Решење за дефект инкапсулације угљеника у подлогама од силицијум карбида

Са глобалном енергетском транзицијом, револуцијом вештачке интелигенције и таласом информационих технологија нове генерације, силицијум карбид (СиЦ) је брзо напредовао од "потенцијалног материјала" до "стратешког темељног материјала" због својих изузетних физичких својстава. Његове примене се шире брзином без преседана, постављајући скоро екстремне захтеве за квалитет и конзистентност материјала подлоге. Ово је учинило решавање критичних недостатака као што је „инкапсулација угљеника“ хитнијим и неопходнијим него икада раније.

Фронтиер апликације за покретање СиЦ супстрата

1. АИ хардверски екосистем и границе минијатуризације:

• Узимајући АИ наочаре као пример
• Материјали оптичког таласовода за АР/ВР наочаре.

Следећа генерација АИ наочара (АР/ВР уређаји) тежи неупоредивом осећају урањања и интеракције у реалном времену. То значи да њихови интерни процесори (као што су наменски АИ чипови за закључивање) морају да обрађују огромне количине података и да управљају значајним расипањем топлоте унутар изузетно ограниченог минијатуризованог простора. Чипови засновани на силикону суочавају се са физичким ограничењима у овом сценарију.

АР/ВР оптички таласоводи захтевају висок индекс преламања да би смањили запремину уређаја, широкопојасни пренос за подршку дисплејима у пуној боји, високу топлотну проводљивост за управљање расипањем топлоте из извора светлости велике снаге и високу тврдоћу и стабилност како би се обезбедила издржљивост. Они такође морају бити компатибилни са зрелим микро/нано-оптичким технологијама обраде за производњу великих размера.

Улога СиЦ: ГаН-он-СиЦ РФ/напонски модули направљени од СиЦ супстрата су кључни за решавање ове контрадикције. Они могу да покрећу минијатурне дисплеје и сензорске системе са већом ефикасношћу и, са топлотном проводљивошћу неколико пута већом од силицијумске, брзо расипају огромну топлоту коју стварају чипови, обезбеђујући стабилан рад у танком фактору облика.

Монокристални силицијум карбид (СиЦ) има индекс преламања од око 2,6 у спектру видљиве светлости, са одличном транспарентношћу, што га чини погодним за високо интегрисане дизајне оптичких таласовода. На основу својих својстава високог индекса преламања, једнослојни СиЦ дифракциони таласовод теоретски може постићи видно поље (ФОВ) од око 70° и ефикасно потиснути дугине шаре. Штавише, СиЦ има изузетно високу топлотну проводљивост (око 4,9 В/цм·К), што му омогућава да брзо расипа топлоту из оптичких и механичких извора, спречавајући деградацију оптичких перформанси услед пораста температуре. Поред тога, висока тврдоћа и отпорност на хабање СиЦ-а значајно побољшавају структурну стабилност и дугорочну издржљивост сочива таласовода. СиЦ плочице се могу користити за микро/нано обраду (као што је нагризање и облагање), олакшавајући интеграцију микрооптичких структура.

Опасности од „инкапсулације угљеника“: Ако СиЦ супстрат садржи дефект „инкапсулације угљеника“, он постаје локализовани „термоизолатор“ и „тачка електричне грешке“. Не само да озбиљно омета проток топлоте, што доводи до локалног прегревања чипа и деградације перформанси, већ може изазвати и микро-пражњења или струје цурења, што потенцијално доводи до аномалија на екрану, грешака у прорачуну или чак квара хардвера у АИ наочарима под дуготрајним условима високог оптерећења. Стога је СиЦ супстрат без дефекта физичка основа за постизање поузданог хардвера АИ високих перформанси који се може носити.

Опасности од „инкапсулације угљеника“: Ако СиЦ супстрат садржи дефект „инкапсулације угљеника“, то ће смањити пренос видљиве светлости кроз материјал, а такође може довести до локализованог прегревања таласовода, деградације перформанси и смањења или абнормалности у осветљености екрана.

2. Револуција у напредном рачунарском паковању:

• Кључни слојеви у НВИДИА ЦоВоС технологији

У трци АИ рачунарске моћи коју води НВИДИА, напредне технологије паковања као што је ЦоВоС (Цхип-он-Вафер-он-Субстрате) постале су централне за интеграцију ЦПУ-а, ГПУ-а и ХБМ меморије, омогућавајући експоненцијални раст рачунарске снаге. У овом сложеном хетерогеном систему интеграције, интерпосер игра кључну улогу као окосница за интерконекције велике брзине и управљање топлотом.

Улога СиЦ-а: У поређењу са силицијумом и стаклом, СиЦ се сматра идеалним материјалом за интерпосер следеће генерације високих перформанси због своје изузетно високе топлотне проводљивости, коефицијента топлотног ширења који се боље слаже са чиповима и одличних својстава електричне изолације. СиЦ интерпосери могу ефикасније да расипају концентрисану топлоту из више рачунарских језгара и обезбеде интегритет преноса сигнала велике брзине.

Опасности од „инкапсулације угљеника“: Испод интерконекција на нанометарском нивоу, дефект „инкапсулације угљеника“ на нивоу микрона је попут „темпиране бомбе“. Може да изобличи локална термичка поља и поља напрезања, што доводи до термомеханичког замора и пуцања у слојевима метала међусобно повезаних, узрокујући кашњење сигнала, преслушавање или потпуни отказ. У картицама за убрзање вештачке интелигенције вредне стотине хиљада РМБ, системски кварови узроковани основним материјалним дефектима су неприхватљиви. Обезбеђивање апсолутне чистоће и структурног савршенства СиЦ интерпосера је камен темељац за одржавање поузданости целог сложеног рачунарског система.

Закључак: Прелазак са „прихватљивог“ на „савршено и беспрекорно“. У прошлости, силицијум карбид се углавном користио у индустријским и аутомобилским областима, где је постојала одређена толеранција на дефекте. Међутим, када је у питању свет минијатуризације АИ наочара и ултра-високе вредности, ултра-комплексних система као што је НВИДИА ЦоВоС, толеранција на материјалне дефекте је пала на нулу. Сваки дефект "карбонске инкапсулације" директно угрожава границе перформанси, поузданост и комерцијални успех крајњег производа. Стога, превазилажење дефекта супстрата као што је „инкапсулација угљеника“ више није само питање академског или процеса побољшања, већ критична материјална битка која подржава револуцију вештачке интелигенције, напредног рачунарства и потрошачке електронике следеће генерације.

Одакле долази карбонско омотавање

Рост и др. предложио "модел концентрације", сугеришући да су промене у односу супстанци у гасној фази главни узрок инкапсулације угљеника. Ли ет ал. открили да графитизација семена може да изазове инкапсулацију угљеника пре почетка раста. Због изласка атмосфере богате силицијумом из лончића и активне интеракције између силицијумске атмосфере и графитног лончића и других графитних елемената, графитизација извора силицијум карбида је неизбежна. Стога, релативно низак парцијални притисак Си у комори за раст може бити главни узрок инкапсулације угљеника. Међутим, Авров и др. тврдили да инкапсулација угљеника није узрокована недостатком силицијума. Дакле, јака корозија графитних елемената због вишка силицијума може бити главни узрок инклузија угљеника. Директни експериментални докази у овом раду показују да фине честице угљеника на површини извора могу бити убачене у предњи део раста монокристала силицијум карбида, формирајући инкапсулације угљеника. Овај резултат указује да је стварање финих честица угљеника у комори за раст примарни узрок инкапсулације угљеника. Појава инкапсулације угљеника у монокристалима силицијум карбида није последица ниског парцијалног притиска Си у комори за раст, већ формирање слабо повезаних угљеничних честица услед графитизације извора силицијум карбида и корозије графитних елемената.

Чини се да дистрибуција инклузија веома подсећа на образац графитних плоча на површини извора. Зоне без инклузије у монокристалним плочицама су кружне, пречника око 3 мм, што савршено одговара пречнику перфорираних кружних рупа. Ово сугерише да инкапсулација угљеника потиче из области сировине, што значи да графитизација сировог материјала узрокује дефект инкапсулације угљеника.

Раст кристала силицијум карбида обично захтева 100-150 сати. Како раст напредује, графитизација сировине постаје све већа. Под потражњом за узгојем дебелих кристала, решавање графитизације сировине постаје кључно питање.

Решење за карбонско омотавање

1.Теорија сублимације сировина у ПВТ-у

• Однос површине и запремине: У хемијским системима, стопа повећања површине супстанце је много спорија од брзине повећања њене запремине. Дакле, што је већа величина честица, то је мањи однос површине према запремини (површина/запремина).
• Испаравање се дешава на површини: Само атоми или молекули који се налазе на површини честице имају прилику да побегну у гасну фазу. Стога су брзина и укупна количина испаравања директно повезани са површином изложеном честици.
• Карактеристике испаравања великих честица: Мањи однос површина/запремина. Мање површинских молекула/атома, што значи мање расположивих површинских места за испаравање. (Велика честица наспрам више малих честица) Спорија брзина испаравања: Мање молекула/атома излази са површине честице у јединици времена. Уједначеније испаравање (мање варијације у врстама): Због релативно мале површине, дифузија унутрашњег материјала на површину захтева дужи пут и више времена. Испаравање се углавном дешава на најудаљенијем слоју.
• Сирови материјал за мале честице (однос велике површине и запремине): „Несагорели“ (испаравање/Сублимација се драматично мења): Мале честице су скоро у потпуности изложене високим температурама, што изазива брзу „гасификацију“: Они сублимирају веома брзо, ау почетној фази првенствено ослобађају компоненте које су најлакше сублимиране (обично је силицијум богат). Убрзо, површина малих честица постаје богата угљеником (пошто је угљеник релативно тешко сублимирати). Ово резултира значајном разликом у саставу сублимираног гаса пре и после - гас почиње да буде богат силицијумом, а касније постаје богат угљеником.

• Раст завршен са 0,5 мм сировином
• Раст је завршен са 1-2мм саморазмјежним методом сировине
• Раст је завршен са 4-10мм ЦВД сировином

Као што се види у горњем дијаграму, повећање величине честица сировог материјала помаже у сузбијању преференцијалне испарљивости Си компоненте у сировом материјалу, чинећи састав гасне фазе током целог процеса раста стабилнијим и решавајући проблем графитизације сировине. Очекује се да ће ЦВД материјали великих честица, посебно сировине веће од 8 мм, у потпуности решити проблем графитизације, чиме ће се елиминисати дефект инкапсулације угљеника у подлози.

Закључак и изгледи

Стехиометријски СиЦ сирови материјал великих честица, високе чистоће синтетизован ЦВД методом, са својим инхерентним ниским односом површине и запремине, обезбеђује високо стабилан и контролисан сублимациони извор за раст СиЦ монокристала коришћењем ПВТ методе. Ово није само промена у облику сировине, већ и фундаментално преобликује и оптимизује термодинамичко и кинетичко окружење ПВТ методе.

Предности апликације су директно преведене на:

• Виши квалитет монокристала: Успостављање материјалне основе за производњу подлога са ниским дефектом погодних за високонапонске уређаје велике снаге као што су МОСФЕТ-ови и ИГБТ-ови.
• Боља економичност процеса: Побољшање стабилности стопе раста, искоришћења сировина и приноса процеса, што помаже да се смањи скупа цена СиЦ супстрата и промовише широко усвајање низводних апликација.
• Већа величина кристала: Стабилни процесни услови су повољнији за индустријализацију 8-инчних и већих СиЦ монокристала.