Płaszczyzny kryształu i jego orientacja to dwa podstawowe pojęcia krystalografii, ściśle związane ze strukturą kryształu w technologii układów scalonych na bazie krzemu.
1. Definicja i właściwości orientacji kryształu
Orientacja kryształu reprezentuje określony kierunek w krysztale, zazwyczaj wyrażony za pomocą indeksów orientacji kryształu. Orientację kryształu definiuje się poprzez połączenie dwóch dowolnych punktów sieci w strukturze kryształu i charakteryzuje się ona następującymi cechami: każda orientacja kryształu zawiera nieskończoną liczbę punktów sieci; pojedyncza orientacja kryształu może składać się z wielu równoległych orientacji kryształu tworzących rodzinę orientacji kryształu; rodzina orientacji kryształu obejmuje wszystkie punkty sieci w krysztale.
Znaczenie orientacji kryształu polega na wskazaniu kierunkowego ułożenia atomów w krysztale. Na przykład orientacja kryształu [111] reprezentuje konkretny kierunek, w którym stosunki projekcji trzech osi współrzędnych wynoszą 1:1:1.
2. Definicja i właściwości płaszczyzn krystalicznych
Płaszczyzna kryształu to płaszczyzna ułożenia atomów w krysztale, reprezentowana przez indeksy płaszczyzny kryształu (indeksy Millera). Na przykład, równanie (111) wskazuje, że odwrotności punktów przecięcia płaszczyzny kryształu na osiach współrzędnych pozostają w stosunku 1:1:1. Płaszczyzna kryształu ma następujące właściwości: każda płaszczyzna kryształu zawiera nieskończoną liczbę punktów sieci; każda płaszczyzna kryształu ma nieskończoną liczbę równoległych płaszczyzn tworzących rodzinę płaszczyzn kryształu; rodzina płaszczyzn kryształu obejmuje cały kryształ.
Wyznaczanie współczynników Millera polega na wyznaczeniu punktów przecięcia płaszczyzny kryształu na każdej osi współrzędnych, znalezieniu ich odwrotności i przekształceniu ich w najmniejszy stosunek liczb całkowitych. Na przykład płaszczyzna kryształu (111) ma punkty przecięcia na osiach x, y i z w stosunku 1:1:1.
3. Związek między płaszczyznami kryształu a orientacją kryształu
Płaszczyzny kryształu i orientacja kryształu to dwa różne sposoby opisu struktury geometrycznej kryształu. Orientacja kryształu odnosi się do ułożenia atomów w określonym kierunku, podczas gdy płaszczyzna kryształu odnosi się do ułożenia atomów na określonej płaszczyźnie. Te dwa pojęcia mają pewną analogię, ale reprezentują różne koncepcje fizyczne.
Kluczowa relacja: Wektor normalny płaszczyzny kryształu (tj. wektor prostopadły do tej płaszczyzny) odpowiada orientacji kryształu. Na przykład wektor normalny płaszczyzny kryształu (111) odpowiada orientacji kryształu [111], co oznacza, że układ atomów wzdłuż kierunku [111] jest prostopadły do tej płaszczyzny.
W procesach półprzewodnikowych wybór płaszczyzn krystalicznych ma ogromny wpływ na wydajność urządzenia. Na przykład, w półprzewodnikach na bazie krzemu, powszechnie stosowanymi płaszczyznami krystalicznymi są płaszczyzny (100) i (111), ponieważ charakteryzują się one różnym układem atomów i metodami wiązania w różnych kierunkach. Właściwości, takie jak ruchliwość elektronów i energia powierzchniowa, różnią się w zależności od płaszczyzny krystalicznej, wpływając na wydajność i proces wzrostu urządzeń półprzewodnikowych.
4. Zastosowania praktyczne w procesach półprzewodnikowych
W produkcji półprzewodników na bazie krzemu orientacja kryształu i płaszczyzny kryształu znajdują zastosowanie w wielu aspektach:
Wzrost kryształów: Kryształy półprzewodników są zazwyczaj hodowane wzdłuż określonych orientacji kryształów. Kryształy krzemu najczęściej rosną wzdłuż orientacji [100] lub [111], ponieważ stabilność i układ atomów w tych orientacjach sprzyjają wzrostowi kryształów.
Proces trawienia: W trawieniu na mokro różne płaszczyzny kryształu mają różną szybkość trawienia. Na przykład, szybkości trawienia płaszczyzn (100) i (111) krzemu różnią się, co powoduje anizotropowe efekty trawienia.
Charakterystyka urządzenia: Ruchliwość elektronów w tranzystorach MOSFET jest zależna od płaszczyzny kryształu. Zazwyczaj ruchliwość jest wyższa na płaszczyźnie (100), dlatego nowoczesne tranzystory MOSFET na bazie krzemu wykorzystują głównie płytki (100).
Podsumowując, płaszczyzny kryształu i orientacje kryształu to dwa fundamentalne sposoby opisu struktury kryształów w krystalografii. Orientacja kryształu reprezentuje właściwości kierunkowe wewnątrz kryształu, podczas gdy płaszczyzny kryształu opisują poszczególne płaszczyzny wewnątrz kryształu. Te dwa pojęcia są ściśle ze sobą powiązane w produkcji półprzewodników. Wybór płaszczyzn kryształu ma bezpośredni wpływ na właściwości fizyczne i chemiczne materiału, podczas gdy orientacja kryształu wpływa na wzrost kryształu i techniki przetwarzania. Zrozumienie zależności między płaszczyznami kryształu a orientacjami ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji procesów półprzewodnikowych i poprawy wydajności urządzeń.
Czas publikacji: 08-10-2024