Die Lösung für den Kohlenstoffverkapselungsdefekt in Siliziumkarbidsubstraten

Mit der globalen Energiewende, der KI-Revolution und der Welle der Informationstechnologien der neuen Generation hat sich Siliziumkarbid (SiC) aufgrund seiner außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften schnell von einem „potenziellen Material“ zu einem „strategischen Grundmaterial“ entwickelt. Seine Anwendungen nehmen in beispiellosem Tempo zu und stellen nahezu extreme Anforderungen an die Qualität und Konsistenz der Substratmaterialien. Dadurch ist die Behebung kritischer Mängel wie der „Kohlenstoffeinkapselung“ dringlicher und notwendiger als je zuvor.

Grenzanwendungen für SiC-Substrate

1.KI-Hardware-Ökosystem und die Grenzen der Miniaturisierung:

• Nehmen wir als Beispiel eine KI-Brille
• Lichtwellenleitermaterialien für AR/VR-Brillen.

Die nächste Generation von KI-Brillen (AR/VR-Geräte) strebt ein beispielloses Gefühl der Immersion und Echtzeitinteraktion an. Das bedeutet, dass ihre internen Kernprozessoren (z. B. dedizierte KI-Inferenzchips) große Datenmengen verarbeiten und eine erhebliche Wärmeableitung auf extrem begrenztem miniaturisiertem Raum bewältigen müssen. Siliziumbasierte Chips stoßen in diesem Szenario an physikalische Grenzen.

Optische AR/VR-Wellenleiter erfordern einen hohen Brechungsindex zur Reduzierung des Gerätevolumens, eine Breitbandübertragung zur Unterstützung von Vollfarbanzeigen, eine hohe Wärmeleitfähigkeit zur Bewältigung der Wärmeableitung von Hochleistungslichtquellen sowie eine hohe Härte und Stabilität zur Gewährleistung der Haltbarkeit. Sie müssen außerdem mit ausgereiften mikro-/nanooptischen Verarbeitungstechnologien für die Herstellung in großem Maßstab kompatibel sein.

Rolle von SiC: GaN-auf-SiC-HF-/Leistungsmodule aus SiC-Substraten sind der Schlüssel zur Lösung dieses Widerspruchs. Sie können Miniaturdisplays und Sensorsysteme mit höherer Effizienz antreiben und leiten dank der um ein Vielfaches höheren Wärmeleitfähigkeit als Silizium die enorme Wärme, die von Chips erzeugt wird, schnell ab und sorgen so für einen stabilen Betrieb in einem schlanken Formfaktor.

Einkristallines Siliziumkarbid (SiC) hat einen Brechungsindex von etwa 2,6 im sichtbaren Lichtspektrum und eine hervorragende Transparenz, wodurch es für hochintegrierte optische Wellenleiterdesigns geeignet ist. Aufgrund seiner hohen Brechungsindexeigenschaften kann ein einschichtiger SiC-Beugungswellenleiter theoretisch ein Sichtfeld (FOV) von etwa 70° erreichen und Regenbogenmuster effektiv unterdrücken. Darüber hinaus verfügt SiC über eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit (ca. 4,9 W/cm·K), was eine schnelle Wärmeableitung von optischen und mechanischen Quellen ermöglicht und so eine Verschlechterung der optischen Leistung aufgrund eines Temperaturanstiegs verhindert. Darüber hinaus verbessern die hohe Härte und Verschleißfestigkeit von SiC die strukturelle Stabilität und Langzeitbeständigkeit der Wellenleiterlinsen erheblich. SiC-Wafer können für die Mikro-/Nanoverarbeitung (z. B. Ätzen und Beschichten) verwendet werden, was die Integration mikrooptischer Strukturen erleichtert.

Die Gefahren der „Kohlenstoff-Einkapselung“: Wenn das SiC-Substrat einen „Kohlenstoff-Einkapselungs“-Defekt aufweist, wird es zu einem lokalen „Wärmeisolator“ und einer „elektrischen Fehlerstelle“. Dies behindert nicht nur den Wärmefluss erheblich, was zu einer lokalen Überhitzung des Chips und Leistungseinbußen führt, sondern kann auch zu Mikroentladungen oder Leckströmen führen, die unter langfristigen Hochlastbedingungen möglicherweise zu Anzeigeanomalien, Berechnungsfehlern oder sogar zu Hardwareausfällen bei KI-Brillen führen können. Daher ist ein fehlerfreies SiC-Substrat die physikalische Grundlage für die Entwicklung zuverlässiger, leistungsstarker tragbarer KI-Hardware.

Die Gefahren der „Kohlenstoff-Einkapselung“: Wenn das SiC-Substrat einen „Kohlenstoff-Einkapselungs“-Defekt aufweist, verringert sich die Durchlässigkeit des sichtbaren Lichts durch das Material und kann außerdem zu einer lokalen Überhitzung des Wellenleiters, Leistungseinbußen und einer Abnahme oder Anomalie der Displayhelligkeit führen.

2. Die Revolution im Advanced Computing Packaging:

• Schlüsselschichten in der CoWoS-Technologie von NVIDIA

Im von NVIDIA angeführten Wettlauf um KI-Rechenleistung sind fortschrittliche Verpackungstechnologien wie CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) von zentraler Bedeutung für die Integration von CPUs, GPUs und HBM-Speicher geworden und ermöglichen ein exponentielles Wachstum der Rechenleistung. In diesem komplexen heterogenen Integrationssystem spielt der Interposer eine entscheidende Rolle als Rückgrat für Hochgeschwindigkeitsverbindungen und Wärmemanagement.

Rolle von SiC: Im Vergleich zu Silizium und Glas gilt SiC aufgrund seiner extrem hohen Wärmeleitfähigkeit, einem besser zu Chips passenden Wärmeausdehnungskoeffizienten und hervorragenden elektrischen Isolationseigenschaften als ideales Material für den Hochleistungs-Interposer der nächsten Generation. SiC-Interposer können konzentrierte Wärme von mehreren Rechenkernen effizienter ableiten und die Integrität der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung gewährleisten.

Die Gefahren der „Kohlenstoffverkapselung“: Unter Verbindungen im Nanometerbereich wirkt ein Defekt der „Kohlenstoffverkapselung“ im Mikrometerbereich wie eine „Zeitbombe“. Es kann lokale Wärme- und Spannungsfelder verzerren, was zu thermomechanischer Ermüdung und Rissbildung in den Verbindungsmetallschichten führt und Signalverzögerungen, Übersprechen oder einen vollständigen Ausfall verursacht. Bei KI-Beschleunigungskarten im Wert von Hunderttausenden RMB sind Systemausfälle, die durch zugrunde liegende Materialfehler verursacht werden, nicht akzeptabel. Die Gewährleistung der absoluten Reinheit und strukturellen Perfektion des SiC-Interposers ist der Grundstein für die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit des gesamten komplexen Computersystems.

Fazit: Übergang von „akzeptabel“ zu „perfekt und einwandfrei“. In der Vergangenheit wurde Siliziumkarbid hauptsächlich in Industrie- und Automobilbereichen eingesetzt, wo eine gewisse Fehlertoleranz bestand. Wenn es jedoch um die Miniaturisierung von KI-Brillen und ultrahochwertigen, ultrakomplexen Systemen wie NVIDIAs CoWoS geht, ist die Toleranz für Materialfehler auf Null gesunken. Jeder Defekt der „Kohlenstoffverkapselung“ gefährdet direkt die Leistungsgrenzen, die Zuverlässigkeit und den kommerziellen Erfolg des Endprodukts. Daher ist die Überwindung von Substratdefekten wie der „Kohlenstoffeinkapselung“ nicht mehr nur eine Frage der akademischen oder Prozessverbesserung, sondern ein entscheidender Materialkampf, der die Revolution der künstlichen Intelligenz der nächsten Generation, der fortschrittlichen Datenverarbeitung und der Unterhaltungselektronik unterstützt.

Woher kommt die Carbonverpackung?

Rost et al. schlug das „Konzentrationsmodell“ vor, das darauf hindeutet, dass Änderungen im Verhältnis der Substanzen in der Gasphase die Hauptursache für die Kohlenstoffeinkapselung sind. Li et al. fanden heraus, dass die Graphitisierung von Samen eine Kohlenstoffeinkapselung induzieren kann, bevor das Wachstum beginnt. Aufgrund des Entweichens der siliziumreichen Atmosphäre aus dem Tiegel und der aktiven Wechselwirkung zwischen der Siliziumatmosphäre und dem Graphittiegel und anderen Graphitelementen ist die Graphitisierung der Siliziumkarbidquelle unvermeidlich. Daher kann der relativ niedrige Si-Partialdruck in der Wachstumskammer die Hauptursache für die Kohlenstoffeinkapselung sein. Avrov et al. argumentierten, dass die Kohlenstoffeinkapselung nicht durch Siliziummangel verursacht wird. Daher könnte die starke Korrosion von Graphitelementen aufgrund überschüssigen Siliziums die Hauptursache für Kohlenstoffeinschlüsse sein. Direkte experimentelle Beweise in dieser Arbeit zeigen, dass feine Kohlenstoffpartikel auf der Quelloberfläche in die Wachstumsfront von Siliziumkarbid-Einkristallen getrieben werden können und Kohlenstoffeinkapselungen bilden. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass die Bildung feiner Kohlenstoffpartikel in der Wachstumskammer die Hauptursache für die Kohlenstoffeinkapselung ist. Das Auftreten einer Kohlenstoffeinkapselung in Siliziumkarbid-Einkristallen ist nicht auf den niedrigen Si-Partialdruck in der Wachstumskammer zurückzuführen, sondern auf die Bildung schwach verbundener Kohlenstoffpartikel aufgrund der Graphitisierung der Siliziumkarbidquelle und der Korrosion von Graphitelementen.

Die Verteilung der Einschlüsse scheint dem Muster der Graphitplatten auf der Quelloberfläche sehr ähnlich zu sein. Die einschlussfreien Zonen in den Einkristallwafern sind kreisförmig und haben einen Durchmesser von etwa 3 mm, was perfekt dem Durchmesser der perforierten kreisförmigen Löcher entspricht. Dies deutet darauf hin, dass die Kohlenstoffeinkapselung aus dem Rohmaterialbereich stammt, was bedeutet, dass die Graphitisierung des Rohmaterials den Kohlenstoffeinkapselungsdefekt verursacht.

Das Wachstum von Siliziumkarbidkristallen erfordert typischerweise 100–150 Stunden. Mit fortschreitendem Wachstum wird die Graphitisierung des Rohmaterials stärker. Angesichts der Nachfrage nach der Züchtung dicker Kristalle wird die Graphitisierung des Rohmaterials zu einem zentralen Thema.

Carbon Wrapping-Lösung

1.Die Sublimationstheorie von Rohstoffen in PVT

• Verhältnis von Oberfläche zu Volumen: In chemischen Systemen ist die Zunahme der Oberfläche einer Substanz viel langsamer als die Zunahme ihres Volumens. Je größer die Partikelgröße ist, desto kleiner ist daher das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen (Oberfläche/Volumen).
• Die Verdunstung findet an der Oberfläche statt: Nur Atome oder Moleküle, die sich auf der Oberfläche des Partikels befinden, haben die Möglichkeit, in die Gasphase zu entweichen. Daher stehen Geschwindigkeit und Gesamtmenge der Verdunstung in direktem Zusammenhang mit der vom Partikel freigelegten Oberfläche.
• Verdampfungseigenschaften großer Partikel: Kleineres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Weniger Oberflächenmoleküle/-atome, was bedeutet, dass weniger Oberflächenstellen für die Verdunstung verfügbar sind. (Ein großes Partikel im Vergleich zu mehreren kleinen Partikeln) Langsamere Verdunstungsrate: Pro Zeiteinheit entweichen weniger Moleküle/Atome von der Partikeloberfläche. Gleichmäßigere Verdunstung (geringere Artenvielfalt): Aufgrund der relativ kleinen Oberfläche erfordert die Diffusion des inneren Materials an die Oberfläche einen längeren Weg und mehr Zeit. Die Verdunstung findet hauptsächlich in der äußersten Schicht statt.
• Rohstoff für kleine Partikel (großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen): „Unverbrannt“ (Verdampfung/Sublimation ändert sich dramatisch): Kleine Partikel sind fast vollständig hohen Temperaturen ausgesetzt, was zu einer schnellen „Vergasung“ führt: Sie sublimieren sehr schnell und setzen im Anfangsstadium hauptsächlich die am leichtesten sublimierbaren Komponenten frei (normalerweise siliziumreiche Gase). Bald wird die Oberfläche kleiner Partikel kohlenstoffreich (da Kohlenstoff relativ schwer zu sublimieren ist). Dies führt zu einem erheblichen Unterschied in der Zusammensetzung des sublimierten Gases vorher und nachher – das Gas beginnt siliziumreich und wird später kohlenstoffreich.

• Wachstum mit 0,5 mm Rohmaterial abgeschlossen
• Das Wachstum wird mit 1–2 mm dickem Rohmaterial der selbstvermehrenden Methode abgeschlossen
• Wachstum mit 4–10 mm CVD-Rohmaterial abgeschlossen

Wie im obigen Diagramm zu sehen ist, trägt die Erhöhung der Rohmaterialpartikelgröße dazu bei, die bevorzugte Verflüchtigung der Si-Komponente im Rohmaterial zu unterdrücken, wodurch die Gasphasenzusammensetzung während des gesamten Wachstumsprozesses stabiler wird und das Graphitisierungsproblem des Rohmaterials angegangen wird. Es wird erwartet, dass CVD-Materialien mit großen Partikeln, insbesondere Rohmaterialien mit einer Größe von mehr als 8 mm, das Graphitisierungsproblem vollständig lösen und dadurch den Kohlenstoffeinkapselungsdefekt im Substrat beseitigen.

Fazit und Ausblick

Das großteilige, hochreine, stöchiometrische SiC-Rohmaterial, das durch das CVD-Verfahren synthetisiert wird, mit seinem inhärenten niedrigen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen stellt eine äußerst stabile und kontrollierbare Sublimationsquelle für das Wachstum von SiC-Einkristallen mithilfe des PVT-Verfahrens dar. Dabei handelt es sich nicht nur um eine Veränderung der Form des Rohmaterials, sondern auch um eine grundlegende Umgestaltung und Optimierung der thermodynamischen und kinetischen Umgebung des PVT-Verfahrens.

Die Anwendungsvorteile werden direkt umgesetzt in:

• Höhere Einkristallqualität: Schaffung einer Materialgrundlage für die Herstellung von Substraten mit geringer Defektzahl, die für Hochspannungs- und Hochleistungsgeräte wie MOSFETs und IGBTs geeignet sind.
• Bessere Prozessökonomie: Verbesserung der Stabilität der Wachstumsrate, der Rohstoffausnutzung und der Prozessausbeute, was zur Senkung des teuren SiC-Substratpreises beiträgt und die weitverbreitete Einführung nachgelagerter Anwendungen fördert.
• Größere Kristallgröße: Stabile Prozessbedingungen sind günstiger für die Industrialisierung von 8-Zoll- und größeren SiC-Einkristallen.