Rešitev za okvaro enkapsulacije ogljika v substratih iz silicijevega karbida

Z globalnim energetskim prehodom, revolucijo umetne inteligence in valom informacijskih tehnologij nove generacije je silicijev karbid (SiC) zaradi svojih izjemnih fizikalnih lastnosti hitro napredoval iz "potencialnega materiala" v "strateški temeljni material". Njegove aplikacije se širijo z izjemno hitrostjo in postavljajo skoraj ekstremne zahteve glede kakovosti in doslednosti substratnih materialov. Zaradi tega je obravnavanje kritičnih napak, kot je "ogljikova inkapsulacija", postalo bolj nujno in potrebno kot kdaj koli prej.

Mejne aplikacije, ki poganjajo substrate SiC

1.Ekosistem strojne opreme AI in meje miniaturizacije:

• Kot primer vzamemo AI očala
• Optični valovodni materiali za očala AR/VR.

Naslednja generacija očal AI (AR/VR naprave) stremi k neprimerljivemu občutku potopitve in interakcije v realnem času. To pomeni, da morajo njihovi notranji jedrni procesorji (kot so namenski čipi za sklepanje z umetno inteligenco) obdelati ogromne količine podatkov in obravnavati znatno odvajanje toplote v izjemno omejenem miniaturiziranem prostoru. Čipi na osnovi silicija se v tem scenariju soočajo s fizičnimi omejitvami.

Optični valovod AR/VR zahteva visok lomni količnik za zmanjšanje prostornine naprave, širokopasovni prenos za podporo barvnim zaslonom, visoko toplotno prevodnost za upravljanje odvajanja toplote iz visokozmogljivih svetlobnih virov ter visoko trdoto in stabilnost za zagotavljanje vzdržljivosti. Prav tako morajo biti združljivi z zrelimi mikro/nanooptičnimi procesnimi tehnologijami za obsežno proizvodnjo.

Vloga SiC: RF/napajalni moduli GaN-on-SiC, izdelani iz substratov SiC, so ključni za razrešitev tega protislovja. Lahko poganjajo miniaturne zaslone in senzorske sisteme z večjo učinkovitostjo in s toplotno prevodnostjo, ki je nekajkrat višja od silicija, hitro odvajajo ogromno toplote, ki jo proizvajajo čipi, in zagotavljajo stabilno delovanje v tanki obliki.

Enokristalni silicijev karbid (SiC) ima lomni količnik približno 2,6 v spektru vidne svetlobe, z odlično preglednostjo, zaradi česar je primeren za visoko integrirane zasnove optičnih valovodov. Na podlagi lastnosti visokega lomnega količnika lahko enoslojni SiC difrakcijski valovod teoretično doseže vidno polje (FOV) okoli 70° in učinkovito zatre mavrične vzorce. Poleg tega ima SiC izjemno visoko toplotno prevodnost (približno 4,9 W/cm·K), kar mu omogoča hitro odvajanje toplote iz optičnih in mehanskih virov, kar preprečuje poslabšanje optične zmogljivosti zaradi dviga temperature. Poleg tega visoka trdota in odpornost proti obrabi SiC-ja znatno povečata strukturno stabilnost in dolgotrajno vzdržljivost valovodnih leč. SiC rezine se lahko uporabljajo za mikro/nano obdelavo (kot je jedkanje in prevleka), kar olajša integracijo mikrooptičnih struktur.

Nevarnosti "inkapsulacije ogljika": Če substrat SiC vsebuje napako "inkapsulacije ogljika", postane lokaliziran "toplotni izolator" in "točka električne napake". Ne samo, da resno ovira toplotni tok, kar vodi do lokalnega pregrevanja čipa in poslabšanja zmogljivosti, ampak lahko povzroči tudi mikrorazelektritve ali uhajajoče tokove, kar lahko povzroči anomalije prikaza, računske napake ali celo okvaro strojne opreme v očalih z umetno inteligenco pod dolgotrajnimi pogoji visoke obremenitve. Zato je substrat SiC brez napak fizični temelj za doseganje zanesljive, visoko zmogljive nosljive strojne opreme z umetno inteligenco.

Nevarnosti "inkapsulacije ogljika": Če substrat SiC vsebuje napako "inkapsulacije ogljika", bo to zmanjšalo prepustnost vidne svetlobe skozi material in lahko povzroči tudi lokalno pregrevanje valovoda, poslabšanje delovanja in zmanjšanje ali nenormalnost svetlosti zaslona.

2. Revolucija v naprednem računalniškem pakiranju:

• Ključne plasti v tehnologiji NVIDIA CoWoS

V tekmi za računalniško moč AI, ki jo vodi NVIDIA, so napredne tehnologije pakiranja, kot je CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate), postale osrednjega pomena za integracijo CPE-jev, GPE-jev in pomnilnika HBM, kar omogoča eksponentno rast računalniške moči. V tem zapletenem heterogenem integracijskem sistemu igra vmesnik ključno vlogo kot hrbtenica za hitre medsebojne povezave in toplotno upravljanje.

Vloga SiC: V primerjavi s silicijem in steklom velja SiC za idealen material za visokozmogljiv interposer naslednje generacije zaradi svoje izjemno visoke toplotne prevodnosti, koeficienta toplotnega raztezanja, ki se bolje ujema s čipi, in odličnih električnih izolacijskih lastnosti. Vmesniki SiC lahko učinkoviteje odvajajo koncentrirano toploto iz več računalniških jeder in zagotavljajo celovitost hitrega prenosa signala.

Nevarnosti "inkapsulacije ogljika": Pod povezavami na nanometrski ravni je napaka "inkapsulacije ogljika" na mikronski ravni kot "časovna bomba". Lahko izkrivlja lokalna toplotna in napetostna polja, kar povzroči termomehansko utrujenost in razpoke v medsebojnih kovinskih plasteh, kar povzroči zakasnitve signala, preslušavanje ali popolno odpoved. Pri karticah za pospeševanje umetne inteligence, vrednih več sto tisoč RMB, so sistemske okvare, ki jih povzročijo osnovne napake materiala, nesprejemljive. Zagotavljanje absolutne čistosti in strukturne popolnosti vmesnega elementa SiC je temelj ohranjanja zanesljivosti celotnega kompleksnega računalniškega sistema.

Zaključek: Prehod iz "sprejemljivo" v "popolno in brezhibno." V preteklosti se je silicijev karbid uporabljal predvsem na industrijskih in avtomobilskih področjih, kjer je obstajala določena toleranca za napake. Ko pa gre za svet miniaturizacije očal z umetno inteligenco in ultra-visokih vrednosti, ultra-kompleksnih sistemov, kot je CoWoS podjetja NVIDIA, je toleranca za napake materiala padla na nič. Vsaka napaka "inkapsulacije ogljika" neposredno ogroža omejitve delovanja, zanesljivost in komercialni uspeh končnega izdelka. Zato premagovanje napak na substratu, kot je "inkapsulacija ogljika", ni več samo akademsko vprašanje ali vprašanje izboljšanja procesa, temveč kritična bitka za materiale, ki podpira naslednjo generacijo umetne inteligence, naprednega računalništva in revolucije potrošniške elektronike.

Od kod prihaja Carbon Wrapping

Rost et al. je predlagal "koncentracijski model", ki nakazuje, da so spremembe v razmerju snovi v plinski fazi glavni vzrok za inkapsulacijo ogljika. Li et al. ugotovili, da lahko grafitizacija semena povzroči inkapsulacijo ogljika, preden se začne rast. Zaradi uhajanja s silicijem bogate atmosfere iz lončka in aktivne interakcije med silicijevo atmosfero in grafitnim lončkom ter drugimi grafitnimi elementi je grafitizacija vira silicijevega karbida neizogibna. Zato je lahko relativno nizek parcialni tlak Si v rastni komori glavni vzrok za inkapsulacijo ogljika. Vendar pa Avrov et al. trdil, da inkapsulacija ogljika ni posledica pomanjkanja silicija. Tako je lahko močna korozija grafitnih elementov zaradi presežka silicija glavni vzrok za vključke ogljika. Neposredni eksperimentalni dokazi v tem dokumentu kažejo, da se drobni delci ogljika na izvorni površini lahko potisnejo v rastno fronto monokristalov silicijevega karbida in tvorijo ogljikove inkapsulacije. Ta rezultat kaže, da je nastajanje drobnih ogljikovih delcev v rastni komori glavni vzrok za inkapsulacijo ogljika. Pojav inkapsulacije ogljika v monokristalih silicijevega karbida ni posledica nizkega parcialnega tlaka Si v rastni komori, temveč nastanek šibko povezanih ogljikovih delcev zaradi grafitizacije vira silicijevega karbida in korozije grafitnih elementov.

Zdi se, da je porazdelitev vključkov zelo podobna vzorcu grafitnih plošč na izvorni površini. Cone brez vključkov v monokristalnih rezinah so krožne, s premerom približno 3 mm, kar popolnoma ustreza premeru perforiranih okroglih lukenj. To nakazuje, da enkapsulacija ogljika izvira iz območja surovine, kar pomeni, da grafitizacija surovine povzroči napako pri inkapsulaciji ogljika.

Rast kristalov silicijevega karbida običajno zahteva 100-150 ur. Ko rast napreduje, postane grafitizacija surovine hujša. Glede na povpraševanje po gojenju debelih kristalov postane obravnavanje grafitizacije surovine ključno vprašanje.

Rešitev Carbon Wrapping

1. Teorija sublimacije surovin v PVT

• Razmerje med površino in prostornino: V kemičnih sistemih je stopnja povečanja površine snovi veliko počasnejša od stopnje povečanja njenega volumna. Zato je večja kot je velikost delcev, manjše je razmerje med površino in prostornino (površina/prostornina).
• Izhlapevanje poteka na površini: Samo atomi ali molekule, ki se nahajajo na površini delca, imajo možnost, da uidejo v plinsko fazo. Zato sta hitrost in skupna količina izhlapevanja neposredno povezani s površino, ki je izpostavljena delcu.
• Značilnosti izhlapevanja velikih delcev: Razmerje med manjšo površino in prostornino. Manj površinskih molekul/atomov, kar pomeni manj razpoložljivih površin za izhlapevanje. (Velik delec proti več majhnim delcem) Počasnejša stopnja izhlapevanja: Manj molekul/atomov uide s površine delcev na časovno enoto. Bolj enakomerno izhlapevanje (manjše razlike v vrstah): zaradi relativno majhne površine difuzija notranjega materiala na površino zahteva daljšo pot in več časa. Izhlapevanje poteka predvsem na najbolj zunanji plasti.
• Surovi material majhnih delcev (veliko razmerje med površino in prostornino): "nezgorel" (izhlapevanje/sublimacija se dramatično spremeni): majhni delci so skoraj v celoti izpostavljeni visokim temperaturam, kar povzroči hitro "uplinjanje": sublimirajo zelo hitro in v začetni fazi predvsem sprostijo najlažje sublimirane komponente (običajno pline, bogate s silicijem). Kmalu postane površina majhnih delcev bogata z ogljikom (saj je ogljik relativno težko sublimirati). Posledica tega je bistvena razlika v sestavi sublimiranega plina pred in po - plin je najprej bogat s silicijem in kasneje postane bogat z ogljikom.

• Rast je zaključena z 0,5 mm surovino
• Rast je zaključena z 1-2 mm samorazmnoževalno metodo surovine
• Rast je zaključena s surovino CVD 4-10 mm

Kot je razvidno iz zgornjega diagrama, povečanje velikosti delcev surovine pomaga zatreti prednostno izhlapevanje komponente Si v surovini, zaradi česar je sestava plinske faze med celotnim procesom rasti stabilnejša in obravnava vprašanje grafitizacije surovine. Pričakuje se, da bodo CVD materiali z velikimi delci, zlasti surovine, večje od 8 mm, v celoti rešili problem grafitizacije in s tem odpravili napako inkapsulacije ogljika v substratu.

Zaključek in obeti

Stehiometrična surovina SiC z velikimi delci in visoko čistostjo, sintetizirana z metodo CVD, z inherentnim nizkim razmerjem med površino in prostornino zagotavlja zelo stabilen in nadzorovan vir sublimacije za rast monokristala SiC z uporabo metode PVT. To ni samo sprememba v obliki surovine, ampak tudi temeljito preoblikuje in optimizira termodinamično in kinetično okolje metode PVT.

Prednosti aplikacije so neposredno prevedene v:

• Višja kakovost monokristalov: Vzpostavitev materialne podlage za proizvodnjo substratov z majhnimi napakami, primernih za visokonapetostne naprave z veliko močjo, kot so MOSFET-ji in IGBT-ji.
• Boljša ekonomičnost procesa: izboljšanje stabilnosti stopnje rasti, izrabe surovin in izkoristka postopka, kar pomaga znižati ceno dragega substrata SiC in spodbuja široko uporabo nadaljnjih aplikacij.
• Večja velikost kristala: stabilni procesni pogoji so ugodnejši za industrializacijo 8-palčnih in večjih monokristalov SiC.