La solution au défaut d'encapsulation du carbone dans les substrats en carbure de silicium

Avec la transition énergétique mondiale, la révolution de l'IA et la vague de technologies de l'information de nouvelle génération, le carbure de silicium (SiC) est rapidement passé du statut de « matériau potentiel » à celui de « matériau de base stratégique » en raison de ses propriétés physiques exceptionnelles. Ses applications se développent à un rythme sans précédent, imposant des exigences presque extrêmes en matière de qualité et de cohérence des matériaux de substrat. Cela a rendu la résolution de défauts critiques tels que « l’encapsulation du carbone » plus urgente et nécessaire que jamais.

Applications frontières pilotant les substrats SiC

1.Écosystème matériel IA et limites de la miniaturisation :

• Prendre les lunettes IA comme exemple
• Matériaux de guides d'ondes optiques pour lunettes AR/VR.

La prochaine génération de lunettes IA (appareils AR/VR) vise une sensation d’immersion et d’interaction en temps réel sans précédent. Cela signifie que leurs processeurs internes (tels que les puces d’inférence dédiées à l’IA) doivent traiter de grandes quantités de données et gérer une dissipation thermique importante dans un espace miniaturisé extrêmement limité. Les puces à base de silicium sont confrontées à des limitations physiques dans ce scénario.

Les guides d'ondes optiques AR/VR nécessitent un indice de réfraction élevé pour réduire le volume de l'appareil, une transmission à large bande pour prendre en charge les écrans couleur, une conductivité thermique élevée pour gérer la dissipation thermique des sources lumineuses de haute puissance, ainsi qu'une dureté et une stabilité élevées pour garantir la durabilité. Ils doivent également être compatibles avec les technologies de traitement micro/nano-optique matures pour la fabrication à grande échelle.

Rôle du SiC : les modules RF/puissance GaN-on-SiC fabriqués à partir de substrats SiC sont essentiels pour résoudre cette contradiction. Ils peuvent piloter des écrans miniatures et des systèmes de capteurs avec une plus grande efficacité et, avec une conductivité thermique plusieurs fois supérieure à celle du silicium, dissiper rapidement la chaleur massive générée par les puces, garantissant ainsi un fonctionnement stable dans un format mince.

Le carbure de silicium monocristallin (SiC) possède un indice de réfraction d'environ 2,6 dans le spectre de la lumière visible, avec une excellente transparence, ce qui le rend adapté aux conceptions de guides d'ondes optiques hautement intégrés. Grâce à ses propriétés d'indice de réfraction élevé, un guide d'onde de diffraction SiC monocouche peut théoriquement atteindre un champ de vision (FOV) d'environ 70° et supprimer efficacement les motifs arc-en-ciel. De plus, le SiC possède une conductivité thermique extrêmement élevée (environ 4,9 W/cm·K), lui permettant de dissiper rapidement la chaleur des sources optiques et mécaniques, empêchant ainsi la dégradation des performances optiques due à l'augmentation de la température. De plus, la dureté élevée et la résistance à l'usure du SiC améliorent considérablement la stabilité structurelle et la durabilité à long terme des lentilles du guide d'ondes. Les plaquettes SiC peuvent être utilisées pour le traitement micro/nano (tel que la gravure et le revêtement), facilitant l'intégration de structures micro-optiques.

Les dangers de « l'encapsulation du carbone » : Si le substrat SiC contient un défaut « d'encapsulation du carbone », il devient un « isolant thermique » localisé et un « point de défaut électrique ». Non seulement cela obstrue gravement le flux de chaleur, entraînant une surchauffe locale de la puce et une dégradation des performances, mais cela peut également provoquer des micro-décharges ou des courants de fuite, entraînant potentiellement des anomalies d'affichage, des erreurs de calcul ou même une défaillance matérielle des lunettes IA dans des conditions de charge élevée à long terme. Par conséquent, un substrat SiC sans défaut constitue la base physique pour obtenir un matériel d’IA portable fiable et hautes performances.

Les dangers de « l'encapsulation carbone » : Si le substrat SiC contient un défaut « d'encapsulation carbone », cela réduira la transmission de la lumière visible à travers le matériau, et pourra également entraîner une surchauffe localisée du guide d'onde, une dégradation des performances et une diminution ou une anomalie de la luminosité de l'écran.

2.La révolution dans le packaging informatique avancé :

• Couches clés de la technologie CoWoS de NVIDIA

Dans la course à la puissance de calcul de l'IA menée par NVIDIA, les technologies de packaging avancées telles que CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) sont devenues essentielles à l'intégration des CPU, des GPU et de la mémoire HBM, permettant une croissance exponentielle de la puissance de calcul. Dans ce système d'intégration hétérogène complexe, l'interposeur joue un rôle essentiel en tant qu'épine dorsale des interconnexions à haut débit et de la gestion thermique.

Rôle du SiC : comparé au silicium et au verre, le SiC est considéré comme le matériau idéal pour l'interposeur haute performance de nouvelle génération en raison de sa conductivité thermique extrêmement élevée, d'un coefficient de dilatation thermique qui correspond mieux aux puces et d'excellentes propriétés d'isolation électrique. Les interposeurs SiC peuvent dissiper plus efficacement la chaleur concentrée de plusieurs cœurs de calcul et garantir l'intégrité de la transmission du signal à grande vitesse.

Les dangers de « l’encapsulation du carbone » : Sous les interconnexions de niveau nanométrique, un défaut « d’encapsulation du carbone » de l’ordre du micron est comme une « bombe à retardement ». Cela peut déformer les champs thermiques et de contraintes locaux, entraînant une fatigue thermomécanique et des fissures dans les couches métalliques d'interconnexion, provoquant des retards de signal, une diaphonie ou une défaillance complète. Dans les cartes d’accélération de l’IA valant des centaines de milliers de RMB, les pannes du système causées par des défauts matériels sous-jacents sont inacceptables. Garantir la pureté absolue et la perfection structurelle de l’interposeur SiC est la pierre angulaire du maintien de la fiabilité de l’ensemble du système informatique complexe.

Conclusion : Transition de « acceptable » à « parfait et sans faille ». Dans le passé, le carbure de silicium était principalement utilisé dans les domaines industriels et automobiles, où existait une certaine tolérance aux défauts. Cependant, lorsqu'il s'agit du monde de la miniaturisation des lunettes IA et des systèmes ultra-complexes de très grande valeur comme le CoWoS de NVIDIA, la tolérance aux défauts de matériaux est tombée à zéro. Chaque défaut « d'encapsulation du carbone » menace directement les limites de performances, la fiabilité et le succès commercial du produit final. Par conséquent, surmonter les défauts du substrat tels que « l’encapsulation du carbone » n’est plus seulement un problème académique ou d’amélioration des processus, mais une bataille matérielle cruciale qui soutient la révolution de l’intelligence artificielle de nouvelle génération, de l’informatique avancée et de l’électronique grand public.

D'où vient l'emballage en carbone

Rost et coll. a proposé le « modèle de concentration », suggérant que les changements dans le rapport des substances en phase gazeuse sont la principale cause de l'encapsulation du carbone. Li et coll. ont découvert que la graphitisation des graines peut induire une encapsulation du carbone avant le début de la croissance. En raison de la fuite de l'atmosphère riche en silicium du creuset et de l'interaction active entre l'atmosphère de silicium et le creuset en graphite et d'autres éléments en graphite, la graphitisation de la source de carbure de silicium est inévitable. Par conséquent, la pression partielle relativement faible de Si dans la chambre de croissance peut être la principale cause de l’encapsulation du carbone. Cependant, Avrov et al. a fait valoir que l’encapsulation du carbone n’est pas causée par une carence en silicium. Ainsi, la forte corrosion des éléments en graphite due à un excès de silicium pourrait être la principale cause des inclusions de carbone. Des preuves expérimentales directes présentées dans cet article montrent que de fines particules de carbone présentes sur la surface de la source peuvent être entraînées dans le front de croissance des monocristaux de carbure de silicium, formant ainsi des encapsulations de carbone. Ce résultat indique que la génération de fines particules de carbone dans la chambre de croissance est la principale cause de l'encapsulation du carbone. L'apparition d'une encapsulation de carbone dans les monocristaux de carbure de silicium n'est pas due à la faible pression partielle de Si dans la chambre de croissance, mais plutôt à la formation de particules de carbone faiblement connectées dues à la graphitisation de la source de carbure de silicium et à la corrosion des éléments en graphite.

La distribution des inclusions semble ressembler étroitement au motif des plaques de graphite sur la surface de la source. Les zones sans inclusion dans les plaquettes monocristallines sont circulaires, d'un diamètre d'environ 3 mm, ce qui correspond parfaitement au diamètre des trous circulaires perforés. Cela suggère que l’encapsulation du carbone provient de la zone de la matière première, ce qui signifie que la graphitisation de la matière première provoque le défaut d’encapsulation du carbone.

La croissance des cristaux de carbure de silicium nécessite généralement 100 à 150 heures. Au fur et à mesure de la croissance, la graphitisation de la matière première devient plus sévère. Face à la demande croissante de cristaux épais, la graphitisation de la matière première devient une question clé.

Solution d'emballage en carbone

1.La théorie de la sublimation des matières premières en PVT

• Rapport surface/volume : Dans les systèmes chimiques, le taux d’augmentation de la surface d’une substance est beaucoup plus lent que le taux d’augmentation de son volume. Par conséquent, plus la taille des particules est grande, plus le rapport surface/volume (surface/volume) est petit.
• L'évaporation se produit à la surface : seuls les atomes ou molécules situés à la surface de la particule ont la possibilité de s'échapper dans la phase gazeuse. Par conséquent, le taux et la quantité totale d’évaporation sont directement liés à la surface exposée par la particule.
• Caractéristiques d'évaporation des grosses particules : rapport surface/volume plus petit. Moins de molécules/atomes de surface, ce qui signifie moins de sites de surface disponibles pour l'évaporation. (Une grosse particule contre plusieurs petites particules) Taux d’évaporation plus lent : moins de molécules/atomes s’échappent de la surface des particules par unité de temps. Évaporation plus uniforme (moins de variation des espèces) : En raison de la surface relativement petite, la diffusion du matériau interne vers la surface nécessite un trajet plus long et plus de temps. L'évaporation se produit principalement au niveau de la couche la plus externe.
• Matière première à petites particules (grand rapport surface/volume) : « Non brûlées » (l'évaporation/sublimation change radicalement) : les petites particules sont presque entièrement exposées à des températures élevées, provoquant une « gazéification » rapide : elles se subliment très rapidement et, dans la phase initiale, libèrent principalement les composants les plus facilement sublimés (généralement des gaz riches en silicium). Bientôt, la surface des petites particules devient riche en carbone (car le carbone est relativement difficile à sublimer). Il en résulte une différence significative dans la composition du gaz sublimé avant et après : le gaz commence par être riche en silicium et devient ensuite riche en carbone.

• Croissance complétée avec une matière première de 0,5 mm
• Croissance complétée avec une matière première de méthode d'auto-propagation de 1 à 2 mm
• Croissance complétée avec une matière première CVD de 4 à 10 mm

Comme le montre le diagramme ci-dessus, l'augmentation de la taille des particules de la matière première contribue à supprimer la volatilisation préférentielle du composant Si dans la matière première, rendant ainsi la composition en phase gazeuse plus stable pendant tout le processus de croissance et résolvant le problème de graphitisation de la matière première. Les matériaux CVD à grosses particules, en particulier les matières premières d'une taille supérieure à 8 mm, devraient résoudre complètement le problème de graphitisation, éliminant ainsi le défaut d'encapsulation du carbone dans le substrat.

Conclusion et perspectives

La matière première SiC stoechiométrique à grosses particules, de haute pureté, synthétisée par la méthode CVD, avec son faible rapport surface/volume inhérent, fournit une source de sublimation hautement stable et contrôlable pour la croissance de monocristaux de SiC à l'aide de la méthode PVT. Il ne s'agit pas seulement d'un changement dans la forme de la matière première, mais également d'une refonte et d'une optimisation fondamentales de l'environnement thermodynamique et cinétique du procédé PVT.

Les avantages de l'application se traduisent directement par :

• Qualité monocristalline supérieure : établissement d'une base matérielle pour la production de substrats à faibles défauts adaptés aux dispositifs haute tension et haute puissance tels que les MOSFET et les IGBT.
• Meilleure économie de processus : amélioration de la stabilité du taux de croissance, de l'utilisation des matières premières et du rendement du processus, contribuant ainsi à réduire le prix coûteux du substrat SiC et favorisant l'adoption généralisée d'applications en aval.
• Taille de cristal plus grande : des conditions de processus stables sont plus favorables à l’industrialisation de monocristaux de SiC de 8 pouces et plus.