随着全球汽车行业向电动化转型，碳化硅芯片因其卓越的性能，成为电动汽车发展的关键推动力以及众多整车厂的首选。在这一技术前沿，博世凭借其创新的沟槽蚀刻技术，尤其是垂直沟槽结构的开发，正在重新定义半导体设计和制造的标准。本文将介绍博世沟槽蚀刻技术的核心优势，以及垂直芯片结构相较于传统平面结构的差异。
垂直沟槽结构的诞生：从硅到碳化硅
博世在半导体领域的创新始于1990年代，由Andrea Urban和Franz Lärmer发明了“博世工艺”（深反应离子蚀刻工艺），成功实现了硅晶圆的沟槽蚀刻。这一技术通过交替进行蚀刻和钝化步骤，能够在硅晶圆上形成陡峭的侧壁和深垂直沟槽，为微机电系统（MEMS）的发展奠定了基础。
然而，随着碳化硅材料的崛起，传统的博世工艺面临新的挑战。碳化硅的分子键能是硅的两倍，化学惰性更高，这使得传统的蚀刻方法难以直接应用于碳化硅晶圆。由于材料特性带来的挑战，几乎所有其他供应商都专注于生产平面碳化硅芯片。尽管如此，博世团队坚信碳化硅在汽车行业中的潜力，并决定开发一种全新的沟槽蚀刻工艺，以充分发挥碳化硅材料的优势。
使用“博世工艺”制造的深硅沟槽式碳化硅沟槽蚀刻的起点。
垂直沟槽结构的核心优势
垂直沟槽结构是博世碳化硅芯片技术的核心创新之一。与传统的平面结构相比，垂直沟槽结构在多个方面展现出显著优势：
更高的集成度与功率密度
垂直沟槽结构通过在晶圆中蚀刻出深沟槽，将栅极电极嵌入沟槽内部，而非仅仅放置在材料表面。这种设计使得芯片能够在相同尺寸的晶圆上集成更多的单元和功能，从而大幅提高封装效率和功率密度。博世汽车电子宽禁带半导体首席专家Klaus Heyers博士解释道：“垂直沟槽结构使我们能够在更小的尺寸下实现与平面芯片相同的性能，甚至更优。”
优异的电气隔离性能
沟槽结构在芯片上形成了天然的隔离屏障，有效防止不同组件之间的电气干扰。这种隔离性能在高压、高功率的应用场景中尤为重要，能够显著提升芯片的可靠性和稳定性。
充分利用碳化硅的材料特性
碳化硅具有各向异性的导电特性，电子在垂直方向上的传输比水平方向更容易。垂直沟槽结构充分利用了这一特性，使得电子能够更高效地通过芯片，从而提升整体性能。
更紧凑的设计与成本优势
垂直沟槽结构使得芯片尺寸更小，这不仅有助于实现更紧凑的电子系统设计，还能在芯片和系统层面降低成本。博世汽车电子工艺开发工程师Jens Kalmbach博士指出：“在汽车行业，高性价比尤为关键。更小的芯片意味着更低的材料成本和更高效的制造流程。”
博世自2001年起开始研发碳化硅功率半导体；博世首款MOSFET原型于2011年问世。
碳化硅沟槽蚀刻技术的突破
为了克服碳化硅材料的蚀刻难题，博世团队开发了一种全新的沟槽蚀刻工艺。这一工艺在传统博世工艺的基础上进行了优化，采用了不同的气体混合物和调整后的工艺条件。具体而言，蚀刻过程分为两个阶段：
蚀刻阶段：通过气体混合物形成等离子体，将加速离子几乎垂直地射向晶圆，以去除材料。
钝化阶段：使用氧气和氦气防止电荷积聚，并形成圆形沟槽轮廓。
这种工艺不仅实现了陡峭而深的沟槽蚀刻，还确保了沟槽侧壁的平滑度，从而最大限度地提升了芯片的性能和可靠性。
从150毫米到200毫米晶圆：技术持续演进
为了满足市场对碳化硅芯片的快速增长需求，博世正在将其沟槽蚀刻技术从150毫米晶圆扩展到200毫米晶圆，并显著扩展其生产能力。Kalmbach博士解释道：“为应对更大尺寸晶圆的挑战，200毫米晶圆的工艺是连续性的，以实现更平滑的沟槽轮廓和更高的生产效率。”
博世在德国罗伊特林根和美国罗斯维尔的新生产基地将进一步推动这一技术的规模化应用，为电动出行的未来发展提供强有力的支持。
博世自2021年底以来，已在位于罗伊特林根的工厂开始大规模生产其第一代碳化硅芯片，采用150毫米的晶圆。自2024年6月，博世在罗伊特林根开始生产第二代碳化硅芯片样品，采用200毫米晶圆，供客户试跑。于2027年，博世计划启动第三代碳化硅芯片的200毫米晶圆量产。
垂直沟槽结构的未来展望
博世的垂直沟槽蚀刻技术不仅是半导体制造领域的一项重大突破，更是推动电动汽车行业向前发展的关键动力。通过将碳化硅材料的优异特性与垂直沟槽结构的设计优势相结合，博世正在为高效、紧凑、可靠的电动出行解决方案奠定基础。
随着全球对碳化硅芯片需求的持续增长，博世的创新技术将继续引领行业变革，为可持续的未来出行贡献力量。正如Heyers博士所言：“我们的碳化硅沟槽蚀刻技术是我们在汽车半导体领域多年经验的集大成者，它将为现代出行带来革命性的改变。”
博世的垂直沟槽蚀刻技术，不仅是一项技术突破，更是电动出行时代的重要里程碑。通过这一创新，博世正在为更高效、更可持续的未来铺平道路。
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