Megoldás a szilícium-karbid szubsztrátumok szén-kapszulázási hibájára

A globális energetikai átalakulással, a mesterséges intelligencia forradalmával és az új generációs információs technológiák hullámával a szilícium-karbid (SiC) rendkívüli fizikai tulajdonságai miatt gyorsan a "potenciális anyagból" "stratégiai alapanyaggá" fejlődött. Alkalmazásai példátlan ütemben bővülnek, szinte extrém követelményeket támasztanak a hordozóanyagok minőségével és konzisztenciájával szemben. Ez minden eddiginél sürgetőbbé és szükségesebbé tette a kritikus hibák, például a „szénkapszulázás” kezelését.

Határterületi alkalmazások SiC szubsztrátumok meghajtására

1. AI hardveres ökoszisztéma és a miniatürizálás határai:

• Példaként az AI szemüveget véve
• Optikai hullámvezető anyagok AR/VR szemüvegekhez.

Az AI szemüvegek következő generációja (AR/VR eszközök) a páratlan elmélyülés és a valós idejű interakció érzetére törekszik. Ez azt jelenti, hogy a belső processzoraiknak (például a dedikált mesterségesintelligencia-következtető chipeknek) hatalmas mennyiségű adatot kell feldolgozniuk, és jelentős hőleadást kell kezelniük rendkívül korlátozott, miniatürizált helyen. A szilícium alapú chipek ebben a forgatókönyvben fizikai korlátokkal szembesülnek.

Az AR/VR optikai hullámvezetők magas törésmutatót igényelnek az eszköz hangerejének csökkentése érdekében, széles sávú átvitelt a színes kijelzők támogatásához, magas hővezető képességet a nagy teljesítményű fényforrások hőelvezetéséhez, valamint nagy keménységet és stabilitást a tartósság biztosítása érdekében. Kompatibilisnek kell lenniük a nagyüzemi gyártás kiforrott mikro/nanooptikai feldolgozási technológiáival is.

A SiC szerepe: A SiC hordozókból készült GaN-on-SiC RF/teljesítménymodulok kulcsfontosságúak ennek az ellentmondásnak a feloldásában. Nagyobb hatásfokkal képesek meghajtani a miniatűr kijelzőket és érzékelőrendszereket, és a szilíciumnál többszörösen nagyobb hővezető képességgel gyorsan elvezetik a forgácsok által termelt hatalmas hőt, így biztosítva a stabil működést, vékony kialakítás mellett.

Az egykristályos szilícium-karbid (SiC) törésmutatója körülbelül 2,6 a látható fény spektrumában, kiváló átlátszósággal, így alkalmas magasan integrált optikai hullámvezető-konstrukciókhoz. Magas törésmutatója alapján az egyrétegű SiC diffrakciós hullámvezető elméletileg körülbelül 70°-os látómezőt (FOV) képes elérni, és hatékonyan elnyomja a szivárványmintázatokat. Ezenkívül a SiC rendkívül magas hővezető képességgel rendelkezik (körülbelül 4,9 W/cm·K), amely lehetővé teszi, hogy gyorsan elvezesse az optikai és mechanikai forrásokból származó hőt, megakadályozva az optikai teljesítmény hőmérséklet-emelkedés miatti romlását. Ezenkívül a SiC nagy keménysége és kopásállósága jelentősen növeli a hullámvezető lencsék szerkezeti stabilitását és hosszú távú tartósságát. A SiC lapkák mikro/nano feldolgozásra (például maratásra és bevonásra) használhatók, megkönnyítve a mikro-optikai struktúrák integrációját.

A „szénkapszulázás” veszélyei: Ha a SiC szubsztrát „szénkapszulázási” hibát tartalmaz, akkor lokális „hőszigetelővé” és „elektromos hibaponttá” válik. Nemcsak súlyosan akadályozza a hőáramlást, ami a chip helyi túlmelegedéséhez és a teljesítmény romlásához vezet, hanem mikrokisüléseket vagy szivárgóáramot is okozhat, ami potenciálisan kijelzési anomáliákat, számítási hibákat vagy akár hardverhibákat is okozhat az AI szemüvegben, hosszú távú nagy terhelés mellett. Ezért a hibamentes SiC szubsztrát jelenti a fizikai alapot a megbízható, nagy teljesítményű, hordható mesterséges intelligencia hardver előállításához.

A „szénkapszulázás” veszélyei: Ha a SiC szubsztrát „szénkapszulázási” hibát tartalmaz, az csökkenti a látható fény áteresztését az anyagon, és a hullámvezető lokális túlmelegedéséhez, a teljesítmény romlásához, valamint a kijelző fényerejének csökkenéséhez vagy rendellenességéhez vezethet.

2. A forradalom a fejlett számítástechnikai csomagolásban:

• Kulcsrétegek az NVIDIA CoWoS technológiájában

Az NVIDIA által vezetett mesterséges intelligencia számítási teljesítményversenyében az olyan fejlett csomagolási technológiák, mint a CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) központi szerepet játszottak a CPU-k, GPU-k és HBM-memória integrációjában, lehetővé téve a számítási teljesítmény exponenciális növekedését. Ebben az összetett heterogén integrációs rendszerben a közbeiktató kritikus szerepet játszik a nagy sebességű összeköttetések és a hőkezelés gerinceként.

A SiC szerepe: A szilíciumhoz és az üveghez képest a SiC ideális anyagnak tekinthető a következő generációs, nagy teljesítményű interposer számára rendkívül magas hővezető képessége, a forgácsokhoz jobban illeszkedő hőtágulási együtthatója és kiváló elektromos szigetelési tulajdonságai miatt. A SiC interposerek hatékonyabban tudják elvezetni a több számítási magból származó koncentrált hőt, és biztosítják a nagy sebességű jelátvitel integritását.

A „szénkapszulázás” veszélyei: A nanométeres szintű összeköttetések alatt a mikron szintű „szénkapszulázási” hiba olyan, mint egy „időzített bomba”. Eltorzíthatja a helyi hő- és feszültségmezőket, ami termomechanikai kifáradáshoz és az összekapcsolt fémrétegek repedéséhez vezethet, ami jelkésést, áthallást vagy teljes meghibásodást okozhat. A több százezer RMB értékű AI-gyorsító kártyákban elfogadhatatlanok a mögöttes anyaghibák által okozott rendszerhibák. A SiC interposer abszolút tisztaságának és szerkezeti tökéletességének biztosítása a sarokköve a teljes komplex számítási rendszer megbízhatóságának megőrzésének.

Következtetés: Átmenet az "elfogadhatóról" a "tökéletesre és hibátlanra". A múltban a szilícium-karbidot főként ipari és autóipari területeken használták, ahol bizonyos tűrések léteztek a hibákkal szemben. Ha azonban a mesterséges intelligencia szemüvegek miniatürizált világáról és az olyan rendkívül nagy értékű, rendkívül összetett rendszerekről van szó, mint az NVIDIA CoWoS, az anyaghibák toleranciája nullára esett. Minden „szénkapszulázási” hiba közvetlenül veszélyezteti a végtermék teljesítménykorlátait, megbízhatóságát és kereskedelmi sikerét. Ezért a hordozóhibák, például a „szénkapszulázás” leküzdése már nem csupán tudományos vagy folyamatfejlesztési kérdés, hanem kritikus anyagi harc, amely támogatja a következő generációs mesterséges intelligenciát, a fejlett számítástechnikát és a fogyasztói elektronikai forradalmat.

Honnan származik a szénfólia

Rost et al. javasolta a "koncentrációs modellt", ami azt sugallja, hogy a gázfázisban lévő anyagok arányának változása a fő oka a szén kapszulázásának. Li és mtsai. azt találták, hogy a magok grafitizálása szén-kapszulázást válthat ki a növekedés megkezdése előtt. A szilíciumban gazdag atmoszféra távozása a tégelyből, valamint a szilícium-atmoszféra és a grafittégely és más grafitelemek közötti aktív kölcsönhatás miatt a szilícium-karbid forrás grafitosítása elkerülhetetlen. Ezért a növekedési kamrában a viszonylag alacsony Si parciális nyomás lehet a fő oka a szén-kapszulázásnak. Azonban Avrov et al. azzal érvelt, hogy a szén-kapszulázást nem a szilíciumhiány okozza. Így a grafitelemek szilíciumfelesleg miatti erős korróziója lehet a szénzárványok fő oka. Az ebben a cikkben található közvetlen kísérleti bizonyítékok azt mutatják, hogy a forrás felületén lévő finom szénrészecskék a szilícium-karbid egykristályok növekedési frontjára vezethetők, szén-kapszulákat képezve. Ez az eredmény azt jelzi, hogy a finom szénrészecskék képződése a növekedési kamrában a szén kapszulázásának elsődleges oka. A szilícium-karbid egykristályokban a szén-kapszulázás megjelenése nem a Si alacsony parciális nyomásának köszönhető a növesztőkamrában, hanem a szilícium-karbid forrás grafitosítása és a grafitelemek korróziója miatt gyengén kapcsolódó szénrészecskék képződése.

A zárványok eloszlása ​​nagyon hasonlít a forrásfelületen lévő grafitlemezek mintázatára. Az egykristályos ostyák zárványmentes zónái kör alakúak, körülbelül 3 mm átmérőjűek, ami tökéletesen megfelel a perforált kör alakú lyukak átmérőjének. Ez arra utal, hogy a szén tokozása a nyersanyag területéről származik, vagyis a nyersanyag grafitosítása okozza a szén tokozási hibáját.

A szilícium-karbid kristályok növekedése általában 100-150 órát vesz igénybe. A növekedés előrehaladtával a nyersanyag grafitizálódása súlyosabbá válik. A vastag kristályok termesztése iránti igény mellett kulcskérdéssé válik a nyersanyag grafitosítása.

Széncsomagolási megoldás

1. A nyersanyagok szublimációs elmélete a PVT-ben

• Felület/térfogat arány: A kémiai rendszerekben egy anyag felületének növekedési üteme sokkal lassabb, mint térfogatának növekedési üteme. Ezért minél nagyobb a részecskeméret, annál kisebb a felület/térfogat arány (felület/térfogat).
• Párolgás történik a felületen: Csak a részecske felületén elhelyezkedő atomoknak vagy molekuláknak van lehetőségük a gázfázisba távozni. Ezért a párolgás sebessége és teljes mennyisége közvetlenül összefügg a részecske által kitett felülettel.
• Nagy részecskék párolgási jellemzői: Kisebb felület/térfogat arány. Kevesebb felületi molekula/atom, ami azt jelenti, hogy kevesebb a párolgásra alkalmas felület. (Egy nagy részecske vs. több kis részecske) Lassabb párolgási sebesség: Időegység alatt kevesebb molekula/atom távozik a részecske felületéről. Egyenletesebb párolgás (kevesebb fajváltoztatás): A viszonylag kis felület miatt a belső anyag felszínre való diffúziója hosszabb utat és több időt igényel. A párolgás főként a legkülső rétegben történik.
• Kis részecskék nyersanyag (nagy felület/térfogat arány): "Elégetlen" (a párolgás/szublimáció drámaian megváltozik): A kis részecskék szinte teljesen ki vannak téve a magas hőmérsékletnek, ami gyors "elgázosodást" okoz: Nagyon gyorsan szublimálódnak, és a kezdeti szakaszban elsősorban a legkönnyebben szublimálható komponenseket (általában szilíciumban gazdag) bocsátják ki. Hamarosan a kis részecskék felülete szénben gazdag lesz (mivel a szenet viszonylag nehéz szublimálni). Ez jelentős különbséget eredményez a szublimált gáz összetételében előtte és utána – a gáz szilíciumban gazdag, majd később szénben gazdag lesz.

• A növekedés 0,5 mm-es alapanyaggal fejeződött be
• A növekedés 1-2 mm-es önszaporító módszerű alapanyaggal fejeződött be
• A növekedés 4-10 mm-es CVD alapanyaggal fejeződött be

Amint a fenti diagramon látható, a nyersanyag szemcseméretének növelése segít elnyomni a nyersanyagban lévő Si komponens preferenciális elpárolgását, stabilabbá téve a gázfázis összetételét a teljes növekedési folyamat során, és megoldja a nyersanyag grafitosítási problémáját. A nagy szemcsés CVD-anyagok, különösen a 8 mm-nél nagyobb nyersanyagok, várhatóan teljesen megoldják a grafitosítási problémát, ezáltal kiküszöbölik az aljzat szén-kapszulázási hibáját.

Következtetés és kilátás

A CVD-módszerrel szintetizált, nagy szemcsés, nagy tisztaságú, sztöchiometrikus SiC nyersanyag a benne rejlő kis felület/térfogat arány mellett rendkívül stabil és szabályozható szublimációs forrást biztosít a PVT módszerrel végzett SiC egykristály növesztéshez. Ez nemcsak az alapanyag formáját változtatja meg, hanem alapjaiban alakítja át és optimalizálja a PVT módszer termodinamikai és kinetikai környezetét.

Az alkalmazás előnyei közvetlenül a következőkre fordíthatók:

• Magasabb egykristály minőség: Anyagi alap létrehozása alacsony hibás szubsztrátumok előállításához, amelyek alkalmasak nagyfeszültségű, nagy teljesítményű eszközökhöz, például MOSFET-ekhez és IGBT-ekhez.
• Jobb folyamatgazdaságosság: A növekedési ütem stabilitásának, a nyersanyag-felhasználásnak és a folyamathozamnak javítása, a költséges SiC szubsztrátum árának csökkentése és a későbbi alkalmazások széles körű elterjedésének elősegítése.
• Nagyobb kristályméret: A stabil folyamatkörülmények kedvezőbbek a 8 hüvelykes és nagyobb SiC egykristályok iparosításához.