如何借助高均勻性的 SOI 優(yōu)化襯底在 MEMS 中實(shí)現(xiàn)多種設(shè)計(jì)創(chuàng)新？

微機(jī)電系統(tǒng) (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS) 是迄今最具潛力的 CMOS 傳感器與驅(qū)動器電子器件集成解決方案。通過在 200mm 的單晶頂層硅下提供氧化埋層，SOI 襯底能夠?yàn)閯?chuàng)新的 MEMS 器件設(shè)計(jì)提供更多可能。

來源：Soitec

不斷增長的 MEMS 市場

MEMS 通常被定義為一種產(chǎn)品或工藝，可應(yīng)用于廣泛的市場。據(jù)市場分析專家 Yole 預(yù)測，MEMS 全球市場規(guī)模到 2026 年將達(dá)到 182 億美元。MEMS 將覆蓋消費(fèi)、汽車和工業(yè)等領(lǐng)域，終端產(chǎn)品也將涉及極為廣泛的應(yīng)用與功能，包括麥克風(fēng)、耳機(jī)、陀螺儀、噴墨打印機(jī)、壓力傳感器、氣體傳感器等。截止 2024 年，全球 MEMS 器件將達(dá)到約 200億顆，這對主攻 150mm 和 200mm 晶圓的代工廠來說意味著巨大的商機(jī)。

在這個(gè)活躍的市場中，SOI（絕緣體上硅）晶圓為 MEMS 技術(shù)提供了一種智能解決方案，助力提升器件的工藝效率、良率及穩(wěn)定性。

MEMS：從模擬世界進(jìn)入數(shù)字系統(tǒng)的大門

傳感器被用于捕捉模擬世界的信息，并將物理測量值轉(zhuǎn)換為電信號，隨后通過數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理。在此基礎(chǔ)上，可以應(yīng)用人工智能軟件層來提升應(yīng)用的性能。

MEMS 芯片與其他關(guān)鍵功能共同集成以應(yīng)對各種環(huán)境限制，使其能夠捕捉或傳播現(xiàn)實(shí)生活中的各種物理效應(yīng)。

MEMS 器件的主要功能模塊

該工藝節(jié)點(diǎn)的能力提升和性能優(yōu)化為設(shè)計(jì)者提供了多種選擇，包括混合解決方案或封裝內(nèi)的芯片堆疊。在理想條件下，使用優(yōu)化 CMOS 工藝節(jié)點(diǎn)并將所有傳感器共同集成到單個(gè)芯片上的“復(fù)合型傳感器”，體現(xiàn)了集成的最高水準(zhǔn)。

采用 SOI 優(yōu)化襯底的 MEMS（來源：CEA-Leti）

這種尖端的工藝采用 SOI 解決方案，通過顛覆性的方法將多個(gè)傳感器集成于同一芯片上。 例如，高級陀螺儀將加速度計(jì)、壓力傳感器和精密振蕩器集成于一體。

SOI 襯底優(yōu)勢何在？

SOI 晶圓由單晶頂層硅、氧化埋層（用于隔離體硅）和體硅組成。Soitec 的優(yōu)化Smart Cut?解決方案能讓設(shè)計(jì)人員得到獨(dú)特且極其均勻的 SOI 層，從而在 MEMS 設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)多種用途。Soitec 可根據(jù)需求為頂層和基底提供不同的摻雜水平，最終獲得不同的材料電阻率。

SOI 襯底結(jié)構(gòu)

頂層硅顯然是 MEMS 中最敏感的部分，它是晶圓結(jié)構(gòu)中的有源層，能夠識別、監(jiān)測與量化物理效應(yīng)。采用 Smart Cut 技術(shù)生產(chǎn)的 SOI 晶圓硅薄膜，能夠符合標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的厚度、粗糙度和其他幾何參數(shù)規(guī)范，確保設(shè)計(jì)能夠滿足最苛刻的終端應(yīng)用要求和 MEMS 產(chǎn)品要求。而且，通過外延沉積技術(shù)，頂層硅的厚度還可擴(kuò)展至 20μm。

氧化埋層的選擇性蝕刻（范圍從 300nm 到 3.9μm）能夠獲得厚度精確的單晶頂層硅薄膜，設(shè)計(jì)人員可由此構(gòu)建諸如薄膜、懸臂梁或其他智能傳感器類型的器件。MEMS 結(jié)構(gòu)中的氧化埋層還可用于隔離電子器件與基底。

厚度和均勻性是關(guān)鍵的 SOI 差異性參數(shù)，決定了是否能為先進(jìn)的 MEMS 器件（例如 CMUT）提供可復(fù)制的生產(chǎn)工藝。憑借 Smart Cut 技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn) MEMS 器件的最小化，并且更好地控制潛在的工藝偏差以及提高良率。

Soitec 的 Smart Cut 工藝是唯一能夠高度控制嚴(yán)格均勻性的 SOI 襯底技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)超薄的 SOI 襯底。對于較厚的 SOI 層，借助外延沉積層等技術(shù)，Soitec 的 200mm 晶圓可以實(shí)現(xiàn)豐富的功能組合。

Soitec 還考慮在極小的腔體上進(jìn)行 Smart Cut 沉積，以滿足超聲或光子傳感器等要求更加嚴(yán)苛的應(yīng)用。

Soitec 豐富的產(chǎn)品組合

總結(jié)

SOI-MEMS 襯底為需要超薄 SOI 單晶和嚴(yán)格均勻性的先進(jìn) MEMS 器件提供了真正的差異化設(shè)計(jì)。Soitec 擁有豐富的產(chǎn)品組合，SOI 層厚度從 140nm 到 20μm 不等，氧化埋層厚度可達(dá) 3.9μm，SOI 層和基底晶圓的電阻率根據(jù)要求可降至 0.01Ohm.cm。

從原型設(shè)計(jì)到 200mm 晶圓的大批量生產(chǎn)，Soitec 上海辦公室可幫助客戶選擇最佳方案，并提供最優(yōu)服務(wù)。

憑借豐富的材料產(chǎn)品，如 SOI、SiC、GaN 或化合物半導(dǎo)體，Soitec 可供應(yīng)數(shù)百萬的 150mm、200mm 和 300mm晶圓，服務(wù)于汽車和工業(yè)、移動通信和智能設(shè)備市場。