Løsningen på kulstofindkapslingsdefekten i siliciumcarbidsubstrater

Med den globale energiomstilling, AI-revolutionen og bølgen af ​​den nye generation af informationsteknologier har siliciumcarbid (SiC) hurtigt udviklet sig fra at være et "potentielt materiale" til et "strategisk grundmateriale" på grund af dets exceptionelle fysiske egenskaber. Dens anvendelser udvides i et hidtil uset tempo, hvilket stiller næsten ekstreme krav til kvaliteten og konsistensen af ​​substratmaterialer. Dette har gjort det mere presserende og nødvendigt at tage fat på kritiske defekter såsom "kulstofindkapsling" end nogensinde før.

Grænseapplikationer, der driver SiC-substrater

1.AI hardware økosystem og grænserne for miniaturisering:

• Tager AI-briller som eksempel
• Optiske bølgeledermaterialer til AR/VR-briller.

Den næste generation af AI-briller (AR/VR-enheder) stræber efter en uovertruffen følelse af fordybelse og interaktion i realtid. Det betyder, at deres interne kerneprocessorer (såsom dedikerede AI-inferenschips) skal behandle enorme mængder data og håndtere betydelig varmeafledning inden for ekstremt begrænset miniaturiseret plads. Siliciumbaserede chips står over for fysiske begrænsninger i dette scenarie.

AR/VR optiske bølgeledere kræver et højt brydningsindeks for at reducere enhedsvolumen, bredbåndstransmission for at understøtte fuldfarveskærme, høj termisk ledningsevne til at styre varmeafledning fra lyskilder med høj effekt og høj hårdhed og stabilitet for at sikre holdbarhed. De skal også være kompatible med modne mikro/nano-optiske behandlingsteknologier til storskala fremstilling.

SiC's rolle: GaN-on-SiC RF/power-moduler fremstillet af SiC-substrater er nøglen til at løse denne modsigelse. De kan drive miniatureskærme og sensorsystemer med højere effektivitet og, med termisk ledningsevne flere gange højere end silicium, hurtigt sprede den massive varme, der genereres af chips, hvilket sikrer stabil drift i en slank formfaktor.

Enkeltkrystal siliciumcarbid (SiC) har et brydningsindeks på omkring 2,6 i det synlige lysspektrum, med fremragende gennemsigtighed, hvilket gør det velegnet til højintegrerede optiske bølgelederdesigner. Baseret på dets høje brydningsindeksegenskaber kan en enkeltlags SiC-diffraktionsbølgeleder teoretisk opnå et synsfelt (FOV) på omkring 70° og effektivt undertrykke regnbuemønstre. Desuden har SiC ekstrem høj varmeledningsevne (ca. 4,9 W/cm·K), hvilket gør det muligt hurtigt at sprede varme fra optiske og mekaniske kilder, hvilket forhindrer forringelse af optisk ydeevne på grund af temperaturstigning. Derudover øger SiC's høje hårdhed og slidstyrke markant den strukturelle stabilitet og langsigtede holdbarhed af bølgelederlinserne. SiC-wafers kan bruges til mikro/nano-behandling (såsom ætsning og belægning), hvilket letter integrationen af ​​mikro-optiske strukturer.

Farerne ved "carbon-indkapsling": Hvis SiC-substratet indeholder en "carbon-indkapsling"-defekt, bliver det en lokaliseret "termisk isolator" og "elektrisk fejlpunkt." Ikke alene blokerer det alvorligt varmestrømmen, hvilket fører til lokal overophedning af chippen og ydeevneforringelse, men det kan også forårsage mikroudladninger eller lækstrømme, hvilket potentielt kan føre til visningsfejl, beregningsfejl eller endda hardwarefejl i AI-briller under langvarige forhold med høj belastning. Derfor er et defektfrit SiC-substrat det fysiske grundlag for at opnå pålidelig, højtydende bærbar AI-hardware.

Farerne ved "carbon-indkapsling": Hvis SiC-substratet indeholder en "carbon-indkapsling"-defekt, vil det reducere transmissionen af ​​synligt lys gennem materialet og kan også føre til lokal overophedning af bølgelederen, ydeevneforringelse og et fald eller unormale lysstyrke på skærmen.

2. Revolutionen inden for avanceret computerpakke:

• Nøglelag i NVIDIAs CoWoS-teknologi

I AI computerkraftræset ledet af NVIDIA er avancerede pakketeknologier som CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) blevet centrale for integration af CPU'er, GPU'er og HBM-hukommelse, hvilket muliggør eksponentiel vækst i computerkraft. I dette komplekse heterogene integrationssystem spiller interposeren en kritisk rolle som rygraden for højhastighedsforbindelser og termisk styring.

SiC's rolle: Sammenlignet med silicium og glas betragtes SiC som det ideelle materiale til næste generations højtydende interposer på grund af dets ekstremt høje termiske ledningsevne, en termisk udvidelseskoefficient, der passer bedre med chips, og fremragende elektriske isoleringsegenskaber. SiC interposers kan mere effektivt sprede koncentreret varme fra flere computerkerner og sikre integriteten af ​​højhastighedssignaltransmission.

Farerne ved "kulstofindkapsling": Under forbindelser på nanometerniveau er en "kulstofindkapsling"-defekt på mikronniveau som en "tidsindstillet bombe." Det kan forvrænge lokale termiske felter og spændingsfelter, hvilket fører til termomekanisk træthed og revner i de sammenkoblede metallag, hvilket forårsager signalforsinkelser, krydstale eller fuldstændig fejl. I AI-accelerationskort til en værdi af hundredtusindvis af RMB er systemfejl forårsaget af underliggende materialefejl uacceptable. At sikre den absolutte renhed og strukturelle perfektion af SiC interposeren er hjørnestenen i at opretholde pålideligheden af ​​hele det komplekse computersystem.

Konklusion: Overgang fra "acceptabel" til "perfekt og fejlfri." Tidligere blev siliciumcarbid hovedsageligt brugt i industri- og bilindustrien, hvor der var en vis tolerance for defekter. Men når det kommer til miniaturiseringsverdenen af ​​AI-briller og ultra-højværdi, ultra-komplekse systemer som NVIDIAs CoWoS, er tolerancen for materialefejl faldet til nul. Enhver "kulstofindkapsling"-defekt truer direkte slutproduktets ydeevnegrænser, pålidelighed og kommerciel succes. Derfor er det at overvinde substratdefekter som "carbon-indkapsling" ikke længere kun et akademisk eller procesforbedringsproblem, men en kritisk materialekamp, ​​der understøtter næste generations kunstig intelligens, avanceret databehandling og forbrugerelektronikrevolution.

Hvor kommer kulstofindpakning fra

Rost et al. foreslået "koncentrationsmodellen", hvilket tyder på, at ændringer i forholdet mellem stoffer i gasfasen er hovedårsagen til kulstofindkapsling. Li et al. fandt ud af, at frøgrafitisering kan inducere kulstofindkapsling, før væksten begynder. På grund af udslip af siliciumrig atmosfære fra diglen og den aktive vekselvirkning mellem siliciumatmosfæren og grafitdigelen og andre grafitelementer er grafitiseringen af ​​siliciumcarbidkilden uundgåelig. Derfor kan det relativt lave Si-partialtryk i vækstkammeret være hovedårsagen til kulstofindkapsling. Avrov et al. hævdede, at kulstofindkapsling ikke er forårsaget af siliciummangel. Således kan den stærke korrosion af grafitelementer på grund af overskydende silicium være hovedårsagen til kulstofindeslutninger. Direkte eksperimentelle beviser i dette papir viser, at fine kulstofpartikler på kildeoverfladen kan drives ind i vækstfronten af ​​siliciumcarbid-enkeltkrystaller og danner kulstofindkapslinger. Dette resultat indikerer, at dannelsen af ​​fine kulstofpartikler i vækstkammeret er den primære årsag til kulstofindkapsling. Forekomsten af ​​kulstofindkapsling i siliciumcarbid-enkeltkrystaller skyldes ikke det lave partialtryk af Si i vækstkammeret, men snarere dannelsen af ​​svagt forbundne kulstofpartikler på grund af grafitiseringen af ​​siliciumcarbidkilden og korrosion af grafitelementer.

Fordelingen af ​​indeslutninger synes at ligne mønsteret af grafitpladerne på kildeoverfladen. De inklusionsfrie zoner i enkeltkrystalskiverne er cirkulære med en diameter på ca. 3 mm, hvilket perfekt svarer til diameteren af ​​de perforerede cirkulære huller. Dette tyder på, at kulstofindkapsling stammer fra råvareområdet, hvilket betyder, at grafitiseringen af ​​råmaterialet forårsager kulstofindkapslingsdefekten.

Siliciumcarbid krystalvækst kræver typisk 100-150 timer. Efterhånden som væksten skrider frem, bliver grafitiseringen af ​​råmaterialet mere alvorlig. Under efterspørgslen efter at dyrke tykke krystaller bliver det et nøglespørgsmål at adressere grafitiseringen af ​​råmaterialet.

Carbon indpakningsopløsning

1. Sublimationsteorien om råmaterialer i PVT

• Overfladeareal til volumenforhold: I kemiske systemer er stigningshastigheden i overfladearealet af et stof meget langsommere end stigningshastigheden i dets volumen. Derfor, jo større partikelstørrelsen er, jo mindre er forholdet mellem overfladeareal og volumen (overfladeareal/volumen).
• Fordampning sker på overfladen: Kun atomer eller molekyler placeret på overfladen af ​​partiklen har mulighed for at undslippe ind i gasfasen. Derfor er hastigheden og den samlede mængde af fordampning direkte relateret til overfladearealet udsat af partiklen.
• Fordampningsegenskaber for store partikler: Mindre overfladeareal/volumenforhold. Færre overflademolekyler/atomer, hvilket betyder færre tilgængelige overfladesteder til fordampning. (En stor partikel vs. flere små partikler) Langsommere fordampningshastighed: Færre molekyler/atomer undslipper fra partikeloverfladen pr. tidsenhed. Mere ensartet fordampning (mindre variation i arter): På grund af den relativt lille overflade kræver diffusionen af ​​indre materiale til overfladen en længere vej og mere tid. Fordampning sker hovedsageligt i det yderste lag.
• Små partikler Råmateriale (stort overfladeareal til volumenforhold): "Uforbrændt" (fordampning/sublimering ændrer sig dramatisk): Små partikler udsættes næsten udelukkende for høje temperaturer, hvilket forårsager hurtig "forgasning": De sublimerer meget hurtigt, og i den indledende fase frigiver de primært de lettest sublimerede komponenter (som regel silicium). Snart bliver overfladen af ​​små partikler kulstofrig (da kulstof er relativt vanskeligt at sublimere). Dette resulterer i en betydelig forskel i sammensætningen af ​​den sublimerede gas før og efter - gassen starter siliciumrig og bliver senere kulstofrig.

• Vækst afsluttet med 0,5 mm råmateriale
• Vækst afsluttet med 1-2 mm selvformeringsmetode råmateriale
• Vækst afsluttet med 4-10 mm CVD råmateriale

Som det ses i ovenstående diagram hjælper en forøgelse af råmaterialets partikelstørrelse med at undertrykke den foretrukne fordampning af Si-komponenten i råmaterialet, hvilket gør gasfasesammensætningen under hele vækstprocessen mere stabil og adresserer grafitiseringsproblemet af råmaterialet. Store partikel CVD-materialer, især råmaterialer større end 8 mm i størrelse, forventes fuldstændigt at løse grafitiseringsproblemet og derved eliminere kulstofindkapslingsdefekten i substratet.

Konklusion og udsigt

Det støkiometriske SiC-råmateriale med stor partikel, høj renhed, syntetiseret ved CVD-metoden, med dets iboende lave forhold mellem overfladeareal og volumen, giver en meget stabil og kontrollerbar sublimeringskilde til SiC-enkeltkrystalvækst ved hjælp af PVT-metoden. Dette er ikke kun en ændring af råmaterialets form, men omformer og optimerer også det termodynamiske og kinetiske miljø i PVT-metoden.

Ansøgningsfordelene er direkte oversat til:

• Højere enkeltkrystalkvalitet: Etablering af et materialegrundlag til fremstilling af substrater med lav defekt, velegnet til højspændingsenheder med høj effekt, såsom MOSFET'er og IGBT'er.
• Bedre procesøkonomi: Forbedring af væksthastighedsstabilitet, råvareudnyttelse og procesudbytte, hjælper med at reducere den dyre SiC-substratpris og fremmer den udbredte anvendelse af downstream-applikationer.
• Større krystalstørrelse: Stabile procesbetingelser er mere gunstige for industrialiseringen af ​​8-tommer og større SiC-enkeltkrystaller.