Kristallflächen und Kristallorientierung sind zwei Kernkonzepte der Kristallographie, die eng mit der Kristallstruktur in der auf Silizium basierenden integrierten Schaltungstechnik zusammenhängen.
1. Definition und Eigenschaften der Kristallorientierung
Die Kristallorientierung beschreibt eine spezifische Richtung innerhalb eines Kristalls und wird typischerweise durch Kristallorientierungsindizes ausgedrückt. Sie wird definiert, indem zwei beliebige Gitterpunkte innerhalb der Kristallstruktur verbunden werden, und weist folgende Eigenschaften auf: Jede Kristallorientierung umfasst unendlich viele Gitterpunkte; eine einzelne Kristallorientierung kann aus mehreren parallelen Kristallorientierungen bestehen, die eine Kristallorientierungsfamilie bilden; diese Kristallorientierungsfamilie umfasst alle Gitterpunkte innerhalb des Kristalls.
Die Bedeutung der Kristallorientierung liegt in der Angabe der gerichteten Anordnung der Atome innerhalb des Kristalls. Beispielsweise repräsentiert die [111]-Kristallorientierung eine spezifische Richtung, in der die Projektionsverhältnisse der drei Koordinatenachsen 1:1:1 betragen.
2. Definition und Eigenschaften von Kristallflächen
Eine Kristallebene ist eine Ebene mit bestimmter Atomanordnung innerhalb eines Kristalls, die durch Kristallebenenindizes (Miller-Indizes) dargestellt wird. Beispielsweise bedeutet (111), dass die Kehrwerte der Schnittpunkte der Kristallebene mit den Koordinatenachsen im Verhältnis 1:1:1 stehen. Die Kristallebene besitzt folgende Eigenschaften: Jede Kristallebene enthält unendlich viele Gitterpunkte; jede Kristallebene besitzt unendlich viele parallele Ebenen, die eine Kristallebenenfamilie bilden; die Kristallebenenfamilie bedeckt den gesamten Kristall.
Die Bestimmung der Miller-Indizes erfolgt durch Ermittlung der Schnittpunkte der Kristallfläche mit den einzelnen Koordinatenachsen, Berechnung ihrer Kehrwerte und Umrechnung in das kleinste ganzzahlige Verhältnis. Beispielsweise hat die (111)-Kristallfläche Schnittpunkte mit der x-, y- und z-Achse im Verhältnis 1:1:1.
3. Der Zusammenhang zwischen Kristallflächen und Kristallorientierung
Kristallflächen und Kristallorientierung sind zwei unterschiedliche Möglichkeiten, die geometrische Struktur eines Kristalls zu beschreiben. Kristallorientierung bezeichnet die Anordnung von Atomen entlang einer bestimmten Richtung, während eine Kristallfläche die Anordnung von Atomen in einer bestimmten Ebene beschreibt. Zwischen diesen beiden besteht zwar eine gewisse Entsprechung, sie repräsentieren jedoch unterschiedliche physikalische Konzepte.
Wichtiger Zusammenhang: Der Normalenvektor einer Kristallfläche (d. h. der Vektor senkrecht zu dieser Fläche) entspricht einer Kristallorientierung. Beispielsweise entspricht der Normalenvektor der (111)-Kristallfläche der [111]-Kristallorientierung, was bedeutet, dass die Atomanordnung entlang der [111]-Richtung senkrecht zu dieser Fläche verläuft.
Bei Halbleiterprozessen hat die Wahl der Kristallflächen einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Bauelemente. Beispielsweise werden bei Silizium-basierten Halbleitern häufig die (100)- und (111)-Ebenen verwendet, da sie in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Atomstrukturen und Bindungsarten aufweisen. Eigenschaften wie die Elektronenbeweglichkeit und die Oberflächenenergie variieren auf verschiedenen Kristallflächen und beeinflussen somit die Leistungsfähigkeit und den Wachstumsprozess von Halbleiterbauelementen.
4. Praktische Anwendungen in Halbleiterprozessen
Bei der Herstellung von Silizium-basierten Halbleitern finden Kristallorientierung und Kristallflächen in vielen Aspekten Anwendung:
Kristallwachstum: Halbleiterkristalle werden typischerweise entlang bestimmter Kristallorientierungen gezüchtet. Siliziumkristalle wachsen am häufigsten entlang der [100]- oder [111]-Orientierungen, da die Stabilität und die atomare Anordnung in diesen Orientierungen für das Kristallwachstum günstig sind.
Ätzprozess: Beim Nassätzen weisen verschiedene Kristallflächen unterschiedliche Ätzraten auf. Beispielsweise unterscheiden sich die Ätzraten auf den (100)- und (111)-Ebenen von Silizium, was zu anisotropen Ätzeffekten führt.
Geräteeigenschaften: Die Elektronenbeweglichkeit in MOSFET-Bauelementen wird von der Kristallfläche beeinflusst. Typischerweise ist die Beweglichkeit auf der (100)-Ebene höher, weshalb moderne Silizium-basierte MOSFETs überwiegend (100)-Wafer verwenden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Kristallflächen und Kristallorientierungen zwei grundlegende Möglichkeiten zur Beschreibung der Kristallstruktur in der Kristallographie darstellen. Die Kristallorientierung beschreibt die gerichteten Eigenschaften innerhalb eines Kristalls, während Kristallflächen spezifische Ebenen innerhalb des Kristalls beschreiben. Diese beiden Konzepte sind in der Halbleiterfertigung eng miteinander verknüpft. Die Wahl der Kristallflächen beeinflusst direkt die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Materials, während die Kristallorientierung das Kristallwachstum und die Verarbeitungstechniken beeinflusst. Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Kristallflächen und -orientierungen ist entscheidend für die Optimierung von Halbleiterprozessen und die Verbesserung der Bauelementleistung.
Veröffentlichungsdatum: 08.10.2024