راه حل نقص کپسولاسیون کربن در بسترهای کاربید سیلیکون

با انتقال انرژی جهانی، انقلاب هوش مصنوعی و موج فناوری‌های اطلاعاتی نسل جدید، کاربید سیلیکون (SiC) به دلیل ویژگی‌های فیزیکی استثنایی‌اش به سرعت از یک «ماده بالقوه» به یک «ماده پایه استراتژیک» تبدیل شده است. کاربردهای آن با سرعت بی‌سابقه‌ای در حال گسترش است و تقاضاهای تقریباً شدیدی را برای کیفیت و قوام مواد بستر ایجاد می‌کند. این امر رسیدگی به عیوب حیاتی مانند "کپسولاسیون کربن" را بیش از هر زمان دیگری ضروری و ضروری کرده است.

کاربردهای مرزی در راه اندازی بسترهای SiC

1. اکوسیستم سخت افزار هوش مصنوعی و محدودیت های کوچک سازی:

• به عنوان مثال عینک های هوش مصنوعی را در نظر بگیرید
• مواد موجبر نوری برای عینک های AR/VR.

نسل بعدی عینک‌های هوش مصنوعی (دستگاه‌های AR/VR) برای حس بی‌نظیر غوطه‌وری و تعامل بی‌درنگ تلاش می‌کنند. این بدان معناست که پردازنده‌های هسته داخلی آن‌ها (مانند تراشه‌های استنتاج اختصاصی هوش مصنوعی) باید حجم وسیعی از داده‌ها را پردازش کرده و اتلاف حرارت قابل توجهی را در فضای کوچک بسیار محدود انجام دهند. تراشه های مبتنی بر سیلیکون در این سناریو با محدودیت های فیزیکی روبرو هستند.

موجبرهای نوری AR/VR به ضریب شکست بالا برای کاهش حجم دستگاه، انتقال باند پهن برای پشتیبانی از نمایشگرهای تمام رنگی، هدایت حرارتی بالا برای مدیریت اتلاف گرما از منابع نور پرقدرت و سختی و پایداری بالا برای اطمینان از دوام نیاز دارند. آنها همچنین باید با فناوری‌های پردازش میکرو/نانو نوری بالغ برای تولید در مقیاس بزرگ سازگار باشند.

نقش SiC: ماژول های RF/Power GaN-on-SiC ساخته شده از بسترهای SiC برای حل این تناقض کلیدی هستند. آنها می توانند نمایشگرهای مینیاتوری و سیستم های حسگر را با راندمان بالاتر هدایت کنند و با رسانایی حرارتی چندین برابر بیشتر از سیلیکون، گرمای عظیم تولید شده توسط تراشه ها را به سرعت دفع کنند و عملکرد پایدار را در یک فاکتور باریک تضمین کنند.

کاربید سیلیکون تک کریستال (SiC) دارای ضریب شکست حدود 2.6 در طیف نور مرئی، با شفافیت عالی است که آن را برای طرح های موجبر نوری با یکپارچه بالا مناسب می کند. بر اساس خواص ضریب شکست بالای خود، یک موجبر پراش SiC تک لایه از نظر تئوری می تواند به میدان دید (FOV) در حدود 70 درجه دست یابد و به طور موثر الگوهای رنگین کمان را سرکوب کند. علاوه بر این، SiC دارای رسانایی حرارتی بسیار بالایی است (حدود 4.9 W/cm·K)، که به آن اجازه می‌دهد به سرعت گرما را از منابع نوری و مکانیکی دفع کند و از تخریب عملکرد نوری به دلیل افزایش دما جلوگیری کند. علاوه بر این، سختی و مقاومت بالای SiC به طور قابل توجهی پایداری ساختاری و دوام طولانی مدت لنزهای موجبر را افزایش می دهد. ویفرهای SiC را می توان برای پردازش میکرو/نانو (مانند اچ کردن و پوشش دهی) استفاده کرد که یکپارچگی ساختارهای میکرواپتیکی را تسهیل می کند.

خطرات "کپسوله کردن کربن": اگر بستر SiC دارای نقص "کپسولاسیون کربن" باشد، به یک "عایق حرارتی" و "نقطه خطای الکتریکی" موضعی تبدیل می شود. نه تنها جریان گرما را به شدت مسدود می‌کند و منجر به گرمای بیش از حد موضعی تراشه و کاهش عملکرد می‌شود، بلکه ممکن است باعث تخلیه‌های ریز یا جریان‌های نشتی شود که به طور بالقوه منجر به ناهنجاری‌های نمایشگر، خطاهای محاسباتی یا حتی خرابی سخت‌افزار در عینک‌های هوش مصنوعی در درازمدت شرایط بار بالا می‌شود. بنابراین، یک بستر SiC بدون نقص، پایه فیزیکی برای دستیابی به سخت‌افزار پوشیدنی قابل اعتماد و با کارایی بالا است.

خطرات "کپسوله کردن کربن": اگر بستر SiC دارای نقص "کپسوله کربنی" باشد، انتقال نور مرئی از طریق ماده را کاهش می دهد و همچنین ممکن است منجر به گرمای بیش از حد موضعی موجبر، کاهش عملکرد و کاهش یا غیرعادی در روشنایی نمایشگر شود.

2- انقلاب در بسته بندی محاسباتی پیشرفته:

• لایه های کلیدی در فناوری CoWoS NVIDIA

در رقابت قدرت محاسباتی هوش مصنوعی که توسط NVIDIA رهبری می‌شود، فناوری‌های بسته‌بندی پیشرفته مانند CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) برای یکپارچه‌سازی پردازنده‌ها، پردازنده‌های گرافیکی و حافظه HBM تبدیل شده‌اند و رشد تصاعدی در قدرت محاسباتی را ممکن می‌سازند. در این سیستم ادغام ناهمگن پیچیده، interposer نقش مهمی به عنوان ستون فقرات برای اتصالات پرسرعت و مدیریت حرارتی ایفا می کند.

نقش SiC: در مقایسه با سیلیکون و شیشه، SiC به دلیل رسانایی حرارتی بسیار بالا، ضریب انبساط حرارتی که با تراشه ها مطابقت دارد و خواص عایق الکتریکی عالی، ماده ایده آلی برای نسل بعدی اینترپوزر با کارایی بالا محسوب می شود. اینترپوزرهای SiC می توانند گرمای متمرکز را از چندین هسته محاسباتی به طور موثرتر دفع کنند و از یکپارچگی انتقال سیگنال با سرعت بالا اطمینان حاصل کنند.

خطرات "کپسولاسیون کربن": در زیر اتصالات در سطح نانومتری، یک نقص "کپسوله کربنی" در سطح میکرون مانند یک "بمب ساعتی" است. این می تواند زمینه های حرارتی و تنش موضعی را مخدوش کند و منجر به خستگی ترمومکانیکی و ترک در لایه های فلزی متصل شود و باعث تاخیر سیگنال، تداخل یا خرابی کامل شود. در کارت‌های شتاب هوش مصنوعی به ارزش صدها هزار RMB، خرابی سیستم ناشی از نقص مواد اساسی غیرقابل قبول است. اطمینان از خلوص مطلق و کمال ساختاری interposer SiC سنگ بنای حفظ قابلیت اطمینان کل سیستم محاسباتی پیچیده است.

نتیجه: گذار از «قابل قبول» به «کامل و بی عیب». در گذشته، کاربید سیلیکون عمدتاً در زمینه های صنعتی و خودروسازی مورد استفاده قرار می گرفت، جایی که تحمل عیوب وجود داشت. با این حال، وقتی صحبت از دنیای کوچک‌سازی عینک‌های هوش مصنوعی و سیستم‌های فوق‌العاده پیچیده و بسیار پیچیده مانند CoWoS NVIDIA می‌شود، تحمل نقص‌های مواد به صفر رسیده است. هر نقص "کپسولاسیون کربن" به طور مستقیم محدودیت های عملکرد، قابلیت اطمینان و موفقیت تجاری محصول نهایی را تهدید می کند. بنابراین، غلبه بر عیوب زیرلایه مانند "کپسولاسیون کربن" دیگر فقط یک مسئله آکادمیک یا بهبود فرآیند نیست، بلکه یک نبرد مادی حیاتی است که از نسل بعدی هوش مصنوعی، محاسبات پیشرفته و انقلاب الکترونیک مصرفی پشتیبانی می کند.

بسته بندی کربن از کجا می آید

روست و همکاران "مدل غلظت" را پیشنهاد کرد، که نشان می دهد تغییرات در نسبت مواد در فاز گاز علت اصلی کپسوله شدن کربن است. لی و همکاران دریافتند که گرافیتی شدن بذر می تواند قبل از شروع رشد، محصور شدن کربن را القا کند. به دلیل فرار جو غنی از سیلیکون از بوته و برهمکنش فعال بین جو سیلیکون و بوته گرافیتی و سایر عناصر گرافیت، گرافیت شدن منبع کاربید سیلیکون اجتناب ناپذیر است. بنابراین، فشار جزئی نسبتا کم Si در محفظه رشد ممکن است علت اصلی کپسوله شدن کربن باشد. با این حال، Avrov و همکاران. استدلال کرد که کپسوله شدن کربن ناشی از کمبود سیلیکون نیست. بنابراین، خوردگی قوی عناصر گرافیت به دلیل سیلیکون اضافی ممکن است علت اصلی ایجاد کربن باشد. شواهد تجربی مستقیم در این مقاله نشان می دهد که ذرات کربن ریز روی سطح منبع را می توان به سمت جلوی رشد تک بلورهای کاربید سیلیکون هدایت کرد و کپسوله های کربنی را تشکیل داد. این نتیجه نشان می دهد که تولید ذرات کربن ریز در محفظه رشد، علت اصلی کپسوله شدن کربن است. ظاهر کپسوله کربن در تک بلورهای کاربید سیلیکون به دلیل فشار جزئی کم Si در محفظه رشد نیست، بلکه به دلیل تشکیل ذرات کربن ضعیف به هم متصل شده به دلیل گرافیتی شدن منبع کاربید سیلیکون و خوردگی عناصر گرافیت است.

به نظر می رسد توزیع آخال ها شباهت زیادی به الگوی صفحات گرافیتی روی سطح منبع دارد. مناطق بدون درگیری در ویفرهای تک کریستال دایره ای با قطر حدود 3 میلی متر است که کاملاً با قطر سوراخ های دایره ای سوراخ شده مطابقت دارد. این نشان می دهد که کپسولاسیون کربن از ناحیه مواد خام منشأ می گیرد، به این معنی که گرافیتی شدن ماده خام باعث نقص کپسوله شدن کربن می شود.

رشد کریستال کاربید سیلیکون معمولاً به 100-150 ساعت نیاز دارد. با پیشرفت رشد، گرافیت شدن مواد خام شدیدتر می شود. تحت تقاضا برای رشد کریستال های ضخیم، پرداختن به گرافیتی شدن مواد خام به یک مسئله کلیدی تبدیل می شود.

محلول بسته بندی کربن

1. تئوری تصعید مواد خام در PVT

• نسبت سطح به حجم: در سیستم های شیمیایی، سرعت افزایش سطح یک ماده بسیار کندتر از سرعت افزایش حجم آن است. بنابراین، هرچه اندازه ذرات بزرگتر باشد، نسبت سطح به حجم (مساحت سطح/حجم) کوچکتر است.
• تبخیر روی سطح اتفاق می‌افتد: فقط اتم‌ها یا مولکول‌هایی که روی سطح ذره قرار دارند، فرصت فرار به فاز گاز را دارند. بنابراین، سرعت و مقدار کل تبخیر به طور مستقیم با سطح در معرض ذره مرتبط است.
• ویژگی های تبخیر ذرات بزرگ: نسبت سطح به حجم کوچکتر. مولکول‌ها/اتم‌های سطحی کمتر، به این معنی که مکان‌های سطحی کمتری برای تبخیر در دسترس هستند. (یک ذره بزرگ در مقابل چند ذره کوچک) سرعت تبخیر آهسته تر: مولکول/اتم کمتری در واحد زمان از سطح ذره فرار می کند. تبخیر یکنواخت تر (تنوع کمتر در گونه ها): به دلیل سطح نسبتا کوچک، انتشار مواد داخلی به سطح نیازمند مسیر طولانی تر و زمان بیشتری است. تبخیر عمدتاً در بیرونی ترین لایه رخ می دهد.
• مواد خام ذرات کوچک (نسبت سطح بزرگ به حجم): "نسوخته" (تبخیر/تععید به طور چشمگیری تغییر می کند): ذرات ریز تقریباً به طور کامل در معرض دماهای بالا قرار می گیرند و باعث "گاز شدن" سریع می شوند: آنها خیلی سریع تصعید می کنند و در مرحله اولیه عمدتاً به راحتی گازهای غلیظ را آزاد می کنند. به زودی، سطح ذرات کوچک غنی از کربن می شود (زیرا تصعید کربن نسبتاً دشوار است). این منجر به تفاوت قابل توجهی در ترکیب گاز تصعید شده قبل و بعد از آن می شود - گاز غنی از سیلیکون شروع می شود و بعداً غنی از کربن می شود.

• رشد با مواد خام 0.5 میلی متر تکمیل شد
• رشد با مواد خام به روش خود تکثیر 1-2 میلی متر تکمیل شد
• رشد با مواد خام CVD 4-10mm تکمیل شد

همانطور که در نمودار بالا مشاهده می شود، افزایش اندازه ذرات ماده خام به سرکوب تبخیر ترجیحی جزء Si در ماده خام کمک می کند، ترکیب فاز گاز را در طول کل فرآیند رشد پایدارتر می کند و به مسئله گرافیتی شدن ماده خام رسیدگی می کند. انتظار می رود که مواد CVD ذرات بزرگ، به ویژه مواد خام بزرگتر از 8 میلی متر، مشکل گرافیتی شدن را به طور کامل حل کنند و در نتیجه نقص کپسولاسیون کربن در بستر را از بین ببرند.

نتیجه گیری و چشم انداز

ذرات بزرگ، با خلوص بالا و مواد خام استوکیومتری SiC سنتز شده با روش CVD، با نسبت سطح پایین ذاتی به حجم، منبع تصعید بسیار پایدار و قابل کنترلی برای رشد تک بلور SiC با استفاده از روش PVT فراهم می‌کند. این نه تنها یک تغییر در شکل ماده خام است، بلکه اساساً محیط ترمودینامیکی و جنبشی روش PVT را تغییر شکل داده و بهینه می کند.

مزایای برنامه به طور مستقیم به این موارد ترجمه می شود:

• کیفیت تک کریستال بالاتر: ایجاد یک پایه مواد برای تولید بسترهای کم نقص مناسب برای دستگاه های با ولتاژ بالا و توان بالا مانند ماسفت ها و IGBT ها.
• اقتصاد فرآیند بهتر: بهبود ثبات نرخ رشد، استفاده از مواد خام و بازده فرآیند، کمک به کاهش قیمت پرهزینه بستر SiC و ترویج پذیرش گسترده کاربردهای پایین دستی.
• اندازه کریستال بزرگتر: شرایط فرآیند پایدار برای صنعتی سازی تک بلورهای SiC 8 اینچی و بزرگتر مطلوب تر است.