Rozwiązanie wady kapsułkowania węgla w podłożach z węglika krzemu

Wraz z globalną transformacją energetyczną, rewolucją sztucznej inteligencji i falą technologii informatycznych nowej generacji węglik krzemu (SiC) szybko przeszedł drogę od „materiału potencjalnego” do „strategicznego materiału podstawowego” ze względu na swoje wyjątkowe właściwości fizyczne. Jej zastosowania rozwijają się w niespotykanym dotąd tempie, stawiając niemal ekstremalne wymagania jakości i konsystencji materiałów podłoża. To sprawiło, że zajęcie się krytycznymi defektami, takimi jak „hermetyzacja węglem”, stało się pilniejsze i konieczne niż kiedykolwiek wcześniej.

Zastosowania pionierskie napędzające podłoża SiC

1. Ekosystem sprzętowy AI i granice miniaturyzacji:

• Biorąc za przykład okulary AI
• Materiały światłowodowe do okularów AR/VR.

Następna generacja okularów AI (urządzenia AR/VR) dąży do niezrównanego poczucia zanurzenia i interakcji w czasie rzeczywistym. Oznacza to, że ich wewnętrzne procesory rdzeniowe (takie jak dedykowane układy wnioskowania AI) muszą przetwarzać ogromne ilości danych i radzić sobie ze znacznym rozpraszaniem ciepła w niezwykle ograniczonej, zminiaturyzowanej przestrzeni. W tym scenariuszu chipy oparte na krzemie napotykają fizyczne ograniczenia.

Falowody optyczne AR/VR wymagają wysokiego współczynnika załamania światła, aby zmniejszyć objętość urządzenia, szerokopasmowej transmisji do obsługi pełnokolorowych wyświetlaczy, wysokiej przewodności cieplnej w celu zarządzania rozpraszaniem ciepła ze źródeł światła o dużej mocy oraz wysokiej twardości i stabilności, aby zapewnić trwałość. Muszą być także kompatybilne z dojrzałymi technologiami przetwarzania mikro/nanooptycznego do celów produkcji na dużą skalę.

Rola SiC: Moduły RF/zasilania GaN-on-SiC wykonane z substratów SiC są kluczem do rozwiązania tej sprzeczności. Mogą napędzać miniaturowe wyświetlacze i systemy czujników z wyższą wydajnością, a przy przewodności cieplnej kilkakrotnie wyższej niż krzem, szybko rozpraszają ogromne ciepło generowane przez chipy, zapewniając stabilną pracę w smukłej obudowie.

Monokrystaliczny węglik krzemu (SiC) ma współczynnik załamania światła około 2,6 w widmie światła widzialnego i doskonałą przezroczystość, dzięki czemu nadaje się do konstrukcji falowodów optycznych o wysokiej integracji. W oparciu o właściwości wysokiego współczynnika załamania światła jednowarstwowy falowód dyfrakcyjny SiC może teoretycznie osiągnąć pole widzenia (FOV) około 70° i skutecznie tłumić wzory tęczy. Co więcej, SiC ma wyjątkowo wysoką przewodność cieplną (około 4,9 W/cm·K), co pozwala mu szybko rozpraszać ciepło ze źródeł optycznych i mechanicznych, zapobiegając pogorszeniu parametrów optycznych ze względu na wzrost temperatury. Dodatkowo wysoka twardość i odporność na zużycie SiC znacznie zwiększają stabilność strukturalną i długoterminową trwałość soczewek falowodowych. Płytki SiC można stosować do obróbki mikro/nano (takiej jak trawienie i powlekanie), ułatwiając integrację struktur mikrooptycznych.

Zagrożenia związane z „hermetyzacją węglem”: Jeśli podłoże SiC zawiera defekt „hermetyzacji węglem”, staje się on lokalnym „izolatorem termicznym” i „punktem uszkodzenia elektrycznego”. Nie tylko poważnie utrudnia przepływ ciepła, co prowadzi do lokalnego przegrzania chipa i pogorszenia wydajności, ale może również powodować mikrowyładowania lub prądy upływowe, co może prowadzić do nieprawidłowości w wyświetlaniu, błędów obliczeniowych, a nawet awarii sprzętu w okularach AI przy długotrwałym dużym obciążeniu. Dlatego wolne od defektów podłoże SiC stanowi fizyczną podstawę do uzyskania niezawodnego, wydajnego sprzętu AI do noszenia.

Zagrożenia związane z „hermetyzacją węglem”: Jeśli podłoże SiC zawiera defekt „hermetyzacji węglem”, zmniejszy to transmisję światła widzialnego przez materiał, a także może prowadzić do miejscowego przegrzania falowodu, pogorszenia wydajności oraz zmniejszenia lub nieprawidłowości w jasności wyświetlacza.

2. Rewolucja w zaawansowanych opakowaniach obliczeniowych:

• Kluczowe warstwy technologii CoWoS firmy NVIDIA

W wyścigu mocy obliczeniowej sztucznej inteligencji prowadzonym przez firmę NVIDIA, zaawansowane technologie pakowania, takie jak CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate), stały się kluczowe dla integracji procesorów, procesorów graficznych i pamięci HBM, umożliwiając wykładniczy wzrost mocy obliczeniowej. W tym złożonym, heterogenicznym systemie integracji element pośredni odgrywa kluczową rolę jako szkielet szybkich połączeń wzajemnych i zarządzania ciepłem.

Rola SiC: W porównaniu z krzemem i szkłem, SiC jest uważany za idealny materiał na wysokowydajny interposer nowej generacji ze względu na jego wyjątkowo wysoką przewodność cieplną, współczynnik rozszerzalności cieplnej lepiej dopasowujący się do wiórów oraz doskonałe właściwości izolacji elektrycznej. Przekładki SiC mogą skuteczniej rozpraszać skoncentrowane ciepło z wielu rdzeni obliczeniowych i zapewniać integralność szybkiej transmisji sygnału.

Zagrożenia związane z „hermetyzacją węglem”: Pod połączeniami wzajemnymi na poziomie nanometrów defekt „hermetyzacji węglem” na poziomie mikrona działa jak „bomba zegarowa”. Może zniekształcać lokalne pola termiczne i naprężenia, prowadząc do zmęczenia termomechanicznego i pękania metalowych warstw połączeń, powodując opóźnienia sygnału, przesłuchy lub całkowitą awarię. W kartach akceleracji AI wartych setki tysięcy RMB awarie systemu spowodowane wadami materiałowymi są niedopuszczalne. Zapewnienie absolutnej czystości i doskonałości strukturalnej przekładki SiC jest kamieniem węgielnym utrzymania niezawodności całego złożonego systemu obliczeniowego.

Wniosek: przejście od „akceptowalnego” do „doskonałego i bezbłędnego”. W przeszłości węglik krzemu był stosowany głównie w przemyśle i motoryzacji, gdzie istniała pewna tolerancja na wady. Jednak jeśli chodzi o miniaturyzacyjny świat okularów AI i niezwykle wartościowych, ultrakompleksowych systemów, takich jak CoWoS firmy NVIDIA, tolerancja na wady materiałowe spadła do zera. Każda wada związana z „hermetyzacją węgla” bezpośrednio zagraża ograniczeniom wydajności, niezawodności i sukcesowi komercyjnemu produktu końcowego. Dlatego też przezwyciężanie wad podłoża, takich jak „hermetyzacja węglem”, nie jest już wyłącznie problemem akademickim lub związanym z doskonaleniem procesów, ale kluczową bitwą materialną, która wspiera sztuczną inteligencję nowej generacji, zaawansowane obliczenia i rewolucję w elektronice użytkowej.

Skąd pochodzi opakowanie węglowe

Rost i in. zaproponowali „model stężenia”, sugerując, że zmiany w stosunku substancji w fazie gazowej są główną przyczyną enkapsulacji węgla. Li i in. odkryli, że grafityzacja nasion może wywołać kapsułkowanie węgla przed rozpoczęciem wzrostu. Ze względu na ucieczkę atmosfery bogatej w krzem z tygla i aktywną interakcję pomiędzy atmosferą krzemową a tyglem grafitowym i innymi elementami grafitowymi, grafityzacja źródła węglika krzemu jest nieunikniona. Dlatego też stosunkowo niskie ciśnienie cząstkowe Si w komorze wzrostu może być główną przyczyną enkapsulacji węgla. Jednakże Avrov i in. argumentował, że kapsułkowanie węgla nie jest spowodowane niedoborem krzemu. Zatem silna korozja elementów grafitowych spowodowana nadmiarem krzemu może być główną przyczyną wtrąceń węgla. Bezpośrednie dowody eksperymentalne przedstawione w tym artykule pokazują, że drobne cząstki węgla na powierzchni źródła mogą zostać wepchnięte w przód wzrostu monokryształów węglika krzemu, tworząc kapsułki węglowe. Wynik ten wskazuje, że wytwarzanie drobnych cząstek węgla w komorze wzrostu jest główną przyczyną kapsułkowania węgla. Pojawienie się enkapsulacji węgla w monokryształach węglika krzemu nie jest spowodowane niskim ciśnieniem cząstkowym Si w komorze wzrostowej, ale raczej tworzeniem się słabo połączonych cząstek węgla w wyniku grafityzacji źródła węglika krzemu i korozji elementów grafitowych.

Rozkład wtrąceń wydaje się bardzo przypominać układ płytek grafitowych na powierzchni źródła. Strefy wolne od inkluzji w płytkach monokrystalicznych są okrągłe i mają średnicę około 3 mm, co idealnie odpowiada średnicy perforowanych okrągłych otworów. Sugeruje to, że enkapsulacja węgla pochodzi z obszaru surowca, co oznacza, że ​​grafityzacja surowca powoduje defekt kapsułkowania węgla.

Wzrost kryształów węglika krzemu zwykle wymaga 100-150 godzin. W miarę postępu wzrostu grafityzacja surowca staje się coraz bardziej dotkliwa. W obliczu zapotrzebowania na hodowlę grubych kryształów, kwestią kluczową staje się grafityzacja surowca.

Rozwiązanie do pakowania węgla

1. Teoria sublimacji surowców w PVT

• Stosunek powierzchni do objętości: W układach chemicznych tempo wzrostu pola powierzchni substancji jest znacznie wolniejsze niż tempo wzrostu jej objętości. Dlatego im większy rozmiar cząstek, tym mniejszy stosunek pola powierzchni do objętości (powierzchnia/objętość).
• Parowanie zachodzi na powierzchni: Tylko atomy lub cząsteczki znajdujące się na powierzchni cząstki mają możliwość ucieczki do fazy gazowej. Dlatego szybkość i całkowita wielkość parowania są bezpośrednio związane z powierzchnią eksponowaną przez cząstkę.
• Charakterystyka parowania dużych cząstek: Mniejszy stosunek powierzchni do objętości. Mniej cząsteczek/atomów powierzchniowych, co oznacza mniej dostępnych miejsc na powierzchni do parowania. (Duża cząstka kontra wiele małych cząstek) Wolniejsza szybkość parowania: Mniej cząsteczek/atomów ucieka z powierzchni cząsteczki w jednostce czasu. Bardziej równomierne parowanie (mniejsze zróżnicowanie gatunkowe): Ze względu na stosunkowo małą powierzchnię dyfuzja materiału wewnętrznego na powierzchnię wymaga dłuższej drogi i więcej czasu. Parowanie zachodzi głównie w warstwie najbardziej zewnętrznej.
• Surowiec w postaci małych cząstek (stosunek dużej powierzchni do objętości): „Niespalony” (odparowanie/sublimacja zmienia się radykalnie): Małe cząstki są prawie całkowicie wystawione na działanie wysokich temperatur, powodując szybkie „zgazowanie”: Sublimują bardzo szybko i na początkowym etapie uwalniają przede wszystkim składniki, które najłatwiej ulegają sublimacji (zwykle gazy bogate w krzem). Wkrótce powierzchnia małych cząstek staje się bogata w węgiel (ponieważ węgiel jest stosunkowo trudny do sublimacji). Powoduje to znaczną różnicę w składzie sublimowanego gazu przed i po – gaz zaczyna się od bogatego w krzem, a później staje się bogaty w węgiel.

• Przyrost zakończony materiałem o grubości 0,5 mm
• Wzrost uzupełniony 1-2mm materiałem samorozmnażającym się
• Wzrost zakończony surowcem CVD o średnicy 4-10 mm

Jak widać na powyższym schemacie, zwiększenie rozmiaru cząstek surowca pomaga stłumić preferencyjne ulatnianie się składnika Si w surowcu, dzięki czemu skład fazy gazowej podczas całego procesu wzrostu jest bardziej stabilny i rozwiązuje problem grafityzacji surowca. Oczekuje się, że materiały CVD o dużych cząstkach, zwłaszcza surowce o rozmiarze większym niż 8 mm, całkowicie rozwiążą problem grafityzacji, eliminując w ten sposób defekt kapsułkowania węgla w podłożu.

Wnioski i perspektywy

Wielkocząsteczkowy, stechiometryczny surowiec SiC o wysokiej czystości, syntetyzowany metodą CVD, z nieodłącznym niskim stosunkiem pola powierzchni do objętości, zapewnia wysoce stabilne i kontrolowane źródło sublimacji do wzrostu monokryształów SiC przy użyciu metody PVT. Jest to nie tylko zmiana postaci surowca, ale także zasadniczo przekształca i optymalizuje środowisko termodynamiczne i kinetyczne metody PVT.

Zalety aplikacji przekładają się bezpośrednio na:

• Wyższa jakość monokryształów: Stworzenie podstawy materiałowej do produkcji podłoży o niskiej defektach, odpowiednich dla urządzeń wysokiego napięcia i dużej mocy, takich jak MOSFET i IGBT.
• Lepsza ekonomika procesu: poprawa stabilności tempa wzrostu, wykorzystania surowców i wydajności procesu, pomagając obniżyć kosztowną cenę podłoża SiC i promując powszechne przyjęcie dalszych zastosowań.
• Większy rozmiar kryształów: Stabilne warunki procesu są bardziej korzystne dla industrializacji 8-calowych i większych monokryształów SiC.