隨著全球汽車行業(yè)向電動化轉型，碳化硅芯片因其卓越的性能，成為電動汽車發(fā)展的關鍵推動力以及眾多整車廠的首選。在這一技術前沿，博世憑借其創(chuàng)新的溝槽蝕刻技術，尤其是垂直溝槽結構的開發(fā)，正在重新定義半導體設計和制造的標準。本文將介紹博世溝槽蝕刻技術的核心優(yōu)勢，以及垂直芯片結構相較于傳統(tǒng)平面結構的差異。

垂直溝槽結構的誕生：從硅到碳化硅

博世在半導體領域的創(chuàng)新始于1990年代，由Andrea Urban和Franz L?rmer發(fā)明了“博世工藝”（深反應離子蝕刻工藝），成功實現(xiàn)了硅晶圓的溝槽蝕刻。這一技術通過交替進行蝕刻和鈍化步驟，能夠在硅晶圓上形成陡峭的側壁和深垂直溝槽，為微機電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展奠定了基礎。

然而，隨著碳化硅材料的崛起，傳統(tǒng)的博世工藝面臨新的挑戰(zhàn)。碳化硅的分子鍵能是硅的兩倍，化學惰性更高，這使得傳統(tǒng)的蝕刻方法難以直接應用于碳化硅晶圓。由于材料特性帶來的挑戰(zhàn)，幾乎所有其他供應商都專注于生產平面碳化硅芯片。盡管如此，博世團隊堅信碳化硅在汽車行業(yè)中的潛力，并決定開發(fā)一種全新的溝槽蝕刻工藝，以充分發(fā)揮碳化硅材料的優(yōu)勢。

傳送門：博世工藝：革命性MEMS制造技術的誕生與發(fā)展

使用“博世工藝”制造的深硅溝槽式碳化硅溝槽蝕刻的起點。

垂直溝槽結構的核心優(yōu)勢

垂直溝槽結構是博世碳化硅芯片技術的核心創(chuàng)新之一。與傳統(tǒng)的平面結構相比，垂直溝槽結構在多個方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢：

更高的集成度與功率密度

垂直溝槽結構通過在晶圓中蝕刻出深溝槽，將柵極電極嵌入溝槽內部，而非僅僅放置在材料表面。這種設計使得芯片能夠在相同尺寸的晶圓上集成更多的單元和功能，從而大幅提高封裝效率和功率密度。博世汽車電子寬禁帶半導體首席專家Klaus Heyers博士解釋道：“垂直溝槽結構使我們能夠在更小的尺寸下實現(xiàn)與平面芯片相同的性能，甚至更優(yōu)?！?/p>

優(yōu)異的電氣隔離性能

溝槽結構在芯片上形成了天然的隔離屏障，有效防止不同組件之間的電氣干擾。這種隔離性能在高壓、高功率的應用場景中尤為重要，能夠顯著提升芯片的可靠性和穩(wěn)定性。

充分利用碳化硅的材料特性

碳化硅具有各向異性的導電特性，電子在垂直方向上的傳輸比水平方向更容易。垂直溝槽結構充分利用了這一特性，使得電子能夠更高效地通過芯片，從而提升整體性能。

更緊湊的設計與成本優(yōu)勢

垂直溝槽結構使得芯片尺寸更小，這不僅有助于實現(xiàn)更緊湊的電子系統(tǒng)設計，還能在芯片和系統(tǒng)層面降低成本。博世汽車電子工藝開發(fā)工程師Jens Kalmbach博士指出：“在汽車行業(yè)，高性價比尤為關鍵。更小的芯片意味著更低的材料成本和更高效的制造流程?！?/p>

博世自2001年起開始研發(fā)碳化硅功率半導體；博世首款MOSFET原型于2011年問世。

碳化硅溝槽蝕刻技術的突破

為了克服碳化硅材料的蝕刻難題，博世團隊開發(fā)了一種全新的溝槽蝕刻工藝。這一工藝在傳統(tǒng)博世工藝的基礎上進行了優(yōu)化，采用了不同的氣體混合物和調整后的工藝條件。具體而言，蝕刻過程分為兩個階段：

蝕刻階段：通過氣體混合物形成等離子體，將加速離子幾乎垂直地射向晶圓，以去除材料。

鈍化階段：使用氧氣和氦氣防止電荷積聚，并形成圓形溝槽輪廓。

這種工藝不僅實現(xiàn)了陡峭而深的溝槽蝕刻，還確保了溝槽側壁的平滑度，從而最大限度地提升了芯片的性能和可靠性。

從150毫米到200毫米晶圓：技術持續(xù)演進

為了滿足市場對碳化硅芯片的快速增長需求，博世正在將其溝槽蝕刻技術從150毫米晶圓擴展到200毫米晶圓，并顯著擴展其生產能力。Kalmbach博士解釋道：“為應對更大尺寸晶圓的挑戰(zhàn)，200毫米晶圓的工藝是連續(xù)性的，以實現(xiàn)更平滑的溝槽輪廓和更高的生產效率?！?/p>

博世在德國羅伊特林根和美國羅斯維爾的新生產基地將進一步推動這一技術的規(guī)?；瘧?，為電動出行的未來發(fā)展提供強有力的支持。

博世自2021年底以來，已在位于羅伊特林根的工廠開始大規(guī)模生產其第一代碳化硅芯片，采用150毫米的晶圓。自2024年6月，博世在羅伊特林根開始生產第二代碳化硅芯片樣品，采用200毫米晶圓，供客戶試跑。于2027年，博世計劃啟動第三代碳化硅芯片的200毫米晶圓量產。

垂直溝槽結構的未來展望

博世的垂直溝槽蝕刻技術不僅是半導體制造領域的一項重大突破，更是推動電動汽車行業(yè)向前發(fā)展的關鍵動力。通過將碳化硅材料的優(yōu)異特性與垂直溝槽結構的設計優(yōu)勢相結合，博世正在為高效、緊湊、可靠的電動出行解決方案奠定基礎。

隨著全球對碳化硅芯片需求的持續(xù)增長，博世的創(chuàng)新技術將繼續(xù)引領行業(yè)變革，為可持續(xù)的未來出行貢獻力量。正如Heyers博士所言：“我們的碳化硅溝槽蝕刻技術是我們在汽車半導體領域多年經驗的集大成者，它將為現(xiàn)代出行帶來革命性的改變?！?/p>

博世的垂直溝槽蝕刻技術，不僅是一項技術突破，更是電動出行時代的重要里程碑。通過這一創(chuàng)新，博世正在為更高效、更可持續(xù)的未來鋪平道路。