Silicio karbido substratų anglies kapsuliavimo defekto sprendimas

Vykstant pasaulinei energetikos pertvarkai, AI revoliucijai ir naujos kartos informacinių technologijų bangai, silicio karbidas (SiC) dėl savo išskirtinių fizinių savybių iš „potencialios medžiagos“ greitai tapo „strategine pagrindo medžiaga“. Jo taikymo sritis plečiasi precedento neturinčiu tempu, todėl pagrindo medžiagų kokybei ir konsistencijai keliami beveik ekstremalūs reikalavimai. Dėl to kritinių defektų, tokių kaip „anglies kapsuliavimas“, šalinimas tapo skubesnis ir būtinesnis nei bet kada anksčiau.

SiC substratų naudojimo pasienio programos

1. AI aparatinės įrangos ekosistema ir miniatiūrizavimo ribos:

• Kaip pavyzdį imkime AI akinius
• Optinės bangolaidžio medžiagos AR/VR akiniams.

Naujos kartos AI akiniai (AR/VR įrenginiai) siekia neprilygstamo panardinimo ir sąveikos realiuoju laiku jausmo. Tai reiškia, kad jų vidiniai pagrindiniai procesoriai (pavyzdžiui, tam skirti AI išvadų lustai) turi apdoroti didelius duomenų kiekius ir tvarkyti didelį šilumos išsklaijimą itin ribotoje miniatiūrinėje erdvėje. Pagal šį scenarijų silicio lustai susiduria su fiziniais apribojimais.

AR/VR optiniams bangolaidžiams reikalingas aukštas lūžio rodiklis, kad būtų sumažintas įrenginio garsumas, plačiajuostis perdavimas, kad būtų palaikomi spalvoti ekranai, didelis šilumos laidumas, kad būtų valdomas šilumos išsklaidymas iš didelės galios šviesos šaltinių, ir didelis kietumas bei stabilumas, kad būtų užtikrintas ilgaamžiškumas. Jie taip pat turi būti suderinami su brandžiomis mikro/nanooptinio apdorojimo technologijomis, skirtomis didelio masto gamybai.

SiC vaidmuo: GaN-on-SiC RF / galios moduliai, pagaminti iš SiC substratų, yra labai svarbūs norint išspręsti šį prieštaravimą. Jie gali valdyti miniatiūrinius ekranus ir jutiklių sistemas su didesniu efektyvumu, o šilumos laidumas kelis kartus didesnis nei silicio, greitai išsklaido didžiulę lustų generuojamą šilumą, taip užtikrinant stabilų veikimą ir mažą formą.

Vieno kristalo silicio karbido (SiC) matomos šviesos spektro lūžio rodiklis yra apie 2,6, jo skaidrumas yra puikus, todėl jis tinkamas didelio integruoto optinio bangolaidžio konstrukcijoms. Remiantis aukšto lūžio rodiklio savybėmis, vieno sluoksnio SiC difrakcijos bangolaidis teoriškai gali pasiekti maždaug 70° matymo lauką (FOV) ir veiksmingai slopinti vaivorykštės modelius. Be to, SiC pasižymi itin dideliu šilumos laidumu (apie 4,9 W/cm·K), leidžiančiu greitai išsklaidyti šilumą iš optinių ir mechaninių šaltinių, užkertant kelią optinių savybių pablogėjimui dėl temperatūros kilimo. Be to, didelis SiC kietumas ir atsparumas dilimui žymiai padidina bangolaidžio lęšių konstrukcijos stabilumą ir ilgalaikį patvarumą. SiC plokštelės gali būti naudojamos mikro/nano apdorojimui (pvz., ėsdinimui ir dengimui), palengvinant mikrooptinių struktūrų integravimą.

„Anglies kapsuliavimo“ pavojai: jei SiC substrate yra „anglies kapsuliavimo“ defektas, jis tampa lokalizuotu „šilumos izoliatoriumi“ ir „elektros gedimo tašku“. Tai ne tik labai trukdo šilumos srautui, dėl to vietiškai perkaista lustas ir pablogėja veikimas, bet ir gali sukelti mikro iškrovas arba nuotėkio sroves, dėl kurių gali atsirasti ekrano anomalija, skaičiavimo klaidos ar net aparatinės įrangos gedimas dirbtinio intelekto akiniuose ilgalaikės didelės apkrovos sąlygomis. Todėl be defektų SiC substratas yra fizinis pagrindas norint sukurti patikimą, didelio našumo nešiojamą dirbtinio intelekto aparatūrą.

„Anglies kapsuliavimo“ pavojai: jei SiC substrate yra „anglies kapsuliavimo“ defektas, tai sumažins matomos šviesos pralaidumą per medžiagą, taip pat gali lokaliai perkaisti bangolaidį, pabloginti jo veikimą ir sumažėti arba sutrikti ekrano ryškumas.

2. Pažangių kompiuterių paketų revoliucija:

• Pagrindiniai NVIDIA CoWoS technologijos sluoksniai

NVIDIA vadovaujamose AI skaičiavimo galios lenktynėse pažangios pakavimo technologijos, tokios kaip CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate), tapo svarbiausiomis integruojant procesorius, GPU ir HBM atmintį, leidžiančią eksponentiškai padidinti skaičiavimo galią. Šioje sudėtingoje nevienalytėje integravimo sistemoje tarpininkas atlieka svarbų vaidmenį kaip greitųjų sujungimų ir šilumos valdymo pagrindas.

SiC vaidmuo: Palyginti su siliciu ir stiklu, SiC laikomas idealia medžiaga naujos kartos didelio našumo tarpikliui dėl itin didelio šilumos laidumo, šiluminio plėtimosi koeficiento, kuris geriau dera su lustais, ir puikių elektros izoliacijos savybių. SiC interposeriai gali efektyviau išsklaidyti koncentruotą šilumą iš kelių skaičiavimo branduolių ir užtikrinti didelės spartos signalo perdavimo vientisumą.

„Anglies kapsuliavimo“ pavojai: po nanometrų lygio jungtimis mikronų lygio „anglies kapsuliavimo“ defektas yra tarsi „laiko bomba“. Jis gali iškraipyti vietinius šiluminius ir įtempių laukus, o tai gali sukelti termomechaninį nuovargį ir įtrūkimus tarpusavyje sujungtuose metaliniuose sluoksniuose, sukeldamas signalo vėlavimą, pertrūkį arba visišką gedimą. AI pagreičio kortelėse, kurių vertė šimtai tūkstančių RMB, sistemos gedimai, atsiradę dėl esminių medžiagų defektų, yra nepriimtini. Viso SiC tarpiklio grynumo ir struktūrinio tobulumo užtikrinimas yra kertinis visos sudėtingos skaičiavimo sistemos patikimumo palaikymo akmuo.

Išvada: perėjimas nuo „priimtino“ prie „tobulo ir nepriekaištingo“. Anksčiau silicio karbidas daugiausia buvo naudojamas pramonės ir automobilių srityse, kur buvo tam tikra tolerancija defektams. Tačiau kalbant apie AI akinių ir itin vertingų, itin sudėtingų sistemų, tokių kaip NVIDIA CoWoS, miniatiūrizavimo pasaulį, medžiagų defektų tolerancija nukrito iki nulio. Kiekvienas „anglies kapsuliavimo“ defektas tiesiogiai kelia grėsmę galutinio produkto veikimo riboms, patikimumui ir komercinei sėkmei. Todėl substrato defektų, tokių kaip „anglies kapsuliavimas“, įveikimas nebėra tik akademinis ar procesų tobulinimo klausimas, bet ir esminis materialinis mūšis, palaikantis naujos kartos dirbtinį intelektą, pažangų skaičiavimą ir plataus vartojimo elektronikos revoliuciją.

Iš kur atsiranda anglies vyniojimas

Rostas ir kt. pasiūlė „koncentracijos modelį“, teigdamas, kad medžiagų santykio pokyčiai dujų fazėje yra pagrindinė anglies kapsuliavimo priežastis. Li ir kt. nustatė, kad sėklų grafitinimas gali sukelti anglies kapsuliavimą prieš prasidedant augimui. Dėl silicio turtingos atmosferos pabėgimo iš tiglio ir aktyvios sąveikos tarp silicio atmosferos ir grafito tiglio bei kitų grafito elementų, silicio karbido šaltinio grafitinimas yra neišvengiamas. Todėl santykinai mažas Si dalinis slėgis augimo kameroje gali būti pagrindinė anglies kapsuliavimo priežastis. Tačiau Avrovas ir kt. teigė, kad anglies kapsuliavimą sukelia ne silicio trūkumas. Taigi stipri grafito elementų korozija dėl silicio pertekliaus gali būti pagrindinė anglies inkliuzų priežastis. Tiesioginiai eksperimentiniai įrodymai šiame dokumente rodo, kad smulkios anglies dalelės šaltinio paviršiuje gali būti nukreiptos į silicio karbido monokristalų augimo priekį, sudarydamos anglies kapsules. Šis rezultatas rodo, kad smulkių anglies dalelių susidarymas augimo kameroje yra pagrindinė anglies kapsuliavimo priežastis. Anglies kapsuliavimas silicio karbido monokristaluose atsiranda ne dėl mažo dalinio Si slėgio augimo kameroje, o dėl silpnai susijungusių anglies dalelių susidarymo dėl silicio karbido šaltinio grafitizacijos ir grafito elementų korozijos.

Atrodo, kad inkliuzų pasiskirstymas labai panašus į grafito plokščių raštą šaltinio paviršiuje. Vienkristalinėse plokštelėse esančios zonos be intarpų yra apvalios, maždaug 3 mm skersmens, o tai puikiai atitinka perforuotų apskritų skylių skersmenį. Tai rodo, kad anglies kapsulė kyla iš žaliavos srities, o tai reiškia, kad žaliavos grafitinimas sukelia anglies kapsuliavimo defektą.

Silicio karbido kristalų augimui paprastai reikia 100–150 valandų. Augimui progresuojant, žaliavos grafitizacija tampa vis sunkesnė. Esant poreikiui auginti storus kristalus, žaliavos grafitizavimo klausimas tampa pagrindiniu klausimu.

Anglies vyniojimo sprendimas

1. PVT žaliavų sublimacijos teorija

• Paviršiaus ploto ir tūrio santykis: cheminėse sistemose medžiagos paviršiaus plotas didėja daug lėčiau nei jos tūris. Todėl kuo didesnis dalelių dydis, tuo mažesnis paviršiaus ploto ir tūrio santykis (paviršiaus plotas/tūris).
• Garavimas vyksta paviršiuje: tik dalelės paviršiuje esantys atomai ar molekulės turi galimybę išeiti į dujų fazę. Todėl garavimo greitis ir bendras kiekis yra tiesiogiai susiję su dalelės eksponuojamu paviršiaus plotu.
• Didelių dalelių garavimo charakteristikos: mažesnis paviršiaus ploto ir tūrio santykis. Mažiau paviršiaus molekulių / atomų, o tai reiškia, kad yra mažiau garavimo paviršių. (Didelė dalelė prieš kelias mažas daleles) Lėtesnis garavimo greitis: per laiko vienetą iš dalelės paviršiaus išbėga mažiau molekulių/atomų. Tolygesnis garavimas (mažesnis rūšių kintamumas): dėl santykinai mažo paviršiaus vidinei medžiagai difuzijai į paviršių reikia ilgesnio kelio ir daugiau laiko. Garavimas daugiausia vyksta išoriniame sluoksnyje.
• Mažų dalelių žaliava (didelio paviršiaus ploto ir tūrio santykis): „nesudegusi“ (išgaravimas/sublimacija smarkiai keičiasi): Mažos dalelės beveik visiškai veikiamos aukštoje temperatūroje ir sukelia greitą „dujinimąsi“: jos sublimuojasi labai greitai, o pradiniame etape pirmiausia išskiria lengviausiai sublimuojamus komponentus (dažniausiai silicio turtingus dujas). Netrukus mažų dalelių paviršius tampa turtingas anglies (nes anglį gana sunku sublimuoti). Dėl to labai skiriasi sublimuotų dujų sudėtis prieš ir po – dujose pradeda daugėti silicio, o vėliau – anglies.

• Augimas baigtas naudojant 0,5 mm žaliavą
• Augimas baigtas naudojant 1-2 mm savaiminio dauginimo metodo žaliavą
• Augimas baigtas naudojant 4-10 mm CVD žaliavą

Kaip matyti iš pirmiau pateiktos diagramos, žaliavos dalelių dydžio padidinimas padeda slopinti pirminį Si komponento lakavimą žaliavoje, todėl dujų fazės sudėtis viso augimo proceso metu tampa stabilesnė ir išsprendžiama žaliavos grafitinimo problema. Tikimasi, kad didelės dalelės CVD medžiagos, ypač didesnės nei 8 mm žaliavos, visiškai išspręs grafitizacijos problemą ir taip pašalins anglies kapsulės defektą substrate.

Išvada ir perspektyva

CVD metodu susintetinta didelių dalelių, didelio grynumo, stechiometrinė SiC žaliava, kuriai būdingas mažas paviršiaus ploto ir tūrio santykis, yra labai stabilus ir kontroliuojamas sublimacijos šaltinis SiC monokristalams augti naudojant PVT metodą. Tai ne tik žaliavos formos pakeitimas, bet ir iš esmės pertvarkoma bei optimizuojama PVT metodo termodinaminė ir kinetinė aplinka.

Programos pranašumai yra tiesiogiai išversti į:

• Aukštesnė monokristalų kokybė: Medžiagų pagrindo kūrimas mažo defekto substratams, tinkamiems aukštos įtampos, didelės galios įrenginiams, tokiems kaip MOSFET ir IGBT, gaminti.
• Geresnė proceso ekonomija: gerinamas augimo tempo stabilumas, žaliavų panaudojimas ir proceso išeiga, padedama sumažinti brangiai kainuojančią SiC substrato kainą ir skatinamas platus tolesnių programų pritaikymas.
• Didesnis kristalų dydis: stabilios proceso sąlygos yra palankesnės 8 colių ir didesnių SiC monokristalų industrializavimui.