課件第五章moems設(shè)計與仿真

1第四章回顧致動方式：靜電致動平板電極驅(qū)動器梳狀驅(qū)動器靜電旋轉(zhuǎn)微馬達(dá)靜電平動微馬達(dá)電磁致動壓電致動熱致動熱膨脹式致動熱氣動式致動形狀記憶合金2微型致動器件：微鏡微型馬達(dá)微夾鉗微開關(guān)微型泵/閥微型光開關(guān)……3第五章

MOEMS設(shè)計與仿真北京航空航天大學(xué)劉惠蘭82316906-8784設(shè)計流程5MOEMS設(shè)計中的工程和科學(xué)力學(xué)梁和薄板的彎曲、機(jī)械振動、熱力學(xué)、流體力學(xué)電磁學(xué)靜電場、電磁場半導(dǎo)體器件物理能帶、摻雜、PN結(jié)、電阻率材料學(xué)晶體學(xué)、功能材料、材料特性仿真計算方法能量法、有限元分析光學(xué)……6本章內(nèi)容5.1MOEMS設(shè)計時需考慮的問題5.2MOEMS設(shè)計流程5.3MOEMS仿真及其軟件5.4軟件使用介紹及設(shè)計實例75.1MOEMS設(shè)計時需考慮的問題尺度上與常規(guī)的不同---->尺度（寸）效應(yīng)材料上與常規(guī)的不同---->MOEMS材料加工方法上與常規(guī)的不同---->MOEMS工藝81.尺寸效應(yīng)

在MOEMS的微小尺寸和微小尺度空間內(nèi)，許多宏觀狀態(tài)下的物理量都發(fā)生了變化，相異于傳統(tǒng)機(jī)械的特點，在微觀狀態(tài)下呈現(xiàn)出特有的規(guī)律和尺寸效應(yīng)。所謂尺寸效應(yīng)是指當(dāng)物體的尺寸Ｌ改變時，種種的物理量比例于Ｌn

而變化的現(xiàn)象。9尺度（尺寸）效應(yīng)的重要性MEMS的尺寸＝常規(guī)物體的千分之一許多常規(guī)的直覺已不能適用當(dāng)尺寸縮小時，許多物理量值會發(fā)生急劇變化10與長度的尺度L相關(guān)長[L1]L/10－>s/10面積[L2]L/10－>s/100體積[L3]L/10－>s/1000重量[L3]L/10－>s/1000面積/體積[L-1]L/10－>10×s11當(dāng)系統(tǒng)或器件的尺寸縮小到微觀領(lǐng)域時，與尺寸Ｌ的高次方成比例的慣性力（L4）、電磁力（L3）等的作用相對減小，而與尺寸的低次方成比例的黏性力（L2）、彈性力（Ｌ2

）、表面張力（Ｌ1

）、靜電力（Ｌ０）等的作用相對加強(qiáng)，同時表面積（L２）與體積（L3

）的比值增大，熱傳導(dǎo)、化學(xué)反應(yīng)顯著加快和表面摩擦力顯著增大。12

研究MOEMS設(shè)計中的尺寸效應(yīng)主要要解決以下問題：充分認(rèn)識哪些宏觀領(lǐng)域理論可以沿用，這些理論所占比例較大，起著重要作用；研究宏觀理論對哪些量不再適用，需要重新修正；了解隨著特征尺寸的不斷減小，在宏觀領(lǐng)域不太明顯的量，在微觀領(lǐng)域其相對作用顯著增強(qiáng)，如靜電力和表面張力等。13幾何結(jié)構(gòu)學(xué)中的尺寸效應(yīng)幾何尺寸效應(yīng)隨空間維度的不同產(chǎn)生的作用迥異。隨著MOEMS一維特征尺寸的不斷減小，其二維、三維的表面積、截面積和體積自然也會減小，但衰減的速率不同，該衰減速率隨維數(shù)的增加而增大，因而會出現(xiàn)表面積和體積比增大，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速度快、傳熱效率高，表面力學(xué)效應(yīng)和表面物理效應(yīng)起主導(dǎo)作用。隨著MOEMS器件進(jìn)一步減小到納米級，相應(yīng)地，介質(zhì)不連續(xù)性突出，必須用量子化理論進(jìn)行研究。14部分力的尺寸效應(yīng)在MOEMS領(lǐng)域，與特征尺寸的高次方成比例的慣性力、電磁力等的作用相對減小，而與尺寸的低次方成比例的彈性力、表面張力和靜電力的作用顯著。表面積與體積之比增大，因而微系統(tǒng)中常常采用靜電力作為驅(qū)動力。15部分力的尺寸效應(yīng)力的尺寸效應(yīng)主要表現(xiàn)在兩個方面。第一，由于從宏觀到微觀的尺寸變化，各種作用力的相對重要性發(fā)生了變化。第二，當(dāng)物體的特征尺寸不斷減小時，介質(zhì)連續(xù)性等宏觀假設(shè)不再成立，相關(guān)力學(xué)理論需要修正。材料的力學(xué)性能參數(shù)的數(shù)據(jù)庫還未全面建立，在一定程度上制約了微系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，需要進(jìn)一步研究介觀物理和微觀力學(xué)，解決尺寸效應(yīng)問題。16熱傳遞中的尺寸效應(yīng)微系統(tǒng)內(nèi)的熱流密度非常大?！鉀Q微小電子器件的冷卻問題十分迫切。微系統(tǒng)的熱慣性會迅速下降?！芏嘣诔Ｒ?guī)尺度下很難實現(xiàn)的過程在微尺度下短時間內(nèi)可以實現(xiàn)。——同樣可以實現(xiàn)的過程，在微尺度條件下，實現(xiàn)過程更快，靈敏度更高。流體力學(xué)中的尺寸效應(yīng)17尺度效應(yīng)小結(jié)當(dāng)尺寸縮小時盡量利用[L1][L0]的力如：表面張力，微間隙的靜電力不要與[L2]的力作對如：摩擦力

[L3]的力也可以用，但要注意其可能包含的其它力182.MEMS材料

SubstratesSilicon硅Glass玻璃Quartz石英

ThinFilmsPolysilicon多晶硅SiliconDioxide氧化硅SiliconNitride氮化硅Metals金屬Polymers聚合物19硅材料硅的基本性能導(dǎo)電性能摻雜濃度越高，電阻率越低。10-3-1010Ωcm

加入不同雜質(zhì)導(dǎo)致不同的導(dǎo)電類型。N型，P型物理性能硬度8.5×107g/cm2，熔點1420°C，E=190GPa，ρ=2.3g/cm3

化學(xué)性質(zhì)IV族，易與金屬形成合金，易被堿性溶液腐蝕，主要以氧化物形式存在。晶體性能三種主要晶向：[100]、[110]、[111]20

硅晶體硅的晶體結(jié)構(gòu)是立方體金剛石晶格結(jié)構(gòu)?？紤]18個原子：

8+6+4一個晶胞含有8個原子

(1/8)*8+(1/2)*6+421

硅的晶面——Miller指數(shù)22

沿晶向的異向腐蝕23

硅片SiliconWaferMEMS常用硅片：直徑：3、4inch厚度：300－500μm單拋、雙拋來自于沙子純度:99.999999999%(11個9)24

硅的摻雜25

硅片SiliconWafer26材料特性硅有很好的機(jī)械特性27

硅化合物多晶硅基本各向同性，電學(xué)性質(zhì)類似硅，機(jī)械性能比硅差LPCVD淀積，厚：0.5-5μm

用于：結(jié)構(gòu)、電極、引線、電阻氮化硅（Si3N4）電絕緣性好LPCVDorPECVD淀積，厚：50-200nmor1-2μm

用于：絕緣層、結(jié)構(gòu)、體硅腐蝕/注入掩模28硅化合物二氧化硅（SiO2）絕緣物質(zhì)，很好的電、熱絕緣性熱氧化orLPCVDorPECVD淀積，厚：0.1-3μm

用于：絕緣層、隔熱層、刻蝕/擴(kuò)散掩模、犧牲層SOI（SilicononInsulator）硅片通過鍵合制作，上層硅厚幾－幾十微米用于：需厚層的結(jié)構(gòu)29

功能材料壓電材料PZT：溶膠凝膠法、濺射、水熱法，致動、傳感氧化鋅（ZnO）：溶膠凝膠法、濺射，傳感PVDF：拉伸成膜，致動、傳感石英（晶體SiO2）：襯底塊材形狀記憶合金（SMA）Ni－Ti合金，馬氏體相變態(tài)，相變溫度：40－50°C，濺射，致動，回復(fù)應(yīng)變：最大8％，回復(fù)應(yīng)力：最大400MPa30

聚合物光刻膠（Photoresist)正膠、負(fù)膠，普通膠厚：1－2μm，厚膠：－20μm刻蝕掩模，金屬/聚合物結(jié)構(gòu)的犧牲層，準(zhǔn)LIGA電鑄模SU-8負(fù)膠，環(huán)氧樹脂，拉應(yīng)力較大，厚：－500μm準(zhǔn)LIGA電鑄模，結(jié)構(gòu)聚酰亞胺（Polyimide）負(fù)膠，厚：－20μm準(zhǔn)LIGA電鑄模，結(jié)構(gòu)PMMA（聚甲基丙基酸甲酯，有機(jī)玻璃）正膠，X線敏感，厚：－3mmLIGA電鑄模，結(jié)構(gòu)PDMS（二甲基硅烷，一種硅橡膠）正膠，很好的成形性，高透明性軟光刻成形結(jié)構(gòu)，納米壓印模，微流體結(jié)構(gòu)，光波導(dǎo)聚合物正成為有力的MEMS材料315.2微系統(tǒng)的設(shè)計流程

微系統(tǒng)和其他產(chǎn)品在設(shè)計上的主要區(qū)別是：微系統(tǒng)的設(shè)計需要集成相關(guān)的制造和加工工藝。微系統(tǒng)元件是用大量的物理和化學(xué)方法加工出來的，這些加工和制造工藝經(jīng)常包含對用于這些元件精密材料的高溫和苛刻的物理和化學(xué)處理。這些工藝會對微系統(tǒng)的性能產(chǎn)生非常大的影響。所以必須在設(shè)計的同時予以考慮。32通常，在微系統(tǒng)設(shè)計中有三個主要任務(wù)是互相交聯(lián)在一起的，分別是：①工藝流程設(shè)計；②機(jī)電和結(jié)構(gòu)設(shè)計：③包括封裝和測試在內(nèi)的設(shè)計驗證。微系統(tǒng)設(shè)計中材料的選擇也比常規(guī)產(chǎn)品的材料選擇復(fù)雜得多。在微系統(tǒng)的材料選擇上，不僅要考慮系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的材料．還要考慮工藝流程中的材料。33MEMS研發(fā)方式的三個發(fā)展階段：1.MEMS發(fā)展早期的5-10年的“實驗迭代”方式，即“設(shè)計→實際樣品制造→功能與性能驗證→重新設(shè)計”的迭代過程；2.目前主流的是“模型仿真迭代”方式，即“模型設(shè)計→工藝過程仿真→模型功能與性能驗證→重新設(shè)計”的迭代過程；3.未來復(fù)雜的MEMS產(chǎn)品將采用無迭代的直接由計算機(jī)根據(jù)功能與性能需求生成正確的“全自動”方式。34微系統(tǒng)設(shè)計流程圖設(shè)計約束結(jié)構(gòu)設(shè)計計算仿真工藝方案設(shè)計版圖設(shè)計加工封裝性能測試35設(shè)計中要重點考慮的問題1.設(shè)計約束——客戶需求、進(jìn)入市場時間、環(huán)境條件、物理尺寸、重量限制、制造設(shè)備、成本……2.材料選擇僅用于支撐的鈍性基底材料：聚合物、塑料、陶瓷等活性基底材料：硅、砷化鎵、石英等，用于傳感或致動部件中封裝材料：粘接劑：焊接合金、環(huán)氧樹脂、硅橡膠引線：金、銀、鋁、銅、鎢端板和外殼：塑料、綠、不銹鋼芯片保護(hù)裝置：硅酮凝膠、硅油36設(shè)計中要重點考慮的問題3.制造工藝4.信號轉(zhuǎn)換選擇對微傳感器和微致動器，需要將化學(xué)、光、熱或機(jī)械能以及微系統(tǒng)部件的其他物理行為轉(zhuǎn)化成電信號或反向轉(zhuǎn)換。5.機(jī)電系統(tǒng)6.封裝7.測試測試、校準(zhǔn)、修正375.3MOEMS仿真及其軟件1.為什么需要仿真和仿真軟件?設(shè)計加工思路：傳統(tǒng)的設(shè)計加工思路是從零件到裝配最后的系統(tǒng)。MOEMS是采用微電子和微加工技術(shù)，將所有的零件、電路和系統(tǒng)在通盤考慮下幾乎同時制造出來，零件和系統(tǒng)是緊密結(jié)合在一起的。MOEMS的設(shè)計涉及力學(xué)、流體力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和電磁學(xué)等多學(xué)科交叉問題，需要綜合多學(xué)科理論分析，加大了設(shè)計參數(shù)選擇的難度，常規(guī)的分析計算無法適應(yīng)設(shè)計要求。382.器件設(shè)計模擬的具體辦法（仿真軟件主要功能）工藝設(shè)計掩模版圖設(shè)計結(jié)構(gòu)仿真器材料特性數(shù)據(jù)庫器件的模擬和優(yōu)化39403.DesignSimulationTools（MOEMSCAD軟件）

MEMSProANSYS

Coventorware

IntellisuiteIMEE41MEMSProMEMSProisaPCbasedMEMSdesigntooloriginallydevelopedbyTannerResearch,Inc.NowthetoolispartofMEMSCAPproductportfolio.MEMSPro為工程設(shè)計中普通MEMS設(shè)計者和MEMS專家提供考慮MEMS和IC混合作用的、在Windows操作系統(tǒng)下的設(shè)計環(huán)境。全套的MEMSPro為用戶無縫地從仿真示意圖一直到掩模提供方便的工具。MEMS基本模塊幫助用戶自動生成掩模，包括編輯、設(shè)計規(guī)則校驗、塊放置和布線、3維模型生成和3維可視化。設(shè)計工具4243ANSYSMEMSCAP和ANSYS緊密結(jié)合以確保MEMS設(shè)計和有限元分析工具的無縫集成。ANSYS是有限元多物理場分析的最佳工具，MEMSCAP為ANSYS在MEMS市場提供方便的設(shè)計工具。44CoventorwareCoventorWare是在著名的MEMCAD軟件上發(fā)展起來的。該軟件擁有幾十個專業(yè)模塊,功能包含MEMS器件與系統(tǒng)的設(shè)計、工藝、仿真.可以進(jìn)行從系統(tǒng)級到器件級的仿真。CoventorWare可以應(yīng)用于四大領(lǐng)域：OPTICALMEMS,RFMEMS,MICROFLUIDICS,SENSOR。2005年的版本加入封裝方面的功能。45該軟件包含五大部分：ARCHITECT，DESIGNER，ANALYZER，INTEGRATOR，MEMulator+Etch3D。

46CoventorwareARCHITECT：可定制的Top-Down設(shè)計和并行設(shè)計環(huán)境，具備Electromechanical/Optical/RF/Fluidic器件的模型特性參數(shù)庫，給用戶提供系統(tǒng)級的MEMS設(shè)計、仿真、分析功能。DESIGNER：是MEMS器件版圖設(shè)計、材料庫、工藝過程檢驗和三維模型生成。同時，DESIGNER還自帶MEMS封裝模型庫。ANALYZER：完備的MEMS器件仿真功能，包括有限元和邊界元仿真，對MEMS器件的三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)、靜電學(xué)、阻尼、電磁學(xué)、多場耦合、微流體等物理問題的詳細(xì)分析。47CoventorwareINTEGRATOR：提取MEMS器件特性參數(shù)，也可以從場分析結(jié)果中提取電學(xué)，力學(xué)，封裝熱變形，氣體阻尼，質(zhì)量，轉(zhuǎn)距，流阻等行為模型，用于系統(tǒng)級仿真分析。工藝仿真器MEMultor+Etch3D：工藝仿真軟件MEMulator

使得MEMS設(shè)計者或工藝工程師能夠在實際的制造過程前觀察設(shè)計及工藝過程效果。產(chǎn)生高度接近真實器件的3D虛擬原型，而不是理想化的幾何模型。Etch3D可以進(jìn)行各向異性濕法刻蝕模擬。各個方向的刻蝕速度通過AtomisticMonte-CarloSimulation1來算出，而不是直接輸入。并且Etch3D可以和MEMulator結(jié)合在一起進(jìn)行工藝仿真。4849SEMulator-68stepCMOSprocessemulationP-wellonsubstrateStep2ExposePhotoresistmakstoimplantNTUBStep8ExposePhotoresistwithactivediffusionmaskStep14GrowOxideincl.bird’sbeakformationStep18GrowthinOxideoversiliconsurfacesStep20ExposeResistondepositedPolyStep24Removethinoxidewhereexposed

Step26ImplantPPLUSStep35Step44ImplantNPLUSStep50RemoveResistaftercontactholeetchRemoveResistafterMetal1RIEetchStep56NitrideCapdepositionStep66Finaldevicewithoutanyoxidelayervisualized

Zoomoncrosssectionoffinaldevice

50IntellisuiteIntelliSuite是IntelliSenseCorp開發(fā)的MEMS設(shè)計工具。IntelliSense可以應(yīng)用于以下領(lǐng)域：BIOMEMS,RFMEMS,MECHANISMDESIGN,FLUIDICS，SENSOR&ACTUATORS,OPTICALMEMS。ProcesstoolsDevicetoolsSpecializedtools51IntellisuitePre-processorMeshgeneratorPerformanceanalysisThermo-electro-mechanicalanalysisPost-contactandhysteresisanalysis,PiezoMEMS,RFMEMS,Electromagnetics,Microfluidics,BioMEMS,Packaging,Circuit&Systemanalysis.MaterialdatabaseFabricationandcostmodelingSiDryandWetEtchsimulatorsAutomatedLayoutFabricationsimulation5253MeshgeneratorInteractivemeshrefinementputsyouincontrol54TunablecapacitorModalanalysis:Firstmode55IMEE

FirstMEMSCADToolwithIPinChina(北大)

MEMSSystemLevelDesign,DeviceDesignandSimulation,ProcessDesignandSimulation,LayoutDesign56***********575.4軟件使用介紹及設(shè)計實例1.工藝步驟及掩模版設(shè)計練習(xí)設(shè)計目標(biāo)：靜電微梁應(yīng)用：光柵光閥，壓力傳感，微鏡……

58結(jié)構(gòu)0.5um2um0.2um10um去除犧牲層后的結(jié)構(gòu)去除犧牲層前的結(jié)構(gòu)59掩模版A掩模B掩模6060硅基底10um0.5um2um0.2um10um61硅基底10um沉積氮化硅0.2um0.5um2um0.2um10um62硅基底10um沉積氮化硅0.2um沉積犧牲層（BPSG）2um0.5um2um0.2um10um6363硅基底10um沉積氮化硅0.2um沉積犧牲層（BPSG）2um加B掩模曝光（用負(fù)膠）0.5um2um0.2um10um646464硅基底10um沉積氮化硅0.2um沉積犧牲層（BPSG）2um加B掩模曝光（用負(fù)膠）刻蝕BPSG（深度2um）0.5um2um0.2um10um65656565硅基底10um沉積氮化硅0.2um沉積犧牲層（BPSG）2um加B掩模曝光（用負(fù)膠）刻蝕BPSG（深度2um）沉積鋁膜0.5um0.5um2um0.2um10um6666666666硅基底10um沉積氮化硅0.2um沉積犧牲層（BPSG）2um加B掩模曝光（用負(fù)膠）刻蝕BPSG（深度2um）沉積鋁膜0.5um加A掩模曝光（用正膠）

0.5um2um0.2um10um676767676767硅基底10um沉積氮化硅0.2um沉積犧牲層（BPSG）2um加B掩模曝光（用負(fù)膠）刻蝕BPSG（深度2um）沉積鋁膜0.5um加A掩模曝光（用正膠）刻蝕Al（深度2um）0.5um2um0.2um10um686868686868硅基底10um沉積氮化硅0.2um沉積犧牲層（BPSG）2um加B掩模曝光（用負(fù)膠）刻蝕BPSG（深度2um）沉積鋁膜0.5um加A掩模曝光（用正膠）刻蝕Al（深度2um）去除犧牲層材料0.5um2um0.2um10um69掩模版用途AnchormaskBeammaskGNDmask702.Intellisuite軟件介紹Pre-processorMeshgeneratorPerform