MEMS技术 第三讲 工艺设计及版图设计

硅
b2
t2 l2 = l1 b1 t1
7 Ebt Ebt 2 t1 t2 2t1t2 24 E2b2t 2 E1b1t1 r 1 2 T t1 t2 3
a热膨胀系数，t厚度，b宽度
3 1 11
3 2 2 2
加热层
金属层
加热膜
• 美国IC Sensors
Phase Shift Mask
• Add one 180° phase shift layer on mask
• The feature size can achieve about 100 nm
• First introduce in 1982. New software developed recently.
【Bright rt al., U. Colorado】
• 热膨胀式是利用执行器加热时本身材料的
体积膨胀制造的。 • 热气动式一种典型的方法是形成带有密封 流体（如空气、水蒸汽和液态水等）的空 腔，气腔中的流体被加热后就会膨胀，压 力增大，从而推动薄膜运动。
固体热膨胀：双晶片热执行器
• 热执行器的一个基本方案是利用两种键合材料 •
气泡表面张力致动器简图
缺点
• 可惜的是，它们的工作环境必须是液体环
境，这就限制了它们的最大工作速度（由 于阻尼）和效率（由于液体的热导）。 • 热驱动方法功耗较大，而且由于热时间常 数的缘故，其带宽比较低。热气动式由于 要有密封腔，所以生产装配工艺较为复杂。
• 热气动微阀[28]
玻璃 出口 进口 铝膜 硅
• Link CAD
电容谐振器的版图
•？
第三讲主要内容
(3)
1、系统设计与器件设计 2、工艺设计 3、版图设计 4、关于微器件的一般知识
•微执行器
•微传感器
• • •
微机械执行器是组成微机电系统的要素之一。 如，力学执行器是将电能或其它能量转换为机 械能 。 理想的执行器应该是使用很少的能源，具有很 高的机械效率，对机械状态和环境条件适应性强， 需要时能产生高速运动，具有高的能量-质量比， 在控制信号与力、扭矩和速度之间呈线形比例关 系。
•
“Heatuator”
• Current runs through loop of released structure (usually polysilicon, “cold arm” with gold layer) • Regions with higher current density (“hot arm”) are heated up more and expend more (“pseudo bimorph”)
器件设计
• 原理
• 性能
第三讲主要内容
(3)
1、系统设计与器件设计 2、工艺设计 3、版图设计 4、关于微器件的一般知识
电容原理加速度传 感器
？
工艺流程设计
• Substrate passivation and poly ground plane
• n+ diffusion, 0.5 m thermal oxide, 0.15 m LPCVD nituride • 0.3 m phosphorus-doped LPCVD poly
－Depositon of material Pattern transfer Removal of material
probe testing secticning individual DIE Assembly into package package seal final test
Mask Fabrication Tool
• High resolution printer • Optical pattern generator
• E-beam writer
Mask Design Tools
• AutoCAD
• L-edit
• Some simulation tools:
MAMSCAD; Intellsense
desired device’s pattern • May cause serrated edges and nonuniformity across the mask
Proximity Correction Mask
• Modify the mask •
pattern Final Mask pattern may contain serifs at feature corners
MEMS和微系统设计
课程内容
• • • • • • • •
MEMS概述及MEMS设计的概述 工艺简要回顾 系统设计、工艺设计及版图设计 主要的机械、电子元件及其设计基础 多域耦合设计：以机电耦合为例子 器件性能的估计 简单的其他域的元件及其简要设计要点 设计实例
第三讲主要内容
(3)
1、系统设计与器件设计 2、工艺设计 3、版图设计 4、关于微器件的一般知识
Process & Flow
Layout
Device Design
•Transduction mechanism •Physical simulation •Verify system requirement
Implementation
•What technology to use? －Bulk vs surface micromachining －Custom vs Foundry process －Materials (Si, single crystal, poly,…) •Process integration Finite element method •Coupled domain FEM(MEMCAD, ANSYS, IntelliCAD,…)
系统设计的目的
MEMS Design
System Requirments
•Sensitivity •Responsivity •Freq response •Loss •Power consumption •etc •System level simulation (e.g. optical simulation for optical systems)
加热电阻
玻璃
a)
压力腔内注有 氯甲烷，利用 其液态-气态相 变控制流体， 控制氮气流量 达15L/min。
磁执行器
通电线圈
• 通电导体产生磁场。
平行的两条导线中 通以相同方向的电 流则彼此之间相互 吸引， 如果通以相 反的电流，则彼此 之间相互排斥。
• 类似的，通电线圈也能产生磁场，它可与
磁铁或相隔一定距离的线圈产生的外磁场 相互作用而产生机械力。电磁力的优点在 于其值可以很高，并且既可以吸引也可以 排斥。缺点是功耗一般较高，而且产生的 磁场会对附近的物体产生一些影响，例如 移动带电微粒或影响磁数据存储介质。
•Microstructure release
• HF to etch PSG • Water rinse • Dry, avoiding surface tension of water
第三讲主要内容
(3)
1、系统设计与器件设计 2、工艺设计 3、版图设计 4、关于微器件的一般知识
版图设计
的不同热膨胀系数，被称为双晶片热激励。 一个加热器常被夹在两层“活动”的材料中间， 加电后，就会使它们产生不同的膨胀。该方案 的优点包括线性的偏移量-能量关系以及环境稳 定性，如这些执行器能运行于热传导相当低的 液体中。 缺点包括高功耗、低带宽（由热时间常数决定） 以及比静电执行器更复杂的结构。
•
热双晶片执行器的截面图
• 版图什么样 • 版图的制作过程 • 对准问题 • 正胶和负胶问题 • 版图设计工具
Mask Type
• Binary Mask • Proximity correction mask
• Phase shift mask
Binary Mask
• The patternarea is either clear or opaque • The mask pattern design as same as
• Sacrifical layer deposition and patterning
• 2 m LPCVD PSG
• Densify and reflow PSG at 100 ℃, 1 h • Timed etch to creat dimples, wet etch • Etch anchors, reactive ion etch
• Structure poly deposition, doping, and anneal
• 2 m LPCVD poly (undoped), 610 ℃ • 0.3 m PSG on top • Symmetric doping occurs during anneal at 1050 ℃ in N2 for 1 hour
活塞执行器
• 一个膨胀气体驱动的活塞执行器，它的运
动是沿着衬底所在的平面平行移动。在多 晶硅加热器的作用下形成了水蒸汽的气泡， 并在活塞腔内膨胀，将活塞向外推。当加 热停止时，活塞腔内的气泡就破裂，于是 活塞就返回原来的位置。在衬底表面差不 多的情况下，基于表面张力的执行器所能 提供的力能达到其它方式所能提供的力的 两个数量级以上。
•Analytical models •Macro models
•Thicker films deeper etches fewer steps •Multiple processing cycles •Removal of underlying materials to release mechanical structures
•Establish technology files －Layers of materials －Thickness －Deposition or etching －Lithography •Mask layout •Design rules •Design rule checking (DRC) •Cross-section view •Synthesis •Export to MEMS CAD
双金属致动器
• 严格说来双金属致动器也是一种热致动器，
但它不利用固体的体积膨胀，而是利用固 体的线形膨胀来制造微致动器。双金属热 致动是通过加热，使得驱动元件本身的温 度升高，结构内部产生热应力，导致薄膜 产生线性应变，从而达到驱动目的。
• 双金属热致动方式具有驱动电压低、驱动
力大、行程大、线性的位移—能量关系、 结构及制造工艺简单（相对热气动等方式 而言）、驱动能源易于实现、易于集成等 特点，因而应用前景广泛。
驱动方式（原理及实例）
静电式微执动器（重点内容，以后章节） 热力 压电式微执动器 形状记忆合金微执动器 电磁式微执动器 生物
热执行器
• 有一些基于固体或液体膨
胀的热执行方式。它们中 的许多已在微机械器件中 得到应用 ; 利用热来驱动的热致动器 或简单的加热器（一个电 阻器）广泛应用于微机械 器件中，是一种十分常见 的驱动方式。从原理上分， 热致动器可以分为热气动 式和热膨胀式两种。
•
入口
源自文库
加热电阻
• 热气动蠕动泵，
出口
蠕动膜
流道
图4-331 热气动蠕动泵
膜片与管道间的 间隙处于常开状 态，加热驱动将 使间隙关闭，膜 片的顺序动作促 使流体定向流动。 该泵流量和背压 都比较低。
微机械波形管执行器
• 表面微机械“波
形管”执行器， 这种执行器带有 一个环形的折叠 状薄膜结构，相 对于简单的薄膜， 这种结构可以得 到更大的偏移。
进口
硅
出口
利用这种双金属 片致动原理研制 的阀如图4-319 所示。其中，硅 膜厚、直径为， 铝层厚，常开间 隙为的阀可控 0.2MPa、的气流， 泄漏仅为 45μL/min
体积膨胀和相变执行器
• 不利用固体的线形膨胀，而是利用体积膨胀也可
以制造出微机械执行器。一种典型的方法是形成 带有密封流体的空腔（如：空气、水蒸汽和液态 水等），这些物质可以被加热，然后就会膨胀。 但是，就象别的许多热驱动方法一样，这种方法 功耗较大，带宽较低，这是由于热时间常数所致。 变相的热执行器包括加热时相态可变的材料，这 样体积发生膨胀从而产生压力以及机械载荷。例 如，可以通过加热将水从液态转变为气态，产生 的气泡可以用作驱动力。