Qual é a diferença entre a bolacha de silício<100>, <110>, <111>?

1. Estrutura cristalina e arranjo atômico
1.1 Arranjo atômico

<100>Direção cristalina

• Arranjo atômico da superfície: os átomos são dispostos ao longo da borda do cubo para formar uma grade quadrada.
• Densidade atômica: a mais baixa (sobre átomos\/cm²), a distância atômica é grande e a energia da superfície é alta.
• Direção de ligação: As ligações atômicas da superfície são perpendiculares ao plano de cristal e têm alta atividade química.

100                                              010                                              001

<110>Superfície cristalina

• Arranjo atômico: organizado ao longo da direção diagonal da face do cubo para formar uma grade retangular.
• Densidade atômica: médio (sobre átomos\/cm²).
• Direção de ligação: As ligações atômicas da superfície são inclinadas em 45 graus, com alta resistência mecânica.

1.2 Energia superficial e estabilidade química
<111>><110>><100>(Classificação da estabilidade química)

• <111>A superfície tem a melhor resistência à corrosão devido à sua alta densidade atômica e forte ligação;
• <100>Os átomos da superfície são soltos e facilmente gravados por produtos químicos (como o KOH).

2. Comportamento anisotrópico
2.1 Gravura química úmida (tomando KOH como exemplo)

• Mecanismo -chave: A taxa de gravação de KOH no silício está diretamente relacionada ao grau de exposição de ligações atômicas ao longo da direção do cristal.
• <100>: As ligações atômicas são facilmente atacadas por OH⁻, e a taxa de gravação é rápida;
• <111>: As ligações atômicas são fortemente protegidas e quase não reativas.

2.2 Gravura a seco (como gravação plasmática)

• A orientação do cristal tem pouco efeito, mas o<111>A superfície de alta densidade pode causar efeito de micro-masca e formar rugosidade local.

3. Comparação das características do processo
3.1 Qualidade da camada de óxido

• <100>Vantagens: a camada de óxido de baixo defeito é um requisito central dos dispositivos CMOS.

3.2 Mobilidade da transportadora (300k)

• Motivo: o<100>O plano de cristal corresponde à simetria da rede de silício, reduzindo a dispersão do portador.

4. Propriedades mecânicas e térmicas
4.1 Resistência mecânica<111>><110>><100>

• A resistência à fratura é: {{0}}.
• Exemplo de aplicação: os sensores de pressão MEMS usam principalmente<110>bolachas porque sua resistência à fadiga é melhor do que<100>.

4.2 Coeficiente de expansão térmica
A anisotropia do silício leva a diferenças nos coeficientes de expansão térmica em diferentes direções de cristal:

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

Impacto:<111>As bolachas tendem a estressar em processos de alta temperatura, e os orçamentos térmicos precisam ser cuidadosamente projetados.

5. Cenários de aplicação
5.1 <100>orientação de cristal

• Circuitos integrados (ICS): mais de 95% dos chips lógicos do mundo (como CPUs e drams) usam<100>bolachas.
• Vantagens: baixa densidade do estado da interface, alta mobilidade de portadoras e uniformidade da camada de óxido.
• Células solares: estrutura da pirâmide formada por gravura anisotrópica, com uma refletividade de<5%.
• Exemplo: o processo de 3nm do TSMC é baseado em<100>Silício, com um comprimento de portão de 12 nm.

5.2 <110>Orientação de cristal
MEMS Devices:

• Accelerometers: Use vertical deep grooves to make movable masses (aspect ratio >20:1).
• Sensores de pressão: o coeficiente de piezoresistência é o maior do<110>Direção (por exemplo, o coeficiente π₁₁ do silício é 6,6 × 10^-11 pa⁻¹).
• Dispositivos de alta frequência:<110>Os substratos de silício podem reduzir o estresse de incompatibilidade de treliça no crescimento epitaxial de GaAs.

5.3 <111>Orientação de cristal
Dispositivos optoeletrônicos:

• Gan Epitaxial: Match de alta rede com<111>silício (17% de incompatibilidade, em comparação com<100> 23%).
• Matrizes de pontos quânticos: planos atômicos de alta densidade fornecem locais de nucleação ordenados.
• Modelos de nanoestrutura: usados ​​para dicas de sonda AFM ou crescimento de nanofios.

6. Cadeia de custo e industrial

Drivers de custo:

• <100>As bolachas têm o menor custo devido às economias de escala;
• <111>As bolachas requerem processos especiais de corte e polimento.

Resumo: A base chave para selecionar orientação do cristal