1. التركيب البلوري والترتيب الذري
1.1 الترتيب الذري
<100>اتجاه البلورة
- الترتيب الذري السطحي: يتم ترتيب الذرات على طول حافة المكعب لتشكيل شبكة مربعة.
- الكثافة الذرية: أدنى (حول الذرات\/سم مربع) ، والمسافة الذرية كبيرة ، والطاقة السطحية عالية.
- اتجاه الترابط: الروابط الذرية السطحية عمودي على المستوى البلوري ولها نشاط كيميائي عالي.
100 010 001
<110>سطح البلورة
- الترتيب الذري: مرتبة على طول الاتجاه القطري للوجه المكعب لتشكيل شبكة مستطيلة.
- الكثافة الذرية: متوسطة (حول الذرات\/سم مربع).
- اتجاه الترابط: تميل الروابط الذرية السطحية في 45 درجة ، مع قوة ميكانيكية عالية.
1.2 طاقة السطح والاستقرار الكيميائي
<111>><110>><100>(تصنيف الاستقرار الكيميائي)
- <111>السطح لديه أفضل مقاومة للتآكل بسبب كثافته الذرية العالية والربط القوي ؛
- <100>ذرات السطح فضفاضة وسهلة المحفورة بواسطة المواد الكيميائية (مثل KOH).
2. سلوك متباين الخواص
2.1 الحفر الكيميائي الرطب (أخذ KOH كمثال)
| اتجاه البلورة | معدل النقش (80 درجة ، 30 ٪ كوه) | حفر التشكل | نسبة تباين الخواص (<100>:<111>) |
| <100> | ~ 1.4 ميكرون\/دقيقة | V-Groove (جدار جانبي 54.7 درجة) | 100:1 |
| <110> | ~ 0. 8 ميكرون\/دقيقة | الأخدود العميق العمودي (جدار جانبي 90 درجة) | 50:01:00 |
| <111> | ~ 0. 01 ميكرون\/دقيقة | سطح مستو (طبقة توقف الحفر) | - |
- الآلية الرئيسية: يرتبط معدل النقش من KOH على السيليكون مباشرة بدرجة تعرض الروابط الذرية على طول اتجاه البلورة.
- <100>: يتم مهاجمة الروابط الذرية بسهولة من قبل OH⁻ ، ومعدل الحفر سريع ؛
- <111>: الروابط الذرية محمية بإحكام وغير تفاعل تقريبًا.
2.2 الحفر الجاف (مثل حفر البلازما)
- الاتجاه البلوري له تأثير يذكر ، لكن<111>قد يتسبب السطح عالي الكثافة في تأثير تكوين الجبال الدقيقة ويشكل خشونة محلية.
3. مقارنة خصائص العملية
3.1 جودة طبقة الأكسيد
| اتجاه البلورة | كثافة عيب Sio₂ (cm⁻²) | كثافة حالة الواجهة (cm⁻² · ev⁻) | تيار تسرب البوابة (NA\/CM²) |
| <100> | <1×10¹⁰ | ~1×10¹⁰ | <1 |
| <111> | ~1×10¹¹ | ~1×10¹¹ | >10 |
| <110> | ~5×10¹⁰ | ~5×10¹⁰ | ~5 |
- <100>المزايا: طبقة أكسيد منخفض العيوب هي شرط أساسي لأجهزة CMOS.
3.2 حركة الناقل (300K)
| اتجاه البلورة | تنقل الإلكترون (سم²\/(V · S)) | تنقل الثقب (سم²\/(V · S)) |
| <100> | 1500 | 450 |
| <110> | 1200 | 350 |
| <111> | 900 | 250 |
- السبب:<100>تتطابق الطائرة البلورية مع تناظر شعرية السيليكون ، مما يقلل من نثر الناقل.
4. الخصائص الميكانيكية والحرارية
4.1 القوة الميكانيكية<111>><110>><100>
- صدة الكسر هي: {{0}}. 8 mpa · m¹\/² ، 0.
- مثال على التطبيق: مستشعرات ضغط MEMS تستخدم في الغالب<110>رقائق لأن مقاومة التعب أفضل من<100>.
4.2 معامل التمدد الحراري
يؤدي تباين السيليكون إلى اختلافات في معاملات التمدد الحراري في اتجاهات البلورة المختلفة:
- <100>: 2.6×10⁻⁶ /K
- <110>: 1.6×10⁻⁶ /K
- <111>: 0.5×10⁻⁶ /K
تأثير:<111>الرقاقات عرضة للإجهاد في عمليات درجات الحرارة العالية ، ويجب تصميم الميزانيات الحرارية بعناية.
5. سيناريوهات التطبيق
5.1 <100>اتجاه البلورة
- دوائر متكاملة (ICS): أكثر من 95 ٪ من رقائق المنطق في العالم (مثل وحدات المعالجة المركزية والدراما) استخدام<100>رقائق.
- المزايا: كثافة حالة الواجهة المنخفضة ، وتنقل الناقل العالي ، وتوحيد طبقة الأكسيد.
- الخلايا الشمسية: بنية الهرم التي تتكون من حفر متباين الخواص ، مع انعكاس<5%.
- مثال: تعتمد عملية TSMC 3NM على<100>السيليكون ، مع طول بوابة 12 نانومتر.
5.2 <110>اتجاه البلورة
أجهزة MEMS:
- Accelerometers: Use vertical deep grooves to make movable masses (aspect ratio >20:1).
- أجهزة استشعار الضغط: معامل مقاومة piezorext هو الأكبر في<110>الاتجاه (على سبيل المثال ، معامل π₁₁ للسيليكون هو 6.6 × 10^-11 pa⁻⁻).
- أجهزة التردد العالي:<110>يمكن أن تقلل ركائز السيليكون من الإجهاد غير المتطابق في نمو GAAs.
5.3 <111>اتجاه البلورة
الأجهزة الإلكترونية الضوئية:
- Gan epitaxial: تطابق الشبكة العالية مع<111>السيليكون (غير متطابق 17 ٪ ، مقارنة مع<100> 23%).
- صفيفات النقطة الكمومية: توفر الطائرات الذرية عالية الكثافة مواقع نوى مرتبة.
- قوالب البنية النانوية: تستخدم لنصائح التحقيق AFM أو نمو الأسلاك النانوية.
6. التكلفة والسلسلة الصناعية
| اتجاه البلورة | الحصة السوقية | السعر (بالنسبة إلى<100>) | نضج العملية الموحدة |
| <100>> | 90% | المعيار (1 ×) | موحدة بالكامل |
| <110> | ~5% | 2–3× | مخصصة جزئيا |
| <111> | <5% | 4–5× | مخصص للغاية |
سائقي التكلفة:
- <100>الرقاقات لها أدنى تكلفة بسبب وفورات الحجم ؛
- <111>تتطلب الرقاقات عمليات قطع وتلميع خاصة.
ملخص: الأساس الرئيسي لاختيار الاتجاه البلوري
| يطلب | الاتجاه البلوري الموصى به | أسباب |
| CMOS عالية الأداء | <100> | كثافة حالة الواجهة المنخفضة ، سلسلة عملية عالية ، سلسلة عملية ناضجة |
| هيكل الخندق العميق MEMS | <110> | قدرة الحفر الرأسية ، القوة الميكانيكية العالية |
| الأجهزة الإلكترونية الضوئية\/المواد الكمومية | <111> | الاستقرار الكيميائي العالي ، ميزة مطابقة الشبكة |
| الإنتاج الضخم منخفض التكلفة | <100> | تأثير المقياس ، سلسلة التوريد الموحدة |
