Apa perbedaan antara wafer silikon<100>, <110>, <111>?

1. Struktur kristal dan pengaturan atom
1.1 Pengaturan Atom

<100>Arah kristal

• Pengaturan Atom Permukaan: Atom disusun di sepanjang tepi kubus untuk membentuk kisi persegi.
• Kepadatan atom: yang terendah (sekitar atom\/cm²), jarak atom besar, dan energi permukaannya tinggi.
• Arah ikatan: Ikatan atom permukaan tegak lurus terhadap bidang kristal dan memiliki aktivitas kimia yang tinggi.

100                                              010                                              001

<110>Permukaan kristal

• Pengaturan Atom: Diatur di sepanjang arah diagonal wajah kubus untuk membentuk kisi persegi panjang.
• Kepadatan atom: medium (sekitar atom\/cm²).
• Arah ikatan: Ikatan atom permukaan dimiringkan pada 45 derajat, dengan kekuatan mekanik yang tinggi.

1.2 Energi Permukaan dan Stabilitas Kimia
<111>><110>><100>(Peringkat stabilitas kimia)

• <111>Permukaan memiliki resistensi korosi terbaik karena kepadatan atomnya yang tinggi dan ikatan yang kuat;
• <100>Atom permukaan longgar dan mudah diukir oleh bahan kimia (seperti KOH).

2. Perilaku anisotropik
2.1 etsa kimia basah (mengambil koh sebagai contoh)

• Mekanisme utama: Laju etsa KOH pada silikon secara langsung terkait dengan tingkat paparan ikatan atom di sepanjang arah kristal.
• <100>: Obligasi atom mudah diserang oleh OH⁻, dan laju etsa cepat;
• <111>: Ikatan atom terlindung erat dan hampir tidak reaktif.

2.2 etsa kering (seperti etsa plasma)

• Orientasi kristal memiliki sedikit efek, tetapi<111>Permukaan kepadatan tinggi dapat menyebabkan efek masker mikro dan membentuk kekasaran lokal.

3. Perbandingan karakteristik proses
3.1 Kualitas Lapisan Oksida

• <100>Keuntungan: Lapisan oksida yang tidak terdefeksi adalah persyaratan inti dari perangkat CMOS.

3.2 mobilitas operator (300k)

• Alasan: The<100>Pesawat kristal cocok dengan simetri kisi silikon, mengurangi hamburan pembawa.

4. Sifat mekanik dan termal
4.1 Kekuatan Mekanik<111>><110>><100>

• Ketangguhan fraktur adalah: {{0}}. 8 MPa · m¹\/², 0. 7 MPa · m¹\/², 0,6 MPa · m¹\/²
• Contoh Aplikasi: Sensor Tekanan MEMS Sebagian besar digunakan<110>wafer karena resistensi kelelahan mereka lebih baik dari<100>.

4.2 Koefisien Ekspansi Termal
Anisotropi silikon menyebabkan perbedaan koefisien ekspansi termal dalam arah kristal yang berbeda:

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

Dampak:<111>Wafer cenderung stres dalam proses suhu tinggi, dan anggaran termal perlu dirancang dengan cermat.

5. Skenario Aplikasi
5.1 <100>orientasi kristal

• Sirkuit Terpadu (ICS): Lebih dari 95% dari chip logika dunia (seperti CPU dan DRAM) penggunaan<100>wafer.
• Keuntungan: Kepadatan keadaan antarmuka rendah, mobilitas pembawa tinggi, dan keseragaman lapisan oksida.
• Sel surya: Struktur piramida yang dibentuk oleh etsa anisotropik, dengan reflektifitas<5%.
• Contoh: Proses 3NM TSMC didasarkan pada<100>silikon, dengan panjang gerbang 12nm.

5.2 <110>Orientasi kristal
Perangkat MEMS:

• Accelerometers: Use vertical deep grooves to make movable masses (aspect ratio >20:1).
• Sensor Tekanan: Koefisien Piezoresistance adalah yang terbesar di<110>arah (misalnya, koefisien silikon π₁₁ adalah 6.6 × 10^-11 pa⁻¹).
• Perangkat frekuensi tinggi:<110>Substrat silikon dapat mengurangi stres ketidakcocokan kisi dalam pertumbuhan epitaxial GaA.

5.3 <111>Orientasi kristal
Perangkat Optoelektronik:

• Gan Epitaxial: Pertandingan kisi tinggi dengan<111>silikon (17% ketidakcocokan, dibandingkan dengan<100> 23%).
• Array Quantum DOT: Bidang atom dengan kepadatan tinggi menyediakan situs nukleasi yang dipesan.
• Templat Nanostruktur: Digunakan untuk ujung probe AFM atau pertumbuhan kawat nano.

6. Biaya dan rantai industri

Pengemudi Biaya:

• <100>Wafer memiliki biaya terendah karena skala ekonomi;
• <111>Wafer membutuhkan proses pemotongan dan pemolesan khusus.

Ringkasan: Dasar kunci untuk memilih orientasi kristal