从硅到碳化硅的沟槽蚀刻技术：30年的经验积淀

随着所谓的博世工艺（也称为深反应离子刻蚀工艺）的发明，博世显著改变了半导体行业，首次成功生产用于微机电系统（MEMS）的具有陡峭侧壁和深垂直沟槽的硅晶圆。几十年后，博世在这一技术基础上开发出了具有垂直沟槽的碳化硅半导体，成为全球首批且为数不多的供应商之一。

这带来了多个优势：首先，沟槽可以作为芯片上不同器件之间的有效隔离，防止组件之间的电气干扰。其次，垂直结构使得在相同晶圆尺寸上可以集成更多的单元和功能，从而提高封装效率，并最终提升整个结构的功率密度。最后，一些晶圆材料（如碳化硅 SiC）的晶体结构具有各向异性导电特性，电子在垂直方向上的传输比水平方向更容易。“简而言之，具有垂直沟槽的芯片能够在更小的尺寸下实现与平面芯片相同的性能。”Heyers说道。

博世工艺由Andrea Urban和Franz Lärmer在1990年代初发明，成功实现了硅晶圆的沟槽刻蚀，但对于碳化硅并不能以同样的方式奏效。尽管如此，博世对这一材料及其应用充满信心。“我们很早就意识到，碳化硅作为半导体在汽车行业中具有巨大的潜力，”Heyers提到了碳化硅芯片的诸多优势。“我们从一开始就知道，我们想要制造垂直沟道而非平面结构的碳化硅芯片，以充分利用这项技术的所有优势。”

这一决策证明是非常独到的：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。“碳化硅的分子键能大约是硅的两倍，并且它的化学活性远低于硅，”博世汽车电子工艺开发工程师Dr. Jens Kalmbach解释道。传统的沟槽刻蚀依赖于机械和化学磨损的结合。但由于碳化硅具有较高的惰性，针对晶圆材料加速离子射击的机械成分比化学成分更为重要。此外，平滑且陡峭的沟槽斜率对于碳化硅来说是至关重要的——这在传统的博世工艺下是非常具有挑战性的，几乎不可能实现。“我们确信我们能够为碳化硅开发一种新的工艺。毕竟，我们掌握了博世在沟槽刻蚀和微机械加工方面的全部技术、设备和经验。”Heyers强调道。

经过三年的努力，团队在2015年成功开发并获得了自研150毫米碳化硅晶圆的全新刻蚀工艺专利。与传统的博世工艺一样，这种碳化硅沟槽刻蚀工艺在两个阶段之间交替进行，但使用了不同的气体混合物和调整过的工艺条件。在刻蚀阶段，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。在第二阶段，使用氧气和氦气来防止电荷积聚，并获得所需的圆形沟槽轮廓。由于离子的射击方向，晶圆材料在水平方向上去除的速度比在结构侧面要快，从而刻蚀出陡峭而深的沟槽。

得益于这一全新的工艺，博世的碳化硅半导体将垂直沟道芯片的优势与碳化硅材料本身出色的导电性、高温高压稳定性以及卓越的开关性能相结合。这一工艺在汽车行业尤为重要。“在汽车行业，高性价比尤为关键，”Kalmbach解释道。“更小的芯片可以实现更紧凑的设计，最终不仅在芯片层面节省成本，还能在系统层面节省。”如今，碳化硅芯片已成为电动出行的关键推动力。它们主要应用于逆变器、变换器和车载充电器等组件，能够实现高效的能源管理和更长的驾驶续航里程。随着全球电动出行的快速发展，碳化硅芯片的需求正在飙升。

为了满足这一高需求并大幅提升生产能力，博世正在转向使用200毫米碳化硅晶圆，并显著扩展其生产能力。公司不仅在德国罗伊特林根建设新的生产基地，还在美国罗斯维尔收购了一座新工厂。

“与150毫米晶圆的沟槽刻蚀工艺不同，200毫米晶圆的工艺是连续性的，以实现沟槽底部略微圆形的轮廓和侧壁更平滑的轮廓。”Kalmbach解释道。样品已经成功生产。很快，这些芯片将为革命性地推动现代出行做出贡献。“在所有这些碳化硅芯片工艺开发过程中，我们作为技术供应商和使用者的独特地位，赋予了我们在满足用户需求方面的优势。我们的碳化硅沟槽刻蚀技术是我们在汽车半导体领域多年经验的集大成者。”Heyers总结道。