Lösningen på kolinkapslingsdefekten i kiselkarbidsubstrat

Med den globala energiomställningen, AI-revolutionen och vågen av den nya generationens informationsteknik har kiselkarbid (SiC) snabbt utvecklats från att vara ett "potentiellt material" till ett "strategiskt grundmaterial" på grund av dess exceptionella fysiska egenskaper. Dess applikationer expanderar i en aldrig tidigare skådad takt, vilket ställer nästan extrema krav på kvaliteten och konsistensen hos substratmaterial. Detta har gjort det mer brådskande och nödvändigt att ta itu med kritiska defekter som "kolinkapsling" än någonsin tidigare.

Gränsapplikationer Drivning av SiC-substrat

1.AI hårdvara ekosystem och gränserna för miniatyrisering:

• Ta AI-glasögon som exempel
• Optiska vågledarmaterial för AR/VR-glasögon.

Nästa generation av AI-glasögon (AR/VR-enheter) strävar efter en oöverträffad känsla av fördjupning och interaktion i realtid. Detta innebär att deras interna kärnprocessorer (som dedikerade AI-inferenschips) måste bearbeta stora mängder data och hantera betydande värmeavledning inom extremt begränsat miniatyriserat utrymme. Kiselbaserade chips möter fysiska begränsningar i detta scenario.

AR/VR optiska vågledare kräver ett högt brytningsindex för att minska enhetens volym, bredbandsöverföring för att stödja fullfärgsskärmar, hög värmeledningsförmåga för att hantera värmeavledning från ljuskällor med hög effekt och hög hårdhet och stabilitet för att säkerställa hållbarhet. De måste också vara kompatibla med mogen mikro/nano-optisk processteknik för storskalig tillverkning.

SiC:s roll: GaN-on-SiC RF/kraftmoduler gjorda av SiC-substrat är nyckeln till att lösa denna motsägelse. De kan driva miniatyrskärmar och sensorsystem med högre effektivitet och, med värmeledningsförmåga flera gånger högre än kisel, snabbt avleda den massiva värmen som genereras av chips, vilket säkerställer stabil drift i en slimmad formfaktor.

Enkristallkiselkarbid (SiC) har ett brytningsindex på cirka 2,6 i det synliga ljusspektrumet, med utmärkt transparens, vilket gör den lämplig för högintegrerade optiska vågledardesigner. Baserat på dess höga brytningsindexegenskaper kan en siC-diffraktionsvågledare i ett lager teoretiskt uppnå ett synfält (FOV) på runt 70° och effektivt undertrycka regnbågsmönster. Dessutom har SiC extremt hög värmeledningsförmåga (cirka 4,9 W/cm·K), vilket gör att den snabbt kan avleda värme från optiska och mekaniska källor, vilket förhindrar försämring av optisk prestanda på grund av temperaturhöjning. Dessutom förbättrar SiC:s höga hårdhet och slitstyrka avsevärt den strukturella stabiliteten och långtidshållfastheten hos vågledarlinserna. SiC-skivor kan användas för mikro/nano-bearbetning (som etsning och beläggning), vilket underlättar integrationen av mikrooptiska strukturer.

Riskerna med "kolinkapsling": Om SiC-substratet innehåller en "kolinkapslingsdefekt" blir det en lokal "värmeisolator" och "elektrisk felpunkt." Det hindrar inte bara värmeflödet allvarligt, vilket leder till lokal överhettning av chipet och prestandaförsämring, utan det kan också orsaka mikrourladdningar eller läckströmmar, vilket potentiellt kan leda till visningsavvikelser, beräkningsfel eller till och med maskinvarufel i AI-glasögon under långvariga högbelastningsförhållanden. Därför är ett defektfritt SiC-substrat den fysiska grunden för att uppnå pålitlig, högpresterande bärbar AI-hårdvara.

Riskerna med "kolinkapsling": Om SiC-substratet innehåller en "kolinkapslings"-defekt, kommer det att minska överföringen av synligt ljus genom materialet och kan också leda till lokal överhettning av vågledaren, prestandaförsämring och en minskning eller onormal ljusstyrka på skärmen.

2. Revolutionen inom avancerad datorpaketering:

• Nyckellager i NVIDIAs CoWoS-teknik

I tävlingen om AI-datorkraft som leds av NVIDIA har avancerade förpackningstekniker som CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) blivit centrala för att integrera CPU:er, GPU:er och HBM-minne, vilket möjliggör exponentiell tillväxt i datorkraft. I detta komplexa heterogena integrationssystem spelar interposern en avgörande roll som ryggraden för höghastighetssammankopplingar och termisk hantering.

SiC:s roll: Jämfört med kisel och glas anses SiC vara det idealiska materialet för nästa generations högpresterande interposer på grund av dess extremt höga värmeledningsförmåga, en värmeutvidgningskoefficient som matchar bättre med chips och utmärkta elektriska isoleringsegenskaper. SiC-interposers kan mer effektivt avleda koncentrerad värme från flera datorkärnor och säkerställa integriteten hos höghastighetssignalöverföring.

Riskerna med "kolinkapsling": Under sammankopplingar på nanometernivå är en "kolinkapslings"-defekt på mikronnivå som en "tidsinställd bomb". Det kan förvränga lokala termiska fält och spänningsfält, vilket leder till termomekanisk utmattning och sprickor i de sammankopplade metallskikten, vilket orsakar signalfördröjningar, överhörning eller fullständigt fel. I AI-accelerationskort värda hundratusentals RMB är systemfel orsakade av underliggande materialdefekter oacceptabla. Att säkerställa den absoluta renheten och den strukturella perfektionen hos SiC-interposern är hörnstenen för att upprätthålla tillförlitligheten hos hela det komplexa datorsystemet.

Slutsats: Övergång från "acceptabelt" till "perfekt och felfritt." Tidigare användes kiselkarbid främst inom industri- och fordonsindustrin, där det fanns en viss tolerans för defekter. Men när det kommer till miniatyriseringsvärlden av AI-glasögon och ultrahögt värde, ultrakomplexa system som NVIDIAs CoWoS, har toleransen för materialdefekter sjunkit till noll. Varje "kolinkapslings"-defekt hotar direkt slutproduktens prestandagränser, tillförlitlighet och kommersiell framgång. Att övervinna substratdefekter som "kolinkapsling" är därför inte längre bara en akademisk eller processförbättringsfråga utan en kritisk materialstrid som stödjer nästa generations artificiell intelligens, avancerad datoranvändning och konsumentelektronikrevolution.

Var kommer kolförpackning ifrån

Rost et al. föreslog "koncentrationsmodellen", vilket tyder på att förändringar i förhållandet mellan ämnen i gasfasen är den främsta orsaken till kolinkapsling. Li et al. fann att frögrafitisering kan inducera kolinkapsling innan tillväxten börjar. På grund av utsläppet av kiselrik atmosfär från degeln och den aktiva växelverkan mellan kiselatmosfären och grafitdegeln och andra grafitelement är grafiteringen av kiselkarbidkällan oundviklig. Därför kan det relativt låga Si-partialtrycket i tillväxtkammaren vara huvudorsaken till kolinkapsling. Avrov et al. hävdade att kolinkapsling inte orsakas av kiselbrist. Sålunda kan den starka korrosionen av grafitelement på grund av överskott av kisel vara den främsta orsaken till kolinneslutningar. Direkta experimentella bevis i denna uppsats visar att fina kolpartiklar på källans yta kan drivas in i tillväxtfronten av kiselkarbidenkristaller och bildar kolinkapslingar. Detta resultat indikerar att genereringen av fina kolpartiklar i tillväxtkammaren är den primära orsaken till kolinkapsling. Utseendet av kolinkapsling i enkristaller av kiselkarbid beror inte på det låga partialtrycket av Si i tillväxtkammaren, utan snarare på bildandet av svagt anslutna kolpartiklar på grund av grafitiseringen av kiselkarbidkällan och korrosion av grafitelement.

Fördelningen av inneslutningar tycks likna mönstret av grafitplattorna på källytan. De inneslutningsfria zonerna i enkristallskivorna är cirkulära, med en diameter på cirka 3 mm, vilket perfekt motsvarar diametern på de perforerade cirkulära hålen. Detta tyder på att kolinkapsling härrör från råvaruområdet, vilket betyder att grafitiseringen av råmaterialet orsakar kolinkapslingsdefekten.

Tillväxt av kiselkarbidkristaller kräver vanligtvis 100-150 timmar. Allt eftersom tillväxten fortskrider blir grafitiseringen av råmaterialet mer allvarlig. Under efterfrågan på att växa tjocka kristaller blir det en nyckelfråga att ta itu med grafitiseringen av råmaterialet.

Kolförpackningslösning

1. Sublimationsteorin för råvaror i PVT

• Förhållande mellan ytarea och volym: I kemiska system är ökningshastigheten av ett ämnes yta mycket långsammare än ökningshastigheten i dess volym. Ju större partikelstorleken är, desto mindre är förhållandet mellan ytarea och volym (yta/volym).
• Avdunstning sker på ytan: Endast atomer eller molekyler som finns på ytan av partikeln har möjlighet att fly in i gasfasen. Därför är hastigheten och den totala mängden avdunstning direkt relaterade till den yta som exponeras av partikeln.
• Avdunstningsegenskaper hos stora partiklar: Mindre ytarea/volymförhållande. Färre ytmolekyler/atomer, vilket betyder färre tillgängliga ytplatser för avdunstning. (En stor partikel vs. flera små partiklar) Långsammare förångningshastighet: Färre molekyler/atomer flyr ut från partikelytan per tidsenhet. Mer enhetlig avdunstning (mindre variation i arter): På grund av den relativt lilla ytan kräver diffusionen av inre material till ytan en längre väg och mer tid. Avdunstning sker främst i det yttersta lagret.
• Små partiklar Råmaterial (stor ytarea till volymförhållande): "Obränt" (avdunstning/sublimering förändras dramatiskt): Små partiklar utsätts nästan helt för höga temperaturer, vilket orsakar snabb "förgasning": De sublimerar mycket snabbt, och i det inledande skedet släpper de i första hand de komponenter som är lättast sublimerade (vanligtvis kiselhaltiga gaser). Snart blir ytan på små partiklar kolrik (eftersom kol är relativt svårt att sublimera). Detta resulterar i en signifikant skillnad i sammansättningen av den sublimerade gasen före och efter - gasen börjar kiselrik och blir senare kolrik.

• Tillväxt avslutad med 0,5 mm råvara
• Tillväxt avslutad med 1-2mm självförökande metod råmaterial
• Tillväxt fullbordad med 4-10 mm CVD-råvara

Som framgår av diagrammet ovan hjälper en ökning av råmaterialets partikelstorlek att undertrycka den föredragna förångningen av Si-komponenten i råmaterialet, vilket gör gasfassammansättningen under hela tillväxtprocessen mer stabil och tar itu med grafitiseringsfrågan av råmaterialet. CVD-material med stora partiklar, särskilt råmaterial större än 8 mm i storlek, förväntas helt lösa grafitiseringsproblemet och därigenom eliminera kolinkapslingsdefekten i substratet.

Slutsats och utsikter

Det stökiometriska SiC-råmaterialet med stor partikel, hög renhet syntetiserat med CVD-metoden, med sitt inneboende låga förhållande mellan ytarea och volym, ger en mycket stabil och kontrollerbar sublimeringskälla för SiC-enkristalltillväxt med PVT-metoden. Detta är inte bara en förändring av råmaterialets form utan omformar och optimerar också den termodynamiska och kinetiska miljön för PVT-metoden.

Applikationsfördelarna är direkt översatta till:

• Högre enkristallkvalitet: Etablerar en materialbas för att producera lågdefekta substrat lämpliga för högspänningsenheter med hög effekt som MOSFET och IGBT.
• Bättre processekonomi: Förbättring av tillväxthastighetsstabilitet, råmaterialutnyttjande och processutbyte, vilket hjälper till att sänka det kostsamma SiC-substratpriset och främjar den utbredda användningen av nedströmsapplikationer.
• Större kristallstorlek: Stabila processförhållanden är mer gynnsamma för industrialiseringen av 8-tums och större SiC-enkristaller.