Решението за дефектот на јаглеродна капсулација во супстратите од силициум карбид

Со глобалната енергетска транзиција, револуцијата на вештачката интелигенција и бранот информатички технологии од новата генерација, силициум карбидот (SiC) брзо напредуваше од „потенцијален материјал“ во „стратешки основен материјал“ поради неговите исклучителни физички својства. Неговите апликации се прошируваат со невидено темпо, поставувајќи речиси екстремни барања за квалитетот и конзистентноста на материјалите од подлогата. Ова го направи решавањето на критичните дефекти како што е „јаглеродна капсулација“ поитно и неопходно од кога било досега.

Гранични апликации за возење на подлоги на SiC

1.АИ Хардверски екосистем и границите на минијатуризација:

• Земајќи ги како пример очилата со вештачка интелигенција
• Материјали за оптички брановоди за AR/VR очила.

Следната генерација на очила за вештачка интелигенција (Уреди AR/VR) се стреми кон неспоредливо чувство на потопување и интеракција во реално време. Ова значи дека нивните внатрешни основни процесори (како што се посветените чипови за заклучување со вештачка интелигенција) мора да обработуваат огромни количини на податоци и да се справат со значителна дисипација на топлина во екстремно ограничен минијатуризиран простор. Чиповите базирани на силикон се соочуваат со физички ограничувања во ова сценарио.

AR/VR оптичките брановоди бараат висок индекс на прекршување за да се намали јачината на уредот, пренос со широк опсег за поддршка на екрани во целосна боја, висока топлинска спроводливост за управување со дисипација на топлина од извори на светлина со висока моќност и висока цврстина и стабилност за да се обезбеди издржливост. Тие, исто така, мора да бидат компатибилни со зрели микро/нано-оптички технологии за обработка за производство од големи размери.

Улогата на SiC: GaN-on-SiC RF/power модулите направени од подлоги на SiC се клучни за решавање на оваа противречност. Тие можат да возат минијатурни дисплеи и сензорски системи со поголема ефикасност и, со топлинска спроводливост неколку пати поголема од силиконот, брзо да ја исфрлат огромната топлина што ја создаваат чиповите, обезбедувајќи стабилна работа во тенок фактор.

Еднокристалниот силициум карбид (SiC) има индекс на рефракција од околу 2,6 во спектарот на видливата светлина, со одлична транспарентност, што го прави погоден за високо-интегрирани дизајни на оптички брановоди. Врз основа на неговите својства со висок индекс на рефракција, еднослоен дифракционен брановоден SiC теоретски може да постигне видно поле (FOV) од околу 70° и ефикасно да ги потисне обрасците на виножитото. Покрај тоа, SiC има исклучително висока топлинска спроводливост (околу 4,9 W/cm·K), што му овозможува брзо да ја исфрла топлината од оптичките и механичките извори, спречувајќи го влошувањето на оптичките перформанси поради порастот на температурата. Дополнително, високата цврстина и отпорноста на абење на SiC значително ја подобруваат структурната стабилност и долготрајната издржливост на леќите на брановодните леќи. SiC обландите може да се користат за микро/нано обработка (како што се офорт и обложување), што ја олеснува интеграцијата на микро-оптичките структури.

Опасности од „јаглеродна капсулација“: Ако подлогата на SiC содржи дефект на „јаглеродна капсулација“, таа станува локализиран „термички изолатор“ и „електрична дефектна точка“. Не само што сериозно го попречува протокот на топлина, што доведува до локално прегревање на чипот и деградација на перформансите, туку може да предизвика и микро-празнења или струи на истекување, што потенцијално ќе доведе до аномалии на приказот, грешки во пресметките или дури и хардверски дефект во очилата со вештачка интелигенција при долгорочни услови со големо оптоварување. Затоа, подлогата на SiC без дефекти е физичката основа за постигнување доверлив хардвер со вештачка интелигенција што може да се носи со високи перформанси.

Опасности од „јаглеродна капсулација“: ако подлогата на SiC содржи дефект на „јаглеродна капсулација“, тоа ќе го намали преносот на видливата светлина низ материјалот, а исто така може да доведе до локализирано прегревање на брановодот, деградација на перформансите и намалување или абнормалност во осветленоста на екранот.

2. Револуцијата во напредното компјутерско пакување:

• Клучни слоеви во CoWoS технологијата на NVIDIA

Во трката за компјутерска моќ на вештачка интелигенција предводена од NVIDIA, напредните технологии за пакување како CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) станаа централни за интегрирање на процесори, графички процесори и HBM меморија, овозможувајќи експоненцијален раст на компјутерската моќ. Во овој комплексен хетероген систем за интеграција, интерпозерот игра клучна улога како столб за меѓусебно поврзување со голема брзина и термичко управување.

Улогата на SiC: Во споредба со силиконот и стаклото, SiC се смета за идеален материјал за следната генерација на интерпозер со високи перформанси поради неговата екстремно висока топлинска спроводливост, коефициентот на термичка експанзија што подобро се совпаѓа со чиповите и одличните својства на електрична изолација. SiC интерпозиторите можат поефикасно да ја исфрлаат концентрираната топлина од повеќе компјутерски јадра и да обезбедат интегритет на пренос на сигнал со голема брзина.

Опасностите од „јаглеродна капсулација“: под меѓусебните врски на нанометарско ниво, дефектот на „јаглеродна капсулација“ на ниво на микрон е како „темпирана бомба“. Може да ги искриви локалните термички и стресни полиња, што доведува до термомеханички замор и пукање во металните слоеви на меѓусебното поврзување, предизвикувајќи доцнење на сигналот, прекршување или целосен дефект. Во картичките за забрзување на вештачката интелигенција во вредност од стотици илјади јени, неприфатливи се системските неуспеси предизвикани од основните дефекти на материјалот. Обезбедувањето апсолутна чистота и структурно совршенство на интерпозаторот SiC е камен-темелник за одржување на доверливоста на целиот комплексен компјутерски систем.

Заклучок: Премин од „прифатливо“ во „совршено и беспрекорно“. Во минатото, силициум карбид главно се користел во индустриски и автомобилски полиња, каде што постоела одредена толеранција за дефекти. Меѓутоа, кога станува збор за светот на минијатуризацијата на очилата за вештачка интелигенција и ултра-комплексните системи со ултра висока вредност, како што е CoWoS на NVIDIA, толеранцијата за дефекти на материјалот падна на нула. Секој дефект на „јаглеродна капсулација“ директно ги загрозува ограничувањата на перформансите, доверливоста и комерцијалниот успех на крајниот производ. Затоа, надминувањето на дефектите на подлогата како „јаглеродна капсулација“ повеќе не е само академско или процесно подобрување, туку критична битка за материјалот што ја поддржува следната генерација на вештачка интелигенција, напредни компјутери и револуција во потрошувачката електроника.

Од каде доаѓа јаглеродното завиткување

Рост и сор. го предложи „моделот на концентрација“, сугерирајќи дека промените во односот на супстанциите во гасната фаза се главната причина за јаглеродна капсулација. Ли и сор. откриле дека графитизацијата на семето може да предизвика јаглеродна капсулација пред да започне растот. Поради бегството на атмосферата богата со силикон од садот и активната интеракција помеѓу силициумската атмосфера и графитниот сад и другите графитни елементи, графитизацијата на изворот на силициум карбид е неизбежна. Затоа, релативно нискиот парцијален притисок на Si во комората за раст може да биде главната причина за јаглеродна капсулација. Сепак, Авров и сор. тврдеше дека инкапсулацијата на јаглеродот не е предизвикана од недостаток на силициум. Така, силната корозија на графитните елементи поради вишокот силициум може да биде главната причина за вклучување на јаглерод. Директните експериментални докази во овој труд покажуваат дека фините јаглеродни честички на површината на изворот може да се втурнат во предниот дел на растењето на единечни кристали од силициум карбид, формирајќи јаглеродни инкапсулации. Овој резултат покажува дека генерирањето на фини јаглеродни честички во комората за раст е примарна причина за јаглеродна капсулација. Појавата на јаглеродна инкапсулација во единечни кристали од силициум карбид не се должи на нискиот парцијален притисок на Si во комората за раст, туку на формирањето на слабо поврзани јаглеродни честички поради графитизацијата на изворот на силициум карбид и корозија на графитните елементи.

Распределбата на подмножества се чини дека многу наликува на моделот на графитните плочи на изворната површина. Зоните без вклучување во монокристалните наполитанки се кружни, со дијаметар од околу 3mm, што совршено одговара на дијаметарот на перфорираните кружни дупки. Ова сугерира дека јаглеродната инкапсулација потекнува од областа на суровината, што значи дека графитизацијата на суровината предизвикува дефект на јаглеродната капсулација.

Растот на кристалите на силициум карбид обично бара 100-150 часа. Како што расте растот, графитизацијата на суровината станува се потешка. Според побарувачката за растечки дебели кристали, решавањето на графитизацијата на суровината станува клучно прашање.

Јаглероден раствор за завиткување

1. Теоријата на сублимација на суровините во PVT

• Сооднос површина до волумен: во хемиските системи, стапката на зголемување на површината на супстанцијата е многу побавна од стапката на зголемување на нејзиниот волумен. Затоа, колку е поголема големината на честичката, толку е помал односот на површината и волуменот (површина/волумен).
• Испарувањето се јавува на површината: само атомите или молекулите лоцирани на површината на честичката имаат можност да избегаат во гасната фаза. Затоа, брзината и вкупната количина на испарување се директно поврзани со површината изложена од честичката.
• Карактеристики на испарување на големите честички: Помала површина/волумен однос. Помалку површински молекули/атоми, што значи помалку достапни површински места за испарување. (Голема честичка наспроти повеќе мали честички) Побавна стапка на испарување: Помалку молекули/атоми бегаат од површината на честичките по единица време. Порамномерно испарување (помалку варијации во видовите): Поради релативно малата површина, дифузијата на внатрешниот материјал на површината бара подолг пат и повеќе време. Испарувањето главно се случува на најоддалечениот слој.
• Суровина за мали честички (сооднос на голема површина до волумен): „Неизгорени“ (Испарувањето/Сублимацијата драматично се менува): Малите честички се речиси целосно изложени на високи температури, предизвикувајќи брза „гасификација“: тие се возвишуваат многу брзо, а во почетната фаза, примарно лесно ја ослободуваат компонентата на сублимус-силуси. Наскоро, површината на малите честички станува богата со јаглерод (бидејќи јаглеродот е релативно тешко да се возвиши). Ова резултира со значајна разлика во составот на сублимираниот гас пред и потоа - гасот почнува да е богат со силициум, а подоцна станува богат со јаглерод.

• Растот заврши со 0,5 мм суровина
• Растот е завршен со суровина од 1-2 мм само-размножувачки метод
• Растот е завршен со 4-10mm CVD суровина

Како што се гледа на горниот дијаграм, зголемувањето на големината на честичките на суровината помага да се потисне преференцијалната испарливост на компонентата Si во суровината, правејќи го составот на гасната фаза во текот на целиот процес на раст постабилен и решавање на проблемот со графитизацијата на суровината. Материјалите за CVD со големи честички, особено суровините поголеми од 8 mm во големина, се очекува целосно да го решат проблемот со графитизацијата, а со тоа да го елиминираат дефектот на јаглеродната капсулација во подлогата.

Заклучок и перспектива

Суровината со големи честички, висока чистота, стехиометриски SiC синтетизирана со методот CVD, со својствениот низок сооднос на површината и волуменот, обезбедува високо стабилен и контролиран извор на сублимација за раст на SiC еден кристал користејќи го методот PVT. Ова не е само промена во формата на суровината, туку и суштински ја преобликува и оптимизира термодинамичката и кинетичката средина на методот PVT.

Предностите на апликацијата се директно преведени на:

• Повисок квалитет на еднокристал: Воспоставување материјална основа за производство на подлоги со ниски дефекти погодни за уреди со висок напон и висока моќност како што се MOSFET и IGBT.
• Подобра економичност на процесот: Подобрување на стабилноста на стапката на раст, искористување на суровините и принос на процесот, помагајќи да се намали скапата цена на подлогата на SiC и промовирање на широко распространето усвојување на долните апликации.
• Поголема големина на кристал: стабилните услови на процесот се поповолни за индустријализација на 8-инчни и поголеми SiC единечни кристали.