（模式识别与智能系统专业论文）基于voxel的mems工艺仿真方法研究.pdf

ab s tr act ab s t r a c t ab s t r a c t g o o d a g r e e m e n t b e t w e e n s i m u l a ti o n a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s c a n b e f o u n d . k e y w o r d s : me ms p r o c e s s s i m u l a t i o n dri e v o x e l i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印 刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印 刷本和电子版， 并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门 或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以赢利为目 的的前 提下，学校可以 适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 子 不 声 哀 食 z r , 年 r 月 夕 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 4- j iy 段 解密时间: 年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 秘密1 0年 机密女2 0年 ( 最长 7 年;可少于 5 年) 嚎叁 沙年 一 可 少 于 1 0 年 ) ( fi t: 扣 参 ， pi if o _年 ， 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行研究工作 所取得的成果。除文中己 经注明引用的内 容外，本学位论文的研究成果不包含 任何 他人创作的、已 公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的 研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位 论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : a s 令 叙 ， 污 年s月 7 日 第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 微机电系统研究现状与趋势 微机电 系统 ( m i c r o e l e c tr o m e c h a n i c a l s y s t e m , me m s ) ， 是指用硅微加工、 l i g a 技术以及精密机械加工等微加工技术制作的包括微传感器、微执行器、微 能 源 等 微 机 械 基 本 部 分以 及高 性 能 的电 子 集 成 线 路 组 成 的 微 机电 器 件 与 装 置11 . w ms 不但体积小、 重量轻、 可靠性高， 而且功耗和价格都较低。 首先， iu e 1m e: 具有微型化的 特点， 其结构尺寸达到微米量级，从而有效地减小了体积。 其次， lufs 具有集成化的 特点， 通过采用大规模集成电 路设计与制造工艺可以 把各种 机械、电学、光学部件集成在一个空间内，从而形成具有特定功能的独立微系 统。 最后， n e tu s 还具有批量化的 特点，由 于大量采用微电 子加工技术， 使其得 以批量生产， 从而降 低了单件成本。 在过去十几年间， 13 e u f_s 技术飞速发展， 各 种新工艺新设备的出现促使着人类向探索更加微小的世界不断迈进。微加速度 计、微流量泵、微管道、微探针，这些根本无法用肉眼观察到的小东西却正在 改变着我们的生活，改变着世界。可以说me ms 将是2 1 世纪具有战略意义的前 沿科学研究之一，其在信息、消费电子、汽车、航空、航天，生物、医疗以及 环境保护等领域有着十分广阔的应用前景。 在 me m s发展过程中， 一个具有历程碑意义的 研究成果是 1 9 8 8年由u c b e r k e l e y的l . s . f a n , y c . t a i 和 r s . m u ll e r 制造的 转子直径为 6 0 - 8 0 1u n的 多晶 硅静电 驱动马达， 这是第一次在硅衬底上制造出微机械部件，因此也成为 微机械领域开端的 标志。 此后，世界各国都非常关注me m s 领域的研究，并投 入大量人力物力进行研发， 以 争夺2 1 世纪的高技术市场。 近年来， 我国 me m s 的研究也逐渐得到重视，国家自 然科学基金委、国家科委等部门都先后确定 me m s 为重点项目 和重大项目， 如攀登计划 “ 微电子机械系统” ， 9 7 3 ” 集成微 光机电 系统研究，国家 8 61 3计划 “ 极端制造技术” 等重大研究项目 ，并在新型 微纳器件、 制造设备、测试技术、基础工艺、以 及设计工具等方面取得一系列 成果。 目 前， me m s 的 研究与发展主要涉及以 下几个方面: 1 、器件的研究与开发 第一章 绪论 目 前新型me m s 器件的研发主要集中在生物me ms ， 射频( r f ) me ms 以 及 光学me ms 等领域。 近年来， 欧美各国在应用于生物、 医疗和药物的微纳米技术 中 投 入 大 量 的 资 源 ， 并 取 得 一 系 列 重 大 突 破 2 , 3 , 4 ,5 1 ， 其 中 以 心 脏 起 搏 器 16 , 7 1 、 人 造 耳 蜗81 、 人 造 视 网 膜 19 1 以 及 针 对 大 脑 皮 层 神 经 刺 激 系 统 10 1 等 植 入 式 系 统 最 为 引 人注目。r f me ms 在蜂窝移动通信、家用无绳电 话、无线网络、全球定位系统 ( g p s ) 接收器、 卫星定位、 导弹引导以及军事雷达等领域有着巨大的应用市场。 采 用 微 加 工 技 术 制 作 的 r f 器 件( 如 可 变 电 容 11, 12 1感 应 器 13 1 、 共 鸣 器 (14, 15 ,1 6 1 开 关 ( 17 , 18 1 等 ) 具 有 体 积 小 、 高 q 值 、 低 功 耗 、 易 于 集 成 等 优 点 。 光 学 mem s 器 件 主要应用在光学成像/ 显示和光纤通信等领域，比 较成功的例子有数字微镜设备 . ( d m d ) (191 、 波 长 锁 261 、 光 开 关 2 1, 2 21 e 2 、工艺的 研究与开发 me ms 器件的快速发展对加工工艺提出了 更高的要求。 目 前， 如深反应离子 刻 蚀 ( d r i e ) 、电 子束 光刻 ( e - b e a m ) 、 干涉光刻( i n t e r f e r e n c e l i t h o g r a p h y ) , 自组装等技术的出现极大地拓展了硅基me ms 的加工范围。比较有代表性的 d r i e 技 术 像 s t s 公 司 的 b o s c h -t 艺 (x +1 可以 加 工 出 具 有 垂 直 侧 壁 的 高 深宽 比 结 构. 电 子 束 光 刻 2 4 1 与 千 涉 光 刻 2 5 1 属 于 无 掩 膜 光 刻 技 术 ， 可 以 实 现 几 十 纳 米 线 条 的 加 工，是深亚微米和纳米加工技术，在新一代量子效应器的制作中起到关键作用。 此外，综合利用无掩膜光刻与d r i e 技术还可以 加工出大范围高密度且具有可控 侧 壁 形 状 的 纳 米 结 构 2 6 , 2 7 1 ， 这 种 结 构 在 纳 米 电 子 、 微 流 体 、 以 及 细 胞 和 组 织 工 程 学 有 着 巨 大 的 应 用 价 值 2 8, 29, 30 1 3 、设计工具的 研究与开发 随着me m s 器件与工艺的发展， 微机电系统变得越来越复杂，多学科交叉、 多能量场祸合使得iv ems 的设计方法和c a d 设计工具变得越来越重要。因此， 专门针对3 e m s 设计和开发的软件平台应运而生， 这些软件平台不仅为设计者提 供一种设计工具，更重要的是提供一种设计思路和设计方法，从而提高me ms 设 计 水 平 及 产 品 开 发 效 率 。 目 前 ， 主 流 的 设 计 思 路 是“ t o p - d o w n ” 方 法 3 1 , 3 $ 3 3 1 大致遵循着系统级器件级一物理级工艺级的设计顺序。 大多数商业或学术 me m s 设计工具都 采用了 这种 “ t o p - d o w n ”思 路，比 较著 名的 有: c o v e n t o r 公司的 c o v e n t o r w a r e - 1 ; i n t e l l is e n s e 公司的 i n t e ll i s u it e m3 5 1 ; mem s c a p 公司 的 mem s p ro ms 36 1 以 及 u c b e r k e l e y 的 s u g a r 等 . 近 年 来 随 着 lu e m s 在 国 内 逐 步 发展，部分科研院所也开始针对me ms c a d 进行研究，如北京大学开发的 第一章 绪论 i m e e 3 1 系 统 ， 西 北 工 业 大 学 开 发 的 mem s g a r d e n 138 1 ， 以 及 本 课 题 组 开 发 的 虚 拟 工 艺 系 统 mem s 1 .0 3 9 和 z p ro c e s s l .0 0 0 等。 综观me ms 的发展历史，从上世纪八十年代末开始受到世界各国的广泛关 注，到如今的彭勃发展，在短短几十年里，me ms技术己 经渗透到自 然和工程 的各个领域当中。新材料、新工艺、新器件相继出现，设计方法与设计工具也 不断更新。 此时，我国应充分利用现有基础，紧贴国际me ms 发展潮流，根据 国家发展战略方针，吸收掌握与me ms 相关的设计、加工、封装、测试等关键 技术，并加大创新力度从而形成具有自 主知识产权的理论方法与技术，最终建 立起我国me ms 研发体系和产业化基地。 第二节 m e m s 设计方法与工艺仿真研究现状 虽然me ms 工艺是在传统集成电路 ( i c )工艺基础上发展而来的，但是它 和集成电 路却有着本质的不同。集成电路是通过器件的电性质 ( 开关、延迟、 放大) ， 实现要求的 逻辑功能; 而me ms 主要是实现某些机械的 运动功能， 集 成电 路可能只是它的控制部分。由此带来me ms的一些区别于集成电路的本质 特征:1 ) mem s 的 结构是三维的， 而 集成电 路是 平面结 构的; 为mem s 有 机械 运动功能， 所以me m s 在运行中，它的某些部件是要产生运动的，而集成电 路 则没 有; 3 ) 对me m s 运动的 分析是多 个物理 过程( 电、 热、 力、 磁” ) 的 综合， 而集 成电 路主要是电 的 过 程; 4 ) me m s 由 于其结构的 三维特征， 所以 加工 工艺 不同于集成电路加工的平面工艺。 这些不同使得lu eu s 与i c有本质的差异， 因 此在设计方法上也有很大不同。特别是在设计过程中 对机械性能的考察与评估 和加工误差带来的几何变形以 及对机械性能的影响等。 迄今为止，集成电路的模拟、仿真直至评测己 有了非常完善的工具软件; 并已 成为设计过程的 重要组成部分;对设计的 成功、可靠、高效都已 起到决定 性作用。 而对me ms 而言， 还相差甚远， 这和me ms 发展的成熟程度有着直接 关系。 当 然， 这并不意味着me m s 不需要这样的工具和系统。 相反， 由 于me m s 的功能多样、加工复杂、分析困难、设计周期长、成本高等。 特别需要一个能 包括运动仿真、评测在内的设计工具和系统。 而进行运动仿真的前提是先获得精确的器件三维模型。目 前，获得器件三 维模型的 方 法有两种:1 ) 采用一般三维建模软件 ( 如 p r o e . s o l i d w o r k s . 3 d s 第一章 绪论 m a x , m a y a 等) 直接 绘制出 器件的 三维模型; 2 ) 根据 加工 器件的工艺 流程和 掩膜图形模拟出器件的三维结构，即工艺仿真。显然，建立在工艺仿真基础上 的运动仿真会更有意义。 进一步可以这样解释:单纯建立在运动仿真基础上的 i u h l u s器件设计方案，实际加工出 来还不能保证达到设计的 性能指标。 其中一 个重要原因就是设计与加工脱节，设计好的器件不能被 “ 理想地” 加工出来; 会与设计的三维形状有一定程度的偏差;进一步建立在这种带有实际偏差基础 上的运动仿真才更有说服力。 另一方面， 工艺仿真作为“ t o p - d o w n ” 设计体系 结构中最底层的模块，负责为物理级和器件级提供器件的三维实体， 从而实现 b o t t o m - u p 验证。 由 此看出 工艺仿 真在 整个m e m s 设 计体系 结构中 所起到 的重要作用。 工艺仿真是在己 知加工工艺和掩膜版图的前提下，通过仿真得到器件的三 维实体模型。这样的 仿真又可以 进一步分为两类:基于真实的物理模型和基于 单纯的几何图形操作。 基于物理模型的工艺仿真主要是针对特定工艺， 通过计算加工过程中的物 理量，得到器件拓扑结构随时间的演变过程。许多研究机构都开发了 此类模拟 器， 如， 著 名的 s a m p l e (4 11 包 含了 刻 蚀以 及 淀 积 模 块 ; s t a n f o r d 的 s p e e d i e 4 2 1 应用了 一种现象学 表面反 应模型 来模拟刻蚀以 及淀积的 过 程; k e n j i h a r a f u j i 考 虑了 刻蚀过程中 衬底材料的 表面情况，包含了表面吸收粒子层对刻蚀的影响， 开 发了 m o d e r n 43 1 工 具 ; i ll in o is 大 学 开 发 的 a c e s 4 4 1 软 件 用 于 硅 湿 法 腐 蚀 、 砷 化稼湿法腐蚀和r i e 腐蚀工艺的 模拟。 在国内， 此类软件中比 较有代表性的 有北 京 大 学 开 发 的 b o s c h 2 d 工 艺 模 拟 器 d r o p i e 4 5 1 、 本 课 题 组 开 发 的 b o s c h 3 d 模 拟 器 b o s c h 3 d 4 6 1 以 及 虚 拟 光 刻 系 统 l ith o g r a p h y 4 7 1 .f l ) 1 ， ， ， ， n a 、 v 万+ 万 了 ( 4 . 1 ) 了!1.vesl -一 ; 一 x sin a = n aza a a 、 一 y sin a = n aza a a 其中a 为 波 长， n a 为 数值 孔径， 关和 苏 为 频 域 分量， z 是 版到 镜 头的 距 离. 正是由 于瞳函 数尸造成了 空间图 像的 光学劣化，原本光刻版上清晰定义的 物， 成 像后 边缘变 “ 模糊” ， 锐角变圆。 这样在 硅片 像平面 上( 光刻胶 表间， 与光 强图形联系的电 场可由 式( 4 .4 ) 表示: 第四章 基于物理模型的me ms 工艺仿真 5 y ) f环 ) = f s y i) 轼 ) ( 4 .4 ) f 为 傅 立叶 变 换 ， f 1 为 傅 立叶 逆 变 换。 最 终， 光 刻 胶 表 面 的 光 强 分 布1 ,( x ,y ) 可表示为， i , ( x , y ) = e ( z , y ) i2 图4 .2 给出了 投影式光刻的傅立叶光学模型， ( 4 . 5 ) 先叭i 1 ( l t ) - i . ( 4 y ) 1 2 以! z ， 动 ， 圈4 .2 描 述 光 刻 系 统 所 用 的 数 学 模 型 4 9 1 由于光刻胶本身具有厚度，光在通过胶层时会发生反射，入射光与反射光 叠 加 形 成 驻 波 16 9 1 。 根 据 麦 克 斯 韦 方 程 ， 在 这 样 的 系 统 中 驻 波 可 由 式 ( 4 .6