微机电系统（MEMS）一直被广泛应用于电子器件的传感器和驱动器中。而绝缘体上硅（SOI）衬底则凭借自身的优越特性，为创新的器件设计提供了更多可能。
MEMS市场规模与日俱增
MEMS通常被定义为一种产品或工艺，有着广泛的市场应用，涉及消费、汽车和工业等领域，终端产品包括麦克风、耳机、陀螺仪、喷墨打印机、压力传感器、气体传感器等。
Yole预测，截止年，全球使用MEMS的器件将达到约亿台，最终市场规模可达亿美元。这意味着全球近30家6寸、8寸和12英寸晶圆代工厂的市场前景将非常广阔。其中有部分厂商正借助SOI来提升器件的性能、良率和稳定性。
资料来源：Yole，
什么是MEMS？
MEMS系统通常分布在不同的模块中，这些模块针对性能、成本和尺寸进行了优化。MEMS的封装受多种条件制约，因为MEMS中的有源器件需与环境接触，这对通过隔离（湿度、灰尘、电等）实现的封装方式提出了严格的要求。
典型MEMS功能示意图
工艺节点的能力提升和性能优化为设计提供了多种选择，混合解决方案或芯片堆叠被用于产品优化。在理想条件下，将所有传感器共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。
尽管如此，法国原子能委员会电子与信息技术实验室（CEA-Leti）领先地采用了创新的SOI解决方案。微机电与纳米机电（MNEMS）技术增强了解决方案的灵活性，让一块芯片上能够集成多个传感器。例如，高级陀螺仪就能将加速度计、压力传感器甚至时间参考谐振器集成于一体。
采用SOI衬底的MEMS（资料来源：CEA/LETI）
SOI衬底的优势何在？
SOI晶圆采用单晶顶层硅，中间有氧化埋层用来和底层体硅隔离。Soitec的优化SmartCut?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，最终获得不同的电阻率。此外，其特有的基底可在应用环境中集成新的器件，例如微光机电系统（MOEMS）。
SOI晶圆结构
在SOI晶圆结构中，顶层被用作识别、监测和量化物理效应的传感器，它无疑是MEMS中最敏感的部分。因此，熟练掌握其制造工艺十分有必要。采用SmartCut?技术生产的SOI晶圆硅薄层，能够严格符合厚度、粗糙度和其他参数规范，满足最苛刻的终端应用要求和MEMS产品要求。
通过蚀刻厚度精确的顶部单晶硅薄膜（例如膜片），能够获得从nm到3.9μm的氧化埋层。氧化埋层可以将电子器件与构成MEMS的体硅隔离。
下面让我们通过一个简单的对比来了解构建MEMS器件的不同方法。
与左侧采用基本体硅工艺制作腔体相比，SOI工艺解决方案展现了更好的参数控制力。它可以将MEMS器件最小化（通过各向异性蚀刻抑制角侧壁轮廓）并简化工艺步骤，从而得到微加工元件。
优秀之处不仅限于BSOI
对SOI衬底而言，厚度和均匀性的差异参数决定着是否能够为先进器件实现可复制的生产工艺。SmartCut?技术可降低厚度，更好地控制潜在的工艺偏差和良率。
通过Soitec的SmartCut?工艺所生产的SOI晶圆能够满足严苛的均匀性要求。此外，对于较厚的SOI衬底，借助SmartCut?技术和外延技术，Soitec的mm晶圆可提供丰富的功能。
极具灵活性，可适用于多种设计
SmartCut?赋能超声系统
在SmartCut?的帮助下，超声系统能够使谐振腔顶部形成精确且可重复的膜片。超声探头需要依靠谐振腔来传输和捕获超声波，而腔体宽度和薄膜厚度决定了谐振频率。
以频率为10MHz的超声系统为例，Soitec能用有腔体的预制图案基底晶圆制造对厚度和均匀性有特别要求的薄硅膜。这样的薄硅膜有以下优势：
缩小谐振腔，提高分辨率
优化均匀性和常规性能，防止工艺窗口偏差
缩小芯片尺寸，降低成本
超声成像系统可以比作成像传感器，即更小的像素能够带来更高的分辨率。假设超声波具有相同的灵敏度，则更小的谐振腔能实现更高的成像器分辨率。因此，高密度的有源膜片区域成为了最佳选择。它可将功率传输效率和接收灵敏度最大化，这样就能优化工艺，将相邻腔体间距最小化，例如“SOI和预蚀刻腔”。
此外，多晶硅形成的膜会受到应力，且具有一定可变性；与之相比，SOI衬底解决方案使用的是无应力、可重复利用的单晶硅膜。
Soitec丰富的产品组合能处理从几微米到40μm宽的腔体，腔体深度从nm到2μm不等。腔体顶部由厚达20μm的谐振膜覆盖。
下图是一个覆膜的20x20μm2方形腔体，壁间距为8μm（顶视图）。横截面图则显示了由nm厚、高度均匀的受控膜层覆盖的薄腔体。
被20x20μm2谐振腔完全覆盖的
mm晶圆顶视图
覆有nm薄膜的
20x20μm腔体横截面
与同行相比，Soitec凭借SmartCut?技术缩小了谐振传感器矩阵尺寸，与大谐振腔相比，减少“像素检测”能提高超声设备的图像分辨率性能。
Soitec助力实现MEMS差异化设计
SOI-MEMS基底为需要薄SOI单晶和紧密均匀层的高级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nm到20μm不等，氧化层厚度可达3.9μm。SOI层和基底晶圆的电阻率可降至0.01Ohm.cm。通过大量实践与合作，Soitec在MEMS领域积累了丰富的经验。从原型设计到mm晶圆的大批量生产，Soitec上海办公室可提供及时、完善的产品和技术支持。
Soitec今年可提供约万片晶圆，服务要求严苛的汽车、移动通信和智能设备市场。到年，Soitec的产能将提高到万片。
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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,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。
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