Les plans cristallins et l'orientation cristalline 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. Elle est définie en reliant deux points quelconques du réseau cristallin et présente les caractéristiques suivantes : chaque orientation cristalline contient une infinité de points ; une même orientation peut être constituée de plusieurs orientations parallèles formant une famille d'orientations ; cette famille d'orientations englobe tous les points du réseau cristallin.
L'importance de l'orientation cristalline réside dans sa capacité à indiquer 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 intersections du plan cristallin avec les axes de coordonnées sont dans le rapport 1:1:1. Un plan cristallin possède les propriétés suivantes : il contient une infinité de nœuds du réseau ; il est associé à une infinité de plans parallèles formant une famille de plans cristallins ; cette famille de plans cristallins recouvre l'ensemble du cristal.
La détermination des indices de Miller consiste à calculer les intersections du plan cristallin avec chaque axe de coordonnées, à trouver leurs inverses et à les exprimer sous forme de rapport d'entiers irréductibles. Par exemple, le plan cristallin (111) présente des intersections avec les axes x, y et z dans le rapport 1:1:1.
3. Relation entre les plans cristallins et l'orientation des cristaux
Les plans cristallins et l'orientation cristalline sont deux manières différentes de décrire la structure géométrique d'un cristal. L'orientation cristalline désigne l'arrangement des atomes selon une direction spécifique, tandis qu'un plan cristallin désigne l'arrangement des atomes sur un plan spécifique. Ces deux notions présentent une certaine correspondance, mais elles représentent des concepts physiques distincts.
Relation clé : Le vecteur normal à un plan cristallin (c’est-à-dire le vecteur perpendiculaire à ce plan) correspond à une orientation cristalline. Par exemple, le vecteur normal au plan cristallin (111) correspond à l’orientation cristalline [111], ce qui signifie que l’arrangement atomique le long de la direction [111] est perpendiculaire à ce plan.
Dans les procédés de fabrication des semi-conducteurs, le choix des plans cristallins influence fortement les performances des dispositifs. Par exemple, dans les semi-conducteurs à base de silicium, les plans cristallins (100) et (111) sont couramment utilisés car ils présentent des arrangements atomiques et des modes 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 a une incidence sur les performances et le processus de croissance des dispositifs semi-conducteurs.
4. Applications pratiques dans les procédés de fabrication des semi-conducteurs
Dans la fabrication des semi-conducteurs à base de silicium, l'orientation cristalline et les plans cristallins sont utilisés dans de nombreux domaines :
Croissance cristalline : Les cristaux semi-conducteurs sont généralement cultivés selon des orientations cristallines spécifiques. Les cristaux de silicium croissent le plus souvent selon les orientations [100] ou [111] car la stabilité et l’arrangement atomique dans ces orientations sont favorables à la croissance cristalline.
Procédé de gravure : Lors de la gravure chimique, 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 engendre des effets de gravure anisotropes.
Caractéristiques du dispositif : La mobilité des électrons dans les transistors MOSFET est influencée 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 majoritairement des plaquettes (100).
En résumé, les plans cristallins et les orientations cristallines sont deux concepts fondamentaux pour 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 à l'intérieur de ce cristal. Ces deux concepts sont étroitement liés dans la fabrication des semi-conducteurs. Le choix des plans cristallins influe directement sur les propriétés physiques et chimiques du matériau, tandis que l'orientation cristalline influence les techniques de croissance et de traitement des cristaux. Comprendre la relation entre les plans cristallins et les orientations est essentiel pour optimiser les procédés de fabrication des semi-conducteurs et améliorer les performances des dispositifs.
Date de publication : 8 octobre 2024