De oplossing voor het koolstofinkapselingsdefect in siliciumcarbidesubstraten

Met de mondiale energietransitie, de AI-revolutie en de golf van informatietechnologieën van de nieuwe generatie is siliciumcarbide (SiC) snel geëvolueerd van een ‘potentieel materiaal’ naar een ‘strategisch basismateriaal’ vanwege zijn uitzonderlijke fysieke eigenschappen. De toepassingen ervan breiden zich in een ongekend tempo uit, waardoor bijna extreme eisen worden gesteld aan de kwaliteit en consistentie van substraatmaterialen. Dit heeft het aanpakken van kritieke defecten zoals ‘koolstofinkapseling’ urgenter en noodzakelijker gemaakt dan ooit tevoren.

Grensverleggende toepassingen die SiC-substraten aandrijven

1.AI hardware-ecosysteem en de grenzen van miniaturisatie:

• Neem als voorbeeld een AI-bril
• Optische golfgeleidermaterialen voor AR/VR-brillen.

De volgende generatie AI-brillen (AR/VR-apparaten) streeft naar een ongeëvenaard gevoel van onderdompeling en realtime interactie. Dit betekent dat hun interne kernprocessors (zoals speciale AI-inferentiechips) enorme hoeveelheden gegevens moeten verwerken en aanzienlijke warmteafvoer moeten verwerken binnen een extreem beperkte geminiaturiseerde ruimte. Op silicium gebaseerde chips worden in dit scenario geconfronteerd met fysieke beperkingen.

AR/VR optische golfgeleiders vereisen een hoge brekingsindex om het apparaatvolume te verminderen, breedbandtransmissie om kleurenschermen te ondersteunen, een hoge thermische geleidbaarheid om de warmteafvoer van krachtige lichtbronnen te beheren, en een hoge hardheid en stabiliteit om duurzaamheid te garanderen. Ze moeten ook compatibel zijn met volwassen micro-/nano-optische verwerkingstechnologieën voor grootschalige productie.

Rol van SiC: GaN-op-SiC RF/vermogensmodules gemaakt van SiC-substraten zijn de sleutel tot het oplossen van deze tegenstrijdigheid. Ze kunnen miniatuurdisplays en sensorsystemen met een hogere efficiëntie aansturen en, met een thermische geleidbaarheid die vele malen hoger is dan die van silicium, snel de enorme warmte afvoeren die door chips wordt gegenereerd, waardoor een stabiele werking in een slanke vormfactor wordt gegarandeerd.

Eénkristallijn siliciumcarbide (SiC) heeft een brekingsindex van ongeveer 2,6 in het zichtbare lichtspectrum, met uitstekende transparantie, waardoor het geschikt is voor hooggeïntegreerde optische golfgeleiderontwerpen. Op basis van de hoge brekingsindex-eigenschappen kan een enkellaags SiC-diffractiegolfgeleider theoretisch een gezichtsveld (FOV) van ongeveer 70 ° bereiken en regenboogpatronen effectief onderdrukken. Bovendien heeft SiC een extreem hoge thermische geleidbaarheid (ongeveer 4,9 W/cm·K), waardoor het snel warmte van optische en mechanische bronnen kan afvoeren, waardoor verslechtering van de optische prestaties als gevolg van temperatuurstijging wordt voorkomen. Bovendien verbeteren de hoge hardheid en slijtvastheid van SiC de structurele stabiliteit en duurzaamheid op lange termijn van de golfgeleiderlenzen aanzienlijk. SiC-wafels kunnen worden gebruikt voor micro-/nano-verwerking (zoals etsen en coaten), waardoor de integratie van micro-optische structuren wordt vergemakkelijkt.

De gevaren van "koolstofinkapseling": Als het SiC-substraat een defect in de "koolstofinkapseling" bevat, wordt het een plaatselijke "thermische isolator" en een "elektrisch foutpunt". Het belemmert niet alleen de warmtestroom ernstig, wat leidt tot lokale oververhitting van de chip en prestatieverlies, maar het kan ook micro-ontladingen of lekstromen veroorzaken, wat mogelijk kan leiden tot weergaveafwijkingen, rekenfouten of zelfs hardwarestoringen in AI-brillen onder langdurige omstandigheden met hoge belasting. Daarom is een defectvrij SiC-substraat de fysieke basis voor het bereiken van betrouwbare, hoogwaardige draagbare AI-hardware.

De gevaren van "koolstofinkapseling": als het SiC-substraat een defect aan de "koolstofinkapseling" bevat, zal dit de transmissie van zichtbaar licht door het materiaal verminderen en kan dit ook leiden tot plaatselijke oververhitting van de golfgeleider, verslechtering van de prestaties en een afname of abnormaliteit in de helderheid van het scherm.

2.De revolutie in geavanceerde computerverpakkingen:

• Belangrijkste lagen in NVIDIA's CoWoS-technologie

In de AI-rekenkrachtrace onder leiding van NVIDIA zijn geavanceerde verpakkingstechnologieën zoals CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) centraal geworden bij de integratie van CPU's, GPU's en HBM-geheugen, waardoor een exponentiële groei van de rekenkracht mogelijk wordt. In dit complexe heterogene integratiesysteem speelt de interposer een cruciale rol als ruggengraat voor hogesnelheidsverbindingen en thermisch beheer.

Rol van SiC: Vergeleken met silicium en glas wordt SiC beschouwd als het ideale materiaal voor de hoogwaardige interposer van de volgende generatie vanwege de extreem hoge thermische geleidbaarheid, een thermische uitzettingscoëfficiënt die beter aansluit bij chips, en uitstekende elektrische isolatie-eigenschappen. SiC-interposers kunnen geconcentreerde warmte van meerdere computerkernen efficiënter afvoeren en de integriteit van snelle signaaloverdracht garanderen.

De gevaren van 'koolstofinkapseling': Onder verbindingen op nanometerniveau is een 'koolstofinkapseling'-defect op micronniveau als een 'tijdbom'. Het kan lokale thermische en spanningsvelden vervormen, wat leidt tot thermomechanische vermoeidheid en scheuren in de metaallagen van de verbinding, wat signaalvertragingen, overspraak of volledige uitval veroorzaakt. Bij AI-versnellingskaarten ter waarde van honderdduizenden RMB zijn systeemstoringen veroorzaakt door onderliggende materiaalfouten onaanvaardbaar. Het garanderen van de absolute zuiverheid en structurele perfectie van de SiC-interposer is de hoeksteen van het behoud van de betrouwbaarheid van het gehele complexe computersysteem.

Conclusie: Overgang van ‘aanvaardbaar’ naar ‘perfect en foutloos’. In het verleden werd siliciumcarbide voornamelijk gebruikt in de industrie en de automobielsector, waar enige tolerantie voor defecten bestond. Als het echter gaat om de miniaturisatiewereld van AI-brillen en ultra-hoogwaardige, ultra-complexe systemen zoals NVIDIA's CoWoS, is de tolerantie voor materiaaldefecten tot nul gedaald. Elk defect in de "koolstofinkapseling" vormt een directe bedreiging voor de prestatielimieten, de betrouwbaarheid en het commerciële succes van het eindproduct. Daarom is het overwinnen van substraatdefecten zoals ‘koolstofinkapseling’ niet langer slechts een academisch of procesverbeteringsprobleem, maar een cruciale materiële strijd die de revolutie van de volgende generatie kunstmatige intelligentie, geavanceerde computers en consumentenelektronica ondersteunt.

Waar komt carbonverpakking vandaan?

Rost et al. stelde het ‘concentratiemodel’ voor, wat suggereert dat veranderingen in de verhouding van stoffen in de gasfase de belangrijkste oorzaak zijn van koolstofinkapseling. Li et al. ontdekte dat grafitisering van zaden koolstofinkapseling kan veroorzaken voordat de groei begint. Als gevolg van het ontsnappen van de siliciumrijke atmosfeer uit de smeltkroes en de actieve interactie tussen de siliciumatmosfeer en de grafietkroes en andere grafietelementen, is de grafitisering van de siliciumcarbidebron onvermijdelijk. Daarom kan de relatief lage partiële Si-druk in de groeikamer de belangrijkste oorzaak zijn van koolstofinkapseling. Echter, Avrov et al. voerde aan dat koolstofinkapseling niet wordt veroorzaakt door een tekort aan silicium. De sterke corrosie van grafietelementen als gevolg van een teveel aan silicium zou dus de belangrijkste oorzaak van koolstofinsluitsels kunnen zijn. Direct experimenteel bewijs in dit artikel laat zien dat fijne koolstofdeeltjes op het bronoppervlak in het groeifront van enkelvoudige siliciumcarbidekristallen kunnen worden gedreven, waardoor koolstofinkapselingen worden gevormd. Dit resultaat geeft aan dat het genereren van fijne koolstofdeeltjes in de groeikamer de belangrijkste oorzaak is van koolstofinkapseling. Het optreden van koolstofinkapseling in eenkristallen van siliciumcarbide is niet te wijten aan de lage partiële druk van Si in de groeikamer, maar eerder aan de vorming van zwak verbonden koolstofdeeltjes als gevolg van de grafitisering van de siliciumcarbidebron en corrosie van grafietelementen.

De verdeling van de insluitsels lijkt sterk te lijken op het patroon van de grafietplaten op het bronoppervlak. De insluitvrije zones in de monokristallijne wafers zijn cirkelvormig, met een diameter van ongeveer 3 mm, wat perfect overeenkomt met de diameter van de geperforeerde cirkelvormige gaten. Dit suggereert dat koolstofinkapseling afkomstig is uit het grondstoffengebied, wat betekent dat de grafitisering van de grondstof het koolstofinkapselingsdefect veroorzaakt.

De kristalgroei van siliciumcarbide vereist doorgaans 100-150 uur. Naarmate de groei vordert, wordt de grafitisering van de grondstof ernstiger. Door de vraag naar het kweken van dikke kristallen wordt het aanpakken van de grafitisering van de grondstof een sleutelprobleem.

Koolstofverpakkingsoplossing

1.De sublimatietheorie van grondstoffen in PVT

• Verhouding tussen oppervlakte en volume: In chemische systemen is de snelheid waarmee het oppervlak van een stof toeneemt veel langzamer dan de snelheid waarmee het volume toeneemt. Daarom geldt: hoe groter de deeltjesgrootte, hoe kleiner de verhouding tussen oppervlak en volume (oppervlakte/volume).
• Verdamping vindt plaats aan het oppervlak: Alleen atomen of moleculen die zich op het oppervlak van het deeltje bevinden, hebben de mogelijkheid om naar de gasfase te ontsnappen. Daarom zijn de snelheid en de totale hoeveelheid verdamping direct gerelateerd aan het oppervlak dat door het deeltje wordt blootgesteld.
• Verdampingskenmerken van grote deeltjes: Kleinere verhouding oppervlak/volume. Minder oppervlaktemoleculen/atomen, wat betekent dat er minder beschikbare oppervlakteplaatsen zijn voor verdamping. (Een groot deeltje versus meerdere kleine deeltjes) Langzamere verdampingssnelheid: Er ontsnappen per tijdseenheid minder moleculen/atomen uit het deeltjesoppervlak. Uniformere verdamping (minder variatie in soorten): Vanwege het relatief kleine oppervlak vereist de diffusie van intern materiaal naar het oppervlak een langer pad en meer tijd. Verdamping vindt vooral plaats in de buitenste laag.
• Grondstof voor kleine deeltjes (verhouding groot oppervlak/volume): "Onverbrand" (verdamping/sublimatie verandert dramatisch): kleine deeltjes worden bijna volledig blootgesteld aan hoge temperaturen, wat een snelle "vergassing" veroorzaakt: ze sublimeren zeer snel en laten in de beginfase voornamelijk de gemakkelijkst te sublimeren componenten vrij (meestal siliciumrijke gassen). Al snel wordt het oppervlak van kleine deeltjes koolstofrijk (aangezien koolstof relatief moeilijk te sublimeren is). Dit resulteert in een aanzienlijk verschil in de samenstelling van het gesublimeerde gas ervoor en erna: het gas begint siliciumrijk en wordt later koolstofrijk.

• Groei voltooid met 0,5 mm grondstof
• Groei voltooid met 1-2 mm zelfvoortplantende grondstof
• De groei werd voltooid met 4-10 mm CVD-grondstof

Zoals te zien is in het bovenstaande diagram helpt het vergroten van de deeltjesgrootte van de grondstof de preferentiële vervluchtiging van de Si-component in de grondstof te onderdrukken, waardoor de gasfasesamenstelling tijdens het gehele groeiproces stabieler wordt en het grafitiseringsprobleem van de grondstof wordt aangepakt. CVD-materialen met grote deeltjes, vooral grondstoffen groter dan 8 mm, zullen naar verwachting het grafitiseringsprobleem volledig oplossen, waardoor het koolstofinkapselingsdefect in het substraat wordt geëlimineerd.

Conclusie en vooruitzicht

De uit grote deeltjes bestaande, zeer zuivere, stoichiometrische SiC-grondstof, gesynthetiseerd door de CVD-methode, met zijn inherente lage verhouding tussen oppervlak en volume, biedt een zeer stabiele en controleerbare sublimatiebron voor de groei van SiC-monokristallen met behulp van de PVT-methode. Dit is niet alleen een verandering in de vorm van de grondstof, maar hervormt en optimaliseert ook fundamenteel de thermodynamische en kinetische omgeving van de PVT-methode.

De toepassingsvoordelen worden direct vertaald in:

• Hogere kwaliteit van één kristal: het leggen van een materiële basis voor het produceren van substraten met weinig defecten die geschikt zijn voor hoogspanningsapparaten met hoog vermogen, zoals MOSFET's en IGBT's.
• Betere proceseconomie: verbetering van de stabiliteit van de groeisnelheid, het gebruik van grondstoffen en de procesopbrengst, waardoor de dure prijs van SiC-substraten wordt verlaagd en de wijdverbreide adoptie van downstream-toepassingen wordt bevorderd.
• Grotere kristalgrootte: Stabiele procesomstandigheden zijn gunstiger voor de industrialisatie van 8-inch en grotere SiC-eenkristallen.