सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्समधील कार्बन एन्कॅप्सुलेशन दोषाचे समाधान

जागतिक ऊर्जा संक्रमण, AI क्रांती आणि नवीन पिढीच्या माहिती तंत्रज्ञानाच्या लहरीमुळे, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) त्याच्या अपवादात्मक भौतिक गुणधर्मांमुळे "संभाव्य सामग्री" वरून "स्ट्रॅटेजिक फाउंडेशनल मटेरियल" बनले आहे. त्याचे ऍप्लिकेशन्स अभूतपूर्व वेगाने विस्तारत आहेत, सब्सट्रेट सामग्रीची गुणवत्ता आणि सातत्य यावर जवळजवळ अत्यंत मागणी करत आहेत. यामुळे "कार्बन एन्कॅप्सुलेशन" सारख्या गंभीर दोषांवर उपाय करणे पूर्वीपेक्षा अधिक तातडीचे आणि आवश्यक झाले आहे.

फ्रंटियर ऍप्लिकेशन्स ड्रायव्हिंग SiC सबस्ट्रेट्स

1.AI हार्डवेअर इकोसिस्टम आणि लघुकरणाच्या मर्यादा:

• उदाहरण म्हणून AI चष्मा घ्या
• AR/VR ग्लासेससाठी ऑप्टिकल वेव्हगाइड सामग्री.

AI चष्म्याची पुढची पिढी (AR/VR उपकरणे) अतुलनीय विसर्जन आणि रीअल-टाइम परस्परसंवादासाठी प्रयत्न करते. याचा अर्थ असा की त्यांच्या अंतर्गत कोर प्रोसेसरने (जसे की समर्पित AI अनुमान चिप्स) मोठ्या प्रमाणात डेटावर प्रक्रिया करणे आवश्यक आहे आणि अत्यंत मर्यादित सूक्ष्म जागेत लक्षणीय उष्णता नष्ट करणे आवश्यक आहे. या परिस्थितीत सिलिकॉन-आधारित चिप्सना भौतिक मर्यादांचा सामना करावा लागतो.

AR/VR ऑप्टिकल वेव्हगाइड्सना उपकरणाचा आवाज कमी करण्यासाठी उच्च रिफ्रॅक्टिव्ह इंडेक्स, पूर्ण-रंगाच्या डिस्प्लेला सपोर्ट करण्यासाठी ब्रॉड-बँड ट्रान्समिशन, उच्च-शक्तीच्या प्रकाश स्रोतांपासून उष्णता नष्ट होण्याचे व्यवस्थापन करण्यासाठी उच्च थर्मल चालकता आणि टिकाऊपणा सुनिश्चित करण्यासाठी उच्च कडकपणा आणि स्थिरता आवश्यक आहे. ते मोठ्या प्रमाणात उत्पादनासाठी परिपक्व मायक्रो/नॅनो-ऑप्टिकल प्रोसेसिंग तंत्रज्ञानाशी सुसंगत असले पाहिजेत.

SiC ची भूमिका: SiC सबस्ट्रेट्सपासून बनविलेले GaN-on-SiC RF/पॉवर मॉड्यूल या विरोधाभासाचे निराकरण करण्यासाठी महत्त्वाचे आहेत. ते उच्च कार्यक्षमतेसह सूक्ष्म डिस्प्ले आणि सेन्सर सिस्टम चालवू शकतात आणि सिलिकॉनपेक्षा कित्येक पट जास्त थर्मल चालकता सह, चिप्सद्वारे निर्माण होणारी प्रचंड उष्णता त्वरीत नष्ट करू शकतात, स्लिम फॉर्म फॅक्टरमध्ये स्थिर ऑपरेशन सुनिश्चित करतात.

सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) मध्ये दृश्यमान प्रकाश स्पेक्ट्रममध्ये सुमारे 2.6 चे अपवर्तक निर्देशांक आहे, उत्कृष्ट पारदर्शकतेसह, ते उच्च-एकात्मिक ऑप्टिकल वेव्हगाइड डिझाइनसाठी योग्य बनवते. त्याच्या उच्च अपवर्तक निर्देशांक गुणधर्मांवर आधारित, सिंगल-लेयर SiC डिफ्रॅक्शन वेव्हगाइड सैद्धांतिकदृष्ट्या सुमारे 70° चे फील्ड ऑफ व्ह्यू (FOV) प्राप्त करू शकते आणि इंद्रधनुष्याच्या नमुन्यांना प्रभावीपणे दाबू शकते. शिवाय, SiC मध्ये अत्यंत उच्च थर्मल चालकता (सुमारे 4.9 W/cm·K) आहे, ज्यामुळे ते ऑप्टिकल आणि यांत्रिक स्रोतांमधून उष्णता वेगाने नष्ट करू देते, तापमान वाढीमुळे ऑप्टिकल कार्यक्षमतेत होणारा ऱ्हास रोखते. याव्यतिरिक्त, SiC ची उच्च कडकपणा आणि परिधान प्रतिरोधक वेव्हगाइड लेन्सची संरचनात्मक स्थिरता आणि दीर्घकालीन टिकाऊपणा लक्षणीयरीत्या वाढवते. SiC वेफर्सचा वापर मायक्रो/नॅनो प्रक्रियेसाठी (जसे की एचिंग आणि कोटिंग) करण्यासाठी केला जाऊ शकतो, ज्यामुळे मायक्रो-ऑप्टिकल स्ट्रक्चर्सचे एकत्रीकरण सुलभ होते.

"कार्बन एन्कॅप्युलेशन" चे धोके: जर SiC सब्सट्रेटमध्ये "कार्बन एन्कॅप्सुलेशन" दोष असेल तर ते स्थानिकीकृत "थर्मल इन्सुलेशन" आणि "इलेक्ट्रिकल फॉल्ट पॉइंट" बनते. हे केवळ उष्णतेच्या प्रवाहात गंभीरपणे अडथळा आणत नाही, ज्यामुळे चिपचे स्थानिक जास्त गरम होते आणि कार्यप्रदर्शन खराब होते, परंतु यामुळे सूक्ष्म-डिस्चार्ज किंवा गळतीचे प्रवाह देखील होऊ शकतात, ज्यामुळे संभाव्य विसंगती, गणना त्रुटी किंवा दीर्घकालीन उच्च-लोड परिस्थितीत AI ग्लासेसमध्ये हार्डवेअर बिघाड देखील होऊ शकतो. म्हणून, दोषमुक्त SiC सब्सट्रेट विश्वसनीय, उच्च-कार्यक्षमता घालण्यायोग्य AI हार्डवेअर प्राप्त करण्यासाठी भौतिक पाया आहे.

"कार्बन एन्कॅप्सुलेशन" चे धोके: जर SiC सब्सट्रेटमध्ये "कार्बन एन्कॅप्सुलेशन" दोष असेल, तर ते सामग्रीद्वारे दृश्यमान प्रकाशाचे प्रसारण कमी करेल आणि त्यामुळे वेव्हगाईडचे स्थानिकीकृत ओव्हरहाटिंग, कार्यक्षमतेत घट आणि डिस्प्ले ब्राइटनेसमध्ये घट किंवा असामान्यता देखील होऊ शकते.

2. प्रगत संगणन पॅकेजिंगमधील क्रांती:

• NVIDIA च्या CoWoS तंत्रज्ञानातील प्रमुख स्तर

NVIDIA च्या नेतृत्वाखालील AI कॉम्प्युटिंग पॉवर रेसमध्ये, CoWoS (चिप-ऑन-वेफर-ऑन-सबस्ट्रेट) सारख्या प्रगत पॅकेजिंग तंत्रज्ञान CPUs, GPUs आणि HBM मेमरी एकत्रित करण्यासाठी केंद्रस्थानी बनले आहेत, ज्यामुळे संगणकीय शक्तीमध्ये घातांकीय वाढ होते. या जटिल विषम एकीकरण प्रणालीमध्ये, इंटरपोजर हा उच्च-गती इंटरकनेक्ट आणि थर्मल व्यवस्थापनासाठी पाठीचा कणा म्हणून महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावतो.

SiC ची भूमिका: सिलिकॉन आणि काचेच्या तुलनेत, SiC हे अत्यंत उच्च थर्मल चालकता, चिप्सशी अधिक चांगले जुळणारे थर्मल विस्ताराचे गुणांक आणि उत्कृष्ट इलेक्ट्रिकल इन्सुलेशन गुणधर्मांमुळे पुढील पिढीच्या उच्च-कार्यक्षमता इंटरपोसरसाठी आदर्श सामग्री मानले जाते. SiC इंटरपोझर्स एकाधिक संगणकीय कोरमधून केंद्रित उष्णता अधिक कार्यक्षमतेने नष्ट करू शकतात आणि हाय-स्पीड सिग्नल ट्रान्समिशनची अखंडता सुनिश्चित करू शकतात.

"कार्बन एन्कॅप्सुलेशन" चे धोके: नॅनोमीटर-स्तरीय इंटरकनेक्ट्सच्या खाली, एक मायक्रॉन-स्तरीय "कार्बन एन्कॅप्सुलेशन" दोष "टाइम बॉम्ब" सारखा आहे. हे स्थानिक थर्मल आणि तणाव क्षेत्रे विकृत करू शकते, ज्यामुळे थर्मोमेकॅनिकल थकवा येतो आणि एकमेकांशी जोडलेल्या धातूच्या थरांमध्ये क्रॅक होतो, ज्यामुळे सिग्नल विलंब होतो, क्रॉसस्टॉक होतो किंवा पूर्ण बिघाड होतो. शेकडो हजारो RMB किमतीच्या AI प्रवेग कार्ड्समध्ये, अंतर्निहित भौतिक दोषांमुळे प्रणालीतील बिघाड अस्वीकार्य आहेत. SiC इंटरपोजरची परिपूर्ण शुद्धता आणि संरचनात्मक परिपूर्णता सुनिश्चित करणे हा संपूर्ण जटिल संगणकीय प्रणालीची विश्वासार्हता राखण्यासाठी आधारशिला आहे.

निष्कर्ष: "स्वीकारण्यायोग्य" पासून "परिपूर्ण आणि निर्दोष" मध्ये संक्रमण. भूतकाळात, सिलिकॉन कार्बाइडचा वापर प्रामुख्याने औद्योगिक आणि ऑटोमोटिव्ह क्षेत्रात केला जात असे, जेथे दोषांसाठी काही सहनशीलता अस्तित्वात होती. तथापि, जेव्हा AI चष्मा आणि अल्ट्रा-हाय-व्हॅल्यू, NVIDIA's CoWoS सारख्या अल्ट्रा-कॉम्प्लेक्स सिस्टीमच्या लघुकरण जगाचा विचार केला जातो, तेव्हा भौतिक दोषांची सहनशीलता शून्यावर आली आहे. प्रत्येक "कार्बन एन्कॅप्सुलेशन" दोष अंतिम उत्पादनाच्या कार्यक्षमतेची मर्यादा, विश्वासार्हता आणि व्यावसायिक यशाला थेट धोका देतो. त्यामुळे, "कार्बन एन्कॅप्सुलेशन" सारख्या सब्सट्रेट दोषांवर मात करणे ही आता केवळ शैक्षणिक किंवा प्रक्रिया सुधारणेची समस्या नाही तर पुढील पिढीतील कृत्रिम बुद्धिमत्ता, प्रगत संगणन आणि ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स क्रांतीला समर्थन देणारी एक गंभीर सामग्रीची लढाई आहे.

कार्बन रॅपिंग कुठून येते

रोस्ट इत्यादी. "एकाग्रता मॉडेल" प्रस्तावित केले, जे सूचित करते की वायूच्या टप्प्यातील पदार्थांच्या गुणोत्तरातील बदल हे कार्बन एन्केप्सुलेशनचे मुख्य कारण आहे. ली आणि इतर. वाढ सुरू होण्यापूर्वी बियाणे ग्राफिटायझेशन कार्बन एन्केप्सुलेशन प्रेरित करू शकते असे आढळले. क्रूसिबलमधून सिलिकॉन-समृद्ध वातावरणाच्या सुटकेमुळे आणि सिलिकॉन वातावरण आणि ग्रेफाइट क्रूसिबल आणि इतर ग्रेफाइट घटकांमधील सक्रिय परस्परसंवादामुळे, सिलिकॉन कार्बाइड स्त्रोताचे ग्राफिटायझेशन अपरिहार्य आहे. त्यामुळे, ग्रोथ चेंबरमधील तुलनेने कमी Si आंशिक दाब हे कार्बन एन्केप्सुलेशनचे मुख्य कारण असू शकते. तथापि, Avrov et al. असा युक्तिवाद केला की कार्बन एन्कॅप्सुलेशन सिलिकॉनच्या कमतरतेमुळे होत नाही. अशा प्रकारे, अतिरिक्त सिलिकॉनमुळे ग्रेफाइट घटकांचे मजबूत गंज हे कार्बनच्या समावेशाचे मुख्य कारण असू शकते. या पेपरमधील प्रत्यक्ष प्रायोगिक पुराव्यावरून असे दिसून आले आहे की स्त्रोताच्या पृष्ठभागावरील सूक्ष्म कार्बनचे कण सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल्सच्या वाढीच्या पुढच्या भागामध्ये आणले जाऊ शकतात, ज्यामुळे कार्बन एन्कॅप्सुलेशन तयार होतात. हा परिणाम सूचित करतो की ग्रोथ चेंबरमध्ये सूक्ष्म कार्बन कणांची निर्मिती हे कार्बन एन्केप्सुलेशनचे प्राथमिक कारण आहे. सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल्समध्ये कार्बन एन्कॅप्सुलेशन दिसणे हे ग्रोथ चेंबरमधील Si च्या कमी आंशिक दाबामुळे होत नाही, तर सिलिकॉन कार्बाइड स्त्रोताच्या ग्राफिटायझेशनमुळे आणि ग्रेफाइट घटकांच्या गंजामुळे कमकुवतपणे जोडलेले कार्बन कण तयार होते.

समावेशनांचे वितरण स्त्रोत पृष्ठभागावरील ग्रेफाइट प्लेट्सच्या नमुन्याशी जवळून साम्य असल्याचे दिसते. सिंगल क्रिस्टल वेफर्समधील समावेश-मुक्त क्षेत्र गोलाकार असतात, त्यांचा व्यास सुमारे 3 मिमी असतो, जो छिद्रित गोलाकार छिद्रांच्या व्यासाशी पूर्णपणे जुळतो. हे सूचित करते की कार्बन एन्कॅप्सुलेशन कच्च्या मालाच्या क्षेत्रापासून उद्भवते, म्हणजे कच्च्या मालाच्या ग्राफिटायझेशनमुळे कार्बन एन्कॅप्सुलेशन दोष निर्माण होतो.

सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल वाढीसाठी सामान्यत: 100-150 तास लागतात. जसजशी वाढ होत जाते तसतसे कच्च्या मालाचे ग्राफिटायझेशन अधिक तीव्र होते. वाढत्या जाड क्रिस्टल्सच्या मागणीनुसार, कच्च्या मालाचे ग्राफिटायझेशन संबोधित करणे हा एक कळीचा मुद्दा बनतो.

कार्बन रॅपिंग सोल्यूशन

1.PVT मधील कच्च्या मालाचा उदात्तीकरण सिद्धांत

• पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ ते व्हॉल्यूम गुणोत्तर: रासायनिक प्रणालींमध्ये, पदार्थाच्या पृष्ठभागाच्या क्षेत्रफळाच्या वाढीचा दर त्याच्या आकारमानाच्या वाढीच्या दरापेक्षा खूपच कमी असतो. म्हणून, कणाचा आकार जितका मोठा असेल तितके पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ ते खंड गुणोत्तर (पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ/आवाज) लहान.
• पृष्ठभागावर बाष्पीभवन होते: केवळ कणांच्या पृष्ठभागावर स्थित अणू किंवा रेणूंना वायू टप्प्यात बाहेर पडण्याची संधी असते. म्हणून, बाष्पीभवनाचा दर आणि एकूण प्रमाण कणाद्वारे उघड केलेल्या पृष्ठभागाच्या क्षेत्राशी थेट संबंधित आहे.
• मोठ्या कणांची बाष्पीभवन वैशिष्ट्ये: लहान पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ/आवाज प्रमाण. कमी पृष्ठभागाचे रेणू/अणू, म्हणजे बाष्पीभवनासाठी कमी उपलब्ध पृष्ठभाग. (एक मोठा कण वि. अनेक लहान कण) मंद बाष्पीभवन दर: कणांच्या पृष्ठभागावरून कमी रेणू/अणू वेळेच्या प्रति युनिटमधून बाहेर पडतात. अधिक एकसमान बाष्पीभवन (प्रजातींमध्ये कमी फरक): तुलनेने लहान पृष्ठभागामुळे, पृष्ठभागावर अंतर्गत सामग्रीचा प्रसार होण्यासाठी जास्त वेळ आणि जास्त वेळ लागतो. बाष्पीभवन प्रामुख्याने बाहेरील थरावर होते.
• लहान कण कच्चा माल (मोठ्या पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ ते व्हॉल्यूमचे गुणोत्तर): "अनबर्न" (बाष्पीभवन/उच्चीकरण नाटकीयरित्या बदलते): लहान कण जवळजवळ संपूर्णपणे उच्च तापमानाच्या संपर्कात असतात, ज्यामुळे जलद "गॅसिफिकेशन" होते: ते खूप लवकर उत्तेजित होतात आणि सुरुवातीच्या टप्प्यात, मुख्यत: सिलिम्युअल कॉम्प्लेक्स सहजतेने सोडतात. लवकरच, लहान कणांची पृष्ठभाग कार्बन-समृद्ध बनते (कार्बन उदात्त करणे तुलनेने कठीण आहे). याचा परिणाम आधी आणि नंतर सबलिमिटेड गॅसच्या रचनेत लक्षणीय फरक दिसून येतो - गॅस सिलिकॉन-युक्त सुरू होतो आणि नंतर कार्बन-समृद्ध होतो.

• 0.5 मिमी कच्च्या मालासह वाढ पूर्ण केली
• 1-2 मिमी स्वयं-प्रसार पद्धती कच्च्या मालासह वाढ पूर्ण केली
• 4-10mm CVD कच्च्या मालासह वाढ पूर्ण

वरील चित्रात पाहिल्याप्रमाणे, कच्च्या मालाच्या कणांच्या आकारमानात वाढ केल्याने कच्च्या मालातील Si घटकाचे प्रेफरेंशियल व्होलाटिलायझेशन दडपण्यास मदत होते, संपूर्ण वाढ प्रक्रियेदरम्यान गॅस फेज रचना अधिक स्थिर होते आणि कच्च्या मालाच्या ग्राफिटायझेशन समस्येचे निराकरण होते. मोठ्या कणांचे CVD मटेरियल, विशेषत: 8mm पेक्षा मोठ्या कच्च्या मालाने ग्राफिटायझेशन समस्या पूर्णपणे सोडवणे अपेक्षित आहे, ज्यामुळे सब्सट्रेटमधील कार्बन एन्केप्सुलेशन दोष दूर होईल.

निष्कर्ष आणि संभावना

CVD पद्धतीद्वारे संश्लेषित केलेले मोठे-कण, उच्च-शुद्धता, स्टोइचियोमेट्रिक SiC कच्चा माल, त्याच्या अंतर्निहित कमी पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ ते व्हॉल्यूम गुणोत्तर, PVT पद्धतीचा वापर करून SiC सिंगल क्रिस्टल वाढीसाठी एक अत्यंत स्थिर आणि नियंत्रणीय उदात्तीकरण स्रोत प्रदान करते. हे केवळ कच्च्या मालाच्या स्वरूपातील बदलच नाही तर PVT पद्धतीच्या थर्मोडायनामिक आणि गतिज वातावरणाला मूलभूतपणे बदल आणि अनुकूल करते.

अनुप्रयोग फायद्यांचे थेट भाषांतर केले आहे:

• उच्च एकल क्रिस्टल गुणवत्ता: उच्च-व्होल्टेज, उच्च-शक्ती उपकरणे जसे की MOSFETs आणि IGBTs साठी योग्य कमी-दोष सब्सट्रेट्स तयार करण्यासाठी एक भौतिक पाया स्थापित करणे.
• उत्तम प्रक्रिया अर्थव्यवस्था: वाढीचा दर स्थिरता, कच्च्या मालाचा वापर आणि प्रक्रिया उत्पन्न सुधारणे, महागड्या SiC सब्सट्रेट किमती कमी करण्यात मदत करणे आणि डाउनस्ट्रीम ऍप्लिकेशन्सच्या व्यापक अवलंबनाला प्रोत्साहन देणे.
• मोठा क्रिस्टल आकार: 8-इंच आणि मोठ्या SiC सिंगल क्रिस्टल्सच्या औद्योगिकीकरणासाठी स्थिर प्रक्रिया परिस्थिती अधिक अनुकूल आहे.