MEMS谐振器

在过去,MEMS设备通常是在电路板上用线连接到单独封装的CMOS控制芯片。这种方法现在正被更先进的混合多芯片和片上系统(SoC)解决方案所取代,这些解决方案将MEMS和CMOS功能结合在一个基片上。在许多应用中,诸如芯片占地面积、封装和测试成本或设备对寄生电容的敏感性等因素可能会推动芯片上系统解决方案的设计。SoC器件包括单片MEMS和IC集成(其中MEMS和IC结构建立在同一基片上)和异构MEMS和IC集成(其中MEMS和IC结构建立在单独的基片上,然后合并到单个基片上)。

由于增加了工艺步骤和更复杂的设备结构,SoC解决方案比混合多芯片集成方案(混合多芯片集成方案是将独立的MEMS和CMOS器件结合在一起)更复杂。由于增加了过程的复杂性,SoC设备的开发时间(以及达到生产产量)往往会更长。过程建模和虚拟设备制造技术可以减轻开发基于soc的MEMS设备所增加的复杂性。

semulator3d.®是一个强大的3D半导体和MEMS过程建模平台,在MEMS产品开发中有价值。SEMulator3D使用输入的设计数据和工艺流程信息来创建一个虚拟的等效MEMS设备。最重要的是,它可以突出设计和集成工艺流程之间的复杂交互作用,并在芯片发送到制造之前识别工艺问题。

在这个例子中,我们将通过创建一个单衬底集成MEMS谐振器的虚拟模型来强调工艺建模在MEMS设计中的价值。这种谐振器的设计是基于从公开的专利文件中获得的信息。

正如专利中所述,集成MEMS谐振器首先是通过在衬底上高温下部分形成谐振器而形成的。然后在晶圆片或模具上以不同的工艺步骤形成周围的电路。形成谐振器的一些剩余步骤随后在较低的温度下在衬底上进行。

MEMS谐振器的SEM图像

图1:专利US20070072327A1的MEMS谐振器的SEM图像


一个类似的谐振器的三维模型,显示了模具上的结构和附近的金属层。这个视图用不同的颜色突出显示了每个电网。

图2:模具上具有金属层的类似谐振器的血管3d模型。每个电网以不同的颜色突出显示。

图1显示了专利申请中发现的MEMS谐振器的SEM图像。基于专利文献中描述的处理步骤的解释,创建了设备的半决模型(图2)。请注意,流程步骤包括MEMS设备和电网,全部在单个芯片上。

通过将设备流程步骤和其他信息输入到Semulator3D,可以完成过程模型校准。可以快速生成设备的3D过程模拟(在每个处理步骤中),在每个制造步骤中提供对设备的深入视觉理解。

SEMulator3D还可以用于在流程建模期间创建大的横截面和设备层图像。由此产生的模型也可以用于测量数据,如网络连通性和地形。此外,在SEMulator3D的层几何可以网格化和导出多种格式。

SEMulator3D几何也可以用表面和体积网格建模,并导出到行业标准的现场求解器。SEMulator3D使用了两种复杂的建模方法:体素建模(Voxel modeling),一种快速、稳健的数字方法,以及表面进化(Surface Evolution),一种模拟方法,能够以极高的精度建模广泛的物理过程行为。SEMulator3D能够用网格元素离散体素模型,生成模拟质量的网格。三角形曲面和四面体体网格都可以从SEMulator3D导出到CoventorWare等有限元建模软件。我们的样本谐振器的网格视图可以在图3中找到。

网眼谐振器的看法在semulator3d

图3:Semulator3D中网状谐振器的视图

SEMuator3D非常适合于多芯片和SoC MEMS器件的混合设计。它不区分双模或集成MEMS器件,可以模拟最先进的MEMS技术中使用的复杂工艺序列。此外,SEMulator3D能够基于实际制造过程生成MEMS器件的高精度模型,而不是传统有限元分析(FEA)中通常使用的理想化几何模型。仿真器三维模型的几何逼真度大大提高了有限元仿真精度。

参考:

  1. MicroSystems&Nanoengineering,“集成Mems and Ics”,Andreas C.Fischer,Fredrik Forsberg,Martin Lapisa,Simon J. Blleiker,GöranTemme,Niclas Roxhed&Frank Niklaus,第1卷,文章编号:15005(2015)
  2. 美国专利20070072327A1,发明人:Jason W.Weigold,Analog Devices,Inc
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