MEMS器件在包含運動、振動、溫度波動等壓力因素的真實世界中是如何表現(xiàn)的？確保MEMS器件在實際環(huán)境中的工作性能符合預期的一個重要手段是執(zhí)行有限元分析（FEA）。FEA在MEMS器件的三維模型上定義一個網(wǎng)格，從而將計算物理作用力影響的復雜計算細分為有限元。計算各有限元的基本物理機制，建立一個復雜方程，然后逼近整個設計上的物理效應。本篇技術短文通過研究可調諧光濾波器（圖1）來探討FEA的準備工作。

圖1：可調諧光濾波器

可調諧光濾波器是建立光纖通信系統(tǒng)的波分復用（WDM）解決方案的核心部件。利用兩個折射率不同的并行Bragg鏡層構建一個Fabry-Perot諧振腔。一個運動電極懸置于三根梁上。當施加電壓時，運動電極在靜電力作用下向固定電極移動。兩個Bragg層之間的距離決定諧振波長頻率。光波進入諧振腔，但只有諧振波長能通過諧振腔。

這種濾波器能否制造？它是否會像預期的那樣工作？要回答這些問題，設計人員可能會問：

? 可調諧頻率范圍是否可滿足要求？? 梁是否會正確彎曲以便像預期的那樣過濾光束？? 梁的運動是否會扭曲Bragg表面？? 梁的動作速度是否會足夠快以滿足要求？? 梁能否承受運動應力而不失效？? 非理想鏡面對器件運作會有何影響？

為了回答這些問題，應利用FEA工具對該器件進行實際條件下的仿真。設計人員須完成的FEA準備工作包括：指定制造工藝，創(chuàng)建二維掩膜版圖，以及在Tanner L-Edit中生成器件的優(yōu)化三維模型。

指定制造工藝

設計人員可以與晶圓代工廠合作，直接在L-Edit中指定制造工藝。第一步是說明制作可調諧濾波器所用的材料：金屬、多晶硅、氧化物和氮化物。設計人員視需要調整材料屬性，此信息隨后被傳送到 FEA 工具。接下來，設計人員會指定與材料相關聯(lián)的濾波器三維工藝步驟。指定的每個步驟都是模仿制造中使用的機器步驟，如沉積、蝕刻、拋光等等。例如，在一個沉積步驟之后定義一個蝕刻步驟，其指定要蝕刻的物料以及蝕刻移除的物料。設計人員將適當?shù)墓に嚥襟E映射到二維掩膜版圖。（可生成真實器件剖面圖）對于可調諧濾波器（圖2），基本工藝步驟包括：

? 沉積底鏡的氧化物、多晶硅和氮化物。? 沉積后蝕刻一層多晶硅。? 沉積氧化物并蝕刻固定電極。? 沉積金屬。? 沉積頂鏡的氮化物、氧化物和多晶硅。? 沉積并蝕刻梁、錨和運動電極。

圖2：可調諧濾波器的制造工藝步驟

創(chuàng)建二維掩膜版圖

在L-Edit中創(chuàng)建濾波器，指定在硅晶圓基礎上形成錨定梁和上下電極的材料層（圖3）。

圖3：可調諧濾波器版圖

濾波器諧振腔充滿空氣。為研究濾波器的靜電行為，設計人員可以在L-Edit中的二維版圖上添加一層來處理兩個電極之間的空氣量（圖4）。

圖4：濾波器版圖上添加一個空氣層

生成三維模型

設計人員可以從在FEA工具中創(chuàng)建濾波器三維模型開始。但是，制造器件需要二維掩膜。所以，最好從在L-Edit中創(chuàng)建二維掩膜版圖開始。然后，指示L-Edit通過這些掩膜自動生成三維模型，從而提供制造步驟的仿真。利用這個以掩膜為導向的設計流程，設計人員可以聚焦于設計切實可行的器件，因為最終用于制造目的的掩膜是被直接創(chuàng)建出來，而不是從三維模型進行逆向工作。

圖5所示為從L-Edit中的二維掩膜版圖自動生成的可調諧濾波器三維模型。

圖5：生成的可調諧濾波器三維模型

設計人員可以在三維模型中檢查各制造工藝步驟，并拍攝快照以用于編制文檔。為了探究模型中各元素的關系，可以指定模型的疊層結構（圖6）。

圖6：探究三維模型的剖面

優(yōu)化性能

如果MEMS器件很復雜，F(xiàn)EA工具可能需要很長時間才能完成仿真，甚至可能無法收斂。設計人員可以運用多種技術來優(yōu)化三維模型的仿真性能，包括：

? 關閉三維模型中使用的某些材料和工藝步驟，再將其導出到FEA工具。? 使用L-Edit中的特征清除工具清除孔洞、合并轉角面并清除小圓角以簡化模型。? 仿真模型的一個分區(qū)以進行有針對性的分析。

利用L-Edit Substrate功能創(chuàng)建三維模型的一個1/3分區(qū)，可以簡化該可調諧濾波器。新模型僅包含一根梁、上下電極的1/3和諧振腔1/3的空氣量（圖7）。此分區(qū)降低了FEA分析的規(guī)模和復雜度。然后，設計人員可以對該梁和電極的靜電特性進行有針對性的分析。

圖7：將三維模型分區(qū)以改善仿真性能

執(zhí)行后續(xù)步驟

生成優(yōu)化的三維模型之后，設計人員可以將說明內容導出為多種格式中的一種，然后將模型導入FEA工具。必要的靜電信息、邊界條件、物料屬性和梁自由度由三維模型提供。

在FEA工具中，設計人員驗證給定適當?shù)墓馐鴷r，濾波器能否在指定調諧范圍內正常工作。此外，設計人員可以通過試驗探究鏡缺陷或鏡曲率不當對調諧器的影響。

執(zhí)行FEA之后，若發(fā)現(xiàn)任何問題則修改二維模型，并重新生成三維模型進行 FEA。確認了設計的物理效應之后，設計人員可以利用SoftMEMS的MEMS Modeler工具（配合T-Spice仿真器使用）生成器件的行為模型。

結語

為了制作MEMS器件，必須回答一些重要問題才能保證器件在實際條件下能正常工作。Tanner以掩膜為導向的設計流程將制造工藝步驟和材料與二維掩膜版圖關聯(lián)起來，以便自動生成用于有限元分析的優(yōu)化三維模型。該設計流程有助于確保制造出的MEMS器件符合預期。