Решението за дефекта на въглеродното капсулиране в субстрати от силициев карбид

С глобалния енергиен преход, революцията на ИИ и вълната от информационни технологии от ново поколение, силициевият карбид (SiC) бързо напредна от „потенциален материал“ до „стратегически основен материал“ поради изключителните си физически свойства. Неговите приложения се разширяват с безпрецедентна скорост, поставяйки почти екстремни изисквания към качеството и консистенцията на субстратните материали. Това направи справянето с критични дефекти като "въглеродно капсулиране" по-спешно и необходимо от всякога.

Предни приложения, управляващи SiC субстрати

1. AI Хардуерна екосистема и границите на миниатюризацията:

• Като пример вземем AI очила
• Оптични вълноводни материали за AR/VR очила.

Следващото поколение AI очила (AR/VR устройства) се стреми към несравнимо усещане за потапяне и взаимодействие в реално време. Това означава, че техните вътрешни основни процесори (като специални чипове за AI изводи) трябва да обработват огромни количества данни и да се справят със значително разсейване на топлината в изключително ограничено миниатюрно пространство. Базираните на силиций чипове са изправени пред физически ограничения в този сценарий.

AR/VR оптичните вълноводи изискват висок коефициент на пречупване за намаляване на обема на устройството, широколентово предаване за поддържане на пълноцветни дисплеи, висока топлопроводимост за управление на разсейването на топлината от източници на светлина с висока мощност и висока твърдост и стабилност за осигуряване на издръжливост. Те трябва също така да са съвместими със зрели микро/нанооптични технологии за обработка за широкомащабно производство.

Роля на SiC: RF/модулите GaN-on-SiC, направени от SiC субстрати, са ключови за разрешаването на това противоречие. Те могат да управляват миниатюрни дисплеи и сензорни системи с по-висока ефективност и с топлопроводимост няколко пъти по-висока от силиция, бързо разсейват масивната топлина, генерирана от чиповете, осигурявайки стабилна работа в тънък форм фактор.

Монокристалният силициев карбид (SiC) има индекс на пречупване от около 2,6 в спектъра на видимата светлина, с отлична прозрачност, което го прави подходящ за дизайни на оптични вълноводи с висока степен на интеграция. Въз основа на свойствата си с висок индекс на пречупване, еднослойният SiC дифракционен вълновод теоретично може да постигне зрително поле (FOV) от около 70° и ефективно да потисне шарките на дъгата. Освен това SiC има изключително висока топлопроводимост (около 4,9 W/cm·K), което му позволява бързо да разсейва топлината от оптични и механични източници, предотвратявайки влошаване на оптичните характеристики поради повишаване на температурата. В допълнение, високата твърдост и устойчивост на износване на SiC значително подобряват структурната стабилност и дългосрочната издръжливост на вълноводните лещи. SiC пластините могат да се използват за микро/нано обработка (като ецване и покритие), улеснявайки интегрирането на микрооптични структури.

Опасностите от „въглеродно капсулиране“: Ако SiC субстратът съдържа дефект „въглеродно капсулиране“, той се превръща в локализиран „топлоизолатор“ и „точка на електрическа повреда“. Той не само силно възпрепятства топлинния поток, което води до локално прегряване на чипа и влошаване на производителността, но също така може да причини микроразряди или токове на утечка, потенциално водещи до аномалии на дисплея, грешки в изчисленията или дори хардуерен отказ в AI очила при дългосрочни условия на високо натоварване. Следователно бездефектният SiC субстрат е физическата основа за постигане на надежден, високоефективен носим AI хардуер.

Опасностите от „въглеродно капсулиране“: Ако SiC субстратът съдържа дефект „въглеродно капсулиране“, това ще намали предаването на видима светлина през материала и може също да доведе до локализирано прегряване на вълновода, влошаване на производителността и намаляване или ненормалност в яркостта на дисплея.

2. Революцията в модерните компютърни пакети:

• Ключови слоеве в CoWoS технологията на NVIDIA

В надпреварата за изчислителна мощ на AI, водена от NVIDIA, усъвършенстваните технологии за опаковане като CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) се превърнаха в централно място за интегриране на CPU, GPU и HBM памет, което позволява експоненциален растеж на изчислителната мощност. В тази сложна хетерогенна интеграционна система междинният елемент играе критична роля като гръбнак за високоскоростни връзки и термично управление.

Роля на SiC: В сравнение със силиция и стъклото, SiC се счита за идеалния материал за следващо поколение високоефективен междинен елемент поради изключително високата му топлопроводимост, коефициент на топлинно разширение, който съответства по-добре на чипове, и отлични електроизолационни свойства. SiC междинните елементи могат по-ефективно да разсейват концентрираната топлина от множество изчислителни ядра и да гарантират целостта на високоскоростното предаване на сигнала.

Опасностите от „въглеродното капсулиране“: Под връзките на нанометрово ниво, дефект на „въглеродно капсулиране“ на микронно ниво е като „бомба със закъснител“. Той може да изкриви локалните термични и напрегнати полета, което води до термомеханична умора и напукване в свързващите метални слоеве, причинявайки забавяне на сигнала, пресичане или пълен отказ. В картите за ускорение на изкуствения интелект на стойност стотици хиляди RMB системните повреди, причинени от основни материални дефекти, са неприемливи. Осигуряването на абсолютна чистота и структурно съвършенство на SiC интерпозера е крайъгълният камък за поддържане на надеждността на цялата сложна изчислителна система.

Заключение: Преход от „приемливо“ към „перфектно и безупречно“. В миналото силициевият карбид се е използвал главно в индустриалните и автомобилните области, където е съществувала известна толерантност към дефекти. Въпреки това, когато става въпрос за света на миниатюризацията на AI очила и ултра-висока стойност, ултра-сложни системи като CoWoS на NVIDIA, толерантността към материални дефекти е спаднала до нула. Всеки дефект на "въглеродно капсулиране" директно застрашава ограниченията на производителността, надеждността и търговския успех на крайния продукт. Следователно преодоляването на дефекти на субстрата като "въглеродно капсулиране" вече не е само академичен проблем или въпрос за подобряване на процеса, а критична материална битка, която поддържа революцията в изкуствения интелект от следващо поколение, усъвършенстваните изчисления и потребителската електроника.

Откъде идва карбоновата опаковка

Rost и др. предложи "концентрационния модел", което предполага, че промените в съотношението на веществата в газовата фаза са основната причина за въглеродното капсулиране. Li et al. установи, че графитизацията на семена може да предизвика въглеродно капсулиране преди началото на растежа. Поради изтичането на богата на силиций атмосфера от тигела и активното взаимодействие между силиконовата атмосфера и графитния тигел и други графитни елементи, графитизацията на източника на силициев карбид е неизбежна. Следователно относително ниското парциално налягане на Si в камерата за растеж може да бъде основната причина за въглеродното капсулиране. Въпреки това Avrov et al. твърдят, че въглеродното капсулиране не е причинено от дефицит на силиций. По този начин силната корозия на графитните елементи поради излишния силиций може да бъде основната причина за въглеродни включвания. Преките експериментални доказателства в тази статия показват, че фини въглеродни частици на повърхността на източника могат да бъдат вкарани в растежния фронт на монокристалите от силициев карбид, образувайки въглеродни капсули. Този резултат показва, че генерирането на фини въглеродни частици в растежната камера е основната причина за въглеродното капсулиране. Появата на въглеродно капсулиране в монокристали силициев карбид не се дължи на ниското парциално налягане на Si в камерата за растеж, а по-скоро на образуването на слабо свързани въглеродни частици поради графитизацията на източника на силициев карбид и корозията на графитните елементи.

Разпределението на включванията изглежда много наподобява модела на графитните плочи върху повърхността на източника. Зоните без включения в монокристалните пластини са кръгли, с диаметър около 3 mm, което напълно съответства на диаметъра на перфорираните кръгли отвори. Това предполага, че въглеродното капсулиране произхожда от зоната на суровината, което означава, че графитизацията на суровината причинява дефекта на въглеродното капсулиране.

Растежът на кристалите от силициев карбид обикновено изисква 100-150 часа. С напредването на растежа графитизацията на суровината става по-тежка. При търсенето на отглеждане на дебели кристали решаването на графитизацията на суровината се превръща в ключов проблем.

Решение за опаковане на карбон

1. Теорията за сублимация на суровините в PVT

• Съотношение повърхностна площ към обем: В химическите системи скоростта на увеличаване на повърхностната площ на дадено вещество е много по-бавна от скоростта на увеличаване на неговия обем. Следователно, колкото по-голям е размерът на частиците, толкова по-малко е съотношението повърхност/обем (повърхност/обем).
• Изпарението се случва на повърхността: Само атоми или молекули, разположени на повърхността на частицата, имат възможност да излязат в газовата фаза. Следователно скоростта и общото количество на изпарението са пряко свързани с повърхността, изложена на частицата.
• Характеристики на изпаряване на големи частици: По-малко съотношение повърхност/обем. По-малко повърхностни молекули/атоми, което означава по-малко налични повърхностни места за изпаряване. (Голяма частица срещу множество малки частици) По-бавна скорост на изпарение: По-малко молекули/атоми излизат от повърхността на частицата за единица време. По-равномерно изпарение (по-малко вариации във видовете): Поради относително малката повърхност, дифузията на вътрешния материал към повърхността изисква по-дълъг път и повече време. Изпарението става главно в най-външния слой.
• Суров материал с малки частици (съотношение голяма повърхност към обем): „Неизгорял“ (изпарението/сублимацията се променя драстично): Малките частици са почти изцяло изложени на високи температури, причинявайки бърза „газификация“: те сублимират много бързо и в началния етап освобождават предимно най-лесно сублимираните компоненти (обикновено богати на силиций газове). Скоро повърхността на малките частици става богата на въглерод (тъй като въглеродът е относително труден за сублимиране). Това води до значителна разлика в състава на сублимирания газ преди и след - газът първоначално е богат на силиций и по-късно става богат на въглерод.

• Растежът е завършен с 0,5 mm суров материал
• Растежът е завършен с 1-2 мм суровина по метода на саморазмножаване
• Растежът е завършен с 4-10 mm CVD суровина

Както се вижда на диаграмата по-горе, увеличаването на размера на частиците на суровината помага за потискане на преференциалното изпаряване на Si компонента в суровината, което прави състава на газовата фаза по време на целия процес на растеж по-стабилен и решава проблема с графитизацията на суровината. CVD материали с големи частици, особено суровини с размер над 8 mm, се очаква да решат напълно проблема с графитизацията, като по този начин елиминират дефекта на въглеродното капсулиране в субстрата.

Заключение и перспектива

Стехиометричната стехиометрична SiC суровина с големи частици, висока чистота, синтезирана по метода CVD, с присъщото си ниско съотношение повърхностна площ към обем, осигурява силно стабилен и контролируем източник на сублимация за SiC монокристален растеж, използвайки метода PVT. Това е не само промяна във формата на суровината, но също така фундаментално прекроява и оптимизира термодинамичната и кинетична среда на PVT метода.

Предимствата на приложението се превеждат директно в:

• По-високо качество на единичен кристал: Създаване на материална основа за производство на субстрати с ниски дефекти, подходящи за високоволтови устройства с висока мощност като MOSFET и IGBT.
• По-добра икономичност на процеса: Подобряване на стабилността на скоростта на растеж, използването на суровините и добива на процеса, спомагайки за намаляване на скъпата цена на SiC субстрата и насърчавайки широкото приемане на приложения надолу по веригата.
• По-голям размер на кристала: Стабилните условия на процеса са по-благоприятни за индустриализацията на 8-инчови и по-големи монокристали SiC.