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？

时间：2022-04-24 14:40:26

关键字： Soitec SOI MEMS

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[导读]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。

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。