降低MEMS設(shè)計(jì)方法

  鑒于MEMS工藝源自光刻微電子工藝，所以人們很自然會(huì)考慮用IC設(shè)計(jì)工具來創(chuàng)建MEMS器件的掩膜。然而，IC設(shè)計(jì)與MEMS設(shè)計(jì)之間存在著根本的區(qū)別，從版圖特性、驗(yàn)證或仿真類型，到最重要的構(gòu)造問題。

 盡管針對(duì)MEMS設(shè)計(jì)的專用工具套件已經(jīng)面市，但它們的定價(jià)往往超出專注這一增長領(lǐng)域的許多小公司的承受范圍。作為一種替代解決方案，低成本的、基于PC的IC工具開始被用于設(shè)計(jì)微機(jī)電系統(tǒng)及IC。

    不過，這類軟件的使用者必須認(rèn)識(shí)到MEMS設(shè)計(jì)的特殊復(fù)雜性，并評(píng)估這些軟件是否能支持他們的產(chǎn)品制造和生產(chǎn)周期。對(duì)于只需要2層掩膜的簡單微流通道(microfluidic channels)，這些軟件也許正好合適。但對(duì)于復(fù)雜的多個(gè)掩膜層，在錯(cuò)誤檢測(cè)、參數(shù)對(duì)象構(gòu)建和其它步驟上浪費(fèi)的時(shí)間和金錢可能會(huì)使最初節(jié)省的成本變得毫無意義。

    當(dāng)MEMS設(shè)計(jì)包含大量的曲線對(duì)象(curved object)時(shí)，使用IC CAD工具會(huì)引發(fā)一些有趣的問題。

    曲線對(duì)象必須分個(gè)構(gòu)建，并被放置在比IC制造工藝更精細(xì)的柵格上，以確保機(jī)械的“平滑性”。此外，IC版圖工具現(xiàn)在必須能處理具有數(shù)千個(gè)點(diǎn)的多邊形(它們是因分立的曲線對(duì)象而產(chǎn)生的)。

 
圖2：像電磁激勵(lì)器這樣的器件需要

    能繪制精確曲線的版圖工具。

    管理這類數(shù)據(jù)可能會(huì)降低繪圖操作的速度。處理曲線和多邊形需要合適的繪圖指令以及精確的幾何定位工具，以準(zhǔn)確捕捉中點(diǎn)、半徑和角。在IC領(lǐng)域，精確定位一個(gè)中心點(diǎn)或到某一邏輯門的特定距離可能不像在MEMS設(shè)計(jì)中那么重要。例如，出于機(jī)械或慣性的目的，MEMS設(shè)計(jì)者可能需要把一個(gè)電阻精確地放置在某個(gè)曲梁單元(curved beam element)的中心。

    此外，IC工具可能無法按參數(shù)化方法構(gòu)造復(fù)雜的曲線或?qū)ο?，從而迫使設(shè)計(jì)師輸入詳細(xì)的x、y坐標(biāo)以繪制出相同器件的近似版本。

    低成本的IC工具通常不提供算法到版圖生成(Algorithm-to-layout generation)功能，所以設(shè)計(jì)師可能要使用Matlab或Excel這類的程序來創(chuàng)建x、y坐標(biāo)點(diǎn)，然后再進(jìn)入CAD工具。因此，這些對(duì)象是“靜態(tài)”的，并且不能被無縫編輯。

    不同于成熟的IC制造領(lǐng)域，MEMS設(shè)計(jì)師從非常早的階段起就必須考慮工藝以及器件的機(jī)械物理學(xué)問題。例如，在MEMS電磁激勵(lì)器中，三維(3-D)線圈通常很難制造。事實(shí)上，MEMS制造工藝的二維(2-D)特性經(jīng)常限制了機(jī)電設(shè)計(jì)的最佳優(yōu)化。因此，設(shè)計(jì)師不得不利用新穎的分層技術(shù)和固定的工藝折衷來實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)。

    與制造緊密聯(lián)系的是工藝特征和工件(artifact)。設(shè)計(jì)師可以直接在CAD工具中對(duì)它們做一些修正補(bǔ)償。MEMS是在版圖設(shè)計(jì)階段預(yù)備掩膜數(shù)據(jù)的。在L-Edit版圖編輯器里，所有關(guān)于復(fù)雜多邊形(如弧、園及類似圖形)的運(yùn)算都能在一個(gè)簡單的步驟中完成。在一些CAD工具中，這避免了很耗時(shí)的對(duì)各個(gè)對(duì)象逐一拷貝、粘貼和縮放的操作。

    MEMS設(shè)計(jì)師應(yīng)特別注意那些大型的多邊形，因?yàn)樵跒榱藵M足GDSII要求對(duì)曲線對(duì)象進(jìn)行多邊形化時(shí)，最終產(chǎn)生的多邊形往往具有大量的點(diǎn)。掩膜公司一般只允許一個(gè)多邊形有200個(gè)點(diǎn)。L-Edit能檢測(cè)這些多邊形，并在GDSII 輸出流上自動(dòng)把它們分解成更小的多邊形。

    對(duì)一家公司而言，MEMS工藝往往是其專有的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，而且在材料選擇、層次順序等方面是獨(dú)特的。實(shí)際上，現(xiàn)在只有很少的標(biāo)準(zhǔn)工藝。因此，這使得版圖驗(yàn)證很困難，而那些初創(chuàng)的MEMS公司又很少有能力進(jìn)行自動(dòng)化的版圖與原理圖對(duì)比(LVS)檢查。

    不過，定制的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)工具可以用來發(fā)現(xiàn)MEMS設(shè)計(jì)中突然出現(xiàn)的簡單版圖和設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。以往，低成本IC工具中的DRC功能只能處理45度和直角對(duì)象。目前，在一些更好的工具中，DRC已能跨越不同的層檢查任何多邊形對(duì)象之間的最小間距。

    在MEMS設(shè)計(jì)中，對(duì)象尺寸在數(shù)量級(jí)上的差異會(huì)導(dǎo)致一個(gè)常犯的錯(cuò)誤。兩個(gè)對(duì)象在顯示屏上看起來可能是連接在一起的，但實(shí)際上它們可能是由柵格點(diǎn)隔開的。這種錯(cuò)誤若在出帶時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)，將會(huì)造成慘重?fù)p失。能夠處理曲線和多邊形的DRC則可以避免這些錯(cuò)誤。