Silikon Karbid Substratlarda Karbon Kapsülləmə Qüsurunun Həlli

Qlobal enerji keçidi, süni intellekt inqilabı və yeni nəsil informasiya texnologiyaları dalğası ilə silisium karbid (SiC) müstəsna fiziki xüsusiyyətlərinə görə “potensial material” olmaqdan “strateji əsas material”a sürətlə irəliləmişdir. Onun tətbiqləri görünməmiş sürətlə genişlənir, substrat materiallarının keyfiyyətinə və ardıcıllığına demək olar ki, həddindən artıq tələblər qoyur. Bu, "karbon kapsulası" kimi kritik qüsurların aradan qaldırılmasını əvvəlkindən daha təcili və zəruri etdi.

SiC Substratlarını idarə edən Sərhəd Tətbiqləri

1.AI Aparat Ekosistemi və Miniatürləşdirmənin Sərhədləri:

• Nümunə olaraq AI eynəklərini götürək
• AR/VR eynəkləri üçün optik dalğa ötürücü materialları.

Növbəti nəsil süni intellekt eynəkləri (AR/VR cihazları) misilsiz daldırma hissi və real vaxt qarşılıqlı əlaqə üçün çalışır. Bu o deməkdir ki, onların daxili nüvə prosessorları (məsələn, xüsusi AI nəticə çıxarma çipləri) böyük həcmdə məlumatları emal etməli və son dərəcə məhdud miniatürləşdirilmiş məkanda əhəmiyyətli istilik yayılmasını idarə etməlidir. Silikon əsaslı çiplər bu ssenaridə fiziki məhdudiyyətlərlə üzləşirlər.

AR/VR optik dalğa qurğuları cihazın həcmini azaltmaq üçün yüksək sındırma indeksi, tam rəngli displeyləri dəstəkləmək üçün geniş zolaqlı ötürmə, yüksək güclü işıq mənbələrindən istilik yayılmasını idarə etmək üçün yüksək istilik keçiriciliyi və davamlılığı təmin etmək üçün yüksək sərtlik və sabitlik tələb edir. Onlar həmçinin irimiqyaslı istehsal üçün yetkin mikro/nano-optik emal texnologiyaları ilə uyğun olmalıdır.

SiC-nin rolu: SiC substratlarından hazırlanmış GaN-on-SiC RF/güc modulları bu ziddiyyəti həll etmək üçün açardır. Onlar miniatür displeyləri və sensor sistemləri daha yüksək səmərəliliklə idarə edə bilir və istilik keçiriciliyi silikondan bir neçə dəfə yüksək olmaqla, çiplərin yaratdığı kütləvi istiliyi tez bir zamanda yayaraq nazik forma faktorunda stabil işləməyi təmin edir.

Tək kristal silisium karbid (SiC) görünən işıq spektrində təxminən 2,6 sınma indeksinə malikdir və əla şəffaflığa malikdir və onu yüksək inteqrasiya olunmuş optik dalğa ötürücü dizaynları üçün uyğun edir. Yüksək sındırma indeksi xüsusiyyətlərinə əsaslanaraq, bir qatlı SiC difraksiya dalğa bələdçisi nəzəri olaraq təxminən 70° baxış sahəsinə (FOV) nail ola bilər və göy qurşağı naxışlarını effektiv şəkildə boğur. Üstəlik, SiC son dərəcə yüksək istilik keçiriciliyinə (təxminən 4,9 Vt/sm·K) malikdir və bu ona optik və mexaniki mənbələrdən istiliyi sürətlə yaymağa imkan verir, temperaturun artması səbəbindən optik performansın pozulmasının qarşısını alır. Bundan əlavə, SiC-nin yüksək sərtliyi və aşınma müqaviməti dalğa ötürücü linzaların struktur sabitliyini və uzunmüddətli dayanıqlığını əhəmiyyətli dərəcədə artırır. SiC vafliləri mikro-optik strukturların inteqrasiyasını asanlaşdıraraq, mikro/nano emal (məsələn, aşındırma və örtük kimi) üçün istifadə oluna bilər.

"Karbon kapsulyasiyası"nın təhlükələri: SiC substratında "karbon kapsulyasiyası" qüsuru varsa, o, lokallaşdırılmış "istilik izolyatoru" və "elektrik nasazlığı nöqtəsi" olur. O, nəinki istilik axınına ciddi şəkildə mane olur, bu da çipin yerli həddən artıq istiləşməsinə və performansın pisləşməsinə gətirib çıxarır, həm də mikro boşalmalara və ya sızma cərəyanlarına səbəb ola bilər ki, bu da potensial olaraq uzunmüddətli yüksək yük şəraitində AI eynəklərində ekran anomaliyalarına, hesablama səhvlərinə və ya hətta aparat çatışmazlığına səbəb ola bilər. Buna görə də, qüsursuz SiC substratı etibarlı, yüksək performanslı daşına bilən AI aparatına nail olmaq üçün fiziki əsasdır.

"Karbon kapsulyasiyası"nın təhlükələri: SiC substratında "karbon kapsulyasiyası" qüsuru varsa, bu, material vasitəsilə görünən işığın ötürülməsini azaldacaq və həmçinin dalğa ötürücüsünün lokal həddən artıq istiləşməsinə, performansın azalmasına və ekran parlaqlığının azalmasına və ya anormallığına səbəb ola bilər.

2. Qabaqcıl hesablama qablaşdırmasında inqilab:

• NVIDIA-nın CoWoS Texnologiyasının əsas təbəqələri

NVIDIA-nın rəhbərlik etdiyi süni intellekt hesablama gücü yarışında CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) kimi qabaqcıl qablaşdırma texnologiyaları CPU, GPU və HBM yaddaşını inteqrasiya etmək üçün mərkəzi oldu və hesablama gücündə eksponensial artıma imkan verdi. Bu mürəkkəb heterojen inteqrasiya sistemində interposer yüksək sürətli interconnects və istilik idarəçiliyi üçün əsas kimi mühüm rol oynayır.

SiC-nin rolu: Silikon və şüşə ilə müqayisədə, SiC son dərəcə yüksək istilik keçiriciliyi, çiplərlə daha yaxşı uyğunlaşan istilik genişlənmə əmsalı və əla elektrik izolyasiya xüsusiyyətlərinə görə yeni nəsil yüksək performanslı interpozer üçün ideal material hesab olunur. SiC interpozerləri çoxlu hesablama nüvələrindən konsentrasiya edilmiş istiliyi daha səmərəli şəkildə dağıta və yüksək sürətli siqnal ötürülməsinin bütövlüyünü təmin edə bilər.

"Karbon kapsulyasiyasının" təhlükələri: Nanometr səviyyəli qarşılıqlı əlaqənin altında mikron səviyyəli "karbon kapsülləmə" qüsuru "saatlı bomba" kimidir. O, yerli istilik və gərginlik sahələrini təhrif edə bilər ki, bu da termomekanik yorğunluğa və bir-birinə bağlanan metal təbəqələrdə çatlamaya səbəb olur, siqnal gecikmələrinə, çarpışmaya və ya tam uğursuzluğa səbəb olur. Yüz minlərlə RMB dəyərində süni intellekt sürətləndirmə kartlarında əsas maddi qüsurların səbəb olduğu sistem uğursuzluqları qəbuledilməzdir. SiC interposerinin mütləq saflığının və struktur mükəmməlliyinin təmin edilməsi bütün kompleks hesablama sisteminin etibarlılığının qorunmasının təməl daşıdır.

Nəticə: "məqbul"dan "mükəmməl və qüsursuz"a keçid. Keçmişdə silisium karbid əsasən qüsurlara qarşı bəzi dözümlülüyün mövcud olduğu sənaye və avtomobil sahələrində istifadə olunurdu. Bununla belə, söhbət süni intellekt eynəklərinin və NVIDIA-nın CoWoS kimi ultra yüksək dəyərli, ultra mürəkkəb sistemlərin miniatürləşdirmə dünyasına gəldikdə, maddi qüsurlara qarşı dözümlülük sıfıra enib. Hər bir "karbon kapsülləmə" qüsuru son məhsulun performans məhdudiyyətlərini, etibarlılığını və kommersiya uğurunu birbaşa təhdid edir. Buna görə də, "karbon kapsulyasiyası" kimi substrat qüsurlarının aradan qaldırılması artıq yalnız akademik və ya prosesin təkmilləşdirilməsi məsələsi deyil, yeni nəsil süni intellekt, qabaqcıl hesablama və istehlakçı elektronikası inqilabını dəstəkləyən kritik maddi döyüşdür.

Karbon qablaşdırma haradan gəlir

Rost və başqaları. qaz fazasında maddələrin nisbətindəki dəyişikliklərin karbon kapsüllənməsinin əsas səbəbi olduğunu irəli sürən "konsentrasiya modeli" təklif etdi. Li və başqaları. toxumların qrafitləşməsinin böyümə başlamazdan əvvəl karbon kapsüllənməsinə səbəb ola biləcəyini müəyyən etdi. Silisiumla zəngin atmosferin tigedən qaçması və silisium atmosferi ilə qrafit tige və digər qrafit elementləri arasında aktiv qarşılıqlı təsir nəticəsində silisium karbid mənbəyinin qrafitləşməsi qaçılmazdır. Buna görə də, böyümə kamerasında nisbətən aşağı Si qismən təzyiq karbon kapsullaşmasının əsas səbəbi ola bilər. Bununla belə, Avrov və b. karbon enkapsulyasiyasının silikon çatışmazlığından qaynaqlanmadığını müdafiə etdi. Beləliklə, artıq silisium səbəbindən qrafit elementlərinin güclü korroziyası karbon daxilolmalarının əsas səbəbi ola bilər. Bu yazıda birbaşa eksperimental sübutlar göstərir ki, mənbə səthindəki incə karbon hissəcikləri karbon kapsulları əmələ gətirərək, silisium karbid monokristallarının böyümə cəbhəsinə sürülə bilər. Bu nəticə göstərir ki, böyümə kamerasında incə karbon hissəciklərinin əmələ gəlməsi karbon kapsullaşmasının əsas səbəbidir. Silikon karbid monokristallarında karbon kapsulyasiyasının görünüşü böyümə kamerasında Si-nin aşağı parsial təzyiqi ilə deyil, daha çox silisium karbid mənbəyinin qrafitləşməsi və qrafit elementlərinin korroziyası nəticəsində zəif birləşdirilmiş karbon hissəciklərinin əmələ gəlməsi ilə əlaqədardır.

Daxiletmələrin paylanması mənbə səthindəki qrafit plitələrinin nümunəsinə çox bənzəyir. Tək kristal vaflilərdə daxilolmayan zonalar dairəvidir, diametri təxminən 3 mm-dir ki, bu da delikli dairəvi deliklərin diametrinə mükəmməl uyğun gəlir. Bu, karbon inkapsulyasiyasının xammal sahəsindən qaynaqlandığını göstərir, yəni xammalın qrafitləşməsi karbon enkapsulyasiya qüsuruna səbəb olur.

Silikon karbid kristalının böyüməsi adətən 100-150 saat tələb edir. Artım irəlilədikcə, xammalın qrafitləşməsi daha şiddətli olur. Böyüyən qalın kristallara tələbat altında xammalın qrafitləşməsinin həlli əsas məsələyə çevrilir.

Karbon Qablaşdırma Həlli

1. PVT-də xammalın sublimasiya nəzəriyyəsi

• Səth sahəsinin həcminə nisbəti: Kimyəvi sistemlərdə maddənin səth sahəsinin artım sürəti həcminin artım sürətindən çox yavaş olur. Buna görə də, hissəcik ölçüsü nə qədər böyükdürsə, səth sahəsinin həcm nisbəti (səth sahəsi/həcmi) bir o qədər kiçik olur.
• Buxarlanma Səthdə baş verir: Yalnız hissəciyin səthində yerləşən atom və ya molekulların qaz fazasına qaçmaq imkanı var. Buna görə də, buxarlanmanın sürəti və ümumi miqdarı birbaşa hissəciyin məruz qaldığı səth sahəsi ilə bağlıdır.
• Böyük hissəciklərin buxarlanma xüsusiyyətləri: Daha kiçik səth sahəsi/həcm nisbəti. Daha az səth molekulları/atomları, yəni buxarlanma üçün daha az səth sahələri. (Böyük hissəcik və çoxsaylı kiçik hissəciklər) Daha yavaş buxarlanma dərəcəsi: Zaman vahidi başına hissəcik səthindən daha az molekul/atom qaçır. Daha vahid buxarlanma (növlərdə daha az dəyişkənlik): Nisbətən kiçik səthə görə daxili materialın səthə yayılması daha uzun yol və daha çox vaxt tələb edir. Buxarlanma əsasən ən xarici təbəqədə baş verir.
• Kiçik Hissəciklər Xammal (Böyük Səth Sahəsinə Həcm Nisbəti): "Yanmamış" (Buxarlanma/Sublimasiya kəskin şəkildə dəyişir): Kiçik hissəciklər, demək olar ki, tamamilə yüksək temperaturlara məruz qalır və sürətli "qazlaşmaya" səbəb olur: Onlar çox tez ucalır və ilkin mərhələdə, ilk növbədə, ən asan sublimasiya olunan komponentləri buraxırlar. Tezliklə kiçik hissəciklərin səthi karbonla zəngin olur (çünki karbonu ülviləşdirmək nisbətən çətindir). Bu, əvvəl və sonra sublimasiya edilmiş qazın tərkibində əhəmiyyətli fərqlə nəticələnir - qaz silisiumla zəngin başlayır və daha sonra karbonla zəngin olur.

• Artım 0,5 mm xammal ilə tamamlandı
• Artım 1-2 mm-lik öz-özünə çoxalma üsulu ilə xammalla tamamlanır
• Artım 4-10 mm CVD xammalı ilə tamamlanır

Yuxarıdakı diaqramda göründüyü kimi, xammal hissəciklərinin ölçüsünün artırılması xammalda Si komponentinin üstünlüklü uçuculuğunun qarşısını almağa kömək edir, bütün böyümə prosesi zamanı qaz fazasının tərkibini daha sabit edir və xammalın qrafitləşməsi problemini həll edir. Böyük hissəcikli CVD materiallarının, xüsusən də ölçüsü 8 mm-dən böyük olan xammalın qrafitləşmə problemini tamamilə həll edəcəyi və bununla da substratda karbon enkapsulyasiya qüsurunu aradan qaldıracağı gözlənilir.

Nəticə və Perspektiv

CVD metodu ilə sintez edilmiş iri hissəcikli, yüksək təmizlikli, stokiometrik SiC xammalı, özünəməxsus aşağı səth sahəsinin həcminə nisbəti ilə PVT metodundan istifadə edərək SiC monokristalının böyüməsi üçün yüksək sabit və idarə olunan sublimasiya mənbəyini təmin edir. Bu, təkcə xammalın formasında dəyişiklik deyil, həm də PVT metodunun termodinamik və kinetik mühitini əsaslı şəkildə yenidən formalaşdırır və optimallaşdırır.

Tətbiqin üstünlükləri birbaşa olaraq tərcümə olunur:

• Daha yüksək monokristal keyfiyyəti: MOSFET və IGBT kimi yüksək gərginlikli, yüksək güclü cihazlar üçün uyğun olan aşağı qüsurlu substratların istehsalı üçün maddi təməlin yaradılması.
• Daha yaxşı proses iqtisadiyyatı: artım tempinin sabitliyini, xammaldan istifadəni və proses məhsuldarlığını yaxşılaşdırmaq, bahalı SiC substrat qiymətini azaltmağa kömək etmək və aşağı axın tətbiqlərinin geniş yayılmasını təşviq etmək.
• Daha böyük kristal ölçüsü: Sabit proses şəraiti 8 düymlük və daha böyük SiC monokristallarının sənayeləşməsi üçün daha əlverişlidir.