Kristallebenen und Kristallorientierung sind zwei Kernkonzepte der Kristallographie, die eng mit der Kristallstruktur in der siliziumbasierten integrierten Schaltkreistechnologie verknüpft sind.
1.Definition und Eigenschaften der Kristallorientierung
Die Kristallorientierung stellt eine bestimmte Richtung innerhalb eines Kristalls dar und wird typischerweise durch Kristallorientierungsindizes ausgedrückt. Die Kristallorientierung wird durch die Verbindung zweier beliebiger Gitterpunkte innerhalb der Kristallstruktur definiert und weist die folgenden Eigenschaften auf: Jede Kristallorientierung enthält unendlich viele Gitterpunkte; Eine Einkristallorientierung kann aus mehreren parallelen Kristallorientierungen bestehen, die eine Kristallorientierungsfamilie bilden. Die Kristallorientierungsfamilie umfasst alle Gitterpunkte innerhalb des Kristalls.
Die Bedeutung der Kristallorientierung liegt darin, die Richtungsanordnung der Atome innerhalb des Kristalls anzuzeigen. Beispielsweise stellt die [111]-Kristallorientierung eine bestimmte Richtung dar, in der die Projektionsverhältnisse der drei Koordinatenachsen 1:1:1 betragen.
2. Definition und Eigenschaften von Kristallebenen
Eine Kristallebene ist eine Ebene der Atomanordnung innerhalb eines Kristalls, dargestellt durch Kristallebenenindizes (Miller-Indizes). Beispielsweise zeigt (111), dass die Kehrwerte der Schnittpunkte der Kristallebene auf den Koordinatenachsen im Verhältnis 1:1:1 stehen. Die Kristallebene hat folgende Eigenschaften: Jede Kristallebene enthält unendlich viele Gitterpunkte; Jede Kristallebene hat eine unendliche Anzahl paralleler Ebenen, die eine Kristallebenenfamilie bilden. Die Familie der Kristallebenen bedeckt den gesamten Kristall.
Zur Bestimmung der Miller-Indizes müssen die Schnittpunkte der Kristallebene auf jeder Koordinatenachse genommen, ihre Kehrwerte ermittelt und in das kleinste ganzzahlige Verhältnis umgewandelt werden. Beispielsweise weist die (111)-Kristallebene Schnittpunkte auf der x-, y- und z-Achse im Verhältnis 1:1:1 auf.
3. Die Beziehung zwischen Kristallebenen und Kristallorientierung
Kristallebenen und Kristallorientierung sind zwei verschiedene Arten, die geometrische Struktur eines Kristalls zu beschreiben. Unter Kristallorientierung versteht man die Anordnung von Atomen entlang einer bestimmten Richtung, während sich eine Kristallebene auf die Anordnung von Atomen in einer bestimmten Ebene bezieht. Diese beiden weisen eine gewisse Entsprechung auf, repräsentieren jedoch unterschiedliche physikalische Konzepte.
Schlüsselbeziehung: Der Normalenvektor einer Kristallebene (dh der Vektor senkrecht zu dieser Ebene) entspricht einer Kristallorientierung. Beispielsweise entspricht der Normalenvektor der (111)-Kristallebene der [111]-Kristallorientierung, was bedeutet, dass die Atomanordnung entlang der [111]-Richtung senkrecht zu dieser Ebene ist.
Bei Halbleiterprozessen hat die Auswahl der Kristallebenen großen Einfluss auf die Geräteleistung. Beispielsweise werden in Halbleitern auf Siliziumbasis üblicherweise die (100)- und (111)-Ebenen als Kristallebenen verwendet, da sie in unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Atomanordnungen und Bindungsmethoden aufweisen. Eigenschaften wie Elektronenmobilität und Oberflächenenergie variieren auf verschiedenen Kristallebenen und beeinflussen die Leistung und den Wachstumsprozess von Halbleiterbauelementen.
4. Praktische Anwendungen in Halbleiterprozessen
Bei der Herstellung von Halbleitern auf Siliziumbasis werden Kristallorientierung und Kristallebenen in vielerlei Hinsicht angewendet:
Kristallwachstum: Halbleiterkristalle werden typischerweise entlang bestimmter Kristallorientierungen gezüchtet. Siliziumkristalle wachsen am häufigsten entlang der [100]- oder [111]-Orientierung, da die Stabilität und Atomanordnung in diesen Orientierungen für das Kristallwachstum günstig sind.
Ätzprozess: Beim Nassätzen weisen verschiedene Kristallebenen unterschiedliche Ätzraten auf. Beispielsweise unterscheiden sich die Ätzraten auf den (100)- und (111)-Ebenen von Silizium, was zu anisotropen Ätzeffekten führt.
Geräteeigenschaften: Die Elektronenmobilität in MOSFET-Geräten wird durch die Kristallebene beeinflusst. Typischerweise ist die Mobilität auf der (100)-Ebene höher, weshalb moderne Silizium-basierte MOSFETs überwiegend (100)-Wafer verwenden.
Zusammenfassend sind Kristallebenen und Kristallorientierungen zwei grundlegende Möglichkeiten, die Struktur von Kristallen in der Kristallographie zu beschreiben. Die Kristallorientierung stellt die Richtungseigenschaften innerhalb eines Kristalls dar, während Kristallebenen bestimmte Ebenen innerhalb des Kristalls beschreiben. Diese beiden Konzepte sind in der Halbleiterfertigung eng miteinander verbunden. Die Auswahl der Kristallebenen wirkt sich direkt auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Materials aus, während die Kristallorientierung das Kristallwachstum und die Verarbeitungstechniken beeinflusst. Das Verständnis der Beziehung zwischen Kristallebenen und -orientierungen ist entscheidend für die Optimierung von Halbleiterprozessen und die Verbesserung der Geräteleistung.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 08.10.2024