РЕШЕНИЕ ДЕФЕКТА КАПСУЛИРОВАНИЯ УГЛЕРОДА В ПОДЛОЖКАХ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Благодаря глобальному энергетическому переходу, революции искусственного интеллекта и волне информационных технологий нового поколения карбид кремния (SiC) быстро превратился из «потенциального материала» в «стратегический основополагающий материал» благодаря своим исключительным физическим свойствам. Область его применения расширяется беспрецедентными темпами, предъявляя почти экстремальные требования к качеству и постоянству материалов подложки. Это сделало устранение критических дефектов, таких как «углеродная инкапсуляция», более актуальным и необходимым, чем когда-либо прежде.

Передовые области применения подложек SiC

1. Аппаратная экосистема искусственного интеллекта и пределы миниатюризации:

• На примере очков с искусственным интеллектом
• Оптические волноводные материалы для очков AR/VR.

Следующее поколение очков искусственного интеллекта (устройства AR/VR) стремится обеспечить беспрецедентное ощущение погружения и взаимодействия в реальном времени. Это означает, что их внутренние базовые процессоры (например, специализированные микросхемы вывода искусственного интеллекта) должны обрабатывать огромные объемы данных и обеспечивать значительное рассеивание тепла в чрезвычайно ограниченном миниатюрном пространстве. В этом сценарии кремниевые чипы сталкиваются с физическими ограничениями.

Оптические волноводы AR/VR требуют высокого показателя преломления для уменьшения объема устройства, широкополосной передачи для поддержки полноцветных дисплеев, высокой теплопроводности для управления рассеиванием тепла от мощных источников света, а также высокой твердости и стабильности для обеспечения долговечности. Они также должны быть совместимы со зрелыми технологиями микро/нанооптической обработки для крупномасштабного производства.

Роль SiC: ВЧ/силовые модули GaN-on-SiC, изготовленные из подложек SiC, являются ключом к разрешению этого противоречия. Они могут управлять миниатюрными дисплеями и сенсорными системами с более высокой эффективностью и, обладая теплопроводностью в несколько раз выше, чем у кремния, быстро рассеивать огромное количество тепла, выделяемого чипами, обеспечивая стабильную работу в тонком форм-факторе.

Монокристаллический карбид кремния (SiC) имеет показатель преломления около 2,6 в спектре видимого света и обладает превосходной прозрачностью, что делает его подходящим для конструкций оптических волноводов с высокой степенью интеграции. Благодаря своим свойствам с высоким показателем преломления однослойный дифракционный волновод из SiC теоретически может достигать поля зрения (FOV) около 70 ° и эффективно подавлять радужные узоры. Кроме того, SiC обладает чрезвычайно высокой теплопроводностью (около 4,9 Вт/см·К), что позволяет ему быстро рассеивать тепло от оптических и механических источников, предотвращая ухудшение оптических характеристик из-за повышения температуры. Кроме того, высокая твердость и износостойкость карбида кремния значительно повышают структурную стабильность и долговечность волноводных линз. Пластины SiC можно использовать для микро/нанообработки (например, травления и нанесения покрытий), что облегчает интеграцию микрооптических структур.

Опасности «углеродной инкапсуляции»: если подложка SiC содержит дефект «углеродной инкапсуляции», она становится локализованным «тепловым изолятором» и «точкой электрического повреждения». Это не только серьезно препятствует тепловому потоку, что приводит к локальному перегреву чипа и снижению производительности, но также может вызывать микроразряды или токи утечки, что потенциально приводит к аномалиям отображения, ошибкам вычислений или даже аппаратному сбою в очках AI в условиях длительной высокой нагрузки. Таким образом, бездефектная подложка SiC является физической основой для создания надежного и высокопроизводительного носимого оборудования искусственного интеллекта.

Опасности «углеродной инкапсуляции»: если подложка SiC содержит дефект «углеродной инкапсуляции», это уменьшит пропускание видимого света через материал, а также может привести к локальному перегреву волновода, ухудшению характеристик, а также уменьшению или отклонению яркости дисплея.

2. Революция в области передовых вычислительных систем:

• Ключевые уровни технологии NVIDIA CoWoS

В гонке вычислительных мощностей искусственного интеллекта, возглавляемой NVIDIA, передовые технологии упаковки, такие как CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate), стали центральными для интеграции процессоров, графических процессоров и памяти HBM, обеспечивая экспоненциальный рост вычислительной мощности. В этой сложной гетерогенной системе интеграции промежуточный преобразователь играет решающую роль в качестве основы для высокоскоростных межсоединений и управления температурным режимом.

Роль SiC: по сравнению с кремнием и стеклом SiC считается идеальным материалом для высокопроизводительного переходника следующего поколения благодаря его чрезвычайно высокой теплопроводности, коэффициенту теплового расширения, который лучше соответствует чипам, и превосходным электроизоляционным свойствам. Переходники SiC позволяют более эффективно рассеивать концентрированное тепло от нескольких вычислительных ядер и обеспечивать целостность высокоскоростной передачи сигнала.

Опасности «углеродной инкапсуляции»: под межсоединениями нанометрового уровня дефект «углеродной инкапсуляции» микронного уровня подобен «бомбе замедленного действия». Это может исказить локальные поля тепла и напряжений, что приведет к термомеханической усталости и растрескиванию металлических слоев межсоединений, вызывая задержки сигнала, перекрестные помехи или полный отказ. В картах ускорения искусственного интеллекта стоимостью в сотни тысяч юаней сбои системы, вызванные дефектами основного материала, недопустимы. Обеспечение абсолютной чистоты и структурного совершенства SiC-переходника является краеугольным камнем поддержания надежности всей сложной вычислительной системы.

Вывод: Переход от «приемлемого» к «идеальному и безупречному». В прошлом карбид кремния в основном использовался в промышленности и автомобилестроении, где существовала некоторая терпимость к дефектам. Однако, когда дело доходит до мира миниатюризации очков искусственного интеллекта и сверхвысокоценных и сверхсложных систем, таких как NVIDIA CoWoS, толерантность к дефектам материалов падает до нуля. Каждый дефект «углеродной инкапсуляции» напрямую угрожает пределам производительности, надежности и коммерческому успеху конечного продукта. Таким образом, преодоление дефектов подложки, таких как «углеродная инкапсуляция», больше не является просто академической проблемой или проблемой совершенствования процессов, а является критической материальной битвой, которая поддерживает революцию в области искусственного интеллекта следующего поколения, передовых вычислений и бытовой электроники.

Откуда взялась карбоновая упаковка

Рост и др. предложил «концентрационную модель», предполагающую, что изменения соотношения веществ в газовой фазе являются основной причиной капсулирования углерода. Ли и др. обнаружили, что графитизация семян может вызвать инкапсуляцию углерода до начала роста. Вследствие выхода богатой кремнием атмосферы из тигля и активного взаимодействия кремниевой атмосферы с графитовым тиглем и другими графитовыми элементами графитизация источника карбида кремния неизбежна. Следовательно, относительно низкое парциальное давление Si в камере выращивания может быть основной причиной капсулирования углерода. Однако Авров и др. утверждали, что инкапсуляция углерода не вызвана дефицитом кремния. Таким образом, основной причиной появления углеродных включений может быть сильная коррозия графитовых элементов из-за избытка кремния. Прямые экспериментальные данные в этой статье показывают, что мелкие частицы углерода на поверхности источника могут попасть во фронт роста монокристаллов карбида кремния, образуя углеродные капсулы. Этот результат указывает на то, что образование мелких частиц углерода в камере выращивания является основной причиной инкапсуляции углерода. Появление углеродной капсулы в монокристаллах карбида кремния обусловлено не низким парциальным давлением Si в ростовой камере, а образованием слабосвязанных частиц углерода вследствие графитизации источника карбида кремния и коррозии графитовых элементов.

Распределение включений, по-видимому, очень напоминает рисунок графитовых пластин на поверхности источника. Зоны без включений в монокристаллических пластинах имеют круглую форму, диаметром около 3 мм, что идеально соответствует диаметру перфорированных круглых отверстий. Это говорит о том, что углеродная инкапсуляция возникает в зоне сырья, а это означает, что графитизация сырья вызывает дефект углеродной инкапсуляции.

Для роста кристаллов карбида кремния обычно требуется 100-150 часов. По мере роста графитизация сырья становится более выраженной. В связи с необходимостью выращивания толстых кристаллов решение проблемы графитизации сырья становится ключевым вопросом.

Решение для углеродной упаковки

1. Теория сублимации сырья в PVT.

• Отношение площади поверхности к объему. В химических системах скорость увеличения площади поверхности вещества намного медленнее, чем скорость увеличения его объема. Следовательно, чем больше размер частиц, тем меньше отношение площади поверхности к объему (площадь поверхности/объем).
• Испарение происходит на поверхности: только атомы или молекулы, расположенные на поверхности частицы, имеют возможность перейти в газовую фазу. Следовательно, скорость и общее количество испарения напрямую связаны с площадью поверхности, подвергаемой воздействию частицы.
• Характеристики испарения крупных частиц: Меньшее соотношение площади поверхности к объему. Меньше поверхностных молекул/атомов, что означает меньшее количество доступных поверхностных участков для испарения. (Большая частица против множества мелких частиц) Более медленная скорость испарения: меньше молекул/атомов покидает поверхность частицы в единицу времени. Более равномерное испарение (меньше вариаций видов): из-за относительно небольшой поверхности диффузия внутреннего материала на поверхность требует более длинного пути и большего времени. Испарение в основном происходит на самом внешнем слое.
• Сырье для мелких частиц (большое соотношение площади поверхности к объему): «Несгоревшее» (испарение/сублимация резко меняется): Мелкие частицы почти полностью подвергаются воздействию высоких температур, вызывая быструю «газификацию»: они сублимируются очень быстро и на начальном этапе в первую очередь выделяют наиболее легко сублимируемые компоненты (обычно газы, богатые кремнием). Вскоре поверхность мелких частиц становится богатой углеродом (поскольку углерод сравнительно трудно сублимировать). Это приводит к существенной разнице в составе сублимированного газа до и после: сначала газ богат кремнием, а позже становится богат углеродом.

• Выращивание завершено с использованием сырья толщиной 0,5 мм.
• Выращивание завершается саморазмножающимся сырьем толщиной 1-2 мм.
• Выращивание завершено с использованием CVD-сырья толщиной 4–10 мм.

Как видно на диаграмме выше, увеличение размера частиц исходного материала помогает подавить преимущественное испарение компонента Si в сырье, делая состав газовой фазы в течение всего процесса роста более стабильным и решая проблему графитации сырья. Ожидается, что материалы CVD с крупными частицами, особенно исходные материалы размером более 8 мм, полностью решат проблему графитации, тем самым устраняя дефект углеродной инкапсуляции в подложке.

Заключение и перспективы

Крупнозернистый, стехиометрический исходный материал SiC высокой чистоты, синтезированный методом CVD, с присущим ему низким соотношением площади поверхности к объему, обеспечивает высокостабильный и контролируемый источник сублимации для выращивания монокристаллов SiC с использованием метода PVT. Это не только изменение формы сырья, но и фундаментальное изменение и оптимизация термодинамической и кинетической среды метода PVT.

Преимущества применения напрямую выражаются в:

• Более высокое качество монокристалла: создание материальной основы для производства подложек с низким уровнем дефектов, подходящих для высоковольтных и мощных устройств, таких как MOSFET и IGBT.
• Лучшая экономия процесса: повышение стабильности темпов роста, использования сырья и производительности процесса, что помогает снизить стоимость дорогостоящей подложки SiC и способствует широкому внедрению последующих приложений.
• Больший размер кристаллов: стабильные технологические условия более благоприятны для промышленного производства монокристаллов SiC размером 8 дюймов и более.