如何借助高均匀性的 SOI 优化衬底在 MEMS 中实现多种设计创新？
作者：Alain DELPY，Soitec 业务发展经理
微机电系统 （Micro－Electro－Mechanical Systems， MEMS） 是迄今最具潜力的 CMOS 传感器与驱动器电子器件集成解决方案。通过在 200mm 的单晶顶层硅下提供氧化埋层，SOI 衬底能够为创新的 MEMS 器件设计提供更多可能。
来源：Soitec
不断增长的 MEMS 市场
MEMS 通常被定义为一种产品或工艺，可应用于广泛的市场。据市场分析专家 Yole 预测，MEMS 全球市场规模到 2026 年将达到 182 亿美元。MEMS 将覆盖消费、汽车和工业等领域，终端产品也将涉及极为广泛的应用与功能，包括麦克风、耳机、陀螺仪、喷墨打印机、压力传感器、气体传感器等。截止 2024 年，全球 MEMS 器件将达到约 200亿颗，这对主攻 150mm 和 200mm 晶圆的代工厂来说意味着巨大的商机。
在这个活跃的市场中，SOI（绝缘体上硅）晶圆为 MEMS 技术提供了一种智能解决方案，助力提升器件的工艺效率、良率及稳定性。
MEMS：从模拟世界进入数字系统的大门
传感器被用于捕捉模拟世界的信息，并将物理测量值转换为电信号，随后通过数字系统进行处理。在此基础上，可以应用人工智能软件层来提升应用的性能。
MEMS 芯片与其他关键功能共同集成以应对各种环境限制，使其能够捕捉或传播现实生活中的各种物理效应。
MEMS 器件的主要功能模块
该工艺节点的能力提升和性能优化为设计者提供了多种选择，包括混合解决方案或封装内的芯片堆叠。在理想条件下，使用优化 CMOS 工艺节点并将所有传感器共同集成到单个芯片上的“复合型传感器”，体现了集成的最高水准。
采用 SOI 优化衬底的 MEMS（来源：CEA－Leti）
这种尖端的工艺采用 SOI 解决方案，通过颠覆性的方法将多个传感器集成于同一芯片上。 例如，高级陀螺仪将加速度计、压力传感器和精密振荡器集成于一体。
SOI 衬底优势何在？
SOI 晶圆由单晶顶层硅、氧化埋层（用于隔离体硅）和体硅组成。Soitec 的优化Smart Cut™解决方案能让设计人员得到独特且极其均匀的 SOI 层，从而在 MEMS 设计中实现多种用途。Soitec 可根据需求为顶层和基底提供不同的掺杂水平，最终获得不同的材料电阻率。
SOI 衬底结构
顶层硅显然是 MEMS 中最敏感的部分，它是晶圆结构中的有源层，能够识别、监测与量化物理效应。采用 Smart Cut 技术生产的 SOI 晶圆硅薄膜，能够符合标准严格的厚度、粗糙度和其他几何参数规范，确保设计能够满足最苛刻的终端应用要求和 MEMS 产品要求。而且，通过外延沉积技术，顶层硅的厚度还可扩展至 20μm。
氧化埋层的选择性蚀刻（范围从 300nm 到 3．9μm）能够获得厚度精确的单晶顶层硅薄膜，设计人员可由此构建诸如薄膜、悬臂梁或其他智能传感器类型的器件。MEMS 结构中的氧化埋层还可用于隔离电子器件与基底。
厚度和均匀性是关键的 SOI 差异性参数，决定了是否能为先进的 MEMS 器件（例如 CMUT）提供可复制的生产工艺。凭借 Smart Cut 技术，设计人员可以实现 MEMS 器件的最小化，并且更好地控制潜在的工艺偏差以及提高良率。
Soitec 的 Smart Cut 工艺是唯一能够高度控制严格均匀性的 SOI 衬底技术，从而实现超薄的 SOI 衬底。对于较厚的 SOI 层，借助外延沉积层等技术，Soitec 的 200mm 晶圆可以实现丰富的功能组合。
Soitec 还考虑在极小的腔体上进行 Smart Cut 沉积，以满足超声或光子传感器等要求更加严苛的应用。
Soitec 丰富的产品组合
总结
SOI－MEMS 衬底为需要超薄 SOI 单晶和严格均匀性的先进 MEMS 器件提供了真正的差异化设计。Soitec 拥有丰富的产品组合，SOI 层厚度从 140nm 到 20μm 不等，氧化埋层厚度可达 3．9μm，SOI 层和基底晶圆的电阻率根据要求可降至 0．01Ohm．cm。
从原型设计到 200mm 晶圆的大批量生产，Soitec 上海办公室可帮助客户选择最佳方案，并提供最优服务。
凭借丰富的材料产品，如 SOI、SiC、GaN 或化合物半导体，Soitec 可供应数百万的 150mm、200mm 和 300mm晶圆，服务于汽车和工业、移动通信和智能设备市场。
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关于Soitec
法国 Soitec 半导体公司是设计和生产创新性半导体材料的全球领先企业，以其独特的技术和半导体领域的专长服务于电子和能源市场。Soitec在全球拥有约 3，500 项专利，在不断创新的基础上满足客户对高性能、低能耗以及低成本的需求。Soitec 在欧洲、美国和亚洲设有制造工厂、研发中心和办事处。Soitec 全力致力于可持续发展，于 2021 年将可持续发展纳入企业宗旨：“我们提供科技创新的土壤，赋能电子设备的智能和节能，缔造可持续的美好生活。 ”
Soitec 和 Smart Cut 是 Soitec 的注册商标。
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