Кремний карбидті субстраттардағы көміртекті инкапсуляция ақауының шешімі

Жаһандық энергетикалық ауысумен, AI төңкерісімен және жаңа буын ақпараттық технологиялар толқынымен кремний карбиді (SiC) өзінің ерекше физикалық қасиеттерінің арқасында «әлеуетті материалдан» «стратегиялық негізгі материалға» жылдам дамыды. Оның қолдану аясы бұрын-соңды болмаған қарқынмен кеңейіп, субстрат материалдарының сапасы мен дәйектілігіне өте жоғары талаптар қояды. Бұл «көміртекті инкапсуляция» сияқты маңызды ақауларды жоюды бұрынғыдан да шұғыл және қажет етті.

SiC субстраттарын басқаратын шекаралық қолданбалар

1.AI аппараттық экожүйесі және миниатюризацияның шектері:

• Мысал ретінде AI көзілдірігін алайық
• AR/VR көзілдіріктеріне арналған оптикалық толқын өткізгіш материалдар.

AI көзілдіріктерінің келесі ұрпағы (AR/VR құрылғылары) теңдесі жоқ батыруға және нақты уақыттағы өзара әрекеттесуге ұмтылады. Бұл олардың ішкі ядролық процессорлары (мысалы, арнайы AI шығару чиптері) деректердің үлкен көлемін өңдеуі және өте шектеулі миниатюралық кеңістікте айтарлықтай жылу диссипациясын өңдеуі керек дегенді білдіреді. Бұл сценарийде кремний негізіндегі чиптер физикалық шектеулерге тап болады.

AR/VR оптикалық толқын өткізгіштері құрылғының көлемін азайту үшін жоғары сыну көрсеткішін, толық түсті дисплейлерді қолдау үшін кең жолақты беруді, жоғары қуатты жарық көздерінен жылудың таралуын басқару үшін жоғары жылу өткізгіштігін және ұзақ мерзімді қамтамасыз ету үшін жоғары қаттылық пен тұрақтылықты қажет етеді. Олар сонымен қатар кең ауқымды өндіріске арналған жетілген микро/нано-оптикалық өңдеу технологияларымен үйлесімді болуы керек.

SiC рөлі: SiC субстраттарынан жасалған GaN-on-SiC RF/қуат модульдері осы қайшылықты шешудің кілті болып табылады. Олар миниатюралық дисплейлер мен сенсорлық жүйелерді жоғары тиімділікпен басқара алады және жылу өткізгіштігі кремнийден бірнеше есе жоғары, микросхемалар тудыратын массивті жылуды жылдам таратады, жұқа пішін факторында тұрақты жұмысты қамтамасыз етеді.

Бір кристалды кремний карбиді (SiC) көрінетін жарық спектрінде шамамен 2,6 сыну көрсеткішіне ие, тамаша мөлдірлігімен оны жоғары интеграцияланған оптикалық толқын өткізгіш конструкциялары үшін қолайлы етеді. Жоғары сыну көрсеткішінің қасиеттеріне сүйене отырып, бір қабатты SiC дифракциялық толқын өткізгіш теориялық тұрғыдан шамамен 70° көру өрісіне (FOV) қол жеткізе алады және кемпірқосақ үлгілерін тиімді басады. Сонымен қатар, SiC өте жоғары жылу өткізгіштікке (шамамен 4,9 Вт/см·К) ие, ол оптикалық және механикалық көздерден жылуды жылдам таратуға мүмкіндік береді, бұл температураның көтерілуінен оптикалық өнімділіктің төмендеуіне жол бермейді. Сонымен қатар, SiC жоғары қаттылығы мен тозуға төзімділігі толқын өткізгіш линзалардың құрылымдық тұрақтылығын және ұзақ мерзімділігін айтарлықтай арттырады. SiC пластиналары микро-оптикалық құрылымдарды біріктіруді жеңілдете отырып, микро/нано өңдеу үшін (мысалы, ою және жабу сияқты) пайдаланылуы мүмкін.

«Көміртекті инкапсуляцияның» қауіптері: SiC субстратында «көміртекті инкапсуляция» ақауы болса, ол локализацияланған «жылу изоляторына» және «электр ақауы нүктесіне» айналады. Ол чиптің жергілікті қызып кетуіне және өнімділіктің төмендеуіне әкелетін жылу ағынына қатты кедергі келтіріп қана қоймайды, сонымен қатар ұзақ мерзімді жоғары жүктеме жағдайында AI көзілдірігінде дисплей аномалияларына, есептеу қателеріне немесе тіпті аппараттық құралдың істен шығуына әкелуі мүмкін микроразрядтарды немесе ағып кету ағындарын тудыруы мүмкін. Сондықтан ақаусыз SiC субстраты сенімді, өнімділігі жоғары киілетін AI аппараттық құралына қол жеткізудің физикалық негізі болып табылады.

«Көміртекті инкапсуляцияның» қауіптері: SiC субстратында «көміртекті инкапсуляция» ақауы болса, ол материал арқылы көрінетін жарықтың өтуін азайтады, сонымен қатар толқын өткізгіштің локализацияланған қызып кетуіне, өнімділіктің төмендеуіне және дисплей жарықтығының төмендеуіне немесе ауытқуына әкелуі мүмкін.

2. Жетілдірілген есептеуіш қаптамадағы революция:

• NVIDIA CoWoS технологиясының негізгі қабаттары

NVIDIA басқаратын AI есептеу қуаты жарысында CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) сияқты озық орау технологиялары процессорларды, графикалық процессорларды және HBM жадын біріктіру үшін орталыққа айналды, бұл есептеу қуатының экспоненциалды өсуіне мүмкіндік береді. Бұл күрделі гетерогенді интеграциялық жүйеде интерпозер жоғары жылдамдықты қосылыстар мен жылуды басқару үшін тірек ретінде маңызды рөл атқарады.

SiC рөлі: кремний мен шынымен салыстырғанда SiC өте жоғары жылу өткізгіштікке, чиптерге жақсы сәйкес келетін жылу кеңею коэффициентіне және тамаша электр оқшаулау қасиеттеріне байланысты келесі ұрпақтың жоғары өнімді интерппозиторы үшін тамаша материал болып саналады. SiC интерпозерлері бірнеше есептеуіш ядролардан шоғырланған жылуды тиімдірек таратады және жоғары жылдамдықты сигнал берудің тұтастығын қамтамасыз етеді.

«Көміртекті инкапсуляцияның» қауіптері: Нанометрлік деңгейдегі өзара қосылымдардың астында микрон деңгейіндегі «көміртекті инкапсуляция» ақауы «уақыт бомбасына» ұқсайды. Ол жергілікті термиялық және кернеу өрістерін бұрмалап, термомеханикалық шаршауға және өзара байланысты металл қабаттарындағы жарықшақтарға әкеліп, сигналдың кідірістерін, айқаспалы сөйлесуді немесе толық істен шығуды тудыруы мүмкін. Жүздеген мың юань тұратын AI жеделдету карталарында негізгі материалдық ақаулардан туындаған жүйе ақауларына жол берілмейді. SiC интерпозерінің абсолютті тазалығы мен құрылымдық жетілдірілуін қамтамасыз ету бүкіл күрделі есептеу жүйесінің сенімділігін сақтаудың негізі болып табылады.

Қорытынды: «қолайлыдан» «мінсіз және мінсізге» өту. Бұрын кремний карбиді негізінен ақауларға төзімділік бар өнеркәсіптік және автомобильдік салаларда қолданылған. Дегенмен, AI көзілдіріктерінің және NVIDIA CoWoS сияқты ультра күрделі жүйелердің миниатюризация әлеміне келетін болсақ, материалдық ақауларға төзімділік нөлге дейін төмендеді. Әрбір «көміртекті инкапсуляция» ақауы соңғы өнімнің өнімділік шегіне, сенімділігіне және коммерциялық табысына тікелей қауіп төндіреді. Сондықтан, «көміртекті инкапсуляция» сияқты субстрат ақауларын жою енді тек академиялық немесе процесті жақсарту мәселесі емес, жаңа буын жасанды интеллект, жетілдірілген есептеулер және тұтынушылық электроника революциясын қолдайтын маңызды материалдық шайқас.

Көміртекті орау қайдан келеді

Рост және т.б. газ фазасындағы заттардың қатынасының өзгеруі көміртегі инкапсуляциясының негізгі себебі болып табылатынын болжайтын «концентрация моделін» ұсынды. Ли және т.б. тұқымның графиттенуі өсу басталғанға дейін көміртегі инкапсуляциясын тудыруы мүмкін екенін анықтады. Кремнийге бай атмосфераның тигельден шығуына және кремний атмосферасы мен графит тигелі және басқа графит элементтері арасындағы белсенді әрекеттесуіне байланысты кремний карбиді көзінің графиттенуі сөзсіз. Сондықтан өсу камерасындағы салыстырмалы төмен Si парциалды қысымы көміртегі инкапсуляциясының негізгі себебі болуы мүмкін. Дегенмен, Авров және т.б. көміртегі инкапсуляциясы кремний тапшылығынан туындамайды деп дәлелдеді. Осылайша, артық кремнийге байланысты графит элементтерінің күшті коррозиясы көміртегі қосындыларының негізгі себебі болуы мүмкін. Бұл қағаздағы тікелей тәжірибелік дәлелдер бастапқы бетіндегі ұсақ көміртекті бөлшектердің көміртекті инкапсуляцияларды құра отырып, кремний карбидінің монокристалдарының өсу фронтына айдалуы мүмкін екенін көрсетеді. Бұл нәтиже өсу камерасында ұсақ көміртекті бөлшектердің пайда болуы көміртегі инкапсуляциясының негізгі себебі болып табылатынын көрсетеді. Кремний карбидінің монокристалдарындағы көміртекті инкапсуляцияның пайда болуы өсу камерасындағы Si парциалды қысымының төмен болуынан емес, кремний карбиді көзінің графиттенуі және графит элементтерінің коррозиясына байланысты әлсіз байланысқан көміртек бөлшектерінің түзілуі.

Қосылымдардың таралуы бастапқы бетіндегі графит пластиналарының үлгісіне өте ұқсас сияқты. Монокристалды пластиналардағы инклюзиясыз аймақтар дөңгелек пішінді, диаметрі шамамен 3 мм, бұл перфорацияланған дөңгелек тесіктердің диаметріне тамаша сәйкес келеді. Бұл көміртекті инкапсуляцияның шикізат аймағынан туындайтынын көрсетеді, яғни шикізаттың графиттенуі көміртегі инкапсуляциясының ақауын тудырады.

Кремний карбиді кристалының өсуі әдетте 100-150 сағатты қажет етеді. Өсіп келе жатқанда, шикізаттың графиттенуі күшейе түседі. Қалың кристалдардың өсіп келе жатқан сұранысы жағдайында шикізатты графиттеу мәселесін шешу басты мәселеге айналады.

Көміртекті орау ерітіндісі

1. ПВТ-дағы шикізаттың сублимация теориясы

• Беттік ауданның көлемге қатынасы: Химиялық жүйелерде заттың бетінің ұлғаю жылдамдығы оның көлемінің ұлғаю жылдамдығынан әлдеқайда баяу. Демек, бөлшектердің өлшемі неғұрлым үлкен болса, беттің көлеміне қатынасы соғұрлым аз болады (бетінің ауданы/көлемі).
• Булану бетінде болады: тек бөлшектердің бетінде орналасқан атомдар немесе молекулалар газ фазасына өту мүмкіндігіне ие. Демек, буланудың жылдамдығы мен жалпы мөлшері бөлшек әсер ететін бетінің ауданына тікелей байланысты.
• Үлкен бөлшектердің булану сипаттамалары: бетінің ауданы/көлемдік қатынасы кішірек. Беттік молекулалар/атомдар аз, бұл булану үшін қол жетімді беттік орындардың аздығын білдіреді. (Үлкен бөлшек және бірнеше ұсақ бөлшектер) Баяу булану жылдамдығы: уақыт бірлігінде бөлшектердің бетінен азырақ молекулалар/атомдар шығады. Біркелкі булану (түрлердің аз өзгеруі): салыстырмалы түрде кішігірім бетке байланысты ішкі материалдың бетіне диффузиясы ұзағырақ жолды және көп уақытты қажет етеді. Булану негізінен ең сыртқы қабатта жүреді.
• Шағын бөлшектер шикізаты (Үлкен бетінің көлеміне қатынасы): «Жанбаған» (Булану/сублимация күрт өзгереді): Кішкентай бөлшектер тез «газдануды» тудыратын жоғары температураға толықтай дерлік әсер етеді: Олар өте тез сублимацияланады және бастапқы кезеңде, ең алдымен, ең оңай сублимацияланатын құрамдастарды (usus-байыған газдар) шығарады. Көп ұзамай ұсақ бөлшектердің беті көміртегіге бай болады (себебі көміртекті сублимациялау салыстырмалы түрде қиын). Бұл сублимацияланған газдың құрамындағы айтарлықтай айырмашылыққа дейін және одан кейін - газ кремнийге бай басталады және кейінірек көміртегіге бай болады.

• Өсім 0,5 мм шикізатпен аяқталды
• Өсу 1-2мм өздігінен таралатын әдіс шикізатымен аяқталды
• Өсу 4-10 мм CVD шикізатымен аяқталды

Жоғарыда келтірілген диаграммадан көрініп тұрғандай, шикізаттың бөлшектерінің мөлшерін ұлғайту шикізаттағы Si компонентінің артықшылықты ұшпалануын басуға көмектеседі, бүкіл өсу процесі кезінде газ фазасының құрамын тұрақты етеді және шикізаттың графиттену мәселесін шешеді. Ірі бөлшектердің CVD материалдары, әсіресе өлшемі 8 мм-ден асатын шикізат, графитизация мәселесін толығымен шешеді, осылайша субстраттағы көміртекті инкапсуляция ақауын жояды.

Қорытынды және перспектива

CVD әдісімен синтезделген ірі бөлшектерді, жоғары тазалықты, стехиометриялық SiC шикізаты, оның тән төмен бетінің көлеміне қатынасы бар, PVT әдісі арқылы SiC монокристалының өсуі үшін жоғары тұрақты және басқарылатын сублимация көзін қамтамасыз етеді. Бұл шикізат түрінің өзгеруі ғана емес, сонымен қатар PVT әдісінің термодинамикалық және кинетикалық ортасын түбегейлі өзгертеді және оңтайландырады.

Қолданбаның артықшылықтары тікелей мыналарға аударылады:

• Жоғары монокристалды сапа: MOSFET және IGBT сияқты жоғары вольтты, жоғары қуатты құрылғыларға жарамды төмен ақаулы субстраттарды өндіру үшін материалдық негіз құру.
• Үздік процестің үнемділігі: өсу қарқынының тұрақтылығын, шикізатты пайдалануды және процестің шығымдылығын жақсарту, SiC субстратының қымбат бағасын төмендетуге көмектесу және төменгі ағынды қосымшаларды кеңінен қолдануды ынталандыру.
• Үлкенірек кристалл өлшемі: Тұрақты процесс шарттары 8 дюймдік және одан үлкен SiC монокристалдарын индустрияландыру үшін қолайлырақ.