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MEMS快速入门系列:准备有限元分析
2018-05-05 21:08:01   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

FEA在MEMS器件的三维模型上定义一个网格,从而将计算物理作用力影响的复杂计算细分为有限元。计算各有限元的基本物理机制,建立一个复杂方程,然后逼近整个设计上的物理效应。

NICOLAS WILLIAMS,产品营销经理,MENTOR

简介

MEMS器件在包含运动、振动、温度波动等压力因素的真实世界中是如何表现的?确保MEMS器件在实际环境中的工作性能符合预期的一个重要手段是执行有限元分析(FEA)。FEA在MEMS器件的三维模型上定义一个网格,从而将计算物理作用力影响的复杂计算细分为有限元。计算各有限元的基本物理机制,建立一个复杂方程,然后逼近整个设计上的物理效应。本篇技术短文通过研究可调谐光滤波器(图1)来探讨FEA的准备工作。

可调谐光滤波器

图1:可调谐光滤波器

可调谐光滤波器是建立光纤通信系统的波分复用(WDM)解决方案的核心部件。利用两个折射率不同的并行Bragg镜层构建一个Fabry-Perot谐振腔。一个运动电极悬置于三根梁上。当施加电压时,运动电极在静电力作用下向固定电极移动。两个Bragg层之间的距离决定谐振波长频率。光波进入谐振腔,但只有谐振波长能通过谐振腔。

这种滤波器能否制造?它是否会像预期的那样工作?要回答这些问题,设计人员可能会问:
• 可调谐频率范围是否可满足要求?
• 梁是否会正确弯曲以便像预期的那样过滤光束?
• 梁的运动是否会扭曲Bragg表面?
• 梁的动作速度是否会足够快以满足要求?
• 梁能否承受运动应力而不失效?
• 非理想镜面对器件运作会有何影响?

为了回答这些问题,应利用FEA工具对该器件进行实际条件下的仿真。设计人员须完成的FEA准备工作包括:指定制造工艺,创建二维掩膜版图,以及在Tanner L-Edit中生成器件的优化三维模型。

指定制造工艺

设计人员可以与晶圆代工厂合作,直接在L-Edit中指定制造工艺。第一步是说明制作可调谐滤波器所用的材料:金属、多晶硅、氧化物和氮化物。设计人员视需要调整材料属性,此信息随后被传送到 FEA 工具。接下来,设计人员会指定与材料相关联的滤波器三维工艺步骤。指定的每个步骤都是模仿制造中使用的机器步骤,如沉积、蚀刻、抛光等等。例如,在一个沉积步骤之后定义一个蚀刻步骤,其指定要蚀刻的物料以及蚀刻移除的物料。设计人员将适当的工艺步骤映射到二维掩膜版图。(可生成真实器件剖面图)对于可调谐滤波器(图2),基本工艺步骤包括:
• 沉积底镜的氧化物、多晶硅和氮化物。
• 沉积后蚀刻一层多晶硅。
• 沉积氧化物并蚀刻固定电极。
• 沉积金属。
• 沉积顶镜的氮化物、氧化物和多晶硅。
• 沉积并蚀刻梁、锚和运动电极。

可调谐滤波器的制造工艺步骤

图2:可调谐滤波器的制造工艺步骤

创建二维掩膜版图

在L-Edit中创建滤波器,指定在硅晶圆基础上形成锚定梁和上下电极的材料层(图3)。

可调谐滤波器版图

图3:可调谐滤波器版图

滤波器谐振腔充满空气。为研究滤波器的静电行为,设计人员可以在L-Edit中的二维版图上添加一层来处理两个电极之间的空气量(图4)。

滤波器版图上添加一个空气层

图4:滤波器版图上添加一个空气层

生成三维模型

设计人员可以从在FEA工具中创建滤波器三维模型开始。但是,制造器件需要二维掩膜。所以,最好从在L-Edit中创建二维掩膜版图开始。然后,指示L-Edit通过这些掩膜自动生成三维模型,从而提供制造步骤的仿真。利用这个以掩膜为导向的设计流程,设计人员可以聚焦于设计切实可行的器件,因为最终用于制造目的的掩膜是被直接创建出来,而不是从三维模型进行逆向工作。

图5所示为从L-Edit中的二维掩膜版图自动生成的可调谐滤波器三维模型。

生成的可调谐滤波器三维模型

图5:生成的可调谐滤波器三维模型

设计人员可以在三维模型中检查各制造工艺步骤,并拍摄快照以用于编制文档。为了探究模型中各元素的关系,可以指定模型的叠层结构(图6)。

探究三维模型的剖面

图6:探究三维模型的剖面

优化性能

如果MEMS器件很复杂,FEA工具可能需要很长时间才能完成仿真,甚至可能无法收敛。设计人员可以运用多种技术来优化三维模型的仿真性能,包括:
• 关闭三维模型中使用的某些材料和工艺步骤,再将其导出到FEA工具。
• 使用L-Edit中的特征清除工具清除孔洞、合并转角面并清除小圆角以简化模型。
• 仿真模型的一个分区以进行有针对性的分析。

利用L-Edit Substrate功能创建三维模型的一个1/3分区,可以简化该可调谐滤波器。新模型仅包含一根梁、上下电极的1/3和谐振腔1/3的空气量(图7)。此分区降低了FEA分析的规模和复杂度。然后,设计人员可以对该梁和电极的静电特性进行有针对性的分析。

将三维模型分区以改善仿真性能

图7:将三维模型分区以改善仿真性能

执行后续步骤

生成优化的三维模型之后,设计人员可以将说明内容导出为多种格式中的一种,然后将模型导入FEA工具。必要的静电信息、边界条件、物料属性和梁自由度由三维模型提供。

在FEA工具中,设计人员验证给定适当的光束时,滤波器能否在指定调谐范围内正常工作。此外,设计人员可以通过试验探究镜缺陷或镜曲率不当对调谐器的影响。

执行FEA之后,若发现任何问题则修改二维模型,并重新生成三维模型进行 FEA。确认了设计的物理效应之后,设计人员可以利用SoftMEMS的MEMS Modeler工具(配合T-Spice仿真器使用)生成器件的行为模型。

结语

为了制作MEMS器件,必须回答一些重要问题才能保证器件在实际条件下能正常工作。Tanner以掩膜为导向的设计流程将制造工艺步骤和材料与二维掩膜版图关联起来,以便自动生成用于有限元分析的优化三维模型。该设计流程有助于确保制造出的MEMS器件符合预期。

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