wafels.
• Voordelen: lage interfacetoestanddichtheid, hoge dragermobiliteit en uniformiteit van oxidelaag.
• Zonnecellen: piramidestructuur gevormd door anisotrope etsen, met een reflectiviteit van<5%.
• Voorbeeld: het 3nm -proces van TSMC is gebaseerd op<100>Silicium, met een poortlengte van 12 nm.

5.2 <110>Kristaloriëntatie
MEMS -apparaten:

• Accelerometers: Use vertical deep grooves to make movable masses (aspect ratio >20:1).
• Druksensoren: de piëzoresistentiecoëfficiënt is de grootste in de<110>richting (bijv. De π₁₁ -coëfficiënt van silicium is 6,6 × 10^-11 pa⁻¹).
• Hoogfrequente apparaten:<110>Siliconensubstraten kunnen de mismatchspanning van roosters verminderen bij de groei van de Epitaxiale groei van GaAs.

5.3 <111>Kristaloriëntatie
Opto -elektronische apparaten:

• Gan Epitaxial: High Lattice Match met<111>silicium (17% mismatch, vergeleken met<100> 23%).
• Quantum Dot Arrays: atomaire vlakken met hoge dichtheid bieden geordende nucleatie-locaties.
• Nanostructuursjablonen: gebruikt voor AFM -sondetips of nanodraadgroei.

6. Kosten en industriële keten

Kostenchauffeurs:

• <100>Wafels hebben de laagste kosten als gevolg van schaalvoordelen;
• <111>Wafels vereisen speciale snij- en polijstprocessen.

Samenvatting: de belangrijkste basis voor het selecteren van kristaloriëntatie