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？

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。