3.2.2 晶體結構與晶向

材料中原子的組織結構的差異是區分材料不同的一種方式。有些材料，例如硅和鍺，原子在整個材料里重復排列成非常固定的結構，這種材料稱為晶體。原子沒有固定的周期性排列的材料稱為非晶體或無定形。塑料就是無定形材料的例子[1]。

對于晶體材料實際上可能存在兩個級別的原子組織結構。第一個是單個原子的組織結構，晶體里的原子排列為晶胞結構，晶胞是晶體結構的第一個級別，晶胞結構在晶體里到處重復；另一個涉及晶胞結構的術語是晶格，晶體材料具有特定的晶格結構，并且原子位于晶格結構的特定點。

在晶胞里原子的數量、相對位置及原子間的結合能會引發材料的許多特性。每個晶體材料具有獨一無二的晶胞。硅晶胞具有16個原子排列成金剛石結構（見圖3.1）。砷化鎵晶體具有18個原子的晶胞結構稱為閃鋅礦結構（見圖3.2）。

對于一個晶圓，除了要有單晶結構之外，還需要有特定的晶向。可以通過切割一個單晶塊來想象這個概念，在垂直平面上切割將會暴露一組平面，而角對角切割將會暴露一個不同的平面。每個平面是獨一無二的，不同之處在于原子數和原子間的結合能。每個平面具有不同的化學、電學和物理特性，這些特性將被賦予晶圓，這就要求晶圓需要特定的晶體定向及晶向。

為了表述晶向，我們需要用到坐標系。在晶體中，坐標系有三個軸：x、y和z，如圖3.3所示。這里把坐標的交點設為0，將沿每個坐標軸任意等距離的單位設為1，這些被稱為單位值。如果晶體是單晶結構，那么所有的晶胞都會沿著這個坐標軸重復地排列。

晶面通過被稱為密勒指數的三個數字進行組合來表示的。在密勒系統的符號里，小括號（）用來表示特殊的平面，而尖括號＜ ＞用來表示對應的方向。對于半導體制造來講，硅片中用得最廣的晶體平面的密勒符號是（100）、（110）和（111），這三種晶體平面如圖3.4所示。它們在硅晶體中通過在晶體生長過程中保持對晶向的精確控制而獲得。每個密勒符號是根據平面與坐標軸的交點確定的。

（100）晶面平行于y-z軸并與x軸在單位值為1的點處相交。（110）晶面僅與x軸和y軸相交，（111）晶面則與x軸、y軸和z軸都相交。用來制造MOS器件最常用的是（100）晶面的硅片。這是因為（100）晶面的表面狀態更有利于控制MOS器件的開態和關態所要求的閾值電壓。（111）晶面的原子密度更大，所以更容易生長。它們的生長成本最低，經常用于雙極型器件。砷化鎵（GaAs）技術也用到（100）晶面的硅片。

注意在圖3.4的（100）晶面有一個正方形，而（111）晶面有一個三角形。當晶圓破碎時這些定向會如圖3.5中展現的那樣。＜100＞晶向的晶圓碎成正方形或正好以90 °角破裂，＜111＞晶向的晶圓碎成三角形。