采用PC的IC工具降低MEMS設計方法

鑒于MEMS工藝源自光刻微電子工藝，所以人們很自然會(huì )考慮用IC設計工具來(lái)創(chuàng )建MEMS器件的掩膜。然而，IC設計與MEMS設計之間存在著(zhù)根本的區別，從版圖特性、驗證或仿真類(lèi)型，到最重要的構造問(wèn)題。

盡管針對MEMS設計的專(zhuān)用工具套件已經(jīng)面市，但它們的定價(jià)往往超出專(zhuān)注這一增長(cháng)領(lǐng)域的許多小公司的承受范圍。作為一種替代解決方案，低成本的、基于PC的IC工具開(kāi)始被用于設計微機電系統及IC。

不過(guò)，這類(lèi)軟件的使用者必須認識到MEMS設計的特殊復雜性，并評估這些軟件是否能支持他們的產(chǎn)品制造和生產(chǎn)周期。對于只需要2層掩膜的簡(jiǎn)單微流通道(microfluidic channels)，這些軟件也許正好合適。但對于復雜的多個(gè)掩膜層，在錯誤檢測、參數對象構建和其它步驟上浪費的時(shí)間和金錢(qián)可能會(huì )使最初節省的成本變得毫無(wú)意義。

當MEMS設計包含大量的曲線(xiàn)對象(curved object)時(shí)，使用IC CAD工具會(huì )引發(fā)一些有趣的問(wèn)題。

曲線(xiàn)對象必須分個(gè)構建，并被放置在比IC制造工藝更精細的柵格上，以確保機械的“平滑性”。此外，IC版圖工具現在必須能處理具有數千個(gè)點(diǎn)的多邊形(它們是因分立的曲線(xiàn)對象而產(chǎn)生的)。

圖2：像電磁激勵器這樣的器件需要

能繪制精確曲線(xiàn)的版圖工具。

管理這類(lèi)數據可能會(huì )降低繪圖操作的速度。處理曲線(xiàn)和多邊形需要合適的繪圖指令以及精確的幾何定位工具，以準確捕捉中點(diǎn)、半徑和角。在IC領(lǐng)域，精確定位一個(gè)中心點(diǎn)或到某一邏輯門(mén)的特定距離可能不像在MEMS設計中那么重要。例如，出于機械或慣性的目的，MEMS設計者可能需要把一個(gè)電阻精確地放置在某個(gè)曲梁?jiǎn)卧?curved beam element)的中心。

此外，IC工具可能無(wú)法按參數化方法構造復雜的曲線(xiàn)或對象，從而迫使設計師輸入詳細的x、y坐標以繪制出相同器件的近似版本。

低成本的IC工具通常不提供算法到版圖生成(Algorithm-to-layout generation)功能，所以設計師可能要使用Matlab或Excel這類(lèi)的程序來(lái)創(chuàng )建x、y坐標點(diǎn)，然后再進(jìn)入CAD工具。因此，這些對象是“靜態(tài)”的，并且不能被無(wú)縫編輯。

不同于成熟的IC制造領(lǐng)域，MEMS設計師從非常早的階段起就必須考慮工藝以及器件的機械物理學(xué)問(wèn)題。例如，在MEMS電磁激勵器中，三維(3-D)線(xiàn)圈通常很難制造。事實(shí)上，MEMS制造工藝的二維(2-D)特性經(jīng)常限制了機電設計的最佳優(yōu)化。因此，設計師不得不利用新穎的分層技術(shù)和固定的工藝折衷來(lái)實(shí)現恰當的磁場(chǎng)。

與制造緊密聯(lián)系的是工藝特征和工件(artifact)。設計師可以直接在CAD工具中對它們做一些修正補償。MEMS是在版圖設計階段預備掩膜數據的。在L-Edit版圖編輯器里，所有關(guān)于復雜多邊形(如弧、園及類(lèi)似圖形)的運算都能在一個(gè)簡(jiǎn)單的步驟中完成。在一些CAD工具中，這避免了很耗時(shí)的對各個(gè)對象逐一拷貝、粘貼和縮放的操作。

MEMS設計師應特別注意那些大型的多邊形，因為在為了滿(mǎn)足GDSII要求對曲線(xiàn)對象進(jìn)行多邊形化時(shí)，最終產(chǎn)生的多邊形往往具有大量的點(diǎn)。掩膜公司一般只允許一個(gè)多邊形有200個(gè)點(diǎn)。L-Edit能檢測這些多邊形，并在GDSII 輸出流上自動(dòng)把它們分解成更小的多邊形。

對一家公司而言，MEMS工藝往往是其專(zhuān)有的知識產(chǎn)權，而且在材料選擇、層次順序等方面是獨特的。實(shí)際上，現在只有很少的標準工藝。因此，這使得版圖驗證很困難，而那些初創(chuàng )的MEMS公司又很少有能力進(jìn)行自動(dòng)化的版圖與原理圖對比(LVS)檢查。

不過(guò)，定制的設計規則檢查(DRC)工具可以用來(lái)發(fā)現MEMS設計中突然出現的簡(jiǎn)單版圖和設計錯誤。以往，低成本IC工具中的DRC功能只能處理45度和直角對象。目前，在一些更好的工具中，DRC已能跨越不同的層檢查任何多邊形對象之間的最小間距。

在MEMS設計中，對象尺寸在數量級上的差異會(huì )導致一個(gè)常犯的錯誤。兩個(gè)對象在顯示屏上看起來(lái)可能是連接在一起的，但實(shí)際上它們可能是由柵格點(diǎn)隔開(kāi)的。這種錯誤若在出帶時(shí)沒(méi)有發(fā)現，將會(huì )造成慘重損失。能夠處理曲線(xiàn)和多邊形的DRC則可以避免這些錯誤。