Soluția la defectul de încapsulare a carbonului în substraturile cu carbură de siliciu

Odată cu tranziția energetică globală, revoluția AI și valul de tehnologii informaționale de nouă generație, carbura de siliciu (SiC) a avansat rapid de la a fi un „material potențial” la un „material de bază strategic” datorită proprietăților sale fizice excepționale. Aplicațiile sale se extind într-un ritm fără precedent, impunând cerințe aproape extreme asupra calității și consistenței materialelor substratului. Acest lucru a făcut ca abordarea defectelor critice, cum ar fi „încapsularea carbonului”, să fie mai urgentă și necesară decât oricând.

Aplicații de frontieră care conduc substraturi SiC

1. Ecosistemul hardware AI și limitele miniaturizării:

• Luând ca exemplu ochelarii AI
• Materiale pentru ghiduri de undă optice pentru ochelari AR/VR.

Următoarea generație de ochelari AI (dispozitive AR/VR) se străduiește să creeze un sentiment de imersiune de neegalat și interacțiune în timp real. Aceasta înseamnă că procesoarele lor de bază interne (cum ar fi cipurile dedicate de inferență AI) trebuie să proceseze cantități mari de date și să gestioneze disiparea semnificativă a căldurii într-un spațiu miniaturizat extrem de limitat. Cipurile pe bază de siliciu se confruntă cu limitări fizice în acest scenariu.

Ghidurile de undă optice AR/VR necesită un indice de refracție ridicat pentru a reduce volumul dispozitivului, transmisie în bandă largă pentru a suporta afișaje colorate, conductivitate termică ridicată pentru a gestiona disiparea căldurii de la sursele de lumină de mare putere și duritate și stabilitate ridicate pentru a asigura durabilitatea. De asemenea, trebuie să fie compatibile cu tehnologiile mature de procesare micro/nano-optică pentru producția la scară largă.

Rolul SiC: Modulele RF/putere GaN-on-SiC realizate din substraturi SiC sunt cheia pentru rezolvarea acestei contradicții. Ele pot conduce display-uri miniaturale și sisteme de senzori cu o eficiență mai mare și, cu o conductivitate termică de câteva ori mai mare decât siliciul, disipează rapid căldura masivă generată de cipuri, asigurând o funcționare stabilă într-un factor de formă subțire.

Carbura de siliciu monocristal (SiC) are un indice de refracție de aproximativ 2,6 în spectrul luminii vizibile, cu o transparență excelentă, făcându-l potrivit pentru modelele de ghiduri de undă optice cu înaltă integrare. Pe baza proprietăților sale de indice de refracție ridicat, un ghid de undă de difracție SiC cu un singur strat poate teoretic atinge un câmp vizual (FOV) de aproximativ 70 ° și poate suprima efectiv modelele curcubeului. Mai mult, SiC are o conductivitate termică extrem de ridicată (aproximativ 4,9 W/cm·K), permițându-i să disipeze rapid căldura din sursele optice și mecanice, prevenind degradarea performanței optice din cauza creșterii temperaturii. În plus, duritatea ridicată a SiC și rezistența la uzură sporesc semnificativ stabilitatea structurală și durabilitatea pe termen lung a lentilelor ghidului de undă. Napolitanele SiC pot fi utilizate pentru micro/nano procesare (cum ar fi gravarea și acoperirea), facilitând integrarea structurilor micro-optice.

Pericolele „încapsulării carbonului”: Dacă substratul SiC conține un defect de „încapsulare a carbonului”, acesta devine un „izolator termic” localizat și „punct de defecțiune electrică”. Nu numai că obstrucționează sever fluxul de căldură, ducând la supraîncălzirea locală a cipului și la degradarea performanței, dar poate provoca și micro-descărcări sau curenți de scurgere, ceea ce poate duce la anomalii de afișare, erori de calcul sau chiar defecțiuni hardware în ochelarii AI în condiții de sarcină mare pe termen lung. Prin urmare, un substrat SiC fără defecte este fundamentul fizic pentru realizarea unui hardware AI purtabil fiabil și de înaltă performanță.

Pericolele „încapsulării cu carbon”: dacă substratul SiC conține un defect de „încapsulare cu carbon”, va reduce transmisia luminii vizibile prin material și poate duce, de asemenea, la supraîncălzirea localizată a ghidului de undă, degradarea performanței și o scădere sau o anomalie a luminozității afișajului.

2. Revoluția în ambalajele avansate de calcul:

• Straturi cheie în tehnologia CoWoS de la NVIDIA

În cursa pentru puterea de calcul AI condusă de NVIDIA, tehnologiile avansate de ambalare precum CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) au devenit esențiale pentru integrarea CPU-urilor, GPU-urilor și a memoriei HBM, permițând creșterea exponențială a puterii de calcul. În acest sistem complex de integrare eterogen, interpozitorul joacă un rol critic ca coloană vertebrală pentru interconexiunile de mare viteză și managementul termic.

Rolul SiC: În comparație cu siliciul și sticla, SiC este considerat materialul ideal pentru interpozitorul de înaltă generație de înaltă generație datorită conductivității sale termice extrem de ridicate, unui coeficient de dilatare termică care se potrivește mai bine cu cipurile și proprietăților excelente de izolare electrică. Interpozitorii SiC pot disipa mai eficient căldura concentrată din mai multe nuclee de calcul și pot asigura integritatea transmisiei de semnal de mare viteză.

Pericolele „încapsulării carbonului”: sub interconexiunile la nivel de nanometri, un defect de „încapsulare a carbonului” la nivel de microni este ca o „bombă cu ceas”. Poate distorsiona câmpurile termice și de stres locale, ducând la oboseală termomecanică și crăpare în straturile metalice de interconectare, provocând întârzieri ale semnalului, diafonie sau defecțiune completă. În cardurile de accelerare AI în valoare de sute de mii de RMB, defecțiunile sistemului cauzate de defecte materiale subiacente sunt inacceptabile. Asigurarea purității absolute și a perfecțiunii structurale a interpozitorului SiC este piatra de temelie a menținerii fiabilității întregului sistem de calcul complex.

Concluzie: Trecerea de la „acceptabil” la „perfect și fără cusur”. În trecut, carbura de siliciu era folosită în principal în domeniile industrial și auto, unde existau o anumită toleranță pentru defecte. Cu toate acestea, când vine vorba de lumea miniaturizării ochelarilor AI și a sistemelor ultra-înalte și ultra-complexe, cum ar fi CoWoS de la NVIDIA, toleranța pentru defecte de material a scăzut la zero. Fiecare defect de „încapsulare a carbonului” amenință direct limitele de performanță, fiabilitatea și succesul comercial al produsului final. Prin urmare, depășirea defectelor de substrat, cum ar fi „încapsularea carbonului”, nu mai este doar o problemă academică sau de îmbunătățire a procesului, ci o luptă materială critică care susține inteligența artificială de următoarea generație, calculul avansat și revoluția electronică de larg consum.

De unde vine ambalajul cu carbon

Rost și colab. a propus „modelul de concentrare”, sugerând că modificările raportului de substanțe în faza gazoasă sunt cauza principală a încapsulării carbonului. Li şi colab. a descoperit că grafitizarea semințelor poate induce încapsularea carbonului înainte de a începe creșterea. Datorită evadării atmosferei bogate în siliciu din creuzet și a interacțiunii active dintre atmosfera de siliciu și creuzetul de grafit și alte elemente din grafit, grafitizarea sursei de carbură de siliciu este inevitabilă. Prin urmare, presiunea parțială de Si relativ scăzută în camera de creștere poate fi cauza principală a încapsulării carbonului. Cu toate acestea, Avrov et al. a susținut că încapsularea carbonului nu este cauzată de deficiența de siliciu. Astfel, coroziunea puternică a elementelor de grafit din cauza excesului de siliciu ar putea fi cauza principală a incluziunilor de carbon. Dovezile experimentale directe din această lucrare arată că particulele fine de carbon de pe suprafața sursei pot fi introduse în frontul de creștere al monocristalelor de carbură de siliciu, formând încapsulări de carbon. Acest rezultat indică faptul că generarea de particule fine de carbon în camera de creștere este cauza principală a încapsulării carbonului. Apariția încapsulării carbonului în monocristalele de carbură de siliciu nu se datorează presiunii parțiale scăzute a Si în camera de creștere, ci mai degrabă formării de particule de carbon slab conectate datorită grafitizării sursei de carbură de siliciu și coroziunii elementelor de grafit.

Distribuția incluziunilor pare să semene îndeaproape cu modelul plăcilor de grafit de pe suprafața sursei. Zonele fără incluziuni din plachetele monocristaline sunt circulare, cu un diametru de aproximativ 3mm, care corespunde perfect cu diametrul găurilor circulare perforate. Acest lucru sugerează că încapsularea carbonului provine din zona materiei prime, ceea ce înseamnă că grafitizarea materiei prime cauzează defectul de încapsulare a carbonului.

Creșterea cristalelor de carbură de siliciu necesită de obicei 100-150 de ore. Pe măsură ce creșterea progresează, grafitizarea materiei prime devine mai severă. În contextul cererii de creștere a cristalelor groase, abordarea grafitizării materiei prime devine o problemă cheie.

Soluție de ambalare cu carbon

1. Teoria sublimării materiilor prime în PVT

• Raport suprafață-volum: în sistemele chimice, rata de creștere a suprafeței unei substanțe este mult mai lentă decât rata de creștere a volumului acesteia. Prin urmare, cu cât dimensiunea particulelor este mai mare, cu atât este mai mic raportul suprafață-volum (suprafață/volum).
• Evaporarea are loc la suprafață: numai atomii sau moleculele situate pe suprafața particulei au posibilitatea de a scăpa în faza gazoasă. Prin urmare, viteza și cantitatea totală de evaporare sunt direct legate de suprafața expusă de particule.
• Caracteristicile de evaporare ale particulelor mari: Raport suprafață/volum mai mic. Mai puține molecule/atomi de suprafață, ceea ce înseamnă mai puține locuri de suprafață disponibile pentru evaporare. (O particulă mare față de mai multe particule mici) Rată de evaporare mai lentă: mai puține molecule/atomi scapă de pe suprafața particulei pe unitatea de timp. Evaporare mai uniformă (variație mai mică în specii): Datorită suprafeței relativ mici, difuzarea materialului intern la suprafață necesită un drum mai lung și mai mult timp. Evaporarea are loc în principal în stratul exterior.
• Particule mici Materia primă (Raport suprafață mare față de volum): „Nears” (Evaporarea/Sublimarea se modifică dramatic): Particulele mici sunt aproape în întregime expuse la temperaturi ridicate, provocând „gazeificare” rapidă: Se sublimează foarte repede, iar în stadiul inițial, eliberează în primul rând componentele cel mai ușor sublimate (de obicei gaze bogate în siliciu). În curând, suprafața particulelor mici devine bogată în carbon (căci carbonul este relativ greu de sublimat). Acest lucru are ca rezultat o diferență semnificativă în compoziția gazului sublimat înainte și după - gazul începe bogat în siliciu și mai târziu devine bogat în carbon.

• Creștere finalizată cu materie primă de 0,5 mm
• Creștere finalizată cu materie primă cu metoda de autopropagare de 1-2 mm
• Creștere finalizată cu materie primă CVD de 4-10 mm

După cum se vede în diagrama de mai sus, creșterea dimensiunii particulelor de materie primă ajută la suprimarea volatilizării preferențiale a componentei Si din materia primă, făcând compoziția în fază gazoasă pe parcursul întregului proces de creștere mai stabilă și abordând problema grafitizării materiei prime. Materialele CVD cu particule mari, în special materiile prime cu dimensiuni mai mari de 8 mm, sunt de așteptat să rezolve complet problema grafitizării, eliminând astfel defectul de încapsulare a carbonului din substrat.

Concluzie și Perspectivă

Materia primă SiC stoechiometrică cu particule mari, de înaltă puritate, sintetizată prin metoda CVD, cu raportul său inerent de suprafață redusă la volum, oferă o sursă de sublimare extrem de stabilă și controlabilă pentru creșterea monocristalului de SiC folosind metoda PVT. Aceasta nu este doar o schimbare a formei materiei prime, ci și remodelează și optimizează fundamental mediul termodinamic și cinetic al metodei PVT.

Avantajele aplicației sunt traduse direct în:

• Calitate superioară a unui singur cristal: stabilirea unei fundații materiale pentru producerea de substraturi cu defecte reduse, potrivite pentru dispozitive de înaltă tensiune și putere, cum ar fi MOSFET-urile și IGBT-urile.
• Economie mai bună a procesului: Îmbunătățirea stabilității ratei de creștere, a utilizării materiilor prime și a randamentului procesului, contribuind la reducerea prețului costisitor al substratului SiC și promovând adoptarea pe scară largă a aplicațiilor din aval.
• Dimensiune mai mare a cristalului: condițiile stabile ale procesului sunt mai favorabile pentru industrializarea monocristalelor de SiC de 8 inci și mai mari.