A solução para o defeito de encapsulamento de carbono em substratos de carboneto de silício

Com a transição energética global, a revolução da IA ​​e a onda de tecnologias de informação de nova geração, o carboneto de silício (SiC) avançou rapidamente de um “material potencial” para um “material fundamental estratégico” devido às suas propriedades físicas excepcionais. Suas aplicações estão se expandindo a um ritmo sem precedentes, colocando exigências quase extremas na qualidade e consistência dos materiais de substrato. Isto tornou a resolução de defeitos críticos, como o “encapsulamento de carbono”, mais urgente e necessária do que nunca.

Aplicações de fronteira conduzindo substratos de SiC

1. Ecossistema de hardware AI e os limites da miniaturização:

• Tomando os óculos AI como exemplo
• Materiais de guia de onda óptico para óculos AR/VR.

A próxima geração de óculos de IA (dispositivos AR/VR) busca uma sensação incomparável de imersão e interação em tempo real. Isso significa que seus processadores centrais internos (como chips de inferência de IA dedicados) devem processar grandes quantidades de dados e lidar com uma dissipação de calor significativa em um espaço miniaturizado extremamente limitado. Os chips baseados em silício enfrentam limitações físicas neste cenário.

Os guias de onda ópticos AR/VR exigem um alto índice de refração para reduzir o volume do dispositivo, transmissão de banda larga para suportar telas coloridas, alta condutividade térmica para gerenciar a dissipação de calor de fontes de luz de alta potência e alta dureza e estabilidade para garantir durabilidade. Eles também devem ser compatíveis com tecnologias maduras de processamento micro/nanoóptico para fabricação em grande escala.

Papel do SiC: Módulos de RF/potência GaN-on-SiC feitos de substratos de SiC são fundamentais para resolver esta contradição. Eles podem acionar monitores em miniatura e sistemas de sensores com maior eficiência e, com condutividade térmica várias vezes maior que a do silício, dissipar rapidamente o enorme calor gerado pelos chips, garantindo uma operação estável em um formato fino.

O carboneto de silício monocristalino (SiC) possui um índice de refração de cerca de 2,6 no espectro de luz visível, com excelente transparência, tornando-o adequado para projetos de guias de onda ópticos de alta integração. Com base em suas propriedades de alto índice de refração, um guia de ondas de difração de SiC de camada única pode, teoricamente, atingir um campo de visão (FOV) de cerca de 70° e suprimir efetivamente os padrões de arco-íris. Além disso, o SiC possui condutividade térmica extremamente alta (cerca de 4,9 W/cm·K), permitindo dissipar rapidamente o calor de fontes ópticas e mecânicas, evitando a degradação do desempenho óptico devido ao aumento da temperatura. Além disso, a alta dureza e resistência ao desgaste do SiC melhoram significativamente a estabilidade estrutural e a durabilidade a longo prazo das lentes do guia de ondas. Os wafers de SiC podem ser usados ​​para processamento micro/nano (como gravação e revestimento), facilitando a integração de estruturas micro-ópticas.

Os perigos do “encapsulamento de carbono”: Se o substrato de SiC contiver um defeito de “encapsulamento de carbono”, ele se tornará um “isolante térmico” localizado e um “ponto de falha elétrica”. Isso não apenas obstrui gravemente o fluxo de calor, levando ao superaquecimento local do chip e à degradação do desempenho, mas também pode causar microdescargas ou correntes de fuga, potencialmente levando a anomalias de exibição, erros de cálculo ou até mesmo falhas de hardware em óculos de IA sob condições de alta carga de longo prazo. Portanto, um substrato de SiC livre de defeitos é a base física para obter hardware de IA vestível confiável e de alto desempenho.

Os perigos do "encapsulamento de carbono": Se o substrato de SiC contiver um defeito de "encapsulamento de carbono", isso reduzirá a transmissão da luz visível através do material e também poderá levar ao superaquecimento localizado do guia de ondas, degradação do desempenho e diminuição ou anormalidade no brilho da tela.

2.A Revolução nas Embalagens de Computação Avançada:

• Principais camadas da tecnologia CoWoS da NVIDIA

Na corrida pelo poder de computação de IA liderada pela NVIDIA, tecnologias de empacotamento avançadas como CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) tornaram-se fundamentais para a integração de CPUs, GPUs e memória HBM, permitindo um crescimento exponencial no poder de computação. Neste complexo sistema de integração heterogêneo, o intermediário desempenha um papel crítico como espinha dorsal para interconexões de alta velocidade e gerenciamento térmico.

Papel do SiC: Comparado ao silício e ao vidro, o SiC é considerado o material ideal para o interposer de alto desempenho da próxima geração devido à sua condutividade térmica extremamente alta, um coeficiente de expansão térmica que combina melhor com chips e excelentes propriedades de isolamento elétrico. Os interpositores de SiC podem dissipar com mais eficiência o calor concentrado de vários núcleos de computação e garantir a integridade da transmissão de sinal de alta velocidade.

Os perigos do “encapsulamento de carbono”: Abaixo das interconexões em nível nanométrico, um defeito de “encapsulamento de carbono” em nível de mícron é como uma “bomba-relógio”. Ele pode distorcer os campos térmicos e de tensão locais, levando à fadiga termomecânica e rachaduras nas camadas metálicas interconectadas, causando atrasos de sinal, diafonia ou falha completa. Em cartões de aceleração de IA no valor de centenas de milhares de RMB, falhas de sistema causadas por defeitos materiais subjacentes são inaceitáveis. Garantir a pureza absoluta e a perfeição estrutural do interpositor SiC é a base para manter a confiabilidade de todo o complexo sistema de computação.

Conclusão: Transição de “aceitável” para “perfeito e sem falhas”. No passado, o carboneto de silício era usado principalmente nas áreas industrial e automotiva, onde existia alguma tolerância a defeitos. No entanto, quando se trata do mundo da miniaturização de óculos de IA e de sistemas ultracomplexos e de altíssimo valor, como o CoWoS da NVIDIA, a tolerância a defeitos de material caiu para zero. Cada defeito de “encapsulamento de carbono” ameaça diretamente os limites de desempenho, confiabilidade e sucesso comercial do produto final. Portanto, superar defeitos de substrato como o “encapsulamento de carbono” não é mais apenas uma questão acadêmica ou de melhoria de processos, mas uma batalha material crítica que apoia a revolução da próxima geração em inteligência artificial, computação avançada e eletrônicos de consumo.

De onde vem o envoltório de carbono

Rost et al. propuseram o "modelo de concentração", sugerindo que mudanças na proporção de substâncias na fase gasosa são a principal causa do encapsulamento de carbono. Li et al. descobriram que a grafitização de sementes pode induzir o encapsulamento de carbono antes do início do crescimento. Devido ao escape da atmosfera rica em silício do cadinho e à interação ativa entre a atmosfera de silício e o cadinho de grafite e outros elementos de grafite, a grafitização da fonte de carboneto de silício é inevitável. Portanto, a pressão parcial de Si relativamente baixa na câmara de crescimento pode ser a principal causa do encapsulamento de carbono. No entanto, Avrov et al. argumentou que o encapsulamento de carbono não é causado pela deficiência de silício. Assim, a forte corrosão dos elementos de grafite devido ao excesso de silício pode ser a principal causa das inclusões de carbono. Evidências experimentais diretas neste artigo mostram que partículas finas de carbono na superfície da fonte podem ser direcionadas para a frente de crescimento dos monocristais de carboneto de silício, formando encapsulamentos de carbono. Este resultado indica que a geração de partículas finas de carbono na câmara de crescimento é a principal causa do encapsulamento de carbono. O aparecimento de encapsulamento de carbono em monocristais de carboneto de silício não se deve à baixa pressão parcial de Si na câmara de crescimento, mas sim à formação de partículas de carbono fracamente conectadas devido à grafitização da fonte de carboneto de silício e à corrosão dos elementos de grafite.

A distribuição das inclusões parece assemelhar-se muito ao padrão das placas de grafite na superfície da fonte. As zonas livres de inclusão nas bolachas monocristalinas são circulares, com um diâmetro de cerca de 3 mm, o que corresponde perfeitamente ao diâmetro dos furos circulares perfurados. Isto sugere que o encapsulamento do carbono tem origem na área da matéria-prima, ou seja, a grafitização da matéria-prima causa o defeito do encapsulamento do carbono.

O crescimento de cristais de carboneto de silício normalmente requer 100-150 horas. À medida que o crescimento avança, a grafitização da matéria-prima torna-se mais severa. Sob a demanda pelo cultivo de cristais espessos, abordar a grafitização da matéria-prima torna-se uma questão fundamental.

Solução de embalagem de carbono

1.A Teoria da Sublimação de Matérias-Primas em PVT

• Relação entre área de superfície e volume: Em sistemas químicos, a taxa de aumento na área de superfície de uma substância é muito mais lenta do que a taxa de aumento em seu volume. Portanto, quanto maior o tamanho da partícula, menor será a relação entre área superficial e volume (área superficial/volume).
• A evaporação ocorre na superfície: Somente átomos ou moléculas localizados na superfície da partícula têm a oportunidade de escapar para a fase gasosa. Portanto, a taxa e a quantidade total de evaporação estão diretamente relacionadas à área superficial exposta pela partícula.
• Características de evaporação de partículas grandes: Relação área superficial/volume menor. Menos moléculas/átomos de superfície, o que significa menos locais de superfície disponíveis para evaporação. (Uma partícula grande versus múltiplas partículas pequenas) Taxa de evaporação mais lenta: Menos moléculas/átomos escapam da superfície da partícula por unidade de tempo. Evaporação mais uniforme (menos variação nas espécies): Devido à superfície relativamente pequena, a difusão do material interno para a superfície requer um caminho mais longo e mais tempo. A evaporação ocorre principalmente na camada mais externa.
• Matéria-prima de partículas pequenas (grande proporção entre área de superfície e volume): "Não queimada" (evaporação/sublimação muda dramaticamente): Partículas pequenas são quase inteiramente expostas a altas temperaturas, causando rápida "gaseificação": Elas sublimam muito rapidamente e, no estágio inicial, liberam principalmente os componentes mais facilmente sublimados (geralmente gases ricos em silício). Logo, a superfície das pequenas partículas torna-se rica em carbono (já que o carbono é relativamente difícil de sublimar). Isto resulta numa diferença significativa na composição do gás sublimado antes e depois – o gás começa rico em silício e mais tarde torna-se rico em carbono.

• Crescimento concluído com matéria-prima de 0,5mm
• Crescimento concluído com matéria-prima de método de autopropagação de 1-2 mm
• Crescimento concluído com matéria-prima CVD de 4-10 mm

Como visto no diagrama acima, aumentar o tamanho das partículas da matéria-prima ajuda a suprimir a volatilização preferencial do componente Si na matéria-prima, tornando a composição da fase gasosa mais estável durante todo o processo de crescimento e resolvendo o problema de grafitização da matéria-prima. Espera-se que materiais CVD de partículas grandes, especialmente matérias-primas com tamanho superior a 8 mm, resolvam completamente o problema de grafitização, eliminando assim o defeito de encapsulamento de carbono no substrato.

Conclusão e perspectiva

A matéria-prima de SiC estequiométrica de partículas grandes e de alta pureza sintetizada pelo método CVD, com sua baixa relação entre área superficial e volume inerente, fornece uma fonte de sublimação altamente estável e controlável para o crescimento de cristal único de SiC usando o método PVT. Isto não é apenas uma mudança na forma da matéria-prima, mas também remodela e otimiza fundamentalmente o ambiente termodinâmico e cinético do método PVT.

As vantagens da aplicação traduzem-se diretamente em:

• Maior qualidade de cristal único: Estabelecendo uma base material para a produção de substratos com baixo defeito, adequados para dispositivos de alta tensão e alta potência, como MOSFETs e IGBTs.
• Melhor economia de processo: Melhorando a estabilidade da taxa de crescimento, a utilização de matérias-primas e o rendimento do processo, ajudando a reduzir o caro preço do substrato SiC e promovendo a adoção generalizada de aplicações downstream.
• Tamanho de cristal maior: Condições de processo estáveis ​​são mais favoráveis ​​para a industrialização de monocristais de SiC de 8 polegadas e maiores.