3.2.2 晶体结构与晶向

材料中原子的组织结构的差异是区分材料不同的一种方式。有些材料，例如硅和锗，原子在整个材料里重复排列成非常固定的结构，这种材料称为晶体。原子没有固定的周期性排列的材料称为非晶体或无定形。塑料就是无定形材料的例子[1]。

对于晶体材料实际上可能存在两个级别的原子组织结构。第一个是单个原子的组织结构，晶体里的原子排列为晶胞结构，晶胞是晶体结构的第一个级别，晶胞结构在晶体里到处重复；另一个涉及晶胞结构的术语是晶格，晶体材料具有特定的晶格结构，并且原子位于晶格结构的特定点。

在晶胞里原子的数量、相对位置及原子间的结合能会引发材料的许多特性。每个晶体材料具有独一无二的晶胞。硅晶胞具有16个原子排列成金刚石结构（见图3.1）。砷化镓晶体具有18个原子的晶胞结构称为闪锌矿结构（见图3.2）。

图3.1 硅晶体结构

图3.2 砷化镓晶体结构

对于一个晶圆，除了要有单晶结构之外，还需要有特定的晶向。可以通过切割一个单晶块来想象这个概念，在垂直平面上切割将会暴露一组平面，而角对角切割将会暴露一个不同的平面。每个平面是独一无二的，不同之处在于原子数和原子间的结合能。每个平面具有不同的化学、电学和物理特性，这些特性将被赋予晶圆，这就要求晶圆需要特定的晶体定向及晶向。

为了表述晶向，我们需要用到坐标系。在晶体中，坐标系有三个轴：x、y和z，如图3.3所示。这里把坐标的交点设为0，将沿每个坐标轴任意等距离的单位设为1，这些被称为单位值。如果晶体是单晶结构，那么所有的晶胞都会沿着这个坐标轴重复地排列。

晶面通过被称为密勒指数的三个数字进行组合来表示的。在密勒系统的符号里，小括号（）用来表示特殊的平面，而尖括号＜ ＞用来表示对应的方向。对于半导体制造来讲，硅片中用得最广的晶体平面的密勒符号是（100）、（110）和（111），这三种晶体平面如图3.4所示。它们在硅晶体中通过在晶体生长过程中保持对晶向的精确控制而获得。每个密勒符号是根据平面与坐标轴的交点确定的。

图3.3 晶胞的坐标轴方向

图3.4 晶面的密勒指数

（100）晶面平行于y-z轴并与x轴在单位值为1的点处相交。（110）晶面仅与x轴和y轴相交，（111）晶面则与x轴、y轴和z轴都相交。用来制造MOS器件最常用的是（100）晶面的硅片。这是因为（100）晶面的表面状态更有利于控制MOS器件的开态和关态所要求的阈值电压。（111）晶面的原子密度更大，所以更容易生长。它们的生长成本最低，经常用于双极型器件。砷化镓（GaAs）技术也用到（100）晶面的硅片。

注意在图3.4的（100）晶面有一个正方形，而（111）晶面有一个三角形。当晶圆破碎时这些定向会如图3.5中展现的那样。＜100＞晶向的晶圆碎成正方形或正好以90 °角破裂，＜111＞晶向的晶圆碎成三角形。

图3.5 晶体的定向指示图