La soluzione al difetto di incapsulamento del carbonio nei substrati di carburo di silicio

Con la transizione energetica globale, la rivoluzione dell’intelligenza artificiale e l’ondata di tecnologie informatiche di nuova generazione, il carburo di silicio (SiC) è rapidamente avanzato dall’essere un “materiale potenziale” a un “materiale fondamentale strategico” grazie alle sue eccezionali proprietà fisiche. Le sue applicazioni si stanno espandendo a un ritmo senza precedenti, ponendo requisiti quasi estremi alla qualità e alla consistenza dei materiali del substrato. Ciò ha reso la risoluzione di difetti critici come “l’incapsulamento del carbonio” più urgente e necessaria che mai.

Applicazioni di frontiera che guidano substrati SiC

1. Ecosistema hardware AI e limiti della miniaturizzazione:

• Prendiamo come esempio gli occhiali AI
• Materiali per guide d'onda ottiche per occhiali AR/VR.

La prossima generazione di occhiali AI (dispositivi AR/VR) mira a offrire un senso di immersione e interazione in tempo reale senza precedenti. Ciò significa che i loro processori core interni (come i chip di inferenza AI dedicati) devono elaborare grandi quantità di dati e gestire una significativa dissipazione del calore all’interno di uno spazio miniaturizzato estremamente limitato. In questo scenario i chip a base di silicio devono affrontare limitazioni fisiche.

Le guide d'onda ottiche AR/VR richiedono un indice di rifrazione elevato per ridurre il volume del dispositivo, trasmissione a banda larga per supportare display a colori, elevata conduttività termica per gestire la dissipazione del calore da sorgenti luminose ad alta potenza ed elevata durezza e stabilità per garantire la durata. Devono inoltre essere compatibili con le tecnologie di elaborazione micro/nano-ottica mature per la produzione su larga scala.

Ruolo del SiC: i moduli RF/potenza GaN-on-SiC realizzati con substrati SiC sono fondamentali per risolvere questa contraddizione. Possono pilotare display miniaturizzati e sistemi di sensori con maggiore efficienza e, con una conduttività termica molte volte superiore a quella del silicio, dissipare rapidamente l'enorme calore generato dai chip, garantendo un funzionamento stabile in un fattore di forma sottile.

Il carburo di silicio monocristallino (SiC) ha un indice di rifrazione di circa 2,6 nello spettro della luce visibile, con un'eccellente trasparenza, che lo rende adatto per progetti di guide d'onda ottiche altamente integrate. Sulla base delle sue proprietà di elevato indice di rifrazione, una guida d'onda di diffrazione SiC a strato singolo può teoricamente raggiungere un campo visivo (FOV) di circa 70° e sopprimere efficacemente i modelli arcobaleno. Inoltre, il SiC ha una conduttività termica estremamente elevata (circa 4,9 W/cm·K), che gli consente di dissipare rapidamente il calore da fonti ottiche e meccaniche, prevenendo il degrado delle prestazioni ottiche dovuto all'aumento della temperatura. Inoltre, l'elevata durezza e resistenza all'usura del SiC migliorano significativamente la stabilità strutturale e la durata a lungo termine delle lenti della guida d'onda. I wafer SiC possono essere utilizzati per lavorazioni micro/nano (come incisione e rivestimento), facilitando l'integrazione di strutture microottiche.

I rischi dell'"incapsulamento del carbonio": se il substrato SiC contiene un difetto di "incapsulamento del carbonio", diventa un "isolante termico" localizzato e un "punto di guasto elettrico". Non solo ostacola gravemente il flusso di calore, portando al surriscaldamento locale del chip e al degrado delle prestazioni, ma può anche causare micro-scariche o correnti di dispersione, portando potenzialmente ad anomalie di visualizzazione, errori di calcolo o persino guasti hardware negli occhiali AI in condizioni di carico elevato a lungo termine. Pertanto, un substrato SiC privo di difetti costituisce la base fisica per ottenere hardware AI indossabile affidabile e ad alte prestazioni.

I rischi dell'"incapsulamento del carbonio": se il substrato SiC contiene un difetto dell'"incapsulamento del carbonio", ciò ridurrà la trasmissione della luce visibile attraverso il materiale e potrebbe anche portare a un surriscaldamento localizzato della guida d'onda, a un degrado delle prestazioni e a una diminuzione o a un'anomalia della luminosità del display.

2.La rivoluzione nel packaging informatico avanzato:

• Livelli chiave della tecnologia CoWoS di NVIDIA

Nella corsa alla potenza di calcolo dell'intelligenza artificiale guidata da NVIDIA, le tecnologie di packaging avanzate come CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) sono diventate centrali per l'integrazione di CPU, GPU e memoria HBM, consentendo una crescita esponenziale della potenza di calcolo. In questo complesso sistema di integrazione eterogeneo, l'interpositore svolge un ruolo fondamentale come spina dorsale per le interconnessioni ad alta velocità e la gestione termica.

Ruolo del SiC: rispetto al silicio e al vetro, il SiC è considerato il materiale ideale per l'interpositore ad alte prestazioni di prossima generazione grazie alla sua conduttività termica estremamente elevata, un coefficiente di dilatazione termica che si adatta meglio ai chip ed eccellenti proprietà di isolamento elettrico. Gli interpositori SiC possono dissipare in modo più efficiente il calore concentrato da più core di calcolo e garantire l'integrità della trasmissione del segnale ad alta velocità.

I rischi dell'"incapsulamento del carbonio": al di sotto delle interconnessioni a livello nanometrico, un difetto di "incapsulamento del carbonio" a livello di micron è come una "bomba a orologeria". Può distorcere i campi termici e di stress locali, portando a fatica termomeccanica e fessurazioni negli strati metallici di interconnessione, causando ritardi di segnale, diafonia o guasti completi. Nelle carte di accelerazione AI del valore di centinaia di migliaia di RMB, i guasti del sistema causati da difetti materiali sottostanti sono inaccettabili. Garantire la purezza assoluta e la perfezione strutturale dell'interpositore SiC è la pietra angolare per mantenere l'affidabilità dell'intero complesso sistema di calcolo.

Conclusione: transizione da "accettabile" a "perfetto e impeccabile". In passato, il carburo di silicio veniva utilizzato principalmente nei settori industriale e automobilistico, dove esisteva una certa tolleranza ai difetti. Tuttavia, quando si tratta del mondo della miniaturizzazione degli occhiali AI e dei sistemi ultracomplessi e di altissimo valore come CoWoS di NVIDIA, la tolleranza per i difetti dei materiali è scesa a zero. Ogni difetto di "incapsulamento del carbonio" minaccia direttamente i limiti prestazionali, l'affidabilità e il successo commerciale del prodotto finale. Pertanto, superare i difetti del substrato come “l’incapsulamento del carbonio” non è più solo una questione accademica o di miglioramento dei processi, ma una battaglia materiale critica che supporta l’intelligenza artificiale di prossima generazione, l’informatica avanzata e la rivoluzione dell’elettronica di consumo.

Da dove viene l'avvolgimento in carbonio

Rost et al. ha proposto il "modello di concentrazione", suggerendo che i cambiamenti nel rapporto delle sostanze nella fase gassosa sono la causa principale dell'incapsulamento del carbonio. Li et al. ha scoperto che la grafitizzazione dei semi può indurre l'incapsulamento del carbonio prima che inizi la crescita. A causa della fuoriuscita dell'atmosfera ricca di silicio dal crogiolo e dell'interazione attiva tra l'atmosfera di silicio e il crogiolo di grafite e altri elementi di grafite, la grafitizzazione della sorgente di carburo di silicio è inevitabile. Pertanto, la pressione parziale relativamente bassa del Si nella camera di crescita può essere la causa principale dell’incapsulamento del carbonio. Tuttavia, Avrov et al. ha sostenuto che l'incapsulamento del carbonio non è causato dalla carenza di silicio. Pertanto, la forte corrosione degli elementi di grafite dovuta all'eccesso di silicio potrebbe essere la causa principale delle inclusioni di carbonio. Le prove sperimentali dirette contenute in questo articolo mostrano che fini particelle di carbonio sulla superficie della sorgente possono essere spinte nel fronte di crescita dei singoli cristalli di carburo di silicio, formando incapsulamenti di carbonio. Questo risultato indica che la generazione di particelle fini di carbonio nella camera di crescita è la causa principale dell’incapsulamento del carbonio. La comparsa di incapsulamento del carbonio nei monocristalli di carburo di silicio non è dovuta alla bassa pressione parziale del Si nella camera di crescita, ma piuttosto alla formazione di particelle di carbonio debolmente collegate dovute alla grafitizzazione della sorgente di carburo di silicio e alla corrosione degli elementi di grafite.

La distribuzione delle inclusioni sembra somigliare molto al disegno delle lastre di grafite sulla superficie della sorgente. Le zone prive di inclusioni nei wafer monocristallini sono circolari, con un diametro di circa 3 mm, che corrisponde perfettamente al diametro dei fori circolari perforati. Ciò suggerisce che l'incapsulamento del carbonio ha origine nell'area della materia prima, il che significa che la grafitizzazione della materia prima causa il difetto di incapsulamento del carbonio.

La crescita dei cristalli di carburo di silicio richiede in genere 100-150 ore. Con il progredire della crescita, la grafitizzazione della materia prima diventa più grave. Data la richiesta di coltivare cristalli spessi, affrontare la grafitizzazione della materia prima diventa una questione chiave.

Soluzione di avvolgimento del carbonio

1.La teoria della sublimazione delle materie prime in PVT

• Rapporto area superficiale/volume: nei sistemi chimici, la velocità di aumento dell'area superficiale di una sostanza è molto più lenta della velocità di aumento del suo volume. Pertanto, maggiore è la dimensione delle particelle, minore è il rapporto tra superficie e volume (superficie/volume).
• L'evaporazione avviene in superficie: solo gli atomi o le molecole situati sulla superficie della particella hanno l'opportunità di fuggire nella fase gassosa. Pertanto, la velocità e la quantità totale di evaporazione sono direttamente correlate alla superficie esposta dalla particella.
• Caratteristiche di evaporazione delle particelle grandi: rapporto superficie/volume più piccolo. Meno molecole/atomi superficiali, il che significa meno siti superficiali disponibili per l'evaporazione. (Una particella grande rispetto a più particelle piccole) Tasso di evaporazione più lento: meno molecole/atomi fuoriescono dalla superficie della particella per unità di tempo. Evaporazione più uniforme (minore variazione nelle specie): a causa della superficie relativamente piccola, la diffusione del materiale interno sulla superficie richiede un percorso e un tempo più lunghi. L'evaporazione avviene principalmente nello strato più esterno.
• Materia prima con particelle piccole (rapporto tra ampia superficie e volume): "Incombusto" (l'evaporazione/sublimazione cambia drasticamente): le piccole particelle sono quasi interamente esposte alle alte temperature, causando una rapida "gassificazione": sublimano molto rapidamente e, nella fase iniziale, rilasciano principalmente i componenti più facilmente sublimati (solitamente gas ricchi di silicio). Ben presto, la superficie delle piccole particelle diventa ricca di carbonio (poiché il carbonio è relativamente difficile da sublimare). Ciò si traduce in una differenza significativa nella composizione del gas sublimato prima e dopo: il gas inizialmente è ricco di silicio e successivamente diventa ricco di carbonio.

• Crescita completata con materia prima da 0,5 mm
• Crescita completata con materia prima con metodo autopropagante da 1-2 mm
• Crescita completata con materia prima CVD da 4-10 mm

Come mostrato nel diagramma sopra, l'aumento della dimensione delle particelle della materia prima aiuta a sopprimere la volatilizzazione preferenziale del componente Si nella materia prima, rendendo più stabile la composizione della fase gassosa durante l'intero processo di crescita e risolvendo il problema della grafitizzazione della materia prima. Si prevede che i materiali CVD a particelle di grandi dimensioni, in particolare le materie prime di dimensioni superiori a 8 mm, risolvano completamente il problema della grafitizzazione, eliminando così il difetto di incapsulamento del carbonio nel substrato.

Conclusione e prospettiva

La materia prima SiC stechiometrica a particelle grandi, di elevata purezza, sintetizzata con il metodo CVD, con il suo basso rapporto intrinseco tra area superficiale e volume, fornisce una fonte di sublimazione altamente stabile e controllabile per la crescita del singolo cristallo SiC utilizzando il metodo PVT. Questo non è solo un cambiamento nella forma della materia prima, ma rimodella e ottimizza radicalmente anche l'ambiente termodinamico e cinetico del metodo PVT.

I vantaggi applicativi si traducono direttamente in:

• Maggiore qualità del singolo cristallo: creazione di una base materiale per la produzione di substrati a basso difetto adatti a dispositivi ad alta tensione e alta potenza come MOSFET e IGBT.
• Migliore economia di processo: miglioramento della stabilità del tasso di crescita, dell’utilizzo delle materie prime e della resa del processo, contribuendo a ridurre il costoso prezzo del substrato SiC e promuovendo l’adozione diffusa di applicazioni a valle.
• Dimensioni dei cristalli più grandi: le condizioni di processo stabili sono più favorevoli per l’industrializzazione di cristalli singoli SiC da 8 pollici e più grandi.