（计算机应用技术专业论文）mems工艺验证系统.pdf

摘要 摘要 针对m e m s 设计与加工脱节的问题，本文对m e m s 工艺验证进行了研究， 旨在使m e m s 设计者在在进行工艺仿真以及m e m s 器件加工之前，先对版图和 工序进行可加工性验证，如果版图或工序是不可加工的，就没有必要再进行 m e m s 器件工艺仿真或投入流水线加工了，从而降低了m e m s 器件的加工成本， 提高了m e m s 器件的设计效率。m e m s 工艺验证包括m e m s 工序验证和m e m s 版图验证两部分。 在m e m s 工序验证方面，本文提出了基于m e m s 加工状态的工序验证方法， 并将该方法与专家系统技术相结合设计实现了基于状态机的m e m s 工序可加工 性验证系统。该系统首先根据特定的工艺流水线得到工艺过程的专家知识；然 后根据m e m s 工序流程和专家知识利用状态机把工序可加工性验证所需的关键 状态，包括温度、当前m e m s 器件的材料组成结构等进行重现，从而生成工序 对应的状态矩阵；最后由上一步得到的m e m s 状态矩阵和专家知识进行推理得 到该工序可加工性判定结果。 在m e m s 版图验证方面，本文采用基于布尔运算的版图验证方法设计实现 了基于开源项目l a y o u t e d i t o r 的m e m s 版图验证系统。该系统将标准版图和d r c 规则文件作为输入，利用l a y o u t e d i t o r 的图形运算模块进行版图验证，得到版图 可加工性判定结果，显示d r c 错误信息，并通过图形标识出版图错误。m e m s 版图验证系统实现了常见的设计规则，如最小宽度、最小间隔、最小延伸、以 及最小重叠等，还实现了一些m e m s 版图中特有的规则，如最大两端固定梁长 度，最大悬臂梁长度( 单端固定) 、最小梁间距、最小梁宽度等。 关键词：工序验证版图验证设计规则检查( d r c ) m e m s a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h eb o t t l e _ n e c kp r o b l e mo fm e m sw h i c hc o m e sf r o mt h es e r i o u s m i s m a t c ho fd e s i g na n df a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y , v a l i d a t i o no fm e m sp r o c e s si s s t u d i e di nt h i sp a p e r b e f o r et h ep r o c e s ss i m u l a t i o na n dm a n u f a c t u r eo fm e m s d e v i c e ，t h ed e s i g n e rs h o u l dc h e c kt h ep r o c e s ss e q u e n c e sa n dt h el a y o u tf i r s l y , i ft h e l a y o u to rt h ep r o c e s ss e q u e n c e sc a n tb em a n u f a c t u r e d ，t h e r ei sn on e e dt od ot h e p r o c e s ss i m u l a t i o na n dm a n u f a c t u r e t h ev a l i d a t i o no fm e m sp r o c e s sc a n r e d u c et h e m a n u f a c t u r ec o s t so fm e m s ，a n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm e m sd e s i g n t h e v a l i d a t i o no fm e m sp r o c e s si n c l u d e st h ev a l i d 撕o no fm e m sl a y o u ta n dt h e v a l i d a t i o no fm e m s p r o c e s ss e q u e n c e s o nt h ev a l i d a t i o no f p r o c e s ss e q u e n c e s ，am e t h o do fp r o c e s ss e q u e n c e s v a l i d a t i o n b a s e do nt h es t a t eo ff a b r i c a t i o np r o c e s si sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r a n db y c o m b i n i n gt h em e t h o da n dt h et e c h n o l o g yo fe x p e r ts y s t e m ，av a l i d a t i o ns y s t e mo f p r o c e s ss e q u e n c e sb a s e do nt h e s t a t ee n g i n ew a si m p l e m e n t e d t h es y s t e mw o r k s a c c o r d i n gt ot h ef o l l o w i n gs t e p s ：f i r s t ，o b t a i nt h ep r o c e s sk n o w l e d g e ，t h e n ，g e n e r a t e t h es t a t e so fe v e r yp r o c e s sb yt h es t a t ee n g i n e ，a tl a s t ，r e a s o no u tt h ev a l i d a t i o nr e s u l t o ft h ep r o c e s ss e q u e n c e sb yu s i n gt h em a t r i xo fp r o c e s ss t a t e sa n de x p e r tk n o w l e d g e o nt h ev a l i d a t i o no fl a y o u t ，am e t h o do fl a y o u tv a l i d a t i o nb a s e do nt h eb o o l e a n o p e r a t i o ni su s e dt oi m p l e m e n tt h ev a l i d a t i o ns y s t e mo fm e m sl a y o u to n t h e o p e n s o u r c ep r o j e c tl a y o u t e d i t o r t h es y s t e mw o r k sa c c o r d i n gt ot h ef o l l o w i n gs t e p s ： f i r s t ，i n p u tt h es t a n d a r dl a y o u tf i l ea n dd r c r u l ef i l e ，t h e nd ot h el a y o u tv a l i d a t i o no n t h eb o o l e a no p e r a t i o nm o d u l eo ft h el a y o u t e d i t o r , a tl a s t g e tt h er e s u l to ft h el a y o u t v a l i d a t i o na n dd i s p l a yt h ee r o ri n f o r m a t i o no fl a y o u tt h r o u g ht h eg r a p h i c a li n t e r f a c e t h es y s t e mi m p l e m e n t st h ec o m m o nd e s i g nr u l e s ，s u c ha sm i n i m u mw i d t h ，m i n i m u m s p a c i n g , e t c a n di ti m p l e m e n t st h es p e c i f i cr u l e so ft h em e m sl a y o u t ，s u c ha s m a x i m u ml e n g t ho f t h eb e a mo f b o t hf i x e de n d s ，a n dm i n i m u mw i d t ho f b e a m ，e t c k e y w o r d ：p r o c e s sv a l i d a t i o n ，l a y o u tv a l i d a t i o n ，d r c ，m e m s u 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。除文中已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： 趣旭 w j 年6 月乙日 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：趑旭 0 3 年f 月z 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： 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： 第一章绪论 第一章绪论 第一节微机电设计系统研究现状与趋势 微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e 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【lj 。 m e m s 不但体积小、重量轻、可靠性高，而且功耗和价格都较低。首先，m e m s 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， m e m s 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，m e m 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。 m e m s 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m e m s 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m e m s 的一些区别于集成电路的本质特征： 1 ) m e m s 的结构是三维的，而集成电路是平面结构的； 2 ) m e m s 有机械运动功能，所以m e 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m e 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 ) m e 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m e m 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、仿真直至评测已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 第一苹绪论 性作用。而对m e m s 而言，还相差甚远，这和m e m s 发展的成熟程度有着直接 关系。当然，这并不意味着m e m s 不需要这样的工具和系统。相反，由于m e 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。 随着m e 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、 多能量场耦合使得m e m s 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m 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m e m s 设计水平及产品开发效率。目前，最常见的设计思路是“t o p - - d o w n 方法【2 甜】， 大致遵循着系统级一器件级_ 物理级一工艺级的设计顺序。大多数商业或学术 m e 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 t i t 5 】；i n t e l l i s e n s e 公司的i n t e l l i s u i t e 州【6 】；m e m s c a p 公司的 m e m sp r o t m 【7 1 以及u cb e r k e l e y 的s u g a r 等。近年来随着m e m s 在国内逐步 发展，部分科研院所也开始针对m e m sc a d 进行研究，如北京大学开发的 i m e e e s l 系统，西北工业大学开发的m e m sg a r d e n 9 ，以及本课题组开发的虚 拟工艺系统m e m s l 0 t 1 0 , 1 1 和z p r o c e s s l 0 t 1 2 】等。 综观m e m s 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，到如今的蓬勃发展，在短短几十年里，m e m s 技术已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，紧跟国际m e m s 发展潮流，根据 国家发展战略方针，吸收掌握与m e m s 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m e m s 研发体系和产业化基地。 第二节m e m s 工艺验证研究现状 由于m e m s 加工技术是一个多学科交叉的新兴技术，产生的时间短，很多基 础理论问题研究不透彻，特别是其加工技术源于平面的i c 工艺，与传统制造技 术相比有很大不同，不但尺寸的微小型化造成了加工过程的复杂化，而且在加 工过程中具有时间、空间的不可分离性，即器件结构的加工过程和组装过程是 不可分的，m e m s 的加工制造过程实际上是工艺方法、结构尺寸、组装、器件 2 第一苹绪论 性能等的一个在线集成和实现过程。因此，m e m s 设计与加工的相关性很强， 设计不能独立于加工之外，在设计中需要充分考虑到加工的可行性和加工手段 的制约，忽略了加工的制约和影响，设计的质量就无从谈起。 目前，在m e m s 研究中加工与设计之间存在着严重的脱节问题，特别是许 多设计方面的研究者没有足够的工艺基础，导致大量的设计无法进行加工，即 使能进行加工也常常由于实验设计不合理和器件结构设计不完善等造成结果的 不理想，而使每年都造成人力及物力的很大浪费。 m e m s 器件设计很大程度上依赖于m e m s 加工技术。加工采用的工艺、加工 的温度、材料、工序的加工顺序都会影响m e m s 器件的加工结果；甚至某些工序 在特定的工艺流水线中可能是不可加工的。m e m s 器件加工费用高，为了降低 m e m s 器件的加工成本，提高m e m s 器件的设计效率，在m e m s 器件加工之前， 对加工工序进行可加工性验证是必要的。 随着m e m s 技术的发展，越来越多的工艺可供设计者选择。但与此同时由 于需要考虑工艺和工艺之间的匹配，工艺和材料之间匹配，因此设计者在设计 时需要了解大量的工序规则知识才有可能设计出可加工的m e m s 加工工序，而 了解大量的工序规则对于设计者来说非常繁琐；而计算机系统恰恰擅长于这样 的记忆与推理。因此，本文将专家系统技术引入可加工性验证过程。工序可加 工性验证系统是将m e m s 器件的工序流程作为输入，根据特定工艺流水线的可 加工性规则，通过推理得到该工序可加工性判定结果，该检查工具称为m e m s 工序检查( p r o c e s sr u l ec h e c k ，p r c ) 。 在m e m s 掩膜制造过程中由于制造设备等的分辨能力的限制，要求版图的 几何图形满足一定的尺寸要求。为此对每个工艺线都会制定相应的几何设计规 则，如果违反这些规则，就会导致芯片无功能或成品率下降。因此，本文研制 了基于打散( f l a 仕) 方式的版图验证工具，该检查工具称为设计规则检查工具 ( d e s i 弘r u l ec h e & ，d r c ) 。 第三节本文研究内容 目前，在m e m s 研究领域，对系统级设计、器件结构设计的研究比较多， 对工序设计的研究比较少。现有的商业化m e m sc a d 工具的主要功能基本都 集中在系统级设计和器件结构设计等方面，对工序设计的指导作用微乎其微。 第一章绪论 所以，至今在解决设计与加工脱节问题的工序设计研究领域几乎仍然是空白， 还没有提出和形成一种基于m e m s 本身特点的集成化的工艺设计方法。 而版图可加工性验证虽然在检验i c 掩膜中已经非常成熟，但由于m e m s 器件结构是三维的，m e m s 版图检查有一些自己特有的规则，如最大两端固定 梁长度，最大悬臂梁长度，最小梁间距等，所以现有i c 版图检验工具不能对 m e m s 器件的版图文件检验m e m s 版图特有的版图规则。 为了降低m e m s 器件的加工成本，提高m e m s 器件的设计效率，在进行工 艺仿真以及m e m s 器件加工之前，对版图和工序进行可加工性验证是非常必要 的，如果版图或工序是不可加工的，就没有必要再进行m e m s 器件加工和工艺 仿真。本文研制了一套版图和工序可加工性验证验证系统来解决上述问题，其 中，版图和工序可加工性验证统称为工艺可加工性验证。 论文共分为六章： 第一章绪论：从m e m s 的发展引出m e m s 工序验证和版图验证研究的必要 性。 第二章基于m e m s 加工状态的工序验证方法：首先在分析m e m s 加工工序 冲突，以及从中抽取的工序检查规则的基础上，提出了基于m e m s 加工状态的 工序验证方法，然后在分析m e m s 加工工艺的基础上，针对m e m s 加工工艺建 模来生成m e m s 器件组成，生成工序验证所需的m e m s 加工状态。 第三章基于状态机的m e m s 工序验证系统设计：首先给出了基于状态机的 m e m s 工序验证系统的系统架构，然后分别给出了系统的知识库，状态机，可 加工性验证规则引擎和该系统的输入输出接口的实现方法。 第四章m e m s 版图验证系统设计：首先在分析版图检查规则基础上，提出 了基于布尔运算的版图验证方法，然后应用该验证方法实现了基于l 舭e d i t o r 的版图验证系统，给出了该系统的输入输出接口。 第五章m e m s 工艺验证系统实现：先给出了系统的实现方法，然后通过一 系列实例验证了系统的可行性和有效性。 第六章结论和展望：总结了目前已经取得的成果并对将来的工作提出设想。 4 第二章基于m e m s 加工状态的工序验证方法 第二章基于m e m s 加工状态的工序验证方法 在传统的机械加工工程中，所采取的加工工艺对器件几乎没有影响，而在微 机电系统( m e m s ) 中，m e m s 器件设计很大程度上依赖于m e m s 加工技术。 设计者在设计m e m s 器件时，受到当前工艺流水线的工艺限制，并且对于特定 的工艺加工技术，可用的材料也是有限制的。加工采用的工艺、加工的温度、 材料、工序的加工顺序都会影响到m e m s 器件的加工结果；甚至某些工序可能 会导致在特定的工艺流水线中不可加工。 由于以上原因，设计者在设计m e m s 器件的版图和工序时，不可避免的要 经过重复设计加工后，才能得到符合要求的m e m s 器件。但是，m e m s 器件加 工费用高，所以为了降低m e m s 器件的加工成本，并提高m e m s 器件的设计效 率，在m e m s 器件加工之前，对加工工序进行可加工性验证是非常必要的。 第一节m e m s 工序验证规则 2 1 1m e m s 工序冲突问题 m e m s 器件是由体硅加工和表面硅工艺加工技术加工得到的。工序文件用来 描述加工工艺执行的参数和顺序。为了确保工序的可加工性，必须检查工序文 件是否存在冲突。一般在微机械加工中，工序冲突主要分为3 种情况【l3 】： 第一，工序文件中典型的冲突是加工工艺和材料的冲突。m e m s 器件中材 料的机械特性或化学特性可能会受到后续的加工工艺影响，从而导致加工工艺 和材料冲突。 例如，有些m e m s 器件表面的材料为有用的功能层，而该功能层可能会被 后续刻蚀工艺影响。在刻蚀工艺中，化学试剂与m e m s 器件的功能层发生化学 反应，有可能改变该功能层的化学性质，导致该工序不可加工，如图2 1 ( a ) 所示。 为了解决这种冲突，可以在进行刻蚀工艺之前，在m e m s 器件的功能层上淀积 一层保护层，并且在刻蚀工艺之后去除该保护层。或者，只需要调整一下工序 的顺序，把刻蚀工艺放在生成该功能层之前。这种冲突是由于化学试剂与材料 5 第二章基于m e m s 加工状态的工序验证方法 发生反应引起的，主要出现在刻蚀工艺中，除去牺牲层工艺和去胶工艺外，必 须要由不反应的材料做保护。 如果后续工艺温度高于前面工艺中生成的材料的熔点，那么前面生成的材料 可能熔化，继而影响后续工艺和器件的结构，导致该工序不可加工。例如，在 高温工艺中不能有光刻胶、金属、高掺杂等。解决该冲突的办法是：调整加工 工艺的顺序，即高温工艺在前、低温工艺在后。 刻蚀 ( a ) 后续的刻蚀工艺会影响m e m s 器件表面的材料 加热溉 ( b ) 对热膨胀系数差别大的材料进行高温处理后，可能会出现变形现象 图2 1 工序加工冲突示例 如果相邻材料的热膨胀系数差别较大，而且对相邻材料加工工艺有高温处理 的话，可能会出现两层膜多层膜之间的变形现象，如图2 1 ( b ) 所示。例如，k o h 腐蚀硅需要有氮化硅保护，干法刻蚀硅要用胶或者铝做掩膜。为了避免这种情 况的发生，设计者需要选择合适的相邻材料，或者在相邻材料之间增加隔离层 来减少热膨胀。这种情况是常见的材料的机械特性与加工工艺的冲突。 第二，工艺之间的冲突。在m e m s 加工工序中，对于特定的加工工艺，在 对m e m s 器件做处理之前，不能对m e m s 器件做该加工工艺。例如，k o h 工 艺后会在m e m s 器件上留下化学残留物k + 、n a + ，这些化学残留物导致下一步 工艺不能为氧化工艺。解决该冲突的方法是，在氧化工艺之前加一步清洗工艺 去除k + 、n a + 。 第三，加工工序与几何结构不匹配，即特定的工序实际加工得到的m e m s 器件的几何结构与和设计者设计该工序时预想的几何结构不一致。这种冲突， 已经有很多工具来检测，如本课题组研发的m e m s 工艺仿真系统z p r o c e s s 。 以上描述的三种冲突的分类不是严格区分的。在很多情况下，工序冲突是由 6 第二章基于m e m s 加工状态的工序验证方法 以上三种冲突的结合体引发的。因此，在设计工艺流程的过程中，要充分地考 虑到工艺前后顺序的合理性和工艺之间的兼容性，包括器件的结果、工艺方法、 参数、工艺顺序和工艺设备等。 2 1 2m e m s 工序验证规则 为了避免在设计m e m s 工序中产生以上冲突，北京大学微电子中心在对实 际加工结果进行总结的基础上，提出了一套工序设计规则1 4 】。表2 1 为部分工序 验证规则。其中，i d 为l 的规则表示，如果工艺名为p e c v d 且加工设备为s t s p e c v d ，则在执行该工艺之前必须先去胶，且做完后不能再氧化扩散，如果不 满足该规则，则该工序不可加工。 表2 1 工序验证规则 i d 工艺类另! i条件结果 薄膜工艺1 工艺名为p e c v d1 必须先去胶 1 2 设备为s t sp e c v d2 做完后不能再氧化扩散 薄膜工艺1 工艺名为p e c v d 1 有金属不行 2 2 设备为t e m p r e s s2 如有k + ，n a + ，应先去c n a + l p c v d 薄膜工艺l 。工艺名为l p c v d 1 未去胶不能做 3 2 有金属不行 3 如有k + ，n a + ，应先去k + ，n a + 薄膜工艺 1 工艺名为热氧化h o1 高掺杂的不能做 或干氧0 2 或湿氧h 2 02 未去胶不能做 4 3 有金属不行 4 如有k + ，n a + ，应先去k + ，n a + 腐蚀工艺1 工艺名为r i e 1 要求p o l y s i 下有s i 0 2 5 2 材料为p o l y s i 腐蚀工艺1 工艺名为e 1 要求s i 下有s i 0 2 6 2 材料为s i 7 腐蚀工艺1 工艺名为k o h1 k o h 腐蚀后需去k + ，清洗 8 参数调整工艺1 工艺名为离子注入i m 1 一般注入完，要进行退火处理 键合工艺1 。工艺名为阳极键合 1 s i 片上有s i 0 2 ，最好没有s i 3 n 4 9 b d l 7 第二章基于m e m s 加工状态的工序验证方法 第二节基于m e m s 加工状态的工序验证方法 根据以上规则描述，为了实现对工序的可加工性验证，必须对以上规则描述 进行进一步提炼。对表2 1 的工序可加工性规则进行进一步的分析整理、提炼后 就可得到基于对工艺步骤的状态判断的规则描述模型，如表2 2 所示。根据表 2 2 可知，该规则的条件是对工序文件中工艺步骤的状态进行判断，而规则的结 论则是对该工艺步骤之后的状态、该工艺步骤之前的状态或该工艺步骤的状态 进行判断。所以，规则的条件和结论都是对工序中工艺步骤的状态进行判断。 例如，i d 为1 的规则表示：条件为“工艺名= p e c v d 且“加工设备= s t s p e c v d 9 结论为“光刻胶萑之前的m e m s 器件组成 且“之后的工艺名氧 化 且“之后的工艺名扩散 。其中，“之前”表示当前工艺之前，“之后”表 示当前工艺之后，没有特别指出则表示当前工艺。 表2 2 整理后的工序验证规则 m条件 结果 1 工艺名一p e c v d 1 m e m s 器件组成( 之前) 不含有光刻胶 1 2 设备一- - s t sp e c v d 2 工艺名! = 氧化扩散( 之后) 1 工艺名一p e c v d 1 m e m s 器件组成( 之前) 不含有金属 2 2 设备= t e m p r e s sl p c v d2 m e m s 器件组成( 之前) 不含有k + n a + 1 m e m s 器件组成( 之前) 不含有光刻胶 3 1 工艺名一l p c v d 2 m e m s 器件组成( 之前) 不含有金属 3 m e m s 器件组成( 之前) 不含有k + n a + 1 工艺名一热氧化h o 1 m e m s 器件组成( 之前) 不含有高掺杂 或干氧0 2 或湿氧h 2 0 2 m e m s 器件组成( 之前) 不含有光刻胶 4 3 m e m s 器件组成( 之前) 不含有金属 4 m e m s 器件组成( 之前) 不含有k + ，n a + 1 工艺名= = 砌e 1 m e m s 器件组成( 之前) 中p o l y s i 下有s i 0 2 5 2 材$ 3 r - - 一- p o l y s i 1 工艺名一r j e 1 m e m s 器件组成( 之前) 中s i 下有s i 0 2 6 2 材料一s i 71 工艺名= k o h 1 工艺名一清洗r k ( 之后) 8 1 工艺名一离子注入i m1 工艺名一退火( 之后) 1 工艺名一阳极键合b d l 1 m e m s 器件组成( 之前) 中s i 片上有s i 0 2 9 2 m e m s 器件组成( 之前) 不含有s i 3 n 4 从上表2 2 分析可知，可加工性规则具有上下文相关性，规则和上一步工序 8 第二章基于m e m s 加工状态的工序验证方法 相关，且会影响下一步工序。如表2 2 中，规则1 与上一步工艺有关，该规则表 示如果当前工艺名为p e c v d ，且设备为s t sp e c v d ，则经过上一步工艺生成 的m e m s 器件组成不能含有光刻胶；规则7 会影响下一步工序，该规则表示如 果当前工艺是k o h 腐蚀工艺，则m e m s 器件中会残留k + ，n a + ，下一步工艺 应该清洗去k + ，n a + 。由于可加工性规则具有上下文相关性，工序可加工性验证 不仅和当前工艺的状态有关，还和当前工艺之前和之后的状态相关。 针对以上规则实现工序可加工性验证，需要得到工序中每一步工艺步骤的 工艺名、材料、m e m s 器件组成等状态。其中，工艺名、材料等可以通过工序 文件中的工艺语句得到，但是m e m s 器件组成是无法通过工序文件直接得到的。 因此，在工序可加工性验证时，如果直接以工序序列为输入，工序序列不能提 供充分准确的事实来进行工序验证推理。如表2 2 中，在验证工序可加工性时， 规则2 仅从当前工序无法得到当前的m e m s 器件的材料组成，所以导致无法判 断当前m e m s 器件中是否含有k + 、n a + 、金属，该规则将无法进行验证。所以， 在进行工序可加工性验证之前必须先得到每一步工艺步骤对应的m e m s 器件组 成状态。 根据工序和版图，利用基于v o x d 的m e m s 工艺流程仿真系统z p r o c e s s 1 5 】 可以得到精确的m e m s 器件的三维实体模型，它是进行可加工性验证的一个完 备解决方案。但是，进行以上工艺仿真，首先要通过工艺参数和版图信息计算 形状，并构造绘制三维体数据场，这个过程是非常费时的，可是对于工序可加 工性验证而言，计算精确的器件的形状和绘制三维体数据场不是必要的。为了 提高工序验证效率，尽可能的在工艺仿真之前完成工序可加工性验证，所以必 须要对工序验证所需的工艺步骤对应的m e m s 器件组成结果进行重现。 针对以上问题，本文提出了一种基于m e m s 加工状态的工序验证方法。该 方法主要分为两个步骤： 首先根据工序文件生成工艺步骤对应的m e m s 加工状态，如加工温度、 m e m s 器件组成等。 再根据上一步得到的m e m s 加工状态进行工序可加工性验证。 如图2 2 所示为基于m e m sj ；n t 状态的工序验证方法的流程。 9 第二章基于m e m s 加工状态的工序验证方法 图2 2 基于m e m s 加工状态的工序验证方法 第三节m e m s 加工状态生成方法 根据上一节分析可知，为了完成m e m s 工序验证，需要生成工序文件中的 每一步工艺步骤对应的m e m s 加工状态，其中，生成m e m s 器件组成状态是关 键。分析表2 2 的工序验证规则可知，对于m e m s 器件组成状态只需要知道当 前工艺后的m e m s 器件的材料组成，即包含哪些材料，以及材料对应的厚度， 而不需要精确的m e m s 器件的三维实体模型。 下面针对m e m s 加工工艺进行分析建模来生成工艺验证所需的m e m s 器件 组成状态。 2 3 1m e m s 加工工艺 微加工技术【l6 】起源于半导体制造工艺。在目前的m e m s 加工领域，众多加 工手段都曾被广泛地应用于大规模和超大规模集成电路的加工制作。例如，微 加工中的光刻就是从之前集成电路加工工艺引进的。然而，微加工技术不仅仅 是微电子部分，还需要机械结构。只有将这些微机械结构同微电子部分集成在 一起才能构成m e m s 。所以微加工技术并不仅限于微电子制造技术，还包括一 系列专门针对m e m s 加工的工艺，如各向异性湿法刻蚀、硅片键合、深反应离 子刻蚀( d 对e ) 、牺牲层刻蚀等。 基本上，微加工技术综合了在硅片上增加材料层与在这些层上有选择性地 刻蚀出精确图形两种过程【l7 1 。这两种过程的实现是基于一系列加工工艺，包括 材料淀积、图形转移和刻蚀技术。其中，光刻在精确的图形转移中扮演了重要 的角色。 本文把m e m s 加工工艺划分为六大类：衬底制备d f ，薄膜工艺g d ，腐蚀 工艺e t ，光刻工艺p h ，键合工艺b d 和参数调整工艺i d 。下面对这六种工艺 l o 第二章基于m e m s 加工状态的工序验证方法 进行详细分析： 1 ) 衬底制备d f 衬底制备d f 是工序文件的起始工艺，衬底材料可以是s i ，g l a s s 等。经过 该工艺后，m e m s 器件组成增加了指定厚度的指定材料层，形成初始衬底，如 图2 3 所示。 图2 3 制备硅衬底示意图 2 ) 腐蚀工艺e t 腐蚀工艺是根据版图获得图形的过程。刻蚀的过程是按指定角度以及指定 厚度将版图( 阳版) 所指定的图形内容去除，如果版图的特性为阴版，则是将 非版图部分内容去除。在实际工艺中，腐蚀工艺包含b h f 腐蚀工艺、h f 腐蚀工 艺、k o h 腐蚀工艺、i c p 工艺、r i e 工艺、r k 工艺、r p 工艺几种工艺。下面 分别对这几种工艺进行介绍： b h f 腐蚀工艺、h f 腐蚀工艺、k o h 腐蚀工艺为湿法刻蚀。湿法刻蚀是 将硅衬底放入化学刻蚀溶液中，通过刻蚀剂与被刻蚀物质之间的化学反应去除 材料。这些刻蚀剂可以是各向同性或是各向异性的。 各向同性刻蚀在各个方向的刻蚀速率几乎相同，掩膜下面的材料也会被刻 掉，即侧蚀( 如图2 4 ) 。实际上各向同性刻蚀剂受限于被刻结构的几何形状， 由于扩散限制的原因刻蚀速率会有所下降甚至在某些情况下( 如深而窄的通道) 会停止( 图2 4 ( b ) ) 。此时，可以通过搅动刻蚀液来减轻这种效应，从而获得近 乎完美的半球结构，如图2 4 ( a ) 所示。 hl_j出m_止 善毒 ( a ) 带搅拌的各向同性刻蚀( b ) 不带搅拌的各向同性刻蚀 图2 4 各向同性刻蚀 各向异性刻蚀剂在某个方向的刻蚀速率远大于其它方向。一般来说，这类 第二章基于m e m s 加工状态的工序验证方法 刻蚀在垂直于( 1 1 0 ) 晶面的方向上刻蚀速率较快，其次是垂直于( 1 0 0 ) 晶面的 方向，而在垂直于( 1 1 1 ) 晶面的方向最慢。图25 ( 曲和( b ) 分别给出了在( 1 0 0 ) 和( 1 1 0 ) 两种硅片上进行各向异性刻蚀的例子。 钔 硅片 图2 5 备向异性刻蚀 1 c p 工艺( 电感耦合等离子刻蚀) 、r i e 工艺( 反应离子刻蚀) 为干法刻蚀 工艺。干法刻蚀又称等离子刻蚀，一般是在高温下利用适当的反应气体或蒸气 自发实现的。反应离子刻蚀不受晶向影响，直接用粒子轰击衬底表面，体现出 高度的各向异性，能够加工出高深宽比结构。 根据上面分析可知，以上提到的刻蚀工艺按照指定的角度和指定的厚度将 指定材料的版图所指定的部分刻蚀掉，并留下部分指定材料形成该m e m s 器件 特有的结构，所以，该工艺对m e m s 器件的材料组成没有影响。 在腐蚀工艺e t 中有一类工艺为表面牺牲层工艺。为了得到悬空的结构， 需要淀积牺牲层，在结构形成后将牺牲层刻蚀掉，得到结构，如图26 所示。表 面牺牲层工艺会将牺牲层的材料刻蚀掉，即通过该工艺之后，m e m s 器件组成 将减少指定的材料层。 图2 6 表面牺牲层工艺示意图 r k 工艺用于去除m e m s 器件中的k + 。经过r k 工艺后，m e m s 器件 组成中将减少k _ 。 r p 工艺用于去除m e m s 器件中的光刻胶。经过r p 工艺后，m e m s 器 件组成中将减少光刻胶材料。 卫亡衄 一 嚣 第二苹基于m e m s 加工状态的工序验证方法 3 ) 光刻工艺p h 光刻工艺源于微电子的集成电路制造，是在微机械领域应用较早并被广泛 采用且不断发展的一类微加工方法。其原理是：首先在硅片表面涂覆一层光刻 胶薄膜；然后通过掩膜版对光刻胶辐照，从而使某些区域的光刻胶感光，光刻 胶在受到光辐照之后发生光化学反应；再经过显影，正胶的曝光区和负胶的非 曝光区在显影液中溶解，使曝光后光刻胶层中形成的潜在图形显现出来。之后 利用剩余的光刻胶图形作为保护膜，可以对硅表面没有被光刻胶覆盖的区域进 行刻蚀或者离子注入等，从而把光刻胶薄层上的图形转移到硅表面或其上的薄 膜上，如图2 7 所示。 图2 7e t 工艺示意图( 以刻蚀硅槽为例) 图2 7 显示的是e t 的工艺实体图，它利用光刻对版图图形转移，并在此基 础上进行刻蚀。在图2 7 中，甩胶和光刻两步为光刻工艺的完整步骤，完成了版 图的图形转移。从图2 7 分析可知，通过光刻工艺后，m e m s 器件组成增加了光 刻胶材料。由于本文不关心m e m s 器件中光刻胶的形状，所以可以对图2 7 中 的光刻工艺进行简化，简化结果如图2 8 所示。在图2 7 中第三步刻蚀，对m e m s 器件的组成没有影响。第四步剥离工艺，即r p 工艺，去除m e m s 器件中的光 刻胶。 图2 8 简化后光刻工艺示意图( 硅上增加光刻胶) = = 第二章基于m e m s 加工状态的工序验证方 击 4 ) 薄膜工艺g d 薄膜工艺g d 是指在m e m s 器件表面上生长和淀积指定厚度的指定材料的 薄膜。该工艺类别只要分为等离子体化学气相沉积法( p e c v d ) 、低压化学气象 淀积( l p c v d ) 、溅射s p 、热氧化h o 、千氧化0 2 、湿氧h 2 0 几种工艺。图2 9 为薄膜工艺后m e m s 器件的示意图，对于不同的工艺生长出来的m e m s 器件的 形状有所不同。 图2 9 g d 工艺示意图( 硅上生长氧化层) 与光刻工艺类似，本文对薄膜工艺进行了简化：经过薄膜工艺后，m e m s 器件巾增加淀积的指定厚度的指定材料。图2 1 0 为图2 9 淀积工艺的简化( 由 于不记录m e m s 器件的形状，所以把淀积工艺前的m e m s 器件的形状简化) 。 图21 0 简化后g d 工艺示意图( 硅上生长氧化层) 5 ) 键合工艺b d 为了获得更加复杂的m e m s 结构，可以将微加工后的硅片键台在一起。键 台工艺是实现混合加工方法的重要途径，它可以使不同的衬底、元件永久的连 接成一体。通常用到的键合有静电键台、热键合与“复合键台”。 图2 1 1b d 工艺示意围 图21 1 所示为键舍工艺的示意图，将两个独立制作的片子面对面的键合在一 起。由于本文不关心m e m s 器件生成的形状，所以本文对键合工艺进行简化： 经过键舍工艺后，将一个硅片的m e m s 器件的材料加入另一个硅片的m e m s 器 第二章基于m e m s 加工状态的工序验证方法 件组成中，图2 1 2 为图2 1 1 键合工艺的简化。 图2 1 2 简化后b d 工艺示意图 6 ) 参数调整工艺i d 通常为了能够将m e m s 机械部分与电路部分集成在一起，除了上述专门用 于m e m s 加工的工艺方法外，还需要用到一些传统i c 制作工艺，如扩散、注入 等。参数调整工艺分为三种：扩散p l 、离子注入i m 和退火r t 。 扩散工艺p l 是一种重要的应用较早的、而且现在仍被广泛采用对半导体晶 体进行掺杂的方法。离子注入i m 是对半导体表面附近区域进行掺杂的另一种方 法。如图2 1 3 所示，为离子注入工艺的示意图。 退火r t 是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷 却( 通常是缓慢冷却，有时是控制冷却) 的一种金属热处理工艺。 图2 1 3 离子注入工艺示意图 根据上面分析可知，经过扩散工艺或离子注入工艺后，m e m s 器件中增加了 指定掺杂厚度的指定被掺杂薄膜材料，且减少了相应厚度的被掺杂薄膜材料。 经过退火r t 工艺对m e m s 器件的材料组成没有影响。 2 3 2m e m s 加工状态生成方法 根据以上分析，本文将m e m s 工艺划分为三类：加法工艺( 增加材料) ，减 法工艺( 减少材料) 和其它工艺( 材料组成无变化) 。 加法工艺( 增加材料) ：在实际加工中，就是在m e m s 器件的特定表面 淀积一定厚度的指定材料。表2 3 列出了属于加工工艺的加工工艺，并给出了生 成m e m s 器件组成的规则。例如，第五条规则表示：如果工艺类别为参数调整 1 5 第二章基于m e m s 加工状态的工序验证方法 工艺i d ，且工艺名为离子注入i m 时，则m e m s