Les plans cristallins et l'orientation des cristaux sont deux concepts fondamentaux de la cristallographie, étroitement liés à la structure cristalline de 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 par la connexion de deux points quelconques du réseau cristallin. Elle présente les caractéristiques suivantes : chaque orientation cristalline contient un nombre infini de points du réseau ; une même orientation cristalline peut être constituée de plusieurs orientations cristallines parallèles formant une famille d'orientations cristallines ; cette famille d'orientations cristallines couvre tous les points du réseau cristallin.
L'importance de l'orientation cristalline réside dans la disposition directionnelle des atomes au sein du cristal. Par exemple, l'orientation cristalline [111] représente une direction spécifique où 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 d'arrangement atomique au sein d'un cristal, représenté par des indices de plan cristallin (indices de Miller). Par exemple, (111) indique que les inverses des interceptions du plan cristallin sur les axes de coordonnées sont dans un rapport de 1:1:1. Le plan cristallin possède les propriétés suivantes : chaque plan cristallin contient une infinité de points de réseau ; chaque plan cristallin possède une infinité de plans parallèles formant une famille de plans cristallins ; cette famille couvre l'ensemble du cristal.
La détermination des indices de Miller consiste à prendre les ordonnées à l'origine du plan cristallin sur chaque axe de coordonnées, à trouver leurs inverses et à les convertir en leur plus petit rapport entier. Par exemple, le plan cristallin (111) présente des ordonnées à l'origine 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 selon une direction spécifique, tandis que le plan cristallin fait référence à la disposition des atomes sur un plan spécifique. Ces deux notions ont une certaine correspondance, mais elles 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 selon la direction [111] est perpendiculaire à ce plan.
Dans les procédés de fabrication de semi-conducteurs, le choix des plans cristallins influence considérablement les performances des dispositifs. Par exemple, dans les semi-conducteurs à base de silicium, les plans cristallins (100) et (111) couramment utilisés sont ceux présentant des arrangements atomiques et des méthodes de liaison différents selon les directions. Des propriétés telles que la mobilité électronique et l'énergie de surface varient selon les plans cristallins, ce qui influence les performances et le processus de croissance des dispositifs semi-conducteurs.
4. Applications pratiques dans les procédés de fabrication de semi-conducteurs
Dans la fabrication de semi-conducteurs à base de silicium, l'orientation des cristaux et les plans cristallins sont appliqués dans de nombreux aspects :
Croissance cristalline : Les cristaux semi-conducteurs sont généralement développés selon des orientations cristallines spécifiques. Les cristaux de silicium se développent généralement selon les orientations [100] ou [111], car la stabilité et la disposition atomique de ces orientations sont favorables à la croissance cristalline.
Procédé de gravure : En gravure humide, les vitesses de gravure varient selon les plans cristallins. Par exemple, les vitesses de gravure des plans (100) et (111) du silicium diffèrent, ce qui entraîne des effets de gravure anisotropes.
Caractéristiques du dispositif : La mobilité des électrons dans les dispositifs MOSFET est affectée par le plan cristallin. Généralement, la mobilité est plus élevée sur le plan (100), ce qui explique pourquoi les MOSFET modernes à base de silicium utilisent principalement des plaquettes (100).
En résumé, les plans cristallins et les orientations cristallines sont deux manières fondamentales de décrire la structure des cristaux en cristallographie. L'orientation cristalline 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 des semi-conducteurs. Le choix des plans cristallins a un impact direct sur les propriétés physiques et chimiques du matériau, tandis que l'orientation cristalline influence la croissance et les techniques de traitement des cristaux. Comprendre la relation entre les plans cristallins et les orientations est crucial pour optimiser les procédés de fabrication des semi-conducteurs et améliorer les performances des dispositifs.
Date de publication : 08/10/2024