文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了SOI晶圓制造技術。

SOI晶圓片制造技術作為半導體領域的核心分支，歷經五十年技術沉淀與產業迭代，已形成以SIMOX、BSOI、Eltran及Smart Cut為核心的四大成熟工藝體系，并在2025年展現出顯著的技術突破與產業化擴展趨勢。

氧注入隔離技術

氧注入隔離技術（SIMOX）作為SOI晶圓制造的基石，自20世紀70年代末由Watanabe等首創氧離子注入形成BOX層以來，歷經多次工藝革新。早期工藝需采用200keV能量、約2×101? cm?2劑量的氧離子注入以實現200nm頂層硅與連續化學計量BOX層，但高劑量導致晶格缺陷密度偏高。為優化成本與質量，研究團隊開發了600℃注入輔助退火技術，通過在硅表面能量最高區域實現優質晶體生長，同時結合1300℃以上高溫退火促進氧硅反應，修復頂層硅及襯底損傷。劑量優化方面，通過將注入劑量降至4×101? cm?2并調整退火條件，可制備厚度約80nm的高質量BOX層，顯著降低缺陷密度。附加的ITOX（內部熱氧化）工藝通過1350℃氧化處理，進一步改善BOX層化學配比與微管缺陷，同時略微增加BOX厚度，確保頂層硅與襯底間電絕緣性能。當前，SIMOX技術已實現埋氧層厚度控制精度±2%，頂層硅缺陷密度低于10? cm?2，在5G毫米波通信器件中展現出插入損耗降低30%的優勢，成為抗輻射加固器件的核心方案。

BSOI與BESOI工藝

BSOI與BESOI工藝依托晶圓直接鍵合與減薄技術，自20世紀80年代起逐步成熟。親水性氧化硅表面制備的直接鍵合工藝通過高溫退火強化鍵合強度，結合研磨、化學腐蝕或剝離技術實現晶圓減薄。

BESOI工藝通過外延生長SiGe犧牲層與薄硅層，利用化學刻蝕選擇性去除犧牲層，實現超薄頂層硅制備，其質量已可媲美體硅單晶，支持大尺寸晶圓工業化生產。在微機電系統（MEMS）與生物傳感器領域，BSOI技術通過三維堆疊實現傳感器與CMOS電路集成，靈敏度提升25%；在生物醫療領域，基于SOI的植入式神經電極陣列通過ISO 10993生物相容性認證，成為腦機接口技術的關鍵載體。當前，該技術正拓展至硅與藍寶石、碳化硅的異質鍵合，界面空洞密度低于0.1%，滿足高性能光電子器件需求。

Eltran工藝

Eltran工藝由佳能公司開發，利用多孔硅層的機械弱化與單晶結構特性，結合外延生長與直接鍵合技術實現高質量SOI制備。工藝流程包括多孔硅形成、外延層生長、BOX層熱氧化、晶圓鍵合、機械剝離及氫退火平滑處理。氫退火工藝可實現原子級平坦表面，厚度均勻性優于傳統化學機械拋光，外延層厚度控制范圍從幾納米至幾微米，適配先進MOSFET與MEMS應用。盡管佳能曾投資20億日元提升產能至每月10000片，但受技術指標、生產成本及市場接受度限制，EltranR工藝目前已停止生產。其技術遺產在于多孔硅剝離機制與氫退火表面處理，為后續工藝開發提供重要參考。

Smart CutTM

Smart CutTM工藝由CEA與Soitec聯合開發，通過離子注入、直接鍵合與剝離三步法實現硅層轉移。工藝步驟包括供體晶圓熱氧化、氫/氦離子注入形成弱化層、鍵合、剝離及表面處理。

該技術優勢在于厚度均勻性優異、轉移層質量高，且供體晶圓可重復利用，支持多種支撐體與單晶層集成。當前，Smart CutTM已拓展至硅與碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體的異質集成，在功率器件中實現導通電阻降低40%、開關損耗減少30%，成為新能源汽車主驅逆變器核心方案；在量子計算領域，通過硅鍺異質結制備量子點陣列，單量子比特操控保真度達99.9%。此外，該技術正推動綠色制造發展，Soitec通過重復使用供體晶圓與低能耗沉積工藝，將碳化硅基板生產碳排放降低四倍，契合全球半導體產業低碳化趨勢。