#CavitySOI晶圆 #SOI晶圆 #超平整SOI晶圆

划重点：

文中同款超均匀厚膜CavitySOI晶圆--全国产

    #普通厚膜顶层精度+-1um

    #加强版超均匀厚膜SOI晶圆+-100nm

    #Cavity SOI #Cavity LNOI #Cavity LTOI

#PZT压电薄膜晶圆，d31 200pm/v d33 600pm/V

#40%AlScN 薄膜晶圆 #AlN镀膜

摘要—本文介绍了在增强型腔体硅绝缘体（EC-SOI）晶圆上开发压电微机械超声换能器（PMUTs）的过程。开发了一种基于铝氮（AlN）的PMUT阵列，设计用于在水中工作频率为7 MHz（在空气中为9.5 MHz），尺寸为2.05 x 2.05 mm²。EC-SOI晶圆的开发过程涉及通过额外步骤局部去除标准C-SOI晶圆的器件层材料，从而提高了器件层在晶圆级的厚度均匀性。PMUT阵列在C-SOI和EC-SOI晶圆上均有制造，以进行比较。晶圆级电气表征结果显示，EC-SOI晶圆上PMUT的频率均匀性比标准C-SOI晶圆上制造的PMUTs好3倍以上。晶圆级谐振频率变化小于3.5%，且95%的芯片频率变化小于2%。PMUT阵列的声学表征结果表明，其发射灵敏度为6.9 kPa/V，谐振带宽为2.8 MHz。

关键词—PMUT，腔体硅绝缘体（C-SOI），增强型C-SOI（EC-SOI），频率均匀性，声学表征

#全国产SOI晶圆定制加工   #468寸50nm-15um热氧片

库存片：

220nmSI高阻-3umSIO2-675umSI 6寸8寸 用于薄硅硅光

3000nmSI高阻-3umSIO2-675umSI 6寸8寸 用于厚硅硅光

#尺寸4-8寸 

#最小起订量1片

#热氧层厚度范围50nm-15um

#膜厚精度最高精度+-5nm

#厚膜SOI-减薄抛光工艺600nm到微米级，加离子束精修，超级高精度膜厚均匀性

 #CavitySOI-带空腔SOI晶圆，光刻显影刻蚀键合制作SOI

#超平硅片-TTV500nm

我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,6寸DUVKRF电子束光刻等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。

请联系小编免费获取原文

文章名：Development and Characterization of PMUTs using  Enchanced C-SOI Wafers

作者：Juha Larismaa and Katja Parkkinen Cyril Baby Karuthedath, Abhilash Thanniyil Sebastian and Teuvo Sillanpä

单位：VTT/OKEMTICS

I. 引言
压电微机械超声换能器（PMUTs）因其在医学成像、手势识别和流量测量等领域的广泛应用而受到广泛关注[1][2]。PMUTs的制造通常采用两种主要方法：深反应离子刻蚀（DRIE）[3]和腔体硅绝缘体（C-SOI）晶圆[4]基工艺。这些方法在方法和适用的PMUT工作频率方面有显著差异。
基于DRIE的工艺主要用于制造工作频率低于2 MHz的气耦合PMUTs。该工艺通过在硅晶圆上刻蚀，创建所需的膜结构用于PMUT。相比之下，基于C-SOI的工艺更适用于制造工作频率高于1 MHz的PMUTs。C-SOI晶圆通过将带有预形成腔体的晶圆与另一个作为器件层的晶圆进行粘合来开发。然后，通过磨削和化学机械抛光（CMP）将器件层磨薄至所需的厚度。
C-SOI制造工艺的一个显著挑战是器件层厚度的固有变化，通常由于CMP工艺，厚度变化约为±300 nm。由于器件层构成PMUT的结构部分，其厚度的任何变化都会显著影响换能器的性能。尤其是当器件层厚度减小时，这种变化对PMUT性能的影响更加显著。

II. PMUT开发
A. 设计
已设计出一种工作频率约为7 MHz（在水中为9.5 MHz）的PMUT阵列。图1显示了PMUT单元的横截面。

图1. PMUT单元的二维横截面视图

器件硅（Si）层的厚度为2.5 µm，膜的直径为70 µm。钼（Mo）底电极、铝氮（AlN）压电层和铝硅（AlSi）顶电极的厚度分别为0.185 µm、1 µm和0.5 µm。共连接了23 x 23个PMUT单元，形成PMUT阵列，单元之间的间距为90 µm。阵列的有效区域为2.05 mm x 2.05 mm。

PMUT的工作频率主要由膜的厚度、直径和材料特性决定[5]。保持这些参数在规定的范围内对于确保阵列内、晶圆间以及晶圆与晶圆之间的性能均匀性至关重要。在基于C-SOI（腔体硅绝缘体）结构的PMUT中，主要的变化来源是器件层的厚度。通过COMSOL模拟分析了器件层厚度变化的影响。图2所示的结果表明，当器件层的厚度从2.2 µm增加到2.7 µm时，PMUT的谐振频率从9 MHz偏移到10.3 MHz。

图2. PMUT频率随器件层厚度变化的变化情况

为了实现频率均匀性，保持器件层厚度的均匀性是至关重要的。

B. 增强型C-SOI晶圆
p型器件晶圆具有（100）取向，并掺有硼，电阻率为0.007-0.015 Ω·cm。处理晶圆经过双面抛光（DSP）处理，并进行200 nm的热氧化。DSP晶圆通过光刻进行图案化。腔体通过DRIE方法蚀刻至10 µm的深度。SOI器件层通过磨削和CMP抛光被薄化至所需的厚度2.5±0.3 µm，而E-SOI则增加了额外的工艺步骤，局部去除器件层的材料，从而提高了器件均匀性，达到2.5±0.1 µm。在这两种情况下，器件层与图案化的处理晶圆结合，形成C-SOI或EC-SOI晶圆。

图3比较了单个EC-SOI和C-SOI晶圆的器件厚度图，可以明显看出EC-SOI的厚度均匀性优于C-SOI。

图3. （左）图像显示了单个EC-SOI晶圆的器件层厚度均匀性。（右）图像显示了单个C-SOI晶圆的类似数据。

图4展示了所有C-SOI和EC-SOI晶圆的器件层厚度分布。

图4. C-SOI和EC-SOI晶圆上器件层厚度的分布

C-SOI和EC-SOI晶圆的处理工作在Okmetic公司完成。C-SOI晶圆显著减少了制造PMUT器件时所需的工艺步骤，从而提高了产率并缩短了生产周期。

C. 制造
本节描述了PMUTs的制造过程[4]。C-SOI和EC-SOI晶圆被用来制造PMUT，并一起加工以比较它们的结果。两种晶圆使用相同的掩膜设计和工艺参数，包括层厚度。为了提供电气隔离，首先生长一层薄的二氧化硅（SiO2）。然后进行钼（Mo）底电极的溅射沉积，并通过图案化以减少偏置电容。接下来溅射沉积铝氮（AlN）压电活性层。在底层和压电层沉积过程中优化溅射工艺参数，确保残余应力保持在100 MPa以下。压电层经过图案化，并使用SiO2掩膜进行湿法刻蚀，采用四甲基氨基氢氧化物（TMAH）溶液来制造与底电极的接触，并提高PMUT的性能。铝硅（AlSi）顶电极进行溅射沉积并图案化。为了减少电阻损耗，顶电极金属使用相对较厚的AlSi层。最后，晶圆用一层薄的氮化硅（Si3N4）进行钝化，并进行图案化和刻蚀，以打开焊线垫。图5展示了制造完成的器件的光学显微镜图像。

图5. 制造的PMUT阵列的照片

III. PMUT表征
为了评估性能，测量了在EC-SOI和C-SOI晶圆上制造的PMUT的晶圆级阻抗响应。图6显示了PMUT阵列的阻抗响应以及从阻抗响应推导出的PMUT电气等效模型。

图6. PMUT阵列在空气中的阻抗响应

推导的模型有助于理解PMUT的性能。电气测量结果显示，44个在晶圆上制造的PMUT中有41个功能正常，达到了超过90%的良率。

检查PMUT的谐振频率为我们提供了关于器件层厚度变化影响的宝贵见解，而器件层厚度是影响器件性能的关键因素。图7显示了所有在EC-SOI晶圆上制造的芯片的谐振频率。

图7. （上）在EC-SOI晶圆上制造的PMUT阵列的谐振频率；（下）在C-SOI和EC-SOI晶圆上制造的PMUT的频率分布。

整体晶圆级频率变化约为3.5%。值得注意的是，超过95%的芯片表现出小于2%的频率变化，表明晶圆上具有较强的均匀性。相比之下，在传统C-SOI晶圆上制造的PMUTs表现出显著更大的晶圆级频率变化，约为12%。图7展示了在EC-SOI和C-SOI晶圆上制造的PMUTs的频率分布。显然，EC-SOI晶圆上制造的PMUTs表现出优越的频率均匀性，其变化比在C-SOI晶圆上制造的PMUTs低3到4倍。这种改进的频率稳定性归因于EC-SOI工艺中更加可控和精确的器件层厚度。

制造的PMUT阵列的声学表征使用了Onda的AIMS III声学扫描水槽系统[6]。使用了直径为400 µm的水听器（Onda的HGL-0400 [7]）来测量PMUT阵列产生的压力。为了保护器件，PMUT阵列被涂覆了硅钝化涂层。在水中测试时，阵列在7.4 MHz频率下产生了最大声学压力。图8显示了在3.5 V、4周期、7.4 MHz激励信号驱动下，由PMUT阵列在XZ平面上产生的压力场。

图8. PMUT产生的压力场（XZ轴）。驱动信号为3.5 V，7.4 MHz，4个周期。

测试中，8 mm处的压力接近24 kPa。PMUT阵列的3 dB带宽为2.8 MHz。

IV. 结论
在本研究中，我们成功地开发并表征了使用EC-SOI晶圆的压电微机械超声换能器（PMUTs）。在EC-SOI晶圆上制造的AlN PMUT阵列表现出优越的频率均匀性，相较于标准C-SOI晶圆，晶圆级谐振频率变化小于3.5%，且95%的芯片的频率变化小于2%。在EC-SOI晶圆上制造的PMUT阵列在水中7.4 MHz的谐振频率下表现出6.9 kPa/V的传输灵敏度和2.8 MHz的带宽。这些结果表明，EC-SOI晶圆中器件层的增强均匀性显著提高了PMUT器件的性能和可靠性。