基于元胞自動機(jī)方法的MEMS加工工藝模擬研究.pdf

1、目前，MEMS的加工工序日益增多，而且每一道工序都會對最終產(chǎn)品的性能產(chǎn)生直接影響，采用傳統(tǒng)的反復(fù)試驗(yàn)方法為這種多變量過程確定出最佳工藝條件，已經(jīng)變得非常困難且成本急劇增加。MEMS工藝模擬研究可實(shí)現(xiàn)MEMS器件的虛擬制造，能夠利用MEMS CAD軟件優(yōu)化制造工藝和MEMS結(jié)構(gòu)，通過改進(jìn)版圖設(shè)計(jì)與制造工藝就能得到性能良好的MEMS器件和結(jié)構(gòu)，可以有效地縮短MEMS產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低MEMS產(chǎn)品的開發(fā)成本。因此，MEMS工藝模擬已經(jīng)成為完

2、善和改進(jìn)已有MEMS CAD系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。 雖然硅各向異性腐蝕、光刻、反應(yīng)離子刻蝕等MEMS加工工藝的模擬研究已經(jīng)開展了很多年，但是隨著MEMS器件的尺寸不斷縮小，對工藝模擬精度的要求不斷提高，一些已有的單步工藝模型和模擬工具在很多情況下已經(jīng)不能滿足實(shí)際需要。目前的光刻工藝模擬軟件主要是面向集成電路加工過程的薄膠光刻過程模擬。然而，MEMS加工中采用的厚膠光刻工藝（如SU-8膠深紫外（UV）光刻）與集成電路制造過程中的薄膠

3、光刻工藝有著很大的差異。由于這些模擬軟件較少考慮SU-8膠等厚光刻膠的特殊性，采用其模擬厚膠光刻過程，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差比較大。另一方面，集成電路制造過程中不涉及斜入射光刻等獨(dú)特曝光技術(shù)，因此，已有的光刻過程模擬軟件根本不能完成這些獨(dú)特曝光過程的模擬；目前，硅各向異腐蝕過程模擬的原子級模型不能夠精確地引入（120）、（211），（311），（331），（411）等較多的高密勒指數(shù)晶面，因而這些模型的模擬精度不高。同時(shí)，還存在著模擬速

4、度較慢，模擬過程中需要存儲單元較多的問題；此外，目前報(bào)道的MEMS工藝模擬主要集中在單步工藝的模型與模擬，不能完整地實(shí)現(xiàn)MEMS器件的虛擬制造，對MEMS器件設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用仍然有限。MEMS器件的加工工藝模擬需要對每一步工藝進(jìn)行建模與模擬，同時(shí)還要在結(jié)構(gòu)和算法上將每一步工藝連接，才能模擬出完整的MEMS器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 本論文以元胞自動機(jī)方法為主線，對MEMS的加工工藝模型和模擬方法進(jìn)行了深入研究，具體工作和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下：

5、 第一、提出了一種用于光刻膠刻蝕模擬的二維（2D）動態(tài)元胞自動機(jī)算法。采用一些公認(rèn)的光刻速率分布測試函數(shù)非常有效地測試了該算法，驗(yàn)證了該算法的效果。在此基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)時(shí)間補(bǔ)償值計(jì)算方法和元胞自動機(jī)演化規(guī)則得到精度更高、速度更快的改進(jìn)的2D動態(tài)CA算法。采用已有的光刻速率分布函數(shù)模擬光刻膠的刻蝕過程，驗(yàn)證了改進(jìn)的2D動態(tài)CA算法。改進(jìn)的2D動態(tài)CA算法穩(wěn)定性好，在光刻膠刻蝕速率急劇變化的區(qū)域也很穩(wěn)定。同時(shí)，運(yùn)算速度更快，可以更好地滿足

6、SU－8膠等厚膠光刻過程模擬的需要。 第二、研究了UV光在SU-8膠中傳播時(shí)的吸收、衰減過程，在空氣/光刻膠界面、光刻膠/襯底界面的反射與折射規(guī)律。同時(shí)，研究了SU－8膠中溶劑的不均勻分布對曝光過程的影響，以及斜入射曝光這種獨(dú)特曝光方式的基本原理。建立了用于SU-8膠UV光垂直入射和斜入射光刻模擬的空間影像成型和曝光2D模型。結(jié)合已有的后烘和顯影模型，并基于改進(jìn)的2D動態(tài)元胞自動機(jī)算法，開發(fā)了SU－8膠UV光刻過程的2D模擬系統(tǒng)

7、。設(shè)計(jì)并完成了一系列SU－8膠UV光刻實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該2D模擬系統(tǒng)的模擬結(jié)果。 第三、提出了光刻膠刻蝕模擬的三維（3D）動態(tài)元胞自動機(jī)算法，采用光刻速率分布測試函數(shù)有效地測試了3D動態(tài)元胞自動機(jī)算法，算法具有穩(wěn)定性好、運(yùn)算速度快、精度較高的優(yōu)點(diǎn)。采用該算法模擬了UVTM113薄光刻膠的完整光刻過程，模擬結(jié)果與已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。此外，將SU－8膠UV光刻模擬的空間影像成型、曝光、后烘和顯影的2D模型推廣為3D模型，并基于3D動態(tài)元胞

8、自動機(jī)算法和這些3D光刻模型，開發(fā)了SU－8膠UV光刻過程的3D模擬系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與該3D模擬系統(tǒng)的模擬結(jié)果比較一致，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的效果。 第四、建立了高精度的硅各向異性腐蝕3D連續(xù)元胞自動機(jī)CA模型，推導(dǎo)出一系列方程用于描述不同表面元胞腐蝕速率與各晶面腐蝕速率的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步擬合得到了不同表面原元胞的激活能。模型可以有效的引入（211），（311），（331），（411）等高密勒指數(shù)晶面。同時(shí)，提出了一種動態(tài)算法，可以

9、有效地提高模擬速度，并減少模擬過程中所需要的存儲單元?；诒菊陆⒌?D連續(xù)CA模型和動態(tài)算法開發(fā)了硅各向異性腐蝕模擬系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果。 第五、研究了反應(yīng)離子刻蝕、低壓化學(xué)汽相淀積（LPCVD）等MEMS常用表面加工工藝的原理，建立了薄膜淀積、刻蝕等各單步工藝模擬的模型。提出了表面加工工藝模擬的元胞自動機(jī)算法?；谠撍惴ㄩ_發(fā)了反應(yīng)離子刻蝕、LPCVD等加工工藝的模擬程序，在驗(yàn)證了單步工藝模擬效果的基礎(chǔ)上，本論文還以

10、多晶硅表面微機(jī)械加工工藝流程模擬為目標(biāo)，以多晶硅懸臂梁的加工工藝為例，實(shí)現(xiàn)了簡單的MEMS表面加工工藝流程的模擬。 本論文建立的光刻膠刻蝕過程的動態(tài)元胞自動機(jī)算法及改進(jìn)的動態(tài)元胞自動機(jī)算法可以有效地應(yīng)用光刻過程的模擬；基于改進(jìn)的動態(tài)元胞自動機(jī)算法開發(fā)的SU-8深紫外光刻過程的模擬系統(tǒng)可以用于SU-8深紫外光刻工藝研究，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高M(jìn)EMS設(shè)計(jì)的效率；基于3D連續(xù)CA模型和動態(tài)算法開發(fā)了硅各向異性腐蝕模擬系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)具有精