Riešenie poruchy zapuzdrenia uhlíka v substrátoch z karbidu kremíka

S globálnym energetickým prechodom, revolúciou AI a vlnou informačných technológií novej generácie sa karbid kremíka (SiC) vďaka svojim výnimočným fyzikálnym vlastnostiam rýchlo posunul z „potenciálneho materiálu“ na „strategický základný materiál“. Jeho aplikácie sa rozširujú bezprecedentným tempom a kladú takmer extrémne požiadavky na kvalitu a konzistenciu podkladových materiálov. To spôsobilo, že riešenie kritických nedostatkov, ako je „zapuzdrenie uhlíka“, je naliehavejšie a potrebnejšie ako kedykoľvek predtým.

Hraničné aplikácie Poháňanie SiC substrátov

1. Hardvérový ekosystém AI a limity miniaturizácie:

• Vezmime si ako príklad okuliare AI
• Optické vlnovodné materiály pre AR/VR okuliare.

Ďalšia generácia okuliarov AI (zariadenia AR/VR) sa usiluje o jedinečný pocit ponorenia a interakcie v reálnom čase. To znamená, že ich interné jadrové procesory (ako sú špecializované inferenčné čipy AI) musia spracovať obrovské množstvo údajov a zvládnuť značný odvod tepla v extrémne obmedzenom miniaturizovanom priestore. Čipy na báze kremíka čelia v tomto scenári fyzickým obmedzeniam.

Optické vlnovody AR/VR vyžadujú vysoký index lomu na zníženie objemu zariadenia, širokopásmový prenos na podporu plnofarebných displejov, vysokú tepelnú vodivosť na riadenie odvodu tepla z vysokovýkonných svetelných zdrojov a vysokú tvrdosť a stabilitu na zabezpečenie odolnosti. Musia byť tiež kompatibilné s vyspelými mikro/nanooptickými technológiami spracovania vo veľkom meradle.

Úloha SiC: RF/výkonové moduly GaN-on-SiC vyrobené zo substrátov SiC sú kľúčom k vyriešeniu tohto rozporu. Dokážu poháňať miniatúrne displeje a senzorové systémy s vyššou účinnosťou a s tepelnou vodivosťou niekoľkonásobne vyššou ako kremík, rýchlo odvádzajú obrovské teplo generované čipmi, čím zaisťujú stabilnú prevádzku v tenkom prevedení.

Monokryštálový karbid kremíka (SiC) má index lomu približne 2,6 vo viditeľnom spektre svetla s vynikajúcou transparentnosťou, vďaka čomu je vhodný pre vysoko integrované optické vlnovody. Na základe svojich vlastností s vysokým indexom lomu môže jednovrstvový difrakčný vlnovod SiC teoreticky dosiahnuť zorné pole (FOV) okolo 70° a účinne potlačiť dúhové vzory. Okrem toho má SiC extrémne vysokú tepelnú vodivosť (asi 4,9 W/cm·K), čo mu umožňuje rýchlo odvádzať teplo z optických a mechanických zdrojov, čím zabraňuje zhoršeniu optického výkonu v dôsledku zvýšenia teploty. Okrem toho vysoká tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu SiC výrazne zvyšuje štrukturálnu stabilitu a dlhodobú životnosť šošoviek vlnovodu. Dosky SiC možno použiť na mikro/nano spracovanie (ako je leptanie a poťahovanie), čo uľahčuje integráciu mikrooptických štruktúr.

Nebezpečenstvo „uhlíkovej enkapsulácie“: Ak substrát SiC obsahuje defekt „uhlíkovej enkapsulácie“, stáva sa lokalizovaným „tepelným izolátorom“ a „elektrickým poruchovým bodom“. Nielenže výrazne bráni tepelnému toku, čo vedie k lokálnemu prehriatiu čipu a zníženiu výkonu, ale môže tiež spôsobiť mikrovýboje alebo zvodové prúdy, čo môže viesť k anomáliám zobrazenia, chybám vo výpočtoch alebo dokonca k zlyhaniu hardvéru v okuliaroch AI pri dlhodobom vysokom zaťažení. Substrát SiC bez defektov je preto fyzickým základom na dosiahnutie spoľahlivého a vysokovýkonného nositeľného hardvéru AI.

Nebezpečenstvo „uhlíkovej enkapsulácie“: Ak substrát SiC obsahuje chybu „uhlíkovej enkapsulácie“, zníži to priepustnosť viditeľného svetla cez materiál a môže tiež viesť k lokalizovanému prehriatiu vlnovodu, zhoršeniu výkonu a zníženiu alebo abnormalite jasu displeja.

2. Revolúcia v balení pokročilých počítačov:

• Kľúčové vrstvy v technológii NVIDIA CoWoS

V pretekoch výpočtovej sily AI vedených spoločnosťou NVIDIA sa pokročilé technológie balenia, ako je CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate), stali ústrednými pri integrácii CPU, GPU a pamäte HBM, čo umožňuje exponenciálny rast výpočtového výkonu. V tomto komplexnom heterogénnom integračnom systéme hrá interposer kľúčovú úlohu ako chrbtica pre vysokorýchlostné prepojenia a tepelné riadenie.

Úloha SiC: V porovnaní s kremíkom a sklom je SiC považovaný za ideálny materiál pre vysokovýkonný interposer novej generácie vďaka jeho extrémne vysokej tepelnej vodivosti, koeficientu tepelnej rozťažnosti, ktorý sa lepšie zhoduje s čipmi, a vynikajúcim elektroizolačným vlastnostiam. SiC interposery môžu efektívnejšie odvádzať koncentrované teplo z viacerých výpočtových jadier a zabezpečiť integritu vysokorýchlostného prenosu signálu.

Nebezpečenstvo „uhlíkovej enkapsulácie“: Pod prepojením na úrovni nanometrov je porucha „uhlíkovej enkapsulácie“ na mikrónovej úrovni ako „časovaná bomba“. Môže deformovať lokálne tepelné a napäťové polia, čo vedie k termomechanickej únave a praskaniu v prepojených kovových vrstvách, čo spôsobuje oneskorenie signálu, presluchy alebo úplné zlyhanie. V akceleračných kartách AI v hodnote stoviek tisíc RMB sú zlyhania systému spôsobené základnými chybami materiálu neprijateľné. Zabezpečenie absolútnej čistoty a štrukturálnej dokonalosti SiC interposeru je základným kameňom zachovania spoľahlivosti celého komplexného výpočtového systému.

Záver: Prechod od „prijateľného“ k „dokonalému a bezchybnému“. V minulosti sa karbid kremíka používal hlavne v priemyselných a automobilových oblastiach, kde existovala určitá tolerancia voči defektom. Pokiaľ však ide o miniaturizačný svet okuliarov AI a ultra-vysokohodnotných, ultrakomplexných systémov, ako je CoWoS od NVIDIA, tolerancia materiálových defektov klesla na nulu. Každá chyba „uhlíkového zapuzdrenia“ priamo ohrozuje výkonnostné limity, spoľahlivosť a komerčný úspech konečného produktu. Preto prekonanie defektov substrátu, ako je „uhlíkové zapuzdrenie“, už nie je len akademickým problémom alebo problémom zlepšovania procesov, ale kritickým materiálovým bojom, ktorý podporuje umelú inteligenciu novej generácie, pokročilú výpočtovú techniku ​​a revolúciu spotrebnej elektroniky.

Odkiaľ pochádza karbónový obal

Rost a kol. navrhol "model koncentrácie", čo naznačuje, že zmeny v pomere látok v plynnej fáze sú hlavnou príčinou enkapsulácie uhlíka. Li a spol. zistili, že grafitizácia semien môže vyvolať enkapsuláciu uhlíka pred začiatkom rastu. V dôsledku úniku atmosféry bohatej na kremík z téglika a aktívnej interakcie medzi atmosférou kremíka a grafitovým téglikom a inými grafitovými prvkami je grafitizácia zdroja karbidu kremíka nevyhnutná. Preto môže byť relatívne nízky parciálny tlak Si v rastovej komore hlavnou príčinou enkapsulácie uhlíka. Avrov a spol. tvrdil, že zapuzdrenie uhlíka nie je spôsobené nedostatkom kremíka. Silná korózia grafitových prvkov spôsobená nadbytkom kremíka môže byť teda hlavnou príčinou uhlíkových inklúzií. Priame experimentálne dôkazy v tomto dokumente ukazujú, že jemné uhlíkové častice na povrchu zdroja môžu byť poháňané do prednej časti rastu monokryštálov karbidu kremíka, čím sa vytvárajú uhlíkové enkapsulácie. Tento výsledok naznačuje, že tvorba jemných uhlíkových častíc v rastovej komore je primárnou príčinou zapuzdrenia uhlíka. Vzhľad zapuzdrenia uhlíka v monokryštáloch karbidu kremíka nie je spôsobený nízkym parciálnym tlakom Si v rastovej komore, ale skôr tvorbou slabo spojených uhlíkových častíc v dôsledku grafitizácie zdroja karbidu kremíka a korózie grafitových prvkov.

Zdá sa, že distribúcia inklúzií sa veľmi podobá vzoru grafitových dosiek na zdrojovom povrchu. Zóny bez inklúzií v monokryštálových doštičkách sú kruhové s priemerom približne 3 mm, čo dokonale zodpovedá priemeru perforovaných kruhových otvorov. To naznačuje, že zapuzdrenie uhlíka pochádza z oblasti suroviny, čo znamená, že grafitizácia suroviny spôsobuje poruchu zapuzdrenia uhlíka.

Rast kryštálov karbidu kremíka zvyčajne vyžaduje 100-150 hodín. Ako rast postupuje, grafitizácia suroviny sa stáva závažnejšou. Pri dopyte po pestovaní hrubých kryštálov sa riešenie grafitizácie suroviny stáva kľúčovou otázkou.

Riešenie na balenie uhlíkom

1. Sublimačná teória surovín v PVT

• Pomer plochy povrchu k objemu: V chemických systémoch je rýchlosť nárastu plochy povrchu látky oveľa pomalšia ako rýchlosť nárastu jej objemu. Preto čím väčšia je veľkosť častíc, tým menší je pomer plochy povrchu k objemu (plocha povrchu/objem).
• Na povrchu dochádza k odparovaniu: Iba atómy alebo molekuly nachádzajúce sa na povrchu častice majú možnosť uniknúť do plynnej fázy. Preto rýchlosť a celkové množstvo odparovania priamo súvisí s povrchovou plochou vystavenou časticou.
• Charakteristiky odparovania veľkých častíc: Pomer menšieho povrchu/objemu. Menej povrchových molekúl/atómov, čo znamená menej dostupných povrchových miest na odparovanie. (Veľká častica vs. viacero malých častíc) Pomalšia rýchlosť odparovania: Menej molekúl/atómov unikne z povrchu častice za jednotku času. Rovnomernejšie odparovanie (menšie variácie druhov): Vzhľadom na relatívne malý povrch si difúzia vnútorného materiálu na povrch vyžaduje dlhšiu dráhu a viac času. K odparovaniu dochádza hlavne vo vonkajšej vrstve.
• Surovina malých častíc (pomer veľkého povrchu k objemu): „Nespálená“ (výrazne sa mení odparovanie/sublimácia): Malé častice sú takmer úplne vystavené vysokým teplotám, čo spôsobuje rýchle „splynovanie“: Sublimujú veľmi rýchlo a v počiatočnom štádiu primárne uvoľňujú najľahšie sublimované zložky (zvyčajne plyny bohaté na kremík). Čoskoro sa povrch malých častíc stáva bohatým na uhlík (keďže uhlík je relatívne ťažké sublimovať). To má za následok významný rozdiel v zložení sublimovaného plynu pred a po – plyn začína byť bohatý na kremík a neskôr sa stáva bohatým na uhlík.

• Rast dokončený s 0,5 mm surovinou
• Rast dokončený pomocou 1-2 mm samorozmnožovacej suroviny
• Rast dokončený s 4-10 mm CVD surovinou

Ako je vidieť na vyššie uvedenom diagrame, zvýšenie veľkosti častíc suroviny pomáha potlačiť preferenčné prchanie zložky Si v surovine, čím sa stáva zloženie plynnej fázy počas celého procesu rastu stabilnejšie a rieši sa problém grafitizácie suroviny. Očakáva sa, že materiály CVD s veľkými časticami, najmä suroviny väčšie ako 8 mm, úplne vyriešia problém grafitizácie, čím sa odstráni chyba zapuzdrenia uhlíka v substráte.

Záver a vyhliadka

Stechiometrická stechiometrická surovina SiC s veľkými časticami, syntetizovaná metódou CVD, s jej inherentným nízkym pomerom plochy povrchu k objemu, poskytuje vysoko stabilný a kontrolovateľný zdroj sublimácie pre rast monokryštálov SiC pomocou metódy PVT. Nejde len o zmenu formy suroviny, ale zásadne pretvára a optimalizuje termodynamické a kinetické prostredie metódy PVT.

Výhody aplikácie sú priamo preložené do:

• Vyššia kvalita monokryštálov: Vytvorenie materiálového základu na výrobu substrátov s nízkymi chybami vhodných pre vysokonapäťové zariadenia s vysokým výkonom, ako sú MOSFET a IGBT.
• Lepšia ekonomika procesu: Zlepšenie stability rýchlosti rastu, využitia surovín a výťažku procesu, čo pomáha znižovať nákladnú cenu substrátu SiC a podporuje široké prijatie následných aplikácií.
• Väčšia veľkosť kryštálov: Stabilné podmienky procesu sú priaznivejšie pre industrializáciu 8-palcových a väčších monokryštálov SiC.