如何化解MEMS設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

自從能夠使用改良的半導(dǎo)體器件制造技術(shù)制造微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）器件以來， MEMS便一直保持著飛快的發(fā)展速度。在集成電路（IC）設(shè)計(jì)中廣泛使用的版圖工具自然也成為了MEMS版圖設(shè)計(jì)的首選工具。盡管IC版圖工具已相當(dāng)成熟，并且具有豐富的IC應(yīng)用功能，但若要高效應(yīng)對(duì)MEMS版圖帶來的挑戰(zhàn)，其中許多工具仍有些力不從心。因此，IC工具需要獨(dú)特的面向MEMS的功能，以滿足MEMS版圖設(shè)計(jì)的特定需求，以提高設(shè)計(jì)流程的速度、便捷性和準(zhǔn)確性。MEMS版圖與IC版圖之間的一大區(qū)別在于是否能使用獨(dú)特的不規(guī)則形狀。在傳統(tǒng)的CMOS IC設(shè)計(jì)中，版圖形狀通常是曼哈頓樣式（例如矩形和直角多邊形）或具有用于布線的45度邊的多邊形；而MEMS設(shè)計(jì)則與之不同，其可廣泛應(yīng)用于機(jī)械、光學(xué)、磁場、流體和生物學(xué)領(lǐng)域，因而所使用的幾何形狀也就千變?nèi)f化，較為繁復(fù)（參見圖1）。支持實(shí)現(xiàn)不規(guī)則形狀（包括曲線和全角多邊形）和易用性，已成為區(qū)分面向MEMS的CAD工具與傳統(tǒng)的面向IC的工具的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

圖1：MEMS磁執(zhí)行器、加速度計(jì)和旋轉(zhuǎn)側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)繪制曲線和全角形狀——環(huán)面、圓形、扇形和多邊形面向MEMS的CAD工具需要能夠輕松繪制帶有彎曲邊緣的多邊形的功能，而不是要求用戶編寫C代碼，將短線段組合成多面多邊形來模擬曲線。例如，Tanner L-Edit MEMS版圖編輯器提供了專門的工具欄來快速繪制圓形、餅圖、扇形和環(huán)面（“圓環(huán)”）等曲線。將曲面對(duì)象作為理想的圓弧進(jìn)行處理，其中掃描角度和半徑作為參數(shù)可由用戶編輯。然后可以移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和拼接此類曲線片段，以構(gòu)成類似磁執(zhí)行器平衡環(huán)這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（參見圖2）。

圖2：由基本曲面對(duì)象拼接而成的復(fù)雜MEMS形狀高級(jí)編輯操作還適用于曲面幾何形狀，包括切片、步?jīng)_輪廓（裁剪）和布爾運(yùn)算（與、或、異或、非、減法）。繪制的對(duì)象還可以外擴(kuò)或內(nèi)縮指定的距離，從而簡化齒輪、車輪和微流體管等同軸形狀的創(chuàng)建。在執(zhí)行這些高級(jí)編輯操作時(shí)，圓形、扇形、環(huán)面和曲面多邊形均采用針對(duì)制造網(wǎng)格設(shè)定的公差范圍以內(nèi)的全角多邊形進(jìn)行逼近。精確的布局和對(duì)齊——基點(diǎn)和對(duì)齊工具欄除了繪制和編輯原生曲面物體之外，MEMS版圖還需要對(duì)物體進(jìn)行精確放置和對(duì)齊，以便能夠快速創(chuàng)建復(fù)雜的形狀。Tanner L-Edit MEMS具有一系列專為滿足此類需求而設(shè)計(jì)的編輯功能，包括全角旋轉(zhuǎn)、基點(diǎn)、對(duì)象捕捉、移動(dòng)和對(duì)齊工具欄。Tanner L-Edit MEMS支持對(duì)象和實(shí)例的全角度旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)角度可精確至小數(shù)點(diǎn)后六位數(shù)。通過創(chuàng)建對(duì)象或?qū)嵗?a target="_blank">環(huán)形陣列，圍繞旋轉(zhuǎn)點(diǎn)多次重復(fù)和旋轉(zhuǎn)對(duì)象或?qū)嵗?，可以增?qiáng)全角旋轉(zhuǎn)功能。環(huán)形陣列在MEMS中十分常見，環(huán)形陣列命令可以加速創(chuàng)建MEMS結(jié)構(gòu)。借助基點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)以用戶指定的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行編輯操作，例如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、調(diào)用、剪切和復(fù)制等。用戶可使用光標(biāo)選取基點(diǎn)，或直接輸入基點(diǎn)的（X，Y）坐標(biāo)。這樣一來，用戶便可以快速移動(dòng)對(duì)象，并將對(duì)象上的特定點(diǎn)與另一對(duì)象上的特定位置對(duì)齊。為幫助用戶快速、準(zhǔn)確地將光標(biāo)捕捉到所需的點(diǎn)，系統(tǒng)提供了一個(gè)多功能的對(duì)象捕捉工具欄，用于捕捉到對(duì)象的頂點(diǎn)、邊緣的中心點(diǎn)、邊上的任意位置、交點(diǎn)、圓心、象限等等（參見圖3）。此功能顯示的標(biāo)記可以指示下一個(gè)繪圖或編輯操作將會(huì)捕捉到的對(duì)象以及捕捉類型（例如頂點(diǎn)、中心點(diǎn)等）。這樣，用戶就能快速、精確地從基本曲面對(duì)象組裝復(fù)雜的MEMS形狀（如圖2所示），或精確地編輯現(xiàn)有對(duì)象。

圖3：在繪制和編輯過程中捕捉到對(duì)象的不同部分有時(shí)以文本方式移動(dòng)對(duì)象或邊要比圖形方式輕松得多。Tanner L-Edit MEMS包含一條Move-by（移動(dòng)距離）命令，可按用戶輸入的距離移動(dòng)對(duì)象或邊。輸入ΔX和ΔY后，如果將其中一個(gè)Δ值設(shè)為零，則會(huì)將Move-By（移動(dòng)距離）限制為只能在水平或垂直方向上執(zhí)行編輯。設(shè)計(jì)人員還可以將編輯操作約束為垂直移動(dòng)單個(gè)選定的邊，同時(shí)保留鄰角或邊的長度（參見圖4）。對(duì)齊欄支持常規(guī)對(duì)象對(duì)齊任務(wù)以及對(duì)象分布（對(duì)象的中心或邊之間保持等間距）和靈活的對(duì)象平鋪。對(duì)象平鋪可以加快相鄰對(duì)象的組裝；例如，在圖2中，選中對(duì)象2、3和4后，只需單擊一次便可完成平鋪。

圖4：在垂直移動(dòng)全角邊的同時(shí)保留鄰角圖5中的示例顯示了如何通過八個(gè)簡單的步驟創(chuàng)建一個(gè)復(fù)雜的諧波側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的MEMS結(jié)構(gòu)的大部分。要?jiǎng)?chuàng)建該結(jié)構(gòu)，用戶需要?jiǎng)?chuàng)建一組基本對(duì)象，包括框、圓形和環(huán)面。然后通過使用Move-By（移動(dòng)距離）和Polar Array（環(huán)形陣列）對(duì)齊或排列對(duì)象，進(jìn)而組合該結(jié)構(gòu)。

圖5：按照8個(gè)步驟創(chuàng)建諧波側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)例、層次結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)復(fù)用作為IC版圖設(shè)計(jì)中的常見概念，實(shí)例是支持設(shè)計(jì)復(fù)用和簡化設(shè)計(jì)迭代的一種基本和不可或缺的機(jī)制。一組對(duì)象可以組合成一個(gè)模塊或單元，然后在設(shè)計(jì)中作為一個(gè)實(shí)例多次予以引用。實(shí)例是對(duì)特定位置和方向的單元（主單元/母單元）的引用。實(shí)例可以引用由對(duì)象、其他實(shí)例或?qū)ο蠛蛯?shí)例的組合構(gòu)成的單元。用戶通過在較高級(jí)別的模塊/單元中調(diào)用和復(fù)用較低級(jí)別的模塊/單元，并創(chuàng)建模塊/單元的設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)，可以逐步構(gòu)建復(fù)雜的設(shè)計(jì)。在MEMS版圖設(shè)計(jì)中，考慮到即便使用精心設(shè)計(jì)的版圖工具，創(chuàng)建每個(gè)MEMS元器件通常也要花費(fèi)大量精力的這一事實(shí)，使用實(shí)例更是不可或缺。在圖1所示的磁執(zhí)行器中，只需要繪制四分之一的設(shè)計(jì)，然后將其實(shí)例化和鏡像三次便可完成設(shè)計(jì)。利用實(shí)例，設(shè)計(jì)人員可以在多個(gè)位置復(fù)用或復(fù)制設(shè)計(jì)的一部分。但實(shí)例的真正強(qiáng)大之處在于，實(shí)例不是對(duì)主單元的復(fù)制而是引用。這意味著，如果用戶更改了主單元中的版圖，則該主單元的所有實(shí)例都會(huì)自動(dòng)反映這一更改。這類似于在文本編輯器中執(zhí)行搜索和全部替換。如果用戶想要對(duì)主單元執(zhí)行更改，但不希望將該更改傳播至它的某些實(shí)例中，他們可以選擇這些實(shí)例并進(jìn)行一體化，從而將引用轉(zhuǎn)換為所引用的實(shí)際對(duì)象。在機(jī)械CAD工具中，此功能有時(shí)被稱為“爆炸”。圖6顯示，對(duì)主單元所做的編輯將會(huì)自動(dòng)反映到它的實(shí)例中。只需指定列數(shù)和行數(shù)以及實(shí)例之間的ΔX和ΔY，就能輕松地將實(shí)例轉(zhuǎn)換為矩形陣列。該陣列被視為可輕松移動(dòng)或修改的單一對(duì)象。另外，也可以對(duì)實(shí)例執(zhí)行旋轉(zhuǎn)和鏡像。在一些IC CAD工具中，應(yīng)用非90度旋轉(zhuǎn)后，實(shí)例將會(huì)被一體化。于是，設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)丟失，造成單元更新的效率非常低，而且容易出錯(cuò)，因?yàn)檫@時(shí)將不得不單獨(dú)修改每個(gè)旋轉(zhuǎn)的實(shí)例。相反，Tanner L-Edit MEMS允許以非90度的角度旋轉(zhuǎn)實(shí)例，同時(shí)將其保留為實(shí)例而不進(jìn)行一體化，如此一來，既可保存設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)，又能確保平滑的設(shè)計(jì)修訂過程。

圖6：修改主單元和對(duì)其實(shí)例產(chǎn)生的影響曲線到全角邊的轉(zhuǎn)換在執(zhí)行一些高級(jí)編輯操作、運(yùn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）和導(dǎo)出到GDSII時(shí)，需要將曲面多邊形轉(zhuǎn)換為全角多邊形。全角逼近必須盡可能精確地表示實(shí)際曲線。在一些CAD工具中，曲線基于特定數(shù)量的頂點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣就無法保證不同大小的曲線之間的精度。Tanner L-Edit MEMS則基于制造網(wǎng)格轉(zhuǎn)換曲線，可在轉(zhuǎn)換過程中基于曲線的大小來調(diào)整需要使用的頂點(diǎn)數(shù)量，從而獲得極高的精度。為演示Tanner L-Edit MEMS方法與其他CAD工具之間的差別，我們使用其他CAD工具中通常使用的固定數(shù)量的頂點(diǎn)，將圖7中的三個(gè)半徑分別為5μm、50μm和250μm的圓形轉(zhuǎn)換為全角多邊形。同時(shí)也使用Tanner L-Edit MEMS的方法執(zhí)行該轉(zhuǎn)換?？梢钥吹?，對(duì)于較小的曲線（例如5μm半徑的圓形）與原始曲線相比，兩種方法在曲線逼近方面的表現(xiàn)都不錯(cuò)，并且誤差幾乎相同。但對(duì)于更大的曲線（例如250μm圓形）固定頂點(diǎn)數(shù)量方法的誤差率會(huì)增加至幾近0.3μm。由于Tanner L-Edit MEMS使用制造網(wǎng)格來計(jì)算頂點(diǎn)數(shù)，因此誤差平均小于制造網(wǎng)格的誤差0.01μm。盡管在制造時(shí)會(huì)對(duì)邊進(jìn)行平滑化處理，但如果誤差過高，此誤差可能會(huì)影響獲得的MEMS結(jié)構(gòu)的性能。此外，此轉(zhuǎn)換誤差在對(duì)曲面幾何形狀執(zhí)行布爾運(yùn)算時(shí)可能導(dǎo)致問題，并且造成出現(xiàn)很多DRC虛假錯(cuò)誤。

圖7：Tanner L-Edit MEMS中基于制造網(wǎng)格的曲線逼近提供了很高的精度使用“生成層面”創(chuàng)建復(fù)雜的形狀有時(shí)，設(shè)計(jì)中需要的復(fù)雜形狀幾乎不可能通過手動(dòng)繪制而成，但可通過一系列的布爾運(yùn)算輕松生成。Tanner L-Edit MEMS支持創(chuàng)建派生的層面，即其他層面的布爾運(yùn)算。派生的層面可引用其他派生的層面，從而允許用戶通過對(duì)其他繪制的或派生的層面執(zhí)行一組復(fù)雜的布爾運(yùn)算來創(chuàng)建新層面。創(chuàng)建派生的層面后，Tanner L-Edit MEMS可使用“生成層面”功能，基于其派生等式，在該層面上生成幾何形狀。圖8顯示了派生的層面在創(chuàng)建復(fù)雜的MEMS形狀時(shí)可帶來的好處。在磁執(zhí)行器中，填充平衡環(huán)的硅結(jié)構(gòu)（灰色）之間的空間非常重要，但在填充物與硅結(jié)構(gòu)之間需要存在20μm的間隙。使用派生的層面可以輕松做到這一點(diǎn)。首先，繪制一個(gè)覆蓋硅結(jié)構(gòu)范圍的大方框。創(chuàng)建一個(gè)新的派生層面，將硅結(jié)構(gòu)外擴(kuò)20μm，然后從之前繪制的大方框減去外擴(kuò)后的結(jié)構(gòu)。運(yùn)行“生成層面”功能，在新層面上創(chuàng)建幾何形狀，然后我們可以剔除生成的所有額外幾何形狀，獲得我們需要的結(jié)果。

圖8：使用派生的層面生成復(fù)雜的形狀結(jié)語在設(shè)計(jì)MEMS版圖時(shí)，版圖編輯器需要具備能夠應(yīng)對(duì)任意形狀和結(jié)構(gòu)所帶來的挑戰(zhàn)的功能。曲面幾何形狀的影響及其采用的逼近方法會(huì)影響版圖從編輯到布爾運(yùn)算的方方面面。關(guān)鍵在于要獲取正確的工具，以便高效地操作從MEMS結(jié)構(gòu)得出的曲面幾何形狀。有了上述專為MEMS設(shè)計(jì)用途而開發(fā)的獨(dú)特功能，便可輕松、精確地創(chuàng)建MEMS版圖。由此，Tanner L-Edit MEMS這類面向MEMS的版圖工具成為了MEMS設(shè)計(jì)人員不可或缺的得力助手。