La solución al defecto de encapsulación de carbono en sustratos de carburo de silicio

Con la transición energética global, la revolución de la IA y la ola de tecnologías de la información de nueva generación, el carburo de silicio (SiC) ha avanzado rápidamente de ser un "material potencial" a un "material fundamental estratégico" debido a sus excepcionales propiedades físicas. Sus aplicaciones se están expandiendo a un ritmo sin precedentes, imponiendo exigencias casi extremas a la calidad y consistencia de los materiales del sustrato. Esto ha hecho que abordar defectos críticos como la "encapsulación de carbono" sea más urgente y necesario que nunca.

Aplicaciones de vanguardia que impulsan sustratos de SiC

1.Ecosistema de hardware de IA y los límites de la miniaturización:

• Tomando como ejemplo las gafas con IA
• Materiales de guía de ondas ópticas para gafas AR/VR.

La próxima generación de gafas de IA (dispositivos AR/VR) se esfuerza por lograr una sensación incomparable de inmersión e interacción en tiempo real. Esto significa que sus procesadores centrales internos (como los chips de inferencia de IA dedicados) deben procesar grandes cantidades de datos y manejar una importante disipación de calor dentro de un espacio miniaturizado extremadamente limitado. Los chips basados ​​en silicio enfrentan limitaciones físicas en este escenario.

Las guías de ondas ópticas AR/VR requieren un alto índice de refracción para reducir el volumen del dispositivo, transmisión de banda ancha para admitir pantallas a todo color, alta conductividad térmica para gestionar la disipación de calor de fuentes de luz de alta potencia y alta dureza y estabilidad para garantizar la durabilidad. También deben ser compatibles con tecnologías maduras de procesamiento micro/nanoóptico para la fabricación a gran escala.

Papel del SiC: Los módulos de potencia/RF GaN-on-SiC fabricados a partir de sustratos de SiC son clave para resolver esta contradicción. Pueden controlar pantallas en miniatura y sistemas de sensores con mayor eficiencia y, con una conductividad térmica varias veces mayor que la del silicio, disipar rápidamente el calor masivo generado por los chips, lo que garantiza un funcionamiento estable en un factor de forma delgado.

El carburo de silicio monocristalino (SiC) tiene un índice de refracción de aproximadamente 2,6 en el espectro de luz visible, con una transparencia excelente, lo que lo hace adecuado para diseños de guías de ondas ópticas altamente integradas. Basándose en sus propiedades de alto índice de refracción, una guía de ondas de difracción de SiC de una sola capa puede, en teoría, alcanzar un campo de visión (FOV) de alrededor de 70° y suprimir eficazmente los patrones del arco iris. Además, el SiC tiene una conductividad térmica extremadamente alta (aproximadamente 4,9 W/cm·K), lo que le permite disipar rápidamente el calor de fuentes ópticas y mecánicas, evitando la degradación del rendimiento óptico debido al aumento de temperatura. Además, la alta dureza y resistencia al desgaste del SiC mejoran significativamente la estabilidad estructural y la durabilidad a largo plazo de las lentes de guía de ondas. Las obleas de SiC se pueden utilizar para micro/nanoprocesamiento (como grabado y recubrimiento), lo que facilita la integración de estructuras microópticas.

Los peligros de la "encapsulación de carbono": si el sustrato de SiC contiene un defecto de "encapsulación de carbono", se convierte en un "aislante térmico" localizado y un "punto de falla eléctrica". No solo obstruye gravemente el flujo de calor, lo que provoca un sobrecalentamiento local del chip y una degradación del rendimiento, sino que también puede provocar microdescargas o corrientes de fuga, lo que podría provocar anomalías en la visualización, errores de cálculo o incluso fallas de hardware en las gafas de IA en condiciones de alta carga a largo plazo. Por lo tanto, un sustrato de SiC libre de defectos es la base física para lograr un hardware de IA portátil confiable y de alto rendimiento.

Los peligros de la "encapsulación de carbono": si el sustrato de SiC contiene un defecto de "encapsulación de carbono", reducirá la transmisión de luz visible a través del material y también puede provocar un sobrecalentamiento localizado de la guía de ondas, una degradación del rendimiento y una disminución o anomalía en el brillo de la pantalla.

2.La revolución en el empaquetado informático avanzado:

• Capas clave en la tecnología CoWoS de NVIDIA

En la carrera por la potencia informática de la IA liderada por NVIDIA, las tecnologías de empaquetado avanzadas como CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) se han vuelto fundamentales para integrar CPU, GPU y memoria HBM, lo que permite un crecimiento exponencial de la potencia informática. En este complejo sistema de integración heterogéneo, el intercalador desempeña un papel fundamental como columna vertebral para las interconexiones de alta velocidad y la gestión térmica.

Papel del SiC: en comparación con el silicio y el vidrio, el SiC se considera el material ideal para el intercalador de alto rendimiento de próxima generación debido a su conductividad térmica extremadamente alta, un coeficiente de expansión térmica que combina mejor con los chips y excelentes propiedades de aislamiento eléctrico. Los interposers de SiC pueden disipar de manera más eficiente el calor concentrado de múltiples núcleos informáticos y garantizar la integridad de la transmisión de señales de alta velocidad.

Los peligros de la "encapsulación de carbono": Debajo de las interconexiones a nivel nanométrico, un defecto de "encapsulación de carbono" a nivel de micras es como una "bomba de tiempo". Puede distorsionar los campos térmicos y de tensión locales, lo que provoca fatiga termomecánica y grietas en las capas metálicas de interconexión, lo que provoca retrasos en la señal, diafonía o fallas totales. En las tarjetas de aceleración de IA valoradas en cientos de miles de RMB, las fallas del sistema causadas por defectos materiales subyacentes son inaceptables. Garantizar la pureza absoluta y la perfección estructural del intercalador de SiC es la piedra angular para mantener la confiabilidad de todo el complejo sistema informático.

Conclusión: transición de "aceptable" a "perfecto e impecable". En el pasado, el carburo de silicio se utilizaba principalmente en los campos industrial y automovilístico, donde existía cierta tolerancia a los defectos. Sin embargo, cuando se trata del mundo de la miniaturización de las gafas de IA y los sistemas ultracomplejos y de valor ultra alto como CoWoS de NVIDIA, la tolerancia a los defectos de los materiales se ha reducido a cero. Cada defecto de "encapsulación de carbono" amenaza directamente los límites de rendimiento, la confiabilidad y el éxito comercial del producto final. Por lo tanto, superar los defectos del sustrato como la "encapsulación de carbono" ya no es solo una cuestión académica o de mejora de procesos, sino una batalla material crítica que respalda la revolución de la inteligencia artificial, la informática avanzada y la electrónica de consumo de próxima generación.

¿De dónde viene la envoltura de carbono?

Rost et al. propuso el "modelo de concentración", sugiriendo que los cambios en la proporción de sustancias en la fase gaseosa son la principal causa de la encapsulación de carbono. Li y col. descubrió que la grafitización de semillas puede inducir la encapsulación de carbono antes de que comience el crecimiento. Debido al escape de la atmósfera rica en silicio del crisol y a la interacción activa entre la atmósfera de silicio y el crisol de grafito y otros elementos de grafito, la grafitización de la fuente de carburo de silicio es inevitable. Por lo tanto, la presión parcial relativamente baja de Si en la cámara de crecimiento puede ser la causa principal de la encapsulación de carbono. Sin embargo, Avrov et al. argumentó que la encapsulación de carbono no es causada por una deficiencia de silicio. Por tanto, la fuerte corrosión de los elementos de grafito debido al exceso de silicio podría ser la principal causa de las inclusiones de carbono. La evidencia experimental directa en este artículo muestra que las partículas finas de carbono en la superficie de la fuente pueden conducirse hacia el frente de crecimiento de monocristales de carburo de silicio, formando encapsulaciones de carbono. Este resultado indica que la generación de finas partículas de carbono en la cámara de crecimiento es la causa principal de la encapsulación de carbono. La aparición de encapsulación de carbono en monocristales de carburo de silicio no se debe a la baja presión parcial de Si en la cámara de crecimiento, sino más bien a la formación de partículas de carbono débilmente conectadas debido a la grafitización de la fuente de carburo de silicio y la corrosión de los elementos de grafito.

La distribución de las inclusiones parece parecerse mucho al patrón de las placas de grafito en la superficie de la fuente. Las zonas libres de inclusiones en las obleas monocristalinas son circulares, con un diámetro de aproximadamente 3 mm, que se corresponde perfectamente con el diámetro de los agujeros circulares perforados. Esto sugiere que la encapsulación de carbono se origina en el área de la materia prima, lo que significa que la grafitización de la materia prima causa el defecto de encapsulación de carbono.

El crecimiento de cristales de carburo de silicio suele requerir entre 100 y 150 horas. A medida que avanza el crecimiento, la grafitización de la materia prima se vuelve más severa. Ante la demanda de cristales gruesos en crecimiento, abordar la grafitización de la materia prima se convierte en una cuestión clave.

Solución de envoltura de carbono

1.La teoría de la sublimación de materias primas en PVT

• Relación área superficial-volumen: en los sistemas químicos, la tasa de aumento del área superficial de una sustancia es mucho más lenta que la tasa de aumento de su volumen. Por lo tanto, cuanto mayor sea el tamaño de partícula, menor será la relación entre el área de superficie y el volumen (área de superficie/volumen).
• La evaporación ocurre en la superficie: solo los átomos o moléculas ubicados en la superficie de la partícula tienen la oportunidad de escapar a la fase gaseosa. Por lo tanto, la tasa y la cantidad total de evaporación están directamente relacionadas con el área de superficie expuesta por la partícula.
• Características de evaporación de partículas grandes: Relación superficie/volumen más pequeña. Menos moléculas/átomos en la superficie, lo que significa menos sitios superficiales disponibles para la evaporación. (Una partícula grande versus múltiples partículas pequeñas) Tasa de evaporación más lenta: Menos moléculas/átomos escapan de la superficie de la partícula por unidad de tiempo. Evaporación más uniforme (menos variación de especies): debido a la superficie relativamente pequeña, la difusión del material interno hacia la superficie requiere un camino más largo y más tiempo. La evaporación ocurre principalmente en la capa más externa.
• Materia prima de partículas pequeñas (relación entre área de superficie grande y volumen): "Sin quemar" (la evaporación/sublimación cambia drásticamente): las partículas pequeñas están casi completamente expuestas a altas temperaturas, lo que provoca una "gasificación" rápida: se subliman muy rápidamente y, en la etapa inicial, liberan principalmente los componentes que se subliman más fácilmente (generalmente gases ricos en silicio). Pronto, la superficie de las partículas pequeñas se vuelve rica en carbono (ya que el carbono es relativamente difícil de sublimar). Esto da como resultado una diferencia significativa en la composición del gas sublimado antes y después: el gas comienza siendo rico en silicio y luego se vuelve rico en carbono.

• Crecimiento completado con materia prima de 0,5 mm.
• Crecimiento completado con materia prima del método de autopropagación de 1-2 mm
• Crecimiento completado con materia prima CVD de 4-10 mm

Como se ve en el diagrama anterior, aumentar el tamaño de las partículas de la materia prima ayuda a suprimir la volatilización preferencial del componente Si en la materia prima, lo que hace que la composición de la fase gaseosa durante todo el proceso de crecimiento sea más estable y aborda el problema de la grafitización de la materia prima. Se espera que los materiales CVD de partículas grandes, especialmente las materias primas de más de 8 mm de tamaño, resuelvan completamente el problema de la grafitización, eliminando así el defecto de encapsulación de carbono en el sustrato.

Conclusión y perspectiva

La materia prima estequiométrica de SiC de partículas grandes y alta pureza sintetizada mediante el método CVD, con su inherente baja relación entre área superficial y volumen, proporciona una fuente de sublimación altamente estable y controlable para el crecimiento de monocristales de SiC utilizando el método PVT. Esto no es sólo un cambio en la forma de la materia prima, sino que también reforma y optimiza fundamentalmente el entorno termodinámico y cinético del método PVT.

Las ventajas de la aplicación se traducen directamente en:

• Mayor calidad del monocristal: establecimiento de una base material para producir sustratos con pocos defectos adecuados para dispositivos de alto voltaje y alta potencia, como MOSFET e IGBT.
• Mejor economía de procesos: mejorar la estabilidad de la tasa de crecimiento, la utilización de materias primas y el rendimiento del proceso, ayudando a reducir el costoso precio del sustrato de SiC y promoviendo la adopción generalizada de aplicaciones posteriores.
• Tamaño de cristal más grande: las condiciones de proceso estables son más favorables para la industrialización de monocristales de SiC de 8 pulgadas y más.