MEMS器件在包含運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)、溫度波動(dòng)等壓力因素的真實(shí)世界中是如何表現(xiàn)的？確保MEMS器件在實(shí)際環(huán)境中的工作性能符合預(yù)期的一個(gè)重要手段是執(zhí)行有限元分析（FEA）。FEA在MEMS器件的三維模型上定義一個(gè)網(wǎng)格，從而將計(jì)算物理作用力影響的復(fù)雜計(jì)算細(xì)分為有限元。計(jì)算各有限元的基本物理機(jī)制，建立一個(gè)復(fù)雜方程，然后逼近整個(gè)設(shè)計(jì)上的物理效應(yīng)。本篇技術(shù)短文通過(guò)研究可調(diào)諧光濾波器（圖1）來(lái)探討FEA的準(zhǔn)備工作。

圖1：可調(diào)諧光濾波器

可調(diào)諧光濾波器是建立光纖通信系統(tǒng)的波分復(fù)用（WDM）解決方案的核心部件。利用兩個(gè)折射率不同的并行Bragg鏡層構(gòu)建一個(gè)Fabry-Perot諧振腔。一個(gè)運(yùn)動(dòng)電極懸置于三根梁上。當(dāng)施加電壓時(shí)，運(yùn)動(dòng)電極在靜電力作用下向固定電極移動(dòng)。兩個(gè)Bragg層之間的距離決定諧振波長(zhǎng)頻率。光波進(jìn)入諧振腔，但只有諧振波長(zhǎng)能通過(guò)諧振腔。

這種濾波器能否制造？它是否會(huì)像預(yù)期的那樣工作？要回答這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)問(wèn)：

? 可調(diào)諧頻率范圍是否可滿足要求？? 梁是否會(huì)正確彎曲以便像預(yù)期的那樣過(guò)濾光束？? 梁的運(yùn)動(dòng)是否會(huì)扭曲Bragg表面？? 梁的動(dòng)作速度是否會(huì)足夠快以滿足要求？? 梁能否承受運(yùn)動(dòng)應(yīng)力而不失效？? 非理想鏡面對(duì)器件運(yùn)作會(huì)有何影響？

為了回答這些問(wèn)題，應(yīng)利用FEA工具對(duì)該器件進(jìn)行實(shí)際條件下的仿真。設(shè)計(jì)人員須完成的FEA準(zhǔn)備工作包括：指定制造工藝，創(chuàng)建二維掩膜版圖，以及在Tanner L-Edit中生成器件的優(yōu)化三維模型。

指定制造工藝

設(shè)計(jì)人員可以與晶圓代工廠合作，直接在L-Edit中指定制造工藝。第一步是說(shuō)明制作可調(diào)諧濾波器所用的材料：金屬、多晶硅、氧化物和氮化物。設(shè)計(jì)人員視需要調(diào)整材料屬性，此信息隨后被傳送到 FEA 工具。接下來(lái)，設(shè)計(jì)人員會(huì)指定與材料相關(guān)聯(lián)的濾波器三維工藝步驟。指定的每個(gè)步驟都是模仿制造中使用的機(jī)器步驟，如沉積、蝕刻、拋光等等。例如，在一個(gè)沉積步驟之后定義一個(gè)蝕刻步驟，其指定要蝕刻的物料以及蝕刻移除的物料。設(shè)計(jì)人員將適當(dāng)?shù)墓に嚥襟E映射到二維掩膜版圖。（可生成真實(shí)器件剖面圖）對(duì)于可調(diào)諧濾波器（圖2），基本工藝步驟包括：

? 沉積底鏡的氧化物、多晶硅和氮化物。? 沉積后蝕刻一層多晶硅。? 沉積氧化物并蝕刻固定電極。? 沉積金屬。? 沉積頂鏡的氮化物、氧化物和多晶硅。? 沉積并蝕刻梁、錨和運(yùn)動(dòng)電極。

圖2：可調(diào)諧濾波器的制造工藝步驟

創(chuàng)建二維掩膜版圖

在L-Edit中創(chuàng)建濾波器，指定在硅晶圓基礎(chǔ)上形成錨定梁和上下電極的材料層（圖3）。

圖3：可調(diào)諧濾波器版圖

濾波器諧振腔充滿空氣。為研究濾波器的靜電行為，設(shè)計(jì)人員可以在L-Edit中的二維版圖上添加一層來(lái)處理兩個(gè)電極之間的空氣量（圖4）。

圖4：濾波器版圖上添加一個(gè)空氣層

生成三維模型

設(shè)計(jì)人員可以從在FEA工具中創(chuàng)建濾波器三維模型開始。但是，制造器件需要二維掩膜。所以，最好從在L-Edit中創(chuàng)建二維掩膜版圖開始。然后，指示L-Edit通過(guò)這些掩膜自動(dòng)生成三維模型，從而提供制造步驟的仿真。利用這個(gè)以掩膜為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)人員可以聚焦于設(shè)計(jì)切實(shí)可行的器件，因?yàn)樽罱K用于制造目的的掩膜是被直接創(chuàng)建出來(lái)，而不是從三維模型進(jìn)行逆向工作。

圖5所示為從L-Edit中的二維掩膜版圖自動(dòng)生成的可調(diào)諧濾波器三維模型。

圖5：生成的可調(diào)諧濾波器三維模型

設(shè)計(jì)人員可以在三維模型中檢查各制造工藝步驟，并拍攝快照以用于編制文檔。為了探究模型中各元素的關(guān)系，可以指定模型的疊層結(jié)構(gòu)（圖6）。

圖6：探究三維模型的剖面

優(yōu)化性能

如果MEMS器件很復(fù)雜，F(xiàn)EA工具可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成仿真，甚至可能無(wú)法收斂。設(shè)計(jì)人員可以運(yùn)用多種技術(shù)來(lái)優(yōu)化三維模型的仿真性能，包括：

? 關(guān)閉三維模型中使用的某些材料和工藝步驟，再將其導(dǎo)出到FEA工具。? 使用L-Edit中的特征清除工具清除孔洞、合并轉(zhuǎn)角面并清除小圓角以簡(jiǎn)化模型。? 仿真模型的一個(gè)分區(qū)以進(jìn)行有針對(duì)性的分析。

利用L-Edit Substrate功能創(chuàng)建三維模型的一個(gè)1/3分區(qū)，可以簡(jiǎn)化該可調(diào)諧濾波器。新模型僅包含一根梁、上下電極的1/3和諧振腔1/3的空氣量（圖7）。此分區(qū)降低了FEA分析的規(guī)模和復(fù)雜度。然后，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)該梁和電極的靜電特性進(jìn)行有針對(duì)性的分析。

圖7：將三維模型分區(qū)以改善仿真性能

執(zhí)行后續(xù)步驟

生成優(yōu)化的三維模型之后，設(shè)計(jì)人員可以將說(shuō)明內(nèi)容導(dǎo)出為多種格式中的一種，然后將模型導(dǎo)入FEA工具。必要的靜電信息、邊界條件、物料屬性和梁自由度由三維模型提供。

在FEA工具中，設(shè)計(jì)人員驗(yàn)證給定適當(dāng)?shù)墓馐鴷r(shí)，濾波器能否在指定調(diào)諧范圍內(nèi)正常工作。此外，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)試驗(yàn)探究鏡缺陷或鏡曲率不當(dāng)對(duì)調(diào)諧器的影響。

執(zhí)行FEA之后，若發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題則修改二維模型，并重新生成三維模型進(jìn)行 FEA。確認(rèn)了設(shè)計(jì)的物理效應(yīng)之后，設(shè)計(jì)人員可以利用SoftMEMS的MEMS Modeler工具（配合T-Spice仿真器使用）生成器件的行為模型。

結(jié)語(yǔ)

為了制作MEMS器件，必須回答一些重要問(wèn)題才能保證器件在實(shí)際條件下能正常工作。Tanner以掩膜為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)流程將制造工藝步驟和材料與二維掩膜版圖關(guān)聯(lián)起來(lái)，以便自動(dòng)生成用于有限元分析的優(yōu)化三維模型。該設(shè)計(jì)流程有助于確保制造出的MEMS器件符合預(yù)期。