Lahendus ränikarbiidsubstraatide süsiniku kapseldamise defektile

Ülemaailmse energia ülemineku, tehisintellekti revolutsiooni ja uue põlvkonna infotehnoloogiate lainega on ränikarbiid (SiC) oma erakordsete füüsikaliste omaduste tõttu kiiresti arenenud "potentsiaalsest materjalist" "strateegiliseks alusmaterjaliks". Selle rakendused laienevad enneolematu kiirusega, seades substraadimaterjalide kvaliteedile ja konsistentsile peaaegu äärmuslikud nõudmised. See on muutnud selliste kriitiliste defektide nagu "süsiniku kapseldamine" lahendamise kiireloomulisemaks ja vajalikumaks kui kunagi varem.

Piirirakendused ränidioksiidi aluspindade juhtimiseks

1. AI riistvara ökosüsteem ja miniaturiseerimise piirid:

• Võttes näiteks AI-prillid
• Optilised lainejuhtmaterjalid AR/VR-prillidele.

Järgmise põlvkonna AI-prillid (AR/VR-seadmed) püüdlevad võrratu keelekümblustunde ja reaalajas suhtlemise poole. See tähendab, et nende sisemised tuumprotsessorid (nt spetsiaalsed tehisintellekti järeldamiskiibid) peavad töötlema tohutul hulgal andmeid ja hakkama saama märkimisväärse soojuse hajumisega äärmiselt piiratud miniatuurses ruumis. Ränipõhised kiibid seisavad selles stsenaariumis ette füüsiliste piirangutega.

AR/VR optilised lainejuhid nõuavad seadme helitugevuse vähendamiseks kõrget murdumisnäitajat, täisvärviekraanide toetamiseks lairibaedastust, suure võimsusega valgusallikate soojuse hajumise juhtimiseks kõrget soojusjuhtivust ning vastupidavuse tagamiseks suurt kõvadust ja stabiilsust. Need peavad ühilduma ka suuremahulise tootmise jaoks mõeldud küpsete mikro-/nanooptiliste töötlemistehnoloogiatega.

SiC roll: SiC substraatidest valmistatud GaN-on-SiC raadiosagedus-/võimsusmoodulid on selle vastuolu lahendamise võtmeks. Need suudavad juhtida miniatuurseid ekraane ja andurisüsteeme suurema efektiivsusega ning, kui soojusjuhtivus on mitu korda kõrgem kui räni, hajutavad kiiresti laastude tekitatud massiivse soojuse, tagades stabiilse töö väikese kujuga.

Ühekristallilise ränikarbiidi (SiC) murdumisnäitaja nähtava valguse spektris on umbes 2,6 ja see on suurepärase läbipaistvusega, mistõttu sobib see hästi integreeritud optiliste lainejuhtide konstruktsioonide jaoks. Selle kõrge murdumisnäitaja omaduste põhjal võib ühekihiline SiC difraktsioonilainejuht teoreetiliselt saavutada umbes 70 ° vaatevälja (FOV) ja tõhusalt maha suruda vikerkaare mustreid. Lisaks on ränidioksiidil äärmiselt kõrge soojusjuhtivus (umbes 4,9 W/cm·K), mis võimaldab sellel kiiresti optilistest ja mehaanilistest allikatest soojust hajutada, hoides ära optilise jõudluse halvenemise temperatuuritõusu tõttu. Lisaks suurendab SiC kõrge kõvadus ja kulumiskindlus oluliselt lainejuhtläätsede struktuurilist stabiilsust ja pikaajalist vastupidavust. SiC vahvleid saab kasutada mikro-/nanotöötluseks (nt söövitamiseks ja katmiseks), hõlbustades mikro-optiliste struktuuride integreerimist.

"Süsinikkapseldamise" ohud: kui SiC substraadil on "süsinikkapseldamise" defekt, muutub see lokaalseks "soojusisolaatoriks" ja "elektri rikkepunktiks". See mitte ainult ei takista tõsiselt soojusvoogu, põhjustades kiibi kohalikku ülekuumenemist ja jõudluse halvenemist, vaid võib põhjustada ka mikrolahendusi või lekkevoolusid, mis võivad põhjustada AI-prillide kuvahäireid, arvutusvigu või isegi riistvararikkeid AI-prillides pikaajalisel suurel koormusel. Seetõttu on defektideta SiC-substraat füüsilise aluse usaldusväärse ja suure jõudlusega kantava tehisintellekti riistvara saavutamiseks.

"Süsinikkapseldamise" ohud: kui SiC substraadil on "süsinikkapseldamise" defekt, vähendab see nähtava valguse läbimist läbi materjali ning võib samuti põhjustada lainejuhi lokaalset ülekuumenemist, jõudluse halvenemist ja ekraani heleduse vähenemist või ebanormaalsust.

2. Revolutsioon täiustatud andmetöötluse pakendamises:

• NVIDIA CoWoS-tehnoloogia võtmekihid

NVIDIA juhitud tehisintellekti võimsuse võidujooksus on arenenud pakkimistehnoloogiad, nagu CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate), muutunud keskseteks protsessorite, GPU-de ja HBM-mälu integreerimisel, võimaldades arvutusvõimsuse eksponentsiaalset kasvu. Selles keerulises heterogeenses integratsioonisüsteemis mängib interposer kriitilist rolli kiirete ühenduste ja soojusjuhtimise selgroona.

SiC roll: võrreldes räni ja klaasiga peetakse ränidioksiidi ideaalseks materjaliks järgmise põlvkonna suure jõudlusega interposeri jaoks tänu selle ülikõrgele soojusjuhtivusele, soojuspaisumistegurile, mis sobib paremini laastudega, ja suurepärastele elektriisolatsiooniomadustele. SiC interposerid suudavad tõhusamalt hajutada kontsentreeritud soojust mitmest arvutussüdamikust ja tagada kiire signaaliedastuse terviklikkuse.

"Süsiniku kapseldamise" ohud: nanomeetri tasemel vastastikuste ühenduste all on mikroni tasemel "süsiniku kapseldamise" defekt nagu "viitsütikuga pomm". See võib moonutada kohalikke soojus- ja pingevälju, põhjustades omavahel ühendatud metallikihtide termomehaanilist väsimust ja pragunemist, põhjustades signaali viivitusi, läbirääkimist või täielikku riket. Tehisintellekti kiirenduskaartide puhul, mille väärtus on sadu tuhandeid RMB, on materjalidefektidest põhjustatud süsteemirikked vastuvõetamatud. SiC interposeri absoluutse puhtuse ja struktuurse täiuslikkuse tagamine on kogu keeruka arvutussüsteemi töökindluse säilitamise nurgakivi.

Järeldus: üleminek "vastuvõetavast" "täiuslikuks ja veatuks". Varem kasutati ränikarbiidi peamiselt tööstus- ja autotööstuses, kus eksisteeris mõningane tolerants defektide suhtes. Mis aga puutub AI-prillide ja ülikõrge väärtusega ülikeeruliste süsteemide, nagu NVIDIA CoWoS, miniatuurse maailmaga, on materjalidefektide tolerants langenud nullini. Iga "süsiniku kapseldamise" defekt ohustab otseselt lõpptoote jõudluse piire, töökindlust ja ärilist edu. Seetõttu pole substraadi defektide, nagu "süsiniku kapseldamine", ületamine enam lihtsalt akadeemiline või protsesside täiustamise probleem, vaid kriitiline materiaalne võitlus, mis toetab järgmise põlvkonna tehisintellekti, täiustatud andmetöötlust ja tarbeelektroonika revolutsiooni.

Kust tuleb süsinikpakend

Rost et al. pakkus välja "kontsentratsioonimudeli", mis viitab sellele, et süsiniku kapseldumise peamiseks põhjuseks on muutused gaasifaasis olevate ainete vahekorras. Li et al. leidis, et seemnete grafitiseerimine võib enne kasvu algust esile kutsuda süsiniku kapseldamise. Ränirikka atmosfääri põgenemise tõttu tiiglist ning räniatmosfääri ja grafiittiigli ning muude grafiitelementide vahelisest aktiivsest koostoimest on ränikarbiidi allika grafitiseerimine vältimatu. Seetõttu võib süsiniku kapseldamise peamiseks põhjuseks olla suhteliselt madal Si osarõhk kasvukambris. Siiski, Avrov et al. väitis, et süsiniku kapseldumist ei põhjusta ränipuudus. Seega võib süsinikusisalduse peamiseks põhjuseks olla grafiitelementide tugev korrosioon liigse räni tõttu. Selles artiklis esitatud otsesed eksperimentaalsed tõendid näitavad, et lähtepinnal olevad peened süsinikuosakesed võivad sattuda ränikarbiidi monokristallide kasvupinnale, moodustades süsiniku kapslid. See tulemus näitab, et peente süsinikuosakeste teke kasvukambris on süsiniku kapseldamise peamine põhjus. Ränikarbiidi monokristallides süsiniku kapseldumise ilmnemine ei ole tingitud Si madalast osarõhust kasvukambris, vaid ränikarbiidi allika grafitiseerumise ja grafiitelementide korrosiooni tõttu on tekkinud nõrgalt seotud süsinikuosakesed.

Inklusioonide jaotus näib olevat väga sarnane lähtepinnal olevate grafiitplaatide mustriga. Inklusioonivabad tsoonid monokristallplaatides on ringikujulised, läbimõõduga umbes 3 mm, mis vastab ideaalselt perforeeritud ringikujuliste aukude läbimõõdule. See viitab sellele, et süsiniku kapseldamine pärineb tooraine piirkonnast, mis tähendab, et tooraine grafitiseerimine põhjustab süsiniku kapseldamise defekti.

Ränikarbiidi kristallide kasvatamiseks kulub tavaliselt 100–150 tundi. Kasvu edenedes muutub tooraine grafitiseerumine tugevamaks. Paksude kristallide kasvatamise nõudluse tõttu muutub tooraine grafitiseerimisega tegelemine võtmeküsimuseks.

Süsinikpakendi lahendus

1. PVT toorainete sublimatsiooniteooria

• Pindala ja ruumala suhe: keemilistes süsteemides on aine pindala suurenemise kiirus palju aeglasem kui selle ruumala suurenemise kiirus. Seega, mida suurem on osakeste suurus, seda väiksem on pinna ja ruumala suhe (pindala/ruumala).
• Aurustumine toimub pinnal: ainult osakese pinnal paiknevatel aatomitel või molekulidel on võimalus pääseda gaasifaasi. Seetõttu on aurustumiskiirus ja koguhulk otseselt seotud osakese eksponeeritud pindalaga.
• Suurte osakeste aurustumisomadused: väiksem pindala/mahu suhe. Vähem pinnamolekule/aatomeid, mis tähendab vähem saadaolevaid pinnasaite aurustamiseks. (Suur osake vs. mitu väikest osakest) Aeglasem aurustumiskiirus: vähem molekule/aatomeid väljub osakese pinnalt ajaühikus. Ühtlasem aurustumine (väiksem liikide varieeruvus): suhteliselt väikese pinna tõttu nõuab sisemise materjali difusioon pinnale pikemat teed ja rohkem aega. Aurustumine toimub peamiselt kõige välimises kihis.
• Väikeste osakeste tooraine (suure pinna ja ruumala suhe): "põlemata" (aurumine/sublimatsioon muutub dramaatiliselt): väikesed osakesed puutuvad peaaegu täielikult kokku kõrgete temperatuuridega, põhjustades kiiret "gaasistamist": nad sublimeeruvad väga kiiresti ja algstaadiumis vabastavad peamiselt kõige kergemini sublimeeritavad komponendid (tavaliselt ränirikkad gaasilised komponendid). Peagi muutub väikeste osakeste pind süsinikurikkaks (kuna süsinikku on suhteliselt raske sublimeerida). Selle tulemuseks on oluline erinevus sublimeeritud gaasi koostises enne ja pärast – gaas hakkab sisaldama räni ja muutub hiljem süsinikurikkaks.

• Kasv lõpetatud 0,5mm toorainega
• Kasv lõpetatud 1-2mm isepaljuneva meetodiga toorainega
• Kasv lõpetatud 4-10mm CVD toorainega

Nagu ülaltoodud diagrammil näha, aitab tooraine osakeste suuruse suurendamine pärssida Si komponendi eelistatavat lendumist tooraines, muutes gaasifaasi koostise kogu kasvuprotsessi jooksul stabiilsemaks ja lahendades tooraine grafitiseerumise probleemi. Suurte osakestega CVD-materjalid, eriti suuremad kui 8 mm toormaterjalid, eeldatavasti lahendavad grafitiseerimisprobleemi täielikult, kõrvaldades seeläbi substraadi süsiniku kapseldamise defekti.

Järeldus ja väljavaade

CVD-meetodil sünteesitud suurte osakestega kõrge puhtusastmega stöhhiomeetriline ränikarbiidi toormaterjal, millel on omane madal pindala ja ruumala suhe, tagab ülistabiilse ja kontrollitava sublimatsiooniallika ränikarbiidi monokristallide kasvatamiseks PVT-meetodil. See ei ole mitte ainult tooraine vormi muutus, vaid muudab ja optimeerib põhjalikult PVT-meetodi termodünaamilist ja kineetilist keskkonda.

Rakenduse eelised on otse tõlgitud:

• Kõrgem monokristalli kvaliteet: materjali aluse loomine madala defektiga substraatide tootmiseks, mis sobivad kõrgepinge ja suure võimsusega seadmetele, nagu MOSFETid ja IGBT-d.
• Protsessi parem ökonoomsus: kasvutempo stabiilsuse, tooraine kasutamise ja protsessi saagise parandamine, aidates vähendada kulukaid ränikarbiidi substraadi hinda ja edendada järgnevate rakenduste laialdast kasutuselevõttu.
• Suurem kristalli suurus: stabiilsed protsessitingimused on soodsamad 8-tolliste ja suuremate SiC monokristallide industrialiseerimiseks.