MEMS谐振器

在过去,MEMS器件通常通过导线连接在电路板上,以单独封装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功能结合在一个基板上。对于许多应用,芯片不动产、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设计朝着片上系统解决方案发展。SoC设备包括单片MEMS和IC集成(其中MEMS和IC结构构建在同一基板上)和异质MEMS和IC集成(其中MEMS和IC结构构建在单独的基板上,随后合并到单个基板上)。

由于增加了工艺步骤和更复杂的器件结构,SoC解决方案比混合多芯片集成方案(其中单独的MEMS和CMOS器件结合在一起)更复杂。由于增加了工艺复杂性,SoC器件的开发时间(以及达到生产产量)往往更长。工艺建模和虚拟器件制造技术可以减轻开发基于SoC的MEMS器件所增加的复杂性。

SEMulator3D®是一个功能强大的3D半导体和MEMS工艺建模平台,在MEMS产品开发中具有重要价值。SEMulator3D使用输入设计数据和工艺流程信息创建制造的MEMS设备的虚拟等效物。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,并在芯片交付制造之前识别工艺问题。

在本例中,我们将通过创建单个基板、集成MEMS谐振器的虚拟模型,强调工艺建模在MEMS设计中的价值。该谐振器的设计基于从公开的专利申请中获得的信息。

如专利中所述,集成MEMS谐振器首先通过在基板上高温部分形成谐振器来创建。然后在晶圆或晶片上的单独工艺步骤中形成周围的电路。随后在较低温度下在衬底上执行形成谐振器的一些剩余步骤。

MEMS谐振器的SEM图像

图1:专利US20070072327A1的MEMS谐振器SEM图像


类似谐振器的三维模型,显示模具上的结构和附近的金属层。此视图以不同颜色亮显每个电网。

图2:模具上有金属层的类似谐振器的simulator3d模型。每个电网都用不同的颜色突出显示。

图1显示了在专利申请中发现的MEMS谐振器的SEM图像。该设备的SEMulator3D模型(图2)是基于专利文件中描述的处理步骤的解释创建的。注意,工艺步骤包括MEMS设备和电网,都在一个模具上。

在simulator3d中输入设备工艺步骤等信息,即可完成工艺模型标定。可以快速生成设备(在每个工艺步骤)的3D工艺模拟,提供设备在每个制造步骤的深入、可视化理解。

SEMulator3D还可用于在工艺建模期间创建大截面和设备层图像。由此产生的模型也可用于测量数据,如网络连通性和地形。此外,Semultact3D中的图层几何图形可以网格化并以多种格式导出。

SEMulator3D几何体也可以使用曲面和体积网格建模,并导出到行业标准的场解算器。SEMulator3D使用两种复杂的建模方法:体素建模(一种快速、稳健的数字方法)和曲面演化(一种能够以极高精度建模各种物理过程行为的模拟方法)。SEMulator3D能够使用网格元素离散体素模型,以生成模拟质量的网格。三角形曲面和四面体体积网格都可以从Semultact3D导出到有限元建模软件,如CoventorWare。我们的样品谐振器的网格视图如图3所示。

在simulator3d中网格谐振器的视图

图3:在SEMulator3D中网格谐振器的视图

SEMuator3D非常适合于混合多芯片和SoC MEMS器件的设计。它不区分双模或集成MEMS设备,可以对最先进的MEMS技术中使用的复杂工艺序列进行建模。此外,Semultact3D能够根据实际制造过程生成MEMS设备的高精度模型,而不是传统有限元分析(FEA)中通常使用的理想几何体。Semmulator 3D模型的几何保真度大大提高了FEA模拟精度。

引用:

  1. 微系统与纳米工程,“集成MEMS和ic”,Andreas C. Fischer, Fredrik Forsberg, Martin Lapisa, Simon J. Bleiker, Göran Stemme, Niclas Roxhed & Frank Niklaus, Volume 1, Article number: 15005 (2015)
  2. 美国专利20070072327A1,发明者:Jason W. Weigold, Analog Devices, Inc
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