Løsningen på karboninnkapslingsdefekten i silisiumkarbidsubstrater

Med den globale energiovergangen, AI-revolusjonen og bølgen av ny generasjons informasjonsteknologi, har silisiumkarbid (SiC) raskt utviklet seg fra å være et "potensielt materiale" til et "strategisk grunnmateriale" på grunn av dets eksepsjonelle fysiske egenskaper. Dens bruksområder utvides i et enestående tempo, og stiller nesten ekstreme krav til kvaliteten og konsistensen til underlagsmaterialer. Dette har gjort det mer presserende og nødvendig å håndtere kritiske defekter som «karboninnkapsling» enn noen gang før.

Frontier-applikasjoner som driver SiC-substrater

1.AI maskinvareøkosystem og grensene for miniatyrisering:

• Ta AI-briller som et eksempel
• Optiske bølgeledermaterialer for AR/VR-briller.

Neste generasjon AI-briller (AR/VR-enheter) streber etter en uovertruffen følelse av fordypning og sanntidsinteraksjon. Dette betyr at deres interne kjerneprosessorer (som dedikerte AI-slutningsbrikker) må behandle enorme mengder data og håndtere betydelig varmespredning innenfor ekstremt begrenset miniatyrisert plass. Silisiumbaserte brikker står overfor fysiske begrensninger i dette scenariet.

AR/VR optiske bølgeledere krever en høy brytningsindeks for å redusere enhetsvolumet, bredbåndsoverføring for å støtte fullfargeskjermer, høy termisk ledningsevne for å håndtere varmespredning fra lyskilder med høy effekt, og høy hardhet og stabilitet for å sikre holdbarhet. De må også være kompatible med modne mikro/nano-optiske prosesseringsteknologier for storskala produksjon.

SiCs rolle: GaN-on-SiC RF/kraftmoduler laget av SiC-substrater er nøkkelen til å løse denne motsetningen. De kan drive miniatyrskjermer og sensorsystemer med høyere effektivitet og, med termisk ledningsevne flere ganger høyere enn silisium, raskt spre den massive varmen som genereres av brikker, og sikre stabil drift i en slank formfaktor.

Enkeltkrystall silisiumkarbid (SiC) har en brytningsindeks på omtrent 2,6 i det synlige lysspekteret, med utmerket gjennomsiktighet, noe som gjør den egnet for høyintegrerte optiske bølgelederdesign. Basert på dens høye brytningsindeksegenskaper, kan en enkeltlags SiC-diffraksjonsbølgeleder teoretisk oppnå et synsfelt (FOV) på rundt 70° og effektivt undertrykke regnbuemønstre. Dessuten har SiC ekstremt høy termisk ledningsevne (ca. 4,9 W/cm·K), noe som gjør at den raskt kan spre varme fra optiske og mekaniske kilder, og forhindrer forringelse av optisk ytelse på grunn av temperaturøkning. I tillegg forbedrer SiCs høye hardhet og slitestyrke den strukturelle stabiliteten og langsiktige holdbarheten til bølgelederlinsene betydelig. SiC-wafere kan brukes til mikro/nano-behandling (som etsing og belegg), noe som letter integreringen av mikro-optiske strukturer.

Farene ved "karboninnkapsling": Hvis SiC-substratet inneholder en "karboninnkapsling"-defekt, blir det en lokalisert "termisk isolator" og "elektrisk feilpunkt." Ikke bare hindrer det varmestrømmen alvorlig, noe som fører til lokal overoppheting av brikken og ytelsesforringelse, men det kan også forårsake mikroutladninger eller lekkasjestrømmer, som potensielt kan føre til visningsavvik, beregningsfeil eller til og med maskinvarefeil i AI-briller under langsiktige forhold med høy belastning. Derfor er et defektfritt SiC-substrat det fysiske grunnlaget for å oppnå pålitelig, høyytelses bærbar AI-maskinvare.

Farene ved "karboninnkapsling": Hvis SiC-substratet inneholder en "karboninnkapsling"-defekt, vil det redusere overføringen av synlig lys gjennom materialet, og kan også føre til lokal overoppheting av bølgelederen, ytelsesforringelse og en reduksjon eller unormal lysstyrke på skjermen.

2. Revolusjonen innen avansert databehandlingspakke:

• Nøkkellag i NVIDIAs CoWoS-teknologi

I AI datakraftkappløpet ledet av NVIDIA, har avanserte pakketeknologier som CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) blitt sentrale for å integrere CPUer, GPUer og HBM-minne, noe som muliggjør eksponentiell vekst i datakraft. I dette komplekse heterogene integrasjonssystemet spiller interposeren en kritisk rolle som ryggraden for høyhastighetsforbindelser og termisk styring.

SiC's rolle: Sammenlignet med silisium og glass regnes SiC som det ideelle materialet for neste generasjons høyytelses interposer på grunn av sin ekstremt høye termiske ledningsevne, en termisk ekspansjonskoeffisient som passer bedre med brikker, og utmerkede elektriske isolasjonsegenskaper. SiC interposers kan mer effektivt spre konsentrert varme fra flere datakjerner og sikre integriteten til høyhastighets signaloverføring.

Farene ved "karboninnkapsling": Under sammenkoblinger på nanometernivå er en "karboninnkapslings"-defekt på mikronnivå som en "tidsinnstilt bombe." Det kan forvrenge lokale termiske felt og spenningsfelt, føre til termomekanisk tretthet og sprekker i sammenkoblingsmetalllagene, forårsake signalforsinkelser, krysstale eller fullstendig feil. I AI-akselerasjonskort verdt hundretusenvis av RMB er systemfeil forårsaket av underliggende materialfeil uakseptable. Å sikre den absolutte renheten og den strukturelle perfeksjonen til SiC-interposeren er hjørnesteinen for å opprettholde påliteligheten til hele det komplekse datasystemet.

Konklusjon: Overgang fra «akseptabelt» til «perfekt og feilfritt». Tidligere ble silisiumkarbid hovedsakelig brukt i industri- og bilindustrien, der det eksisterte en viss toleranse for defekter. Men når det kommer til miniatyriseringsverdenen til AI-briller og ultra-høyverdi, ultrakomplekse systemer som NVIDIAs CoWoS, har toleransen for materialdefekter sunket til null. Hver "karboninnkapslingsdefekt" truer direkte ytelsesgrensene, påliteligheten og kommersiell suksess til sluttproduktet. Derfor er det å overvinne substratdefekter som "karboninnkapsling" ikke lenger bare et akademisk eller prosessforbedringsproblem, men en kritisk materialkamp som støtter neste generasjons kunstig intelligens, avansert databehandling og forbrukerelektronikk-revolusjon.

Hvor kommer karboninnpakning fra

Rost et al. foreslo "konsentrasjonsmodellen", noe som tyder på at endringer i forholdet mellom stoffer i gassfasen er hovedårsaken til karboninnkapsling. Li et al. fant at frøgrafitisering kan indusere karboninnkapsling før veksten begynner. På grunn av rømmingen av silisiumrik atmosfære fra digelen og den aktive interaksjonen mellom silisiumatmosfæren og grafittdigelen og andre grafittelementer, er grafittiseringen av silisiumkarbidkilden uunngåelig. Derfor kan det relativt lave Si-partialtrykket i vekstkammeret være hovedårsaken til karboninnkapsling. Avrov et al. hevdet at karboninnkapsling ikke er forårsaket av silisiummangel. Dermed kan den sterke korrosjonen av grafittelementer på grunn av overflødig silisium være hovedårsaken til karboninneslutninger. Direkte eksperimentelle bevis i denne artikkelen viser at fine karbonpartikler på kildeoverflaten kan drives inn i vekstfronten til enkeltkrystaller av silisiumkarbid, og danner karboninnkapslinger. Dette resultatet indikerer at dannelsen av fine karbonpartikler i vekstkammeret er den primære årsaken til karboninnkapsling. Utseendet til karboninnkapsling i silisiumkarbidenkelkrystaller skyldes ikke det lave partialtrykket av Si i vekstkammeret, men snarere dannelsen av svakt koblede karbonpartikler på grunn av grafitiseringen av silisiumkarbidkilden og korrosjon av grafittelementer.

Fordelingen av inneslutninger ser ut til å likne mønsteret til grafittplatene på kildeoverflaten. De inkluderingsfrie sonene i enkeltkrystallskivene er sirkulære, med en diameter på ca. 3 mm, som perfekt tilsvarer diameteren til de perforerte sirkulære hullene. Dette antyder at karboninnkapsling stammer fra råvareområdet, noe som betyr at grafitiseringen av råmaterialet forårsaker karboninnkapslingsdefekten.

Silisiumkarbidkrystallvekst krever vanligvis 100-150 timer. Ettersom veksten skrider frem, blir grafitiseringen av råmaterialet mer alvorlig. Under etterspørselen etter dyrking av tykke krystaller, blir det å ta opp grafitiseringen av råmaterialet et nøkkelspørsmål.

Karboninnpakningsløsning

1. Sublimeringsteorien om råvarer i PVT

• Overflateareal til volumforhold: I kjemiske systemer er økningshastigheten i overflatearealet til et stoff mye langsommere enn økningshastigheten i volumet. Derfor, jo større partikkelstørrelsen er, desto mindre er forholdet mellom overflateareal og volum (overflateareal/volum).
• Fordampning skjer på overflaten: Bare atomer eller molekyler som befinner seg på overflaten av partikkelen har mulighet til å rømme inn i gassfasen. Derfor er hastigheten og den totale mengden av fordampning direkte relatert til overflatearealet som eksponeres av partikkelen.
• Fordampningsegenskaper for store partikler: Mindre overflateareal/volumforhold. Færre overflatemolekyler/atomer, noe som betyr færre tilgjengelige overflatesteder for fordampning. (En stor partikkel vs. flere små partikler) Langsommere fordampningshastighet: Færre molekyler/atomer slipper ut fra partikkeloverflaten per tidsenhet. Mer jevn fordampning (mindre variasjon i arter): På grunn av den relativt lille overflaten krever diffusjon av indre materiale til overflaten lengre vei og mer tid. Fordampning skjer hovedsakelig i det ytterste laget.
• Små partikler Råmateriale (stort overflateareal til volumforhold): "Uforbrent" (fordampning/sublimering endres dramatisk): Små partikler utsettes nesten utelukkende for høye temperaturer, noe som forårsaker rask "gassifisering": De sublimerer veldig raskt, og i det innledende stadiet frigjør de først og fremst de lettest sublimerte komponentene (vanligvis silisiumgasser). Snart blir overflaten til små partikler karbonrik (da karbon er relativt vanskelig å sublimere). Dette resulterer i en betydelig forskjell i sammensetningen av den sublimerte gassen før og etter - gassen begynner silisiumrik og blir senere karbonrik.

• Vekst fullført med 0,5 mm råstoff
• Vekst fullført med 1-2mm selvforplantningsmetode råmateriale
• Vekst fullført med 4-10mm CVD råmateriale

Som det fremgår av diagrammet ovenfor, hjelper økning av partikkelstørrelsen på råmaterialet til å undertrykke den fortrinnsvise fordampningen av Si-komponenten i råmaterialet, noe som gjør gassfasesammensetningen under hele vekstprosessen mer stabil og adresserer grafitiseringsspørsmålet til råmaterialet. CVD-materialer med store partikler, spesielt råmaterialer som er større enn 8 mm, forventes å fullstendig løse grafitiseringsproblemet, og dermed eliminere karboninnkapslingsdefekten i underlaget.

Konklusjon og utsikter

Det støkiometriske SiC-råmaterialet med stor partikkel, høy renhet syntetisert ved CVD-metoden, med dets iboende lave overflateareal til volumforhold, gir en svært stabil og kontrollerbar sublimeringskilde for SiC-enkrystallvekst ved bruk av PVT-metoden. Dette er ikke bare en endring i formen til råmaterialet, men omformer og optimerer også det termodynamiske og kinetiske miljøet til PVT-metoden.

Søknadsfordelene er direkte oversatt til:

• Høyere enkeltkrystallkvalitet: Etablering av et materialegrunnlag for å produsere lavdefekte substrater egnet for høyspente, høyeffektsenheter som MOSFET-er og IGBT-er.
• Bedre prosessøkonomi: Forbedring av veksthastighetsstabilitet, råvareutnyttelse og prosessutbytte, bidrar til å redusere den kostbare SiC-substratprisen og fremmer utbredt bruk av nedstrømsapplikasjoner.
• Større krystallstørrelse: Stabile prosessforhold er mer gunstige for industrialiseringen av 8-tommers og større SiC-enkeltkrystaller.