Kiteen tasot ja kiteen orientaatio ovat kaksi ydinkäsitettä kristallografiassa, jotka liittyvät läheisesti piipohjaisen integroitujen piirien tekniikan kiderakenteeseen.
1. Kiteen orientaation määritelmä ja ominaisuudet
Kiteen orientaatio edustaa tiettyä suuntaa kiteen sisällä, joka tyypillisesti ilmaistaan kideorientaatioindekseillä. Kiteen orientaatio määritellään yhdistämällä mitkä tahansa kaksi hilapistetta kiderakenteessa, ja sillä on seuraavat ominaisuudet: jokainen kideorientaatio sisältää äärettömän määrän hilapisteita; yksi kideorientaatio voi koostua useista rinnakkaisista kideorientaatioista, jotka muodostavat kideorientaatioperheen; kideorientaatioperhe kattaa kaikki kiteen hilapisteet.
Kiteen orientaation merkitys piilee atomien suuntajärjestyksen osoittamisessa kiteessä. Esimerkiksi [111]-kiteen orientaatio edustaa tiettyä suuntaa, jossa kolmen koordinaattiakselin projektiosuhteet ovat 1:1:1.
2. Kitetasojen määritelmä ja ominaisuudet
Kiteen taso on atomien järjestyksen taso kiteen sisällä, jota edustavat kidetason indeksit (Millerin indeksit). Esimerkiksi yhtälö (111) osoittaa, että kidetason leikkauspisteiden käänteisluvut koordinaattiakseleilla ovat suhteessa 1:1:1. Kiteen tasolla on seuraavat ominaisuudet: jokainen kidetaso sisältää äärettömän määrän hilapisteitä; jokainen kidetaso sisältää äärettömän määrän rinnakkaisia tasoja, jotka muodostavat kidetasoperheen; kidetasoperhe kattaa koko kiteen.
Millerin indeksien määrittämiseen kuuluu kidetason leikkauspisteiden ottaminen kullakin koordinaattiakselilla, niiden käänteislukujen löytäminen ja muuntaminen pienimmäksi kokonaislukusuhteeksi. Esimerkiksi (111)-kidetasolla on leikkauspisteitä x-, y- ja z-akseleilla suhteessa 1:1:1.
3. Kiteen tasojen ja kiteen orientaation välinen suhde
Kiteen tasot ja kiteen orientaatio ovat kaksi eri tapaa kuvata kiteen geometrista rakennetta. Kiteen orientaatio viittaa atomien järjestäytymiseen tiettyyn suuntaan, kun taas kiteen taso viittaa atomien järjestäytymiseen tietyllä tasolla. Näillä kahdella on tietty vastaavuus, mutta ne edustavat erilaisia fysikaalisia käsitteitä.
Keskeinen suhde: Kiteen tason normaalivektori (eli vektori, joka on kohtisuorassa kyseiseen tasoon nähden) vastaa kiteen suuntausta. Esimerkiksi (111)-kidetason normaalivektori vastaa [111]-kidesuuntaa, mikä tarkoittaa, että atomien järjestys [111]-suunnassa on kohtisuorassa kyseiseen tasoon nähden.
Puolijohdeprosesseissa kidetasojen valinta vaikuttaa suuresti laitteen suorituskykyyn. Esimerkiksi piipohjaisissa puolijohteissa yleisesti käytettyjä kidetasoja ovat (100) ja (111) -tasot, koska niillä on erilaiset atomien järjestykset ja sidosmenetelmät eri suunnissa. Ominaisuudet, kuten elektronien liikkuvuus ja pintaenergia, vaihtelevat eri kidetasoissa, mikä vaikuttaa puolijohdelaitteiden suorituskykyyn ja kasvuprosessiin.
4. Käytännön sovellukset puolijohdeprosesseissa
Piipohjaisessa puolijohteiden valmistuksessa kideorientaatiota ja kidetasoja sovelletaan monin tavoin:
Kiteen kasvu: Puolijohdekiteitä kasvatetaan tyypillisesti tiettyjen kideorientaatioiden mukaisesti. Piikiteet kasvavat yleisimmin [100]- tai [111]-orientaatioiden mukaisesti, koska näiden orientaatioiden stabiilius ja atomien järjestely ovat suotuisia kiteen kasvulle.
Etsausprosessi: Märkäetsauksessa eri kidetasoilla on vaihtelevat etsausnopeudet. Esimerkiksi piin (100)- ja (111)-tasojen etsausnopeudet eroavat toisistaan, mikä johtaa anisotrooppisiin etsausefekteihin.
Laiteominaisuudet: MOSFET-transistoreiden elektronien liikkuvuuteen vaikuttaa kidetaso. Liikkuvuus on tyypillisesti suurempi (100)-tasossa, minkä vuoksi nykyaikaisissa piipohjaisissa MOSFET-transistoreissa käytetään pääasiassa (100)-kiekkoja.
Yhteenvetona voidaan todeta, että kidetasot ja kideorientaatiot ovat kaksi perustavanlaatuista tapaa kuvata kiteiden rakennetta kristallografiassa. Kideorientaatio edustaa kiteen sisäisiä suuntaominaisuuksia, kun taas kidetasot kuvaavat tiettyjä kiteen sisäisiä tasoja. Nämä kaksi käsitettä liittyvät läheisesti toisiinsa puolijohdevalmistuksessa. Kidetasojen valinta vaikuttaa suoraan materiaalin fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin, kun taas kideorientaatio vaikuttaa kiteen kasvuun ja prosessointitekniikoihin. Kidetasojen ja orientaatioiden välisen suhteen ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää puolijohdeprosessien optimoimiseksi ja laitteiden suorituskyvyn parantamiseksi.
Julkaisun aika: 08.10.2024