1。結晶構造と原子配置
1.1原子配置
<100>クリスタル方向
- 表面原子配置：原子はキューブの端に沿って配置され、正方形のグリッドを形成します。
- 原子密度：最低（原子\/cm²について）、原子距離は大きく、表面エネルギーが高くなっています。
- 結合方向：表面原子結合は、結晶面に垂直であり、高い化学活性を持っています。
100 010 001
<110>結晶表面
- 原子配置：キューブ面の対角線方向に沿って配置して、長方形のグリッドを形成します。
- 原子密度：中（原子について\/cm²について）。
- 結合方向：表面原子結合は、機械的強度が高い45度で傾斜しています。
1.2表面エネルギーと化学的安定性
<111>><110>><100>（化学物質の安定性のランキング）
- <111>表面は、その原子密度が高く強い結合により、最高の耐食性があります。
- <100>表面原子は緩んでおり、化学物質（KOHなど）で簡単にエッチングされています。
2。異方性行動
2.1ウェット化学エッチング（例としてKOHを取る）
| クリスタルオリエンテーション | エッチング率（80度、30％KOH） | エッチング形態 | 異方性比（<100>:<111>) |
| <100> | 〜1.4μm\/min | v-groove（サイドウォール54.7度） | 100:1 |
| <110> | 〜0。8μm\/min | 垂直深い溝（サイドウォール90度） | 50:01:00 |
| <111> | 〜0。01μm\/min | 平らな表面（エッチング停止層） | - |
- 重要なメカニズム：シリコン上のKOHのエッチング速度は、結晶方向に沿った原子結合の曝露の程度に直接関係しています。
- <100>：原子結合はOH⁻によって簡単に攻撃され、エッチング速度は高速です。
- <111>：原子結合はしっかりと保護されており、ほとんど反応しません。
2.2乾燥エッチング（プラズマエッチングなど）
- クリスタルの向きはほとんど効果がありませんが、<111>高密度表面は、マイクロマスキング効果を引き起こし、局所的な粗さを形成する可能性があります。
3。プロセス特性の比較
3.1酸化物層の品質
| クリスタルオリエンテーション | sio₂欠陥密度（cm⁻²） | インターフェイス状態密度（cm⁻²・ev⁻¹） | ゲート漏れ電流（na\/cm²） |
| <100> | <1×10¹⁰ | ~1×10¹⁰ | <1 |
| <111> | ~1×10¹¹ | ~1×10¹¹ | >10 |
| <110> | ~5×10¹⁰ | ~5×10¹⁰ | ~5 |
- <100>利点：低い酸化物層は、CMOSデバイスのコア要件です。
3.2キャリアモビリティ（300k）
| クリスタルオリエンテーション | 電子移動度（cm²\/（v・s）） | ホールモビリティ（cm²\/（v・s）） |
| <100> | 1500 | 450 |
| <110> | 1200 | 350 |
| <111> | 900 | 250 |
- 理由：<100>クリスタル平面は、シリコン格子の対称性と一致し、キャリア散乱を減らします。
4。機械的および熱特性
4.1機械的強度<111>><110>><100>
- 骨折の靭性は次のとおりです。{{0}}}。8mpa・m¹\/²、0。
- アプリケーションの例：MEMS圧力センサーは主に使用されます<110>疲労抵抗がより良いため、ウェーハ<100>.
4.2熱膨張係数
シリコンの異方性は、異なる結晶方向の熱膨張係数の違いにつながります。
- <100>: 2.6×10⁻⁶ /K
- <110>: 1.6×10⁻⁶ /K
- <111>: 0.5×10⁻⁶ /K
インパクト：<111>ウェーハは高温プロセスでストレスをかける傾向があり、熱予算を慎重に設計する必要があります。
5. アプリケーションシナリオ
5.1 <100>クリスタルオリエンテーション
- 統合サーキット（ICS）：世界のロジックチップの95％以上（CPUやDRAMなど）が使用しています<100>ウェーハ。
- 利点：インターフェイス状態密度が低く、キャリアの移動度が高く、酸化物層の均一性。
- 太陽電池：異方性エッチングによって形成されたピラミッド構造、<5%.
- 例：TSMCの3NMプロセスはに基づいています<100>ゲートの長さ12nmのシリコン。
5.2 <110>クリスタルオリエンテーション
MEMSデバイス：
- Accelerometers: Use vertical deep grooves to make movable masses (aspect ratio >20:1).
- 圧力センサー：ピエゾ耐性係数は最大です<110>方向（たとえば、シリコンのπ₁₁係数は6.6×10^-11pa⁻¹）です。
- 高周波デバイス：<110>シリコン基質は、GAASエピタキシャルの成長における格子の不一致ストレスを減らすことができます。
5.3 <111>クリスタルオリエンテーション
光電子デバイス：
- ガンエピタキシャル：高い格子マッチ<111>シリコン（17％の不一致、と比較<100> 23%).
- 量子ドットアレイ：高密度の原子面は、秩序ある核生成部位を提供します。
- ナノ構造テンプレート：AFMプローブのヒントまたはナノワイヤの成長に使用されます。
6。コストと産業チェーン
| クリスタルオリエンテーション | 市場占有率 | 価格（に関連して<100>) | 標準化されたプロセスの成熟度 |
| <100>> | 90% | ベンチマーク（1×） | 完全に標準化されています |
| <110> | ~5% | 2–3× | 部分的にカスタマイズされています |
| <111> | <5% | 4–5× | 高度にカスタマイズされています |
コストドライバー：
- <100>ウェーハは、規模の経済により最も低いコストがあります。
- <111>ウェーハには、特別な切断と研磨プロセスが必要です。
概要：クリスタルの向きを選択するための重要な基盤
| 要求 | 推奨されるクリスタルの向き | 理由 |
| 高性能CMO | <100> | 低界面の状態密度、高可動性、成熟プロセスチェーン |
| メンバーの深いtrench構造 | <110> | 垂直エッチング機能、高い機械的強度 |
| 光電子装置\/量子材料 | <111> | 高い化学物質の安定性、格子マッチングの利点 |
| 低コストの大量生産 | <100> | スケール効果、標準化されたサプライチェーン |