Las orientaciones de los cristales de silicio que escuchamos a menudo son <100>, <110> y <111> (que se muestran en la Fig. 1), lo que indica respectivamente una familia cristalográfica. La estructura de silicio monocristalino pertenece a cristales cúbicos, y la familia de orientación de cristal <100> representa seis orientaciones de cristal: [100], [010], [001], [100], [0-10] y [00-1]. ]. Por lo tanto, rara vez escuchamos orientaciones de cristales como <001>, <011> y <101>, mientras que las orientaciones de cristales <100>, <110> y <111> son las más comunes. Entonces, ¿por qué es raro escuchar familias de orientación de cristales como <200> y <311> con índices superiores a 1? En realidad, la razón está relacionada con la densidad atómica y la energía de enlace del plano cristalino. La distancia entre los planos cristalinos d es mayor en comparación con otros planos cristalinos exponenciales mayores que 1. La densidad atómica del plano cristalino es mayor, la distancia entre los átomos es menor, la energía de enlace es mayor y la estabilidad del plano cristalino es más alto. Por lo tanto, la orientación del cristal de silicio <100>, <110>, <111> se usa comúnmente para sustratos de silicio o epitaxia. PAM-XIAMEN fabrica obleas de silicio con orientaciones de <100>, <110>, <111>; para obtener más especificaciones, consultehttps://www.powerwaywafer.com/silicon-wafer.

Fig. 1 Orientación del cristal de silicio: <100>, <110>, <111>

1. ¿Cuáles son las características de la orientación del cristal de silicio con <100>, <110> y <111>?

Para la orientación del cristal de silicio <100>, densidad de la superficie atómica = (1+4 × 1/4)/(a ^ 2) = 2/(a ^ 2), espaciado de la superficie del cristal d = a/√ (h ^ 2+ k ^ 2+l ^ 2) = 0,543 nm, densidad de enlace atómico n100 = 4/(a ^ 2);

Para la orientación del cristal de oblea <110>, densidad de la superficie atómica = (2+4×1/4+2×1/2)/(√2×(a ^ 2))=3,5/(a ^ 2), superficie del cristal espaciado d=a/√(h ^ 2+k ^ 2+l ^ 2)=0.384nm, densidad de enlace atómico n110=3√2/(2×a ^ 2)=2.1/(a ^ 2);

Para la oblea de silicio con orientación cristalina <111>, densidad de la superficie atómica=(3×1/6+3×1/2)/(√3/2×(a ^ 2))=2,31/(a ^ 2), espaciado del plano cristalino d=a/√(h ^ 2+k ^ 2+l ^ 2)=0.314nm, densidad de enlace atómico n111=2√3/(a ^ 2)=3.5/(a ^ 2);

La densidad atómica en el plano cristalino disminuye en el orden de 111>110>100, por lo que la velocidad de difusión y la velocidad de corrosión aumentan en la dirección de 111<110<100. La velocidad de corrosión en el plano 111 es de aproximadamente 1,48 um/min, en el plano 110 es de aproximadamente 3,0 um/min y en el plano 100 es de aproximadamente 3,4 um/min.

La tasa de oxidación es 111>110>100, lo que se debe a la alta densidad superficial de 111 átomos, más enlaces insaturados y una unión más rápida con el oxígeno.

La densidad de enlace atómico en la superficie <110> es la más baja, por lo que las obleas de silicio con una orientación <100> son más propensas a la fragmentación, mientras que las obleas con una orientación <100> son más propensas a la fragmentación en 4 partes iguales a lo largo de la dirección con la densidad de enlaces atómicos más baja y las obleas con una orientación <111> son más propensas a fragmentarse en 6 partes iguales.

El plano de escisión del silicio es <111>, debido a que <111> tiene la densidad superficial atómica más alta, los cristales de silicio que crecen naturalmente a menudo tienen la orientación cristalina <111> más externa.

2. Aplicaciones de las obleas de silicio orientadas a cristales <100>, <110> y <111>

2.1 Obleas de silicio orientadas a cristal <100> y <110> para MOSFET

Los sustratos de silicio orientados a cristales <100> se utilizan a menudo para fabricar dispositivos de potencia, como los MOSFET. Las razones se ilustran como:

Los dispositivos de potencia son generalmente dispositivos de canal de superficie y la densidad de los estados de defectos de la superficie tiene un impacto significativo en el voltaje umbral y la confiabilidad. La densidad superficial atómica de la superficie del plano cristalino (100) es la más pequeña y corresponde a la densidad superficial atómica de estados más baja. Hay menos enlaces insaturados en la superficie y se generan menos defectos cuando la superficie del dispositivo se oxida;

Debido a la baja densidad del plano cristalino (100), sus velocidades de oxidación térmica y grabado son relativamente rápidas, y los expertos en procesos han realizado más investigaciones sobre el proceso de orientación del cristal <100>.

Las obleas con <100> o <110> son planos cristalinos ampliamente utilizados en MEMS. En el proceso de lograr la corrosión, el grabado húmedo se basa principalmente en la diferencia en las velocidades de corrosión entre los diferentes planos cristalinos. Al adoptar un procesamiento de oblea de 100 planos, usar una máscara a lo largo de la dirección del cristal <110> y grabar en una solución alcalina, se puede lograr una superficie {111} lisa con un ángulo de 54,7 grados con la oblea de 100 planos. Se utiliza comúnmente en la producción de estructuras como sensores de presión. Cuando se graban en húmedo obleas de silicio de 110 lados, estas presentan características diferentes a las de las obleas de silicio de 100 lados. El grabado en 110 obleas de silicio planas produce {111} caras perpendiculares al sustrato, lo que puede proporcionar un área grande y una superficie óptica de alta calidad, y tiene una amplia gama de aplicaciones en el campo óptico.

2.2 <111> Orientación del cristal de silicio para dispositivos bipolares

La orientación del cristal de silicio <111> se utiliza más comúnmente en dispositivos bipolares debido a:

Estructura cristalina: en la orientación cristalina <111>, la estructura cristalina de las obleas de silicio tiene una simetría especial. Esta simetría permite un mejor control del movimiento de electrones y huecos en la fabricación de dispositivos bipolares, lo que resulta en un mejor control y rendimiento de la corriente, y permite la producción de dopaje muy superficial;

Características de la superficie: La densidad de la superficie atómica orientada al cristal <111> es la más alta y la velocidad de disolución es la más lenta. Al realizar uniones PN, es relativamente fácil controlar y obtener una superficie de unión plana y estable, lo cual es muy importante para fabricar dispositivos bipolares. Una superficie plana ayuda a fabricar estructuras y electrodos precisos, reducir las fugas de corriente y los efectos de túnel de electrones y mejorar el rendimiento y la confiabilidad del dispositivo. Además, la velocidad de oxidación hacia la orientación del cristal <111> de la oblea de silicio es mayor, lo que puede reducir el tiempo de oxidación;

Integración de dispositivos coplanares: debido a las buenas características de la superficie y la simetría de las obleas de silicio orientadas <111>, la integración de dispositivos coplanares se puede lograr fácilmente. Los dispositivos coplanares se refieren a dispositivos donde los electrones y los huecos operan en el mismo chip. Este diseño puede reducir la resistencia y la capacitancia entre dispositivos, mejorar la velocidad del dispositivo y la eficiencia energética.

Para obtener más información, por favor contáctenos por correo electrónico avictorchan@powerwaywafer.comypowerwaymaterial@gmail.com.