Kryštálové roviny a orientácia kryštálov sú dva základné koncepty v kryštalografii, úzko súvisiace s kryštálovou štruktúrou v technológii integrovaných obvodov na báze kremíka.
1. Definícia a vlastnosti orientácie kryštálov
Orientácia kryštálov predstavuje špecifický smer v kryštáli, typicky vyjadrený indexmi orientácie kryštálov. Orientácia kryštálov je definovaná spojením ľubovoľných dvoch mriežkových bodov v kryštálovej štruktúre a má nasledujúce charakteristiky: každá orientácia kryštálov obsahuje nekonečný počet mriežkových bodov; orientácia jedného kryštálu môže pozostávať z viacerých paralelných orientácií kryštálov, ktoré tvoria rodinu orientácií kryštálov; rodina orientácií kryštálov pokrýva všetky mriežkové body v kryštáli.
Význam orientácie kryštálov spočíva v naznačení smerového usporiadania atómov v kryštáli. Napríklad orientácia kryštálov [111] predstavuje špecifický smer, kde sú pomery projekcií troch súradnicových osí 1:1:1.
2. Definícia a vlastnosti kryštálových rovín
Kryštálová rovina je rovina usporiadania atómov v kryštáli, reprezentovaná indexmi kryštálových rovín (Millerove indexy). Napríklad (111) znamená, že prevrátené hodnoty priesečníkov kryštálovej roviny na súradnicových osiach sú v pomere 1:1:1. Kryštálová rovina má nasledujúce vlastnosti: každá kryštálová rovina obsahuje nekonečný počet mriežkových bodov; každá kryštálová rovina má nekonečný počet rovnobežných rovín tvoriacich rodinu kryštálových rovín; rodina kryštálových rovín pokrýva celý kryštál.
Stanovenie Millerových indexov zahŕňa nájdenie priesečníkov kryštálovej roviny na každej súradnicovej osi, nájdenie ich recipročných hodnôt a ich prevod na najmenší celočíselný pomer. Napríklad kryštálová rovina (111) má priesečníky na osiach x, y a z v pomere 1:1:1.
3. Vzťah medzi kryštálovými rovinami a orientáciou kryštálov
Kryštálové roviny a orientácia kryštálu sú dva rôzne spôsoby opisu geometrickej štruktúry kryštálu. Orientácia kryštálu sa vzťahuje na usporiadanie atómov pozdĺž určitého smeru, zatiaľ čo kryštálová rovina sa vzťahuje na usporiadanie atómov v určitej rovine. Tieto dva pojmy majú určitú korešpondenciu, ale predstavujú odlišné fyzikálne koncepty.
Kľúčový vzťah: Normálový vektor kryštálovej roviny (t. j. vektor kolmý na túto rovinu) zodpovedá orientácii kryštálu. Napríklad normálový vektor kryštálovej roviny (111) zodpovedá orientácii kryštálu [111], čo znamená, že usporiadanie atómov pozdĺž smeru [111] je kolmé na túto rovinu.
V polovodičových procesoch výber kryštálových rovín výrazne ovplyvňuje výkon zariadenia. Napríklad v polovodičoch na báze kremíka sa bežne používanými kryštálovými rovinami stali roviny (100) a (111), pretože majú rôzne usporiadanie atómov a spôsoby väzieb v rôznych smeroch. Vlastnosti, ako je pohyblivosť elektrónov a povrchová energia, sa v rôznych kryštálových rovinách líšia, čo ovplyvňuje výkon a proces rastu polovodičových zariadení.
4. Praktické aplikácie v polovodičových procesoch
Pri výrobe polovodičov na báze kremíka sa orientácia kryštálov a kryštálové roviny uplatňujú v mnohých aspektoch:
Rast kryštálov: Polovodičové kryštály sa typicky pestujú pozdĺž špecifických kryštálových orientácií. Kryštály kremíka najčastejšie rastú pozdĺž orientácií [100] alebo [111], pretože stabilita a usporiadanie atómov v týchto orientáciách sú priaznivé pre rast kryštálov.
Proces leptania: Pri mokrom leptaní majú rôzne kryštálové roviny rôzne rýchlosti leptania. Napríklad rýchlosti leptania na rovinách (100) a (111) kremíka sa líšia, čo vedie k anizotropným leptacím efektom.
Charakteristiky zariadenia: Mobilita elektrónov v MOSFET tranzistoroch je ovplyvnená kryštálovou rovinou. Mobilita je zvyčajne vyššia v rovine (100), a preto moderné kremíkové MOSFETy prevažne používajú doštičky (100).
Stručne povedané, kryštálové roviny a orientácie kryštálov sú dva základné spôsoby opisu štruktúry kryštálov v kryštalografii. Orientácia kryštálov predstavuje smerové vlastnosti v kryštáli, zatiaľ čo kryštálové roviny opisujú špecifické roviny v kryštáli. Tieto dva koncepty spolu úzko súvisia vo výrobe polovodičov. Výber kryštálových rovín priamo ovplyvňuje fyzikálne a chemické vlastnosti materiálu, zatiaľ čo orientácia kryštálov ovplyvňuje rast kryštálov a techniky spracovania. Pochopenie vzťahu medzi kryštálovými rovinami a orientáciami je kľúčové pre optimalizáciu polovodičových procesov a zlepšenie výkonu zariadení.
Čas uverejnenia: 8. októbra 2024