Рішення дефекту інкапсуляції вуглецю в підкладках з карбіду кремнію

З глобальним енергетичним переходом, революцією штучного інтелекту та хвилею інформаційних технологій нового покоління карбід кремнію (SiC) швидко просунувся від «потенційного матеріалу» до «матеріалу стратегічної основи» завдяки своїм винятковим фізичним властивостям. Його застосування розширюється безпрецедентними темпами, висуваючи майже екстремальні вимоги до якості та консистенції матеріалів підкладки. Це зробило усунення критичних дефектів, таких як «вуглецеве інкапсулювання», більш актуальним і необхідним, ніж будь-коли раніше.

Frontier Applications Drive SiC Substrates

1. Апаратна екосистема ШІ та межі мініатюризації:

• Для прикладу окуляри зі штучним інтелектом
• Оптичні хвилеводні матеріали для окулярів AR/VR.

Наступне покоління окулярів зі штучним інтелектом (пристроїв AR/VR) прагне до неперевершеного відчуття занурення та взаємодії в реальному часі. Це означає, що їхні внутрішні основні процесори (такі як виділені мікросхеми штучного інтелекту) повинні обробляти величезні обсяги даних і витримувати значне розсіювання тепла в надзвичайно обмеженому мініатюрному просторі. У цьому сценарії чіпи на основі кремнію стикаються з фізичними обмеженнями.

Оптичні хвилеводи AR/VR вимагають високого показника заломлення, щоб зменшити об’єм пристрою, широкосмугової передачі для підтримки повнокольорових дисплеїв, високої теплопровідності для управління розсіюванням тепла від потужних джерел світла, а також високої твердості та стабільності для забезпечення довговічності. Вони також повинні бути сумісні зі зрілими мікро/нанооптичними технологіями обробки для великомасштабного виробництва.

Роль SiC: Радіочастотні/силові модулі GaN-on-SiC, виготовлені з підкладок SiC, є ключовими для вирішення цього протиріччя. Вони можуть керувати мініатюрними дисплеями та сенсорними системами з вищою ефективністю та, маючи теплопровідність, яка в кілька разів перевищує кремній, швидко розсіюють величезне тепло, що виділяється мікросхемами, забезпечуючи стабільну роботу в тонкому форм-факторі.

Монокристалічний карбід кремнію (SiC) має показник заломлення приблизно 2,6 у спектрі видимого світла та чудову прозорість, що робить його придатним для високоінтегрованих оптичних хвилеводів. Завдяки властивостям високого показника заломлення одношаровий SiC дифракційний хвилевід теоретично може досягати поля зору (FOV) близько 70° і ефективно придушувати райдужні візерунки. Крім того, SiC має надзвичайно високу теплопровідність (близько 4,9 Вт/см·К), що дозволяє йому швидко розсіювати тепло від оптичних і механічних джерел, запобігаючи погіршенню оптичних характеристик через підвищення температури. Крім того, висока твердість і зносостійкість SiC значно підвищують структурну стабільність і тривалий термін служби хвилевідних лінз. SiC wafers can be used for micro/nano processing (such as etching and coating), facilitating the integration of micro-optical structures.

Небезпека «вуглецевої інкапсуляції»: якщо підкладка SiC містить дефект «вуглецевої інкапсуляції», вона стає локалізованим «теплоізолятором» і «точкою електричної несправності». Це не тільки сильно перешкоджає потоку тепла, що призводить до локального перегріву мікросхеми та погіршення продуктивності, але також може спричинити мікророзряди або струми витоку, що потенційно може призвести до аномалій відображення, помилок у обчисленнях або навіть апаратних збоїв в окулярах штучного інтелекту в умовах тривалого високого навантаження. Таким чином, бездефектна підкладка SiC є фізичною основою для створення надійного високопродуктивного апаратного забезпечення штучного інтелекту.

Небезпека «вуглецевої інкапсуляції»: якщо SiC-підкладка містить дефект «вуглецевої інкапсуляції», це зменшить пропускання видимого світла крізь матеріал, а також може призвести до локального перегріву хвилеводу, погіршення продуктивності та зменшення або аномалії яскравості дисплея.

2. Революція в передових обчислювальних пакетах:

• Ключові рівні технології NVIDIA CoWoS

У гонці обчислювальної потужності штучного інтелекту, яку очолює NVIDIA, передові технології упаковки, такі як CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate), стали центральними для інтеграції процесорів, графічних процесорів і пам’яті HBM, що забезпечує експоненціальне зростання обчислювальної потужності. У цій складній гетерогенній інтеграційній системі проміжний пристрій відіграє вирішальну роль як магістраль для високошвидкісних з’єднань і управління температурою.

Роль SiC: у порівнянні з кремнієм і склом, SiC вважається ідеальним матеріалом для високоефективного інтерпозера наступного покоління завдяки своїй надзвичайно високій теплопровідності, коефіцієнту теплового розширення, який краще відповідає мікросхемам, і чудовим електроізоляційним властивостям. Проміжні елементи SiC можуть ефективніше розсіювати концентроване тепло від кількох обчислювальних ядер і забезпечувати цілісність високошвидкісної передачі сигналу.

Небезпека «вуглецевої інкапсуляції»: під нанометровими з’єднаннями дефект «вуглецевої інкапсуляції» на мікронному рівні виглядає як «бомба уповільненої дії». Це може спотворювати локальні термічні поля та поля напруги, що призводить до термомеханічної втоми та розтріскування металевих шарів з’єднання, викликаючи затримки сигналу, перехресні перешкоди або повну відмову. У картах прискорення штучного інтелекту вартістю в сотні тисяч юанів системні збої, спричинені основними дефектами матеріалу, є неприйнятними. Забезпечення абсолютної чистоти та структурної досконалості проміжного елемента SiC є наріжним каменем підтримки надійності всієї складної обчислювальної системи.

Висновок: перехід від «прийнятного» до «ідеального і бездоганного». У минулому карбід кремнію в основному використовувався в промисловості та автомобільній промисловості, де існував певний допуск до дефектів. Однак, коли справа доходить до мініатюрного світу окулярів штучного інтелекту та надвисоких, надскладних систем, таких як CoWoS від NVIDIA, толерантність до дефектів матеріалів впала до нуля. Кожен дефект «вуглецевої інкапсуляції» безпосередньо загрожує обмеженням продуктивності, надійності та комерційному успіху кінцевого продукту. Таким чином, подолання таких дефектів підкладки, як «вуглецева інкапсуляція», більше не є лише академічним питанням або проблемою вдосконалення процесу, а критичною битвою за матеріал, яка підтримує революцію штучного інтелекту наступного покоління, передових обчислень і побутової електроніки.

Звідки береться карбонова упаковка

Рост та ін. запропонував «модель концентрації», припускаючи, що зміни у співвідношенні речовин у газовій фазі є основною причиною інкапсуляції вуглецю. Лі та ін. found that seed graphitization can induce carbon encapsulation before growth begins. Через вихід атмосфери, багатої кремнієм, із тигля та активної взаємодії між атмосферою кремнію та графітовим тиглем та іншими елементами графіту, графітизація джерела карбіду кремнію неминуча. Таким чином, відносно низький парціальний тиск кремнію в камері росту може бути основною причиною інкапсуляції вуглецю. Однак Авров та ін. стверджував, що інкапсуляція вуглецю не спричинена дефіцитом кремнію. Thus, the strong corrosion of graphite elements due to excess silicon might be the main cause of carbon inclusions. Прямі експериментальні докази, наведені в цій статті, показують, що дрібні частинки вуглецю на поверхні джерела можуть забиватися на фронт росту монокристалів карбіду кремнію, утворюючи вуглецеві інкапсуляції. Цей результат вказує на те, що утворення дрібних частинок вуглецю в камері росту є основною причиною інкапсуляції вуглецю. Поява вуглецевої інкапсуляції в монокристалах карбіду кремнію пов’язана не з низьким парціальним тиском Si в камері росту, а скоріше з утворенням слабко зв’язаних частинок вуглецю внаслідок графітизації джерела карбіду кремнію та корозії графітових елементів.

Розподіл включень, здається, дуже нагадує візерунок графітових пластин на поверхні джерела. Зони без включень в монокристалічних пластинах круглі, діаметром близько 3 мм, що ідеально відповідає діаметру круглих перфорованих отворів. Це свідчить про те, що інкапсуляція вуглецю походить із зони сировини, тобто графітизація сировини викликає дефект інкапсуляції вуглецю.

Рост кристалів карбіду кремнію зазвичай вимагає 100-150 годин. У міру зростання графітизація сировини стає сильнішою. Через попит на вирощування товстих кристалів вирішення проблеми графітизації сировини стає ключовим питанням.

Рішення Рішення Carbon Wrapping Solution

1. Теорія сублімації сировини в PVT

• Співвідношення площі поверхні до об’єму: у хімічних системах швидкість збільшення площі поверхні речовини набагато повільніша за швидкість збільшення її об’єму. Отже, чим більший розмір частинок, тим менше відношення площі поверхні до об’єму (площа поверхні/об’єм).
• Випаровування відбувається на поверхні: лише атоми або молекули, розташовані на поверхні частинки, мають можливість вийти в газову фазу. Таким чином, швидкість і загальна кількість випаровування безпосередньо пов’язані з площею поверхні, відкритої частинкою.
• Характеристики випаровування великих частинок: Менше співвідношення площі поверхні/об'єму. Менше поверхневих молекул/атомів, що означає менше доступних ділянок поверхні для випаровування. (Велика частинка проти кількох дрібних частинок) Нижча швидкість випаровування: менше молекул/атомів вилітає з поверхні частинки за одиницю часу. Більш рівномірне випаровування (менше різноманіття видів): через відносно невелику поверхню дифузія внутрішнього матеріалу до поверхні потребує довшого шляху та більше часу. Випаровування в основному відбувається у зовнішньому шарі.
• Сирий матеріал із дрібними частинками (співвідношення великої площі поверхні до об’єму): «Незгорілий» (випаровування/сублімація різко змінюється): дрібні частинки майже повністю піддаються дії високих температур, спричиняючи швидку «газифікацію»: вони дуже швидко сублімуються, і на початковій стадії в першу чергу вивільняють компоненти, які найлегше сублімуються (зазвичай гази, багаті кремнієм). Soon, the surface of small particles becomes carbon-rich (as carbon is relatively difficult to sublime). Це призводить до значної різниці в складі сублімованого газу до і після — газ спочатку багатий кремнієм, а пізніше стає багатим на вуглець.

• Зростання завершено з сировиною 0,5 мм
• Зростання завершено 1-2 мм сировиною методом саморозмноження
• Зростання завершено 4-10 мм CVD сировиною

Як видно на наведеній вище діаграмі, збільшення розміру частинок сировини допомагає придушити переважне випаровування компонента Si у сировині, роблячи склад газової фази протягом усього процесу вирощування більш стабільним і вирішуючи проблему графітизації сировини. Очікується, що CVD-матеріали з великими частинками, особливо вихідні матеріали розміром понад 8 мм, повністю вирішать проблему графітизації, тим самим усуваючи дефект інкапсуляції вуглецю в підкладці.

Висновок і перспектива

Високочистий стехіометричний вихідний матеріал SiC із великими частинками, синтезований методом CVD, із властивим йому низьким співвідношенням площі поверхні до об’єму забезпечує високостабільне та контрольоване джерело сублімації для вирощування монокристалів SiC за допомогою методу PVT. Це не тільки зміна форми сировини, але й принципово змінюється та оптимізується термодинамічне та кінетичне середовище методу PVT.

Переваги програми безпосередньо виражаються в:

• Вища якість монокристалів: створення матеріальної основи для виробництва малодефектних підкладок, придатних для високовольтних потужних пристроїв, таких як MOSFET і IGBT.
• Краща економічність процесу: покращення стабільності темпів росту, використання сировини та продуктивності процесу, що допомагає знизити ціну на дорогу підкладку SiC та сприяє широкому застосуванню подальших додатків.
• Більший розмір кристала: стабільні умови процесу більш сприятливі для індустріалізації 8-дюймових і більших монокристалів SiC.