Qual è la differenza tra il wafer di silicio<100>, <110>, <111>?

1. Struttura cristallina e disposizione atomica
1.1 disposizione atomica

<100>Direzione cristallina

• Disposizione atomica di superficie: gli atomi sono disposti lungo il bordo del cubo per formare una griglia quadrata.
• Densità atomica: il più basso (circa atomi/cm²), la distanza atomica è grande e l'energia superficiale è alta.
• Direzione di legame: i legami atomici di superficie sono perpendicolari al piano cristallino e hanno un'elevata attività chimica.

100                                              010                                              001

<110>Superficie cristallina

• Disposizione atomica: disposta lungo la direzione diagonale del cubo per formare una griglia rettangolare.
• Densità atomica: mezzo (circa atomi/cm²).
• Direzione di legame: i legami atomici di superficie sono inclinati a 45 gradi, con elevata resistenza meccanica.

1.2 Energia superficiale e stabilità chimica
<111>><110>><100>(Classifica della stabilità chimica)

• <111>La superficie ha la migliore resistenza alla corrosione dovuta alla sua alta densità atomica e al forte legame;
• <100>Gli atomi di superficie sono sciolti e facilmente incisi da sostanze chimiche (come KOH).

2. Comportamento anisotropico
2.1 Incisione chimica a umido (prendendo KOH come esempio)

• Meccanismo chiave: il tasso di attacco di KOH sul silicio è direttamente correlato al grado di esposizione dei legami atomici lungo la direzione del cristallo.
• <100>: I legami atomici vengono facilmente attaccati da OH⁻ e la velocità di attacco è veloce;
• <111>: I legami atomici sono strettamente schermati e quasi non reattivi.

2.2 Incisione a secco (come l'attacco al plasma)

• L'orientamento cristallino ha scarso effetto, ma il<111>La superficie ad alta densità può causare effetto micro-maschera e formare la rugosità locale.

3. Confronto delle caratteristiche del processo
3.1 Qualità dello strato di ossido

• <100>Vantaggi: lo strato di ossido a basso defetto è un requisito fondamentale dei dispositivi CMOS.

3.2 mobilità del vettore (300k)

• Motivo: il<100>Il piano di cristallo corrisponde alla simmetria del reticolo del silicio, riducendo la dispersione del trasporto.

4. Proprietà meccaniche e termiche
4.1 resistenza meccanica<111>><110>><100>

• La tenacità della frattura è: {{0}}. 8 mpa · m¹/², 0. 7 mpa · m¹/², 0,6 mpa · m¹/²
• Esempio di applicazione: i sensori di pressione MEMS utilizzano principalmente<110>wafer perché la loro resistenza alla fatica è migliore di<100>.

4.2 Coefficiente di espansione termica
L'anisotropia del silicio porta a differenze nei coefficienti di espansione termica in diverse direzioni di cristalli:

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

Impatto:<111>I wafer sono soggetti a stress nei processi ad alta temperatura e i budget termici devono essere progettati attentamente.

5. Scenari di applicazione
5.1 <100>Orientamento del cristallo

• Circuiti integrati (ICS): oltre il 95% dei chip logici del mondo (come CPU e drammi)<100>wafer.
• Vantaggi: bassa densità dello stato di interfaccia, alta mobilità portante e uniformità dello strato di ossido.
• Cellule solari: struttura piramidale formata dall'attacco anisotropico, con una riflettività di<5%.
• Esempio: il processo 3NM di TSMC si basa su<100>silicio, con una lunghezza del cancello di 12 nm.

5.2 <110>Orientamento del cristallo
Dispositivi MEMS:

• Accelerometers: Use vertical deep grooves to make movable masses (aspect ratio >20:1).
• Sensori di pressione: il coefficiente di piezoresistenza è il più grande del<110>Direzione (ad es. Il coefficiente π₁₁ del silicio è 6,6 × 10^-11 pa⁻¹).
• Dispositivi ad alta frequenza:<110>I substrati di silicio possono ridurre lo stress di mancata corrispondenza reticolare nella crescita epitassiale GAAS.

5.3 <111>Orientamento del cristallo
Dispositivi optoelettronici:

• GAN Epitassiale: abbinamento ad alta reticolo con<111>silicio (mancata corrispondenza del 17%, rispetto a<100> 23%).
• Array di punti quantici: i piani atomici ad alta densità forniscono siti di nucleazione ordinati.
• Modelli di nanostrutture: utilizzati per punte di sonda AFM o crescita dei nanofili.

6. Costo e catena industriale

Driver di costo:

• <100>I wafer hanno il costo più basso a causa delle economie di scala;
• <111>I wafer richiedono speciali processi di taglio e lucidatura.

Riepilogo: la base chiave per la selezione dell'orientamento al cristallo