1. 결정 구조 및 원자 배열
1.1 원자 배열
<100>결정 방향
- 표면 원자 배열 : 원자는 큐브의 가장자리를 따라 배열되어 사각형 그리드를 형성합니다.
- 원자 밀도 : 가장 낮은 (원자\/cm²), 원자 거리가 크고 표면 에너지가 높습니다.
- 결합 방향 : 표면 원자 결합은 결정 평면에 수직이며 높은 화학 활성을 갖는다.
100 010 001
<110>결정 표면
- 원자 배열 : 직사각형 그리드를 형성하기 위해 큐브면의 대각선 방향을 따라 배열됩니다.
- 원자 밀도 : 중간 (약 원자\/cm²).
- 결합 방향 : 표면 원자 결합은 높은 기계적 강도로 45 도로 기울어집니다.
1.2 표면 에너지 및 화학적 안정성
<111>><110>><100>(화학적 안정성 순위)
- <111>표면은 원자 밀도가 높고 강한 결합으로 인해 가장 좋은 부식성을 갖는다.
- <100>표면 원자는 화학 물질 (예 : KOH)에 의해 느슨하고 쉽게 에칭됩니다.
2. 이방성 행동
2.1 습식 화학 에칭 (예를 들어 KOH 복용)
| 결정 방향 | 에칭 속도 (80도, 30% KOH) | 에칭 형태 | 이방성 비율 (<100>:<111>) |
| <100> | ~ 1.4 μm\/분 | V 그루브 (Sidewall 54.7도) | 100:1 |
| <110> | ~ 0. 8 μm\/min | 수직 딥 그루브 (Sidewall 90도) | 50:01:00 |
| <111> | ~ 0. 01 μm\/min | 평평한 표면 (에칭 스톱 층) | - |
- 주요 메커니즘 : 실리콘에서 KOH의 에칭 속도는 결정 방향을 따라 원자 결합의 노출 정도와 직접 관련이 있습니다.
- <100>: 원자 결합은 OHA에 의해 쉽게 공격 할 수 있으며, 에칭 속도는 빠릅니다.
- <111>: 원자 결합은 단단히 차폐되고 거의 반응하지 않습니다.
2.2 드라이 에칭 (예 : 플라즈마 에칭)
- 결정 방향은 거의 영향을 미치지 만<111>고밀도 표면은 마이크로 마스킹 효과를 유발하고 국소 거칠기를 형성 할 수 있습니다.
3. 프로세스 특성 비교
3.1 산화물 층 품질
| 결정 방향 | sioity 결함 밀도 (cm⁻²) | 인터페이스 상태 밀도 (cm ² · ev⁻¹) | 게이트 누출 전류 (NA\/CM²) |
| <100> | <1×10¹⁰ | ~1×10¹⁰ | <1 |
| <111> | ~1×10¹¹ | ~1×10¹¹ | >10 |
| <110> | ~5×10¹⁰ | ~5×10¹⁰ | ~5 |
- <100>장점 : 낮은 변성 산화물 층은 CMOS 장치의 핵심 요구 사항입니다.
3.2 캐리어 이동성 (300K)
| 결정 방향 | 전자 이동성 (cm²\/(v · s)) | 홀 이동성 (cm²\/(v · s)) |
| <100> | 1500 | 450 |
| <110> | 1200 | 350 |
| <111> | 900 | 250 |
- 이유 :<100>크리스탈 평면은 실리콘 격자의 대칭과 일치하여 캐리어 산란을 줄입니다.
4. 기계 및 열 특성
4.1 기계적 강도<111>><110>><100>
- 골절 강인함은 다음과 같습니다. {{{0}}. 8 MPa · M¹\/², 0.
- 적용 예 : MEMS 압력 센서는 주로 사용됩니다<110>피로 저항이 낫기 때문에 웨이퍼<100>.
4.2 열 팽창 계수
실리콘의 이방성은 다른 결정 방향으로 열 팽창 계수의 차이를 초래합니다.
- <100>: 2.6×10⁻⁶ /K
- <110>: 1.6×10⁻⁶ /K
- <111>: 0.5×10⁻⁶ /K
영향:<111>웨이퍼는 고온 과정에서 스트레스를 받기 쉬우 며 열 예산은 신중하게 설계되어야합니다.
5. 응용 프로그램 시나리오
5.1 <100>결정 방향
- 통합 회로 (ICS) : 세계 논리 칩의 95% 이상 (예 : CPU 및 DRAM) 사용<100>웨이퍼.
- 장점 : 낮은 인터페이스 상태 밀도, 높은 캐리어 이동성 및 산화물 층 균일 성.
- 태양 전지 : 이방성 에칭에 의해 형성된 피라미드 구조, 반사율<5%.
- 예 : TSMC의 3NM 프로세스는 기반입니다<100>게이트 길이가 12nm 인 실리콘.
5.2 <110>결정 방향
MEMS 장치 :
- Accelerometers: Use vertical deep grooves to make movable masses (aspect ratio >20:1).
- 압력 센서 : 압전 저항 계수는<110>방향 (예 : 실리콘의 π₁₁ 계수는 6.6 × 10^-11 pa⁻¹)입니다.
- 고주파 장치 :<110>실리콘 기판은 GAAS 에피 택셜 성장에서 격자 불일치 스트레스를 감소시킬 수 있습니다.
5.3 <111>결정 방향
광전자 장치 :
- 간 에피 택셜 : 높은 격자 일치<111>실리콘 (17% 불일치)<100> 23%).
- 양자점 어레이 : 고밀도 원자 평면은 정렬 된 핵 생성 부위를 제공합니다.
- 나노 구조 템플릿 : AFM 프로브 팁 또는 나노 와이어 성장에 사용됩니다.
6. 비용 및 산업 체인
| 결정 방향 | 시장 점유율 | 가격 (상대<100>) | 표준화 된 프로세스 성숙도 |
| <100>> | 90% | 벤치 마크 (1 ×) | 완전히 표준화되었습니다 |
| <110> | ~5% | 2–3× | 부분적으로 사용자 정의 |
| <111> | <5% | 4–5× | 고도로 사용자 정의 |
비용 운전자 :
- <100>웨이퍼는 규모의 경제로 인해 비용이 가장 낮습니다.
- <111>웨이퍼에는 특별한 절단 및 연마 공정이 필요합니다.
요약 : 결정 방향을 선택하는 핵심 기반
| 수요 | 권장 결정 방향 | 이유 |
| 고성능 CMO | <100> | 낮은 인터페이스 상태 밀도, 높은 이동성, 성숙한 프로세스 체인 |
| MEMS 깊은 트렌치 구조 | <110> | 수직 에칭 능력, 높은 기계 강도 |
| 광전자 장치\/양자 재료 | <111> | 높은 화학적 안정성, 격자 매칭 장점 |
| 저비용 대량 생산 | <100> | 스케일 효과, 표준화 된 공급망 |