Les plans cristallins et l'orientation des cristaux sont deux concepts fondamentaux en cristallographie, étroitement liés à la structure cristalline dans la technologie des circuits intégrés à base de silicium.
1.Définition et propriétés de l’orientation cristalline
L'orientation cristalline représente une direction spécifique au sein d'un cristal, généralement exprimée par des indices d'orientation cristalline. L'orientation cristalline est définie en connectant deux points du réseau au sein de la structure cristalline et présente les caractéristiques suivantes : chaque orientation cristalline contient un nombre infini de points du réseau ; une orientation monocristalline peut être constituée de multiples orientations cristallines parallèles formant une famille d'orientations cristallines ; la famille d'orientation du cristal couvre tous les points du réseau du cristal.
L’importance de l’orientation du cristal réside dans l’indication de la disposition directionnelle des atomes à l’intérieur du cristal. Par exemple, l'orientation du cristal [111] représente une direction spécifique dans laquelle les rapports de projection des trois axes de coordonnées sont de 1:1:1.
2. Définition et propriétés des plans cristallins
Un plan cristallin est un plan de disposition des atomes dans un cristal, représenté par des indices de plan cristallin (indices de Miller). Par exemple, (111) indique que les réciproques des intersections du plan cristallin sur les axes de coordonnées sont dans un rapport de 1:1:1. Le plan cristallin a les propriétés suivantes : chaque plan cristallin contient un nombre infini de points du réseau ; chaque plan cristallin possède un nombre infini de plans parallèles formant une famille de plans cristallins ; la famille des plans cristallins couvre tout le cristal.
La détermination des indices de Miller consiste à prendre les intersections du plan cristallin sur chaque axe de coordonnées, à trouver leurs inverses et à les convertir dans le plus petit rapport entier. Par exemple, le plan cristallin (111) a des intersections sur les axes x, y et z dans un rapport de 1 : 1 : 1.
3. La relation entre les plans cristallins et l'orientation cristalline
Les plans cristallins et l’orientation cristalline sont deux manières différentes de décrire la structure géométrique d’un cristal. L'orientation cristalline fait référence à la disposition des atomes dans une direction spécifique, tandis qu'un plan cristallin fait référence à la disposition des atomes sur un plan spécifique. Ces deux éléments ont une certaine correspondance, mais ils représentent des concepts physiques différents.
Relation clé : Le vecteur normal d'un plan cristallin (c'est-à-dire le vecteur perpendiculaire à ce plan) correspond à une orientation cristalline. Par exemple, le vecteur normal du plan cristallin (111) correspond à l'orientation cristalline [111], ce qui signifie que la disposition atomique le long de la direction [111] est perpendiculaire à ce plan.
Dans les procédés semi-conducteurs, la sélection des plans cristallins affecte grandement les performances du dispositif. Par exemple, dans les semi-conducteurs à base de silicium, les plans cristallins couramment utilisés sont les plans (100) et (111) car ils ont des arrangements atomiques et des méthodes de liaison différents dans des directions différentes. Les propriétés telles que la mobilité électronique et l'énergie de surface varient selon les plans cristallins, influençant les performances et le processus de croissance des dispositifs semi-conducteurs.
4. Applications pratiques dans les processus de semi-conducteurs
Dans la fabrication de semi-conducteurs à base de silicium, l’orientation des cristaux et les plans cristallins sont appliqués sous de nombreux aspects :
Croissance cristalline : les cristaux semi-conducteurs sont généralement développés selon des orientations cristallines spécifiques. Les cristaux de silicium se développent le plus souvent selon les orientations [100] ou [111] car la stabilité et la disposition atomique dans ces orientations sont favorables à la croissance cristalline.
Processus de gravure : Lors de la gravure humide, différents plans cristallins ont des taux de gravure variables. Par exemple, les vitesses de gravure sur les plans (100) et (111) du silicium diffèrent, ce qui entraîne des effets de gravure anisotropes.
Caractéristiques du dispositif : La mobilité électronique dans les dispositifs MOSFET est affectée par le plan cristallin. En règle générale, la mobilité est plus élevée sur le plan (100), c'est pourquoi les MOSFET modernes à base de silicium utilisent principalement des tranches (100).
En résumé, les plans cristallins et les orientations cristallines sont deux manières fondamentales de décrire la structure des cristaux en cristallographie. L'orientation du cristal représente les propriétés directionnelles au sein d'un cristal, tandis que les plans cristallins décrivent des plans spécifiques au sein du cristal. Ces deux concepts sont étroitement liés dans la fabrication de semi-conducteurs. La sélection des plans cristallins a un impact direct sur les propriétés physiques et chimiques du matériau, tandis que l'orientation des cristaux influence la croissance des cristaux et les techniques de traitement. Comprendre la relation entre les plans cristallins et les orientations est crucial pour optimiser les processus de semi-conducteurs et améliorer les performances des dispositifs.
Heure de publication : 08 octobre 2024