Ratkaisu piikarbidisubstraattien hiilikapselointivirheeseen

Globaalin energiamuutoksen, tekoälyvallankumouksen ja uuden sukupolven tietotekniikan aallon myötä piikarbidi (SiC) on edennyt nopeasti "potentiaalisesta materiaalista" "strategiseksi perusmateriaaliksi" poikkeuksellisten fysikaalisten ominaisuuksiensa ansiosta. Sen sovellukset laajenevat ennennäkemättömällä vauhdilla ja asettavat lähes äärimmäisiä vaatimuksia substraattimateriaalien laadulle ja koostumukselle. Tämä on tehnyt kriittisten vikojen, kuten "hiilen kapseloinnin", korjaamisesta kiireellisempää ja tarpeellisempaa kuin koskaan ennen.

Frontier sovellukset Piikarbidi-alustalle

1.AI-laitteistoekosysteemi ja miniatyrisoinnin rajat:

• Esimerkkinä AI-lasit
• Optiset aaltoputkimateriaalit AR/VR-laseille.

Tekoälylasien (AR/VR-laitteet) seuraavan sukupolven tavoitteena on ennennäkemätön uppoaminen ja reaaliaikainen vuorovaikutus. Tämä tarkoittaa, että niiden sisäisten ydinprosessorien (kuten omistettu AI-päätelmäsiru) on käsiteltävä valtavia tietomääriä ja käsiteltävä merkittävää lämmön haihtumista äärimmäisen rajoitetussa miniatyrisoidussa tilassa. Piipohjaisilla siruilla on tässä skenaariossa fyysisiä rajoituksia.

AR/VR-optiset aaltoputket vaativat korkean taitekertoimen laitteen äänenvoimakkuuden vähentämiseksi, laajakaistaisen lähetyksen tukemaan täysvärisiä näyttöjä, korkean lämmönjohtavuuden hallitsemaan suuritehoisten valonlähteiden lämmönpoistoa sekä korkeaa kovuutta ja vakautta kestävyyden varmistamiseksi. Niiden on myös oltava yhteensopivia laajamittaisen valmistuksen kypsien mikro/nanooptisten käsittelytekniikoiden kanssa.

SiC:n rooli: SiC-substraateista valmistetut GaN-on-SiC RF-/tehomoduulit ovat avainasemassa tämän ristiriidan ratkaisemisessa. Ne voivat ohjata miniatyyrinäyttöjä ja anturijärjestelmiä tehokkaammin, ja niiden lämmönjohtavuus on useita kertoja korkeampi kuin piin, ja ne hajottavat nopeasti sirujen tuottaman massiivisen lämmön, mikä varmistaa vakaan toiminnan ohuessa muodossa.

Yksikiteisen piikarbidin (SiC) taitekerroin on noin 2,6 näkyvän valon spektrissä, ja sen läpinäkyvyys on erinomainen, joten se soveltuu erittäin integroituihin optisiin aaltoputkimalleihin. Korkean taitekertoimen ominaisuuksiensa perusteella yksikerroksinen SiC-diffraktioaaltoputki voi teoriassa saavuttaa noin 70°:n näkökentän (FOV) ja vaimentaa tehokkaasti sateenkaaren kuvioita. Lisäksi piikarbidilla on erittäin korkea lämmönjohtavuus (noin 4,9 W/cm·K), mikä mahdollistaa sen nopean lämmön haihtumisen optisista ja mekaanisista lähteistä, mikä estää optisen suorituskyvyn heikkenemisen lämpötilan nousun vuoksi. Lisäksi SiC:n korkea kovuus ja kulutuskestävyys parantavat merkittävästi aaltoputkilinssien rakenteellista vakautta ja pitkäkestoista kestävyyttä. SiC-kiekkoja voidaan käyttää mikro-/nanoprosessointiin (kuten etsaukseen ja pinnoitukseen), mikä helpottaa mikrooptisten rakenteiden integrointia.

"Hiilen kapseloinnin" vaarat: Jos SiC-substraatissa on "hiilen kapselointi" -vika, siitä tulee paikallinen "lämpöeriste" ja "sähkövikakohta". Se ei ainoastaan ​​estä vakavasti lämmön virtausta, mikä johtaa sirun paikalliseen ylikuumenemiseen ja suorituskyvyn heikkenemiseen, vaan se voi myös aiheuttaa mikropurkauksia tai vuotovirtoja, jotka voivat johtaa näyttövirheisiin, laskentavirheisiin tai jopa laitteistovioihin tekoälylaseissa pitkäaikaisissa korkean kuormituksen olosuhteissa. Siksi virheetön piikarbidisubstraatti on fyysinen perusta luotettavan ja tehokkaan puettavan AI-laitteiston aikaansaamiselle.

"Hiilikapseloinnin" vaarat: Jos SiC-substraatissa on "hiilen kapselointi" -vika, se vähentää näkyvän valon siirtymistä materiaalin läpi ja voi myös johtaa aaltoputken paikalliseen ylikuumenemiseen, suorituskyvyn heikkenemiseen ja näytön kirkkauden heikkenemiseen tai poikkeavuuteen.

2. Edistyneen tietojenkäsittelyn pakkauksen vallankumous:

• NVIDIAn CoWoS-tekniikan avainkerroksia

NVIDIA:n johtamassa tekoälyn laskentatehokilpailussa edistyneistä pakkaustekniikoista, kuten CoWoS:sta (Chip-on-Wafer-on-Substrate), on tullut keskeinen osa prosessorien, GPU:iden ja HBM-muistin integroinnissa, mikä mahdollistaa laskentatehon eksponentiaalisen kasvun. Tässä monimutkaisessa heterogeenisessä integrointijärjestelmässä väliinpanijalla on kriittinen rooli nopeiden yhteenliitäntöjen ja lämmönhallinnan selkärankana.

Piikarbidin rooli: Piihin ja lasiin verrattuna piikarbidia pidetään ihanteellisena materiaalina seuraavan sukupolven korkean suorituskyvyn väliaineeseen sen erittäin korkean lämmönjohtavuuden, lastujen kanssa paremmin sopivan lämpölaajenemiskertoimen ja erinomaisten sähköeristysominaisuuksien vuoksi. SiC-välittimet voivat tehokkaammin haihduttaa keskittyneen lämmön useista laskentaytimistä ja varmistaa nopean signaalinsiirron eheyden.

"Hiilen kapseloinnin" vaarat: Nanometritason keskinäisten yhteyksien alla mikronitason "hiilikapselointi" -vika on kuin "aikapommi". Se voi vääristää paikallisia lämpö- ja jännityskenttiä, mikä johtaa lämpömekaaniseen väsymiseen ja halkeilemiseen yhteenliitettävissä metallikerroksissa, mikä aiheuttaa signaaliviiveitä, ylikuulumista tai täydellistä vikaa. Satojen tuhansien RMB:ien arvoisissa tekoälykiihdytyskorteissa taustalla olevista materiaalivioista aiheutuvia järjestelmävikoja ei voida hyväksyä. SiC interposerin ehdottoman puhtauden ja rakenteellisen täydellisyyden varmistaminen on kulmakivi koko monimutkaisen laskentajärjestelmän luotettavuuden ylläpitämiselle.

Johtopäätös: Siirtyminen "hyväksyttävästä" "täydelliseen ja virheettömään". Aiemmin piikarbidia käytettiin pääasiassa teollisuudessa ja autoteollisuudessa, joilla oli jonkin verran toleranssia vikoja kohtaan. Kuitenkin mitä tulee tekoälylasien ja erittäin arvokkaiden, erittäin monimutkaisten järjestelmien, kuten NVIDIAn CoWoS:n, pienoismaailmaan, materiaalivirheiden toleranssi on pudonnut nollaan. Jokainen "hiilen kapselointi" -vika uhkaa suoraan lopputuotteen suorituskykyrajoja, luotettavuutta ja kaupallista menestystä. Siksi substraattivirheiden, kuten "hiilen kapseloinnin", voittaminen ei ole enää vain akateeminen tai prosessin parannuskysymys, vaan kriittinen materiaalitaistelu, joka tukee seuraavan sukupolven tekoälyä, kehittynyttä tietojenkäsittelyä ja kulutuselektroniikan vallankumousta.

Mistä hiilikääre tulee

Rost et ai. ehdotti "pitoisuusmallia", mikä viittaa siihen, että muutokset kaasufaasissa olevien aineiden suhteessa ovat pääasiallinen syy hiilen kapseloitumiseen. Li et ai. havaitsivat, että siementen grafitointi voi indusoida hiilen kapseloitumisen ennen kasvun alkamista. Piipitoisen ilmakehän poistuminen upokasta sekä pii-ilmakehän ja grafiittiupokkaan ja muiden grafiittielementtien välisestä aktiivisesta vuorovaikutuksesta johtuen piikarbidilähteen grafitoituminen on väistämätöntä. Siksi suhteellisen alhainen Si:n osapaine kasvukammiossa voi olla pääasiallinen syy hiilen kapseloitumiseen. Kuitenkin Avrov et ai. väitti, että hiilen kapseloituminen ei johdu piin puutteesta. Siten ylimääräisen piin aiheuttama grafiittielementtien voimakas korroosio saattaa olla pääasiallinen syy hiilisulkeutumiseen. Suorat kokeelliset todisteet tässä artikkelissa osoittavat, että lähteen pinnalla olevat hienot hiilihiukkaset voidaan ajaa piikarbidin yksittäiskiteiden kasvurintamaan muodostaen hiilikapselointeja. Tämä tulos osoittaa, että hienojen hiilihiukkasten muodostuminen kasvukammiossa on pääasiallinen syy hiilen kapseloitumiseen. Hiilen kapseloituminen piikarbidin yksittäiskiteisiin ei johdu Si:n alhaisesta osapaineesta kasvukammiossa, vaan heikosti liittyneiden hiilihiukkasten muodostumisesta piikarbidilähteen grafitoitumisen ja grafiittielementtien korroosion vuoksi.

Inkluusioten jakautuminen näyttää läheisesti muistuttavan lähteen pinnalla olevien grafiittilevyjen kuviota. Yksikidekiekkojen inkluusiovapaat vyöhykkeet ovat pyöreitä, halkaisijaltaan noin 3 mm, mikä vastaa täydellisesti rei'itettyjen pyöreiden reikien halkaisijaa. Tämä viittaa siihen, että hiilen kapseloituminen on peräisin raaka-ainealueelta, mikä tarkoittaa, että raaka-aineen grafitoituminen aiheuttaa hiilen kapselointivirheen.

Piikarbidikiteiden kasvu vaatii tyypillisesti 100-150 tuntia. Kasvun edetessä raaka-aineen grafitoituminen voimistuu. Paksujen kiteiden kasvattamisen kysynnässä raaka-aineen grafitoitumisesta tulee keskeinen kysymys.

Hiilikääreratkaisu

1. Raaka-aineiden sublimaatioteoria PVT:ssä

• Pinta-alan ja tilavuuden suhde: Kemiallisissa järjestelmissä aineen pinta-alan kasvunopeus on paljon hitaampaa kuin sen tilavuuden kasvunopeus. Siksi mitä suurempi hiukkaskoko, sitä pienempi pinta-alan suhde tilavuuteen (pinta-ala/tilavuus).
• Haihtumista tapahtuu pinnalla: Vain hiukkasen pinnalla olevilla atomeilla tai molekyyleillä on mahdollisuus paeta kaasufaasiin. Siksi haihtumisen nopeus ja kokonaismäärä ovat suoraan verrannollisia hiukkasen altistamaan pinta-alaan.
• Suurten hiukkasten haihtumisominaisuudet: Pienempi pinta-ala/tilavuussuhde. Vähemmän pintamolekyylejä/atomeja, mikä tarkoittaa vähemmän käytettävissä olevia haihtumispaikkoja. (Suuri hiukkanen vs. useita pieniä hiukkasia) Hitaampi haihtumisnopeus: Vähemmän molekyylejä/atomeja karkaa hiukkasen pinnalta aikayksikköä kohden. Tasaisempi haihdutus (vähemmän lajien vaihtelua): Suhteellisen pienestä pinnasta johtuen sisäisen materiaalin diffuusio pintaan vaatii pidemmän reitin ja enemmän aikaa. Haihtuminen tapahtuu pääasiassa uloimmassa kerroksessa.
• Pienet hiukkaset raaka-aine (suuren pinta-alan ja tilavuuden suhde): "palamaton" (haihtuminen/sublimaatio muuttuu dramaattisesti): Pienet hiukkaset altistuvat lähes kokonaan korkeille lämpötiloille, mikä aiheuttaa nopean "kaasuttumisen": Ne sublimoituvat hyvin nopeasti ja vapauttavat alkuvaiheessa ensisijaisesti helpoimmin sublimoituvia komponentteja (yleensä runsaasti piikaasuja). Pian pienten hiukkasten pinta muuttuu hiilirikkaaksi (koska hiiltä on suhteellisen vaikea ylentää). Tämä johtaa merkittävään eroon sublimoidun kaasun koostumuksessa ennen ja jälkeen - kaasu alkaa sisältää piitä ja muuttuu myöhemmin hiilirikkaaksi.

• Kasvu päätökseen 0,5mm raaka-aineella
• Kasvu saa päätökseen 1-2mm itselisääntyvän menetelmän raaka-aineen
• Kasvu toteutettiin 4-10mm CVD-raaka-aineella

Kuten yllä olevasta kaaviosta nähdään, raaka-aineen hiukkaskoon kasvattaminen auttaa estämään Si-komponentin ensisijaisen haihtumisen raaka-aineessa, mikä tekee kaasufaasikoostumuksesta vakaamman koko kasvuprosessin ajan ja ratkaisee raaka-aineen grafitoitumisongelman. Suurihiukkasten CVD-materiaalien, erityisesti raaka-aineiden, joiden koko on suurempi kuin 8 mm, odotetaan ratkaisevan täysin grafitoitumisongelman, mikä eliminoi substraatin hiilen kapselointivian.

Johtopäätös ja tulevaisuus

CVD-menetelmällä syntetisoitu suurihiukkasinen, erittäin puhdas, stoikiometrinen SiC-raaka-aine, jolla on luontainen pieni pinta-ala/tilavuussuhde, tarjoaa erittäin vakaan ja säädettävän sublimaatiolähteen piikarbidin yksikiteiden kasvattamiseen PVT-menetelmällä. Tämä ei ole vain muutos raaka-aineen muodossa, vaan se myös muokkaa ja optimoi PVT-menetelmän termodynaamisen ja kineettisen ympäristön perusteellisesti.

Sovelluksen edut käännetään suoraan:

• Korkeampi yksikidelaatu: Luodaan materiaaliperustan pienivaurioisten substraattien tuottamiseksi, jotka soveltuvat korkeajännitteisille ja suuritehoisille laitteille, kuten MOSFET:ille ja IGBT:ille.
• Parempi prosessitalous: Parantaa kasvunopeuden vakautta, raaka-aineiden käyttöä ja prosessin saantoa, auttaa alentamaan kallista piikarbidialustan hintaa ja edistämään loppupään sovellusten laajaa käyttöönottoa.
• Suurempi kidekoko: Vakaat prosessiolosuhteet ovat suotuisammat 8 tuuman ja suurempien SiC-yksittäisten kiteiden teollistamiselle.