如何化解MEMS设计挑战

自从能够使用改良的半导体器件制造技术制造微机电系统（MEMS）器件以来， MEMS便一直保持着飞快的发展速度。在集成电路（IC）设计中广泛使用的版图工具自然也成为了MEMS版图设计的首选工具。尽管IC版图工具已相当成熟，并且具有丰富的IC应用功能，但若要高效应对MEMS版图带来的挑战，其中许多工具仍有些力不从心。因此，IC工具需要独特的面向MEMS的功能，以满足MEMS版图设计的特定需求，以提高设计流程的速度、便捷性和准确性。MEMS版图与IC版图之间的一大区别在于是否能使用独特的不规则形状。在传统的CMOS IC设计中，版图形状通常是曼哈顿样式（例如矩形和直角多边形）或具有用于布线的45度边的多边形；而MEMS设计则与之不同，其可广泛应用于机械、光学、磁场、流体和生物学领域，因而所使用的几何形状也就千变万化，较为繁复（参见图1）。支持实现不规则形状（包括曲线和全角多边形）和易用性，已成为区分面向MEMS的CAD工具与传统的面向IC的工具的判断标准。

图1：MEMS磁执行器、加速度计和旋转侧驱动电机绘制曲线和全角形状——环面、圆形、扇形和多边形面向MEMS的CAD工具需要能够轻松绘制带有弯曲边缘的多边形的功能，而不是要求用户编写C代码，将短线段组合成多面多边形来模拟曲线。例如，Tanner L-Edit MEMS版图编辑器提供了专门的工具栏来快速绘制圆形、饼图、扇形和环面（“圆环”）等曲线。将曲面对象作为理想的圆弧进行处理，其中扫描角度和半径作为参数可由用户编辑。然后可以移动、旋转和拼接此类曲线片段，以构成类似磁执行器平衡环这样的复杂结构（参见图2）。

图2：由基本曲面对象拼接而成的复杂MEMS形状高级编辑操作还适用于曲面几何形状，包括切片、步冲轮廓（裁剪）和布尔运算（与、或、异或、非、减法）。绘制的对象还可以外扩或内缩指定的距离，从而简化齿轮、车轮和微流体管等同轴形状的创建。在执行这些高级编辑操作时，圆形、扇形、环面和曲面多边形均采用针对制造网格设定的公差范围以内的全角多边形进行逼近。精确的布局和对齐——基点和对齐工具栏除了绘制和编辑原生曲面物体之外，MEMS版图还需要对物体进行精确放置和对齐，以便能够快速创建复杂的形状。Tanner L-Edit MEMS具有一系列专为满足此类需求而设计的编辑功能，包括全角旋转、基点、对象捕捉、移动和对齐工具栏。Tanner L-Edit MEMS支持对象和实例的全角度旋转，且旋转角度可精确至小数点后六位数。通过创建对象或实例的环形阵列，围绕旋转点多次重复和旋转对象或实例，可以增强全角旋转功能。环形阵列在MEMS中十分常见，环形阵列命令可以加速创建MEMS结构。借助基点可实现以用户指定的基准点进行编辑操作，例如移动、旋转、翻转、调用、剪切和复制等。用户可使用光标选取基点，或直接输入基点的（X，Y）坐标。这样一来，用户便可以快速移动对象，并将对象上的特定点与另一对象上的特定位置对齐。为帮助用户快速、准确地将光标捕捉到所需的点，系统提供了一个多功能的对象捕捉工具栏，用于捕捉到对象的顶点、边缘的中心点、边上的任意位置、交点、圆心、象限等等（参见图3）。此功能显示的标记可以指示下一个绘图或编辑操作将会捕捉到的对象以及捕捉类型（例如顶点、中心点等）。这样，用户就能快速、精确地从基本曲面对象组装复杂的MEMS形状（如图2所示），或精确地编辑现有对象。

图3：在绘制和编辑过程中捕捉到对象的不同部分有时以文本方式移动对象或边要比图形方式轻松得多。Tanner L-Edit MEMS包含一条Move-by（移动距离）命令，可按用户输入的距离移动对象或边。输入ΔX和ΔY后，如果将其中一个Δ值设为零，则会将Move-By（移动距离）限制为只能在水平或垂直方向上执行编辑。设计人员还可以将编辑操作约束为垂直移动单个选定的边，同时保留邻角或边的长度（参见图4）。对齐栏支持常规对象对齐任务以及对象分布（对象的中心或边之间保持等间距）和灵活的对象平铺。对象平铺可以加快相邻对象的组装；例如，在图2中，选中对象2、3和4后，只需单击一次便可完成平铺。

图4：在垂直移动全角边的同时保留邻角图5中的示例显示了如何通过八个简单的步骤创建一个复杂的谐波侧驱动电机的MEMS结构的大部分。要创建该结构，用户需要创建一组基本对象，包括框、圆形和环面。然后通过使用Move-By（移动距离）和Polar Array（环形阵列）对齐或排列对象，进而组合该结构。

图5：按照8个步骤创建谐波侧驱动电机实例、层次结构和设计复用作为IC版图设计中的常见概念，实例是支持设计复用和简化设计迭代的一种基本和不可或缺的机制。一组对象可以组合成一个模块或单元，然后在设计中作为一个实例多次予以引用。实例是对特定位置和方向的单元（主单元/母单元）的引用。实例可以引用由对象、其他实例或对象和实例的组合构成的单元。用户通过在较高级别的模块/单元中调用和复用较低级别的模块/单元，并创建模块/单元的设计层次结构，可以逐步构建复杂的设计。在MEMS版图设计中，考虑到即便使用精心设计的版图工具，创建每个MEMS元器件通常也要花费大量精力的这一事实，使用实例更是不可或缺。在图1所示的磁执行器中，只需要绘制四分之一的设计，然后将其实例化和镜像三次便可完成设计。利用实例，设计人员可以在多个位置复用或复制设计的一部分。但实例的真正强大之处在于，实例不是对主单元的复制而是引用。这意味着，如果用户更改了主单元中的版图，则该主单元的所有实例都会自动反映这一更改。这类似于在文本编辑器中执行搜索和全部替换。如果用户想要对主单元执行更改，但不希望将该更改传播至它的某些实例中，他们可以选择这些实例并进行一体化，从而将引用转换为所引用的实际对象。在机械CAD工具中，此功能有时被称为“爆炸”。图6显示，对主单元所做的编辑将会自动反映到它的实例中。只需指定列数和行数以及实例之间的ΔX和ΔY，就能轻松地将实例转换为矩形阵列。该阵列被视为可轻松移动或修改的单一对象。另外，也可以对实例执行旋转和镜像。在一些IC CAD工具中，应用非90度旋转后，实例将会被一体化。于是，设计层次结构丢失，造成单元更新的效率非常低，而且容易出错，因为这时将不得不单独修改每个旋转的实例。相反，Tanner L-Edit MEMS允许以非90度的角度旋转实例，同时将其保留为实例而不进行一体化，如此一来，既可保存设计层次结构，又能确保平滑的设计修订过程。

图6：修改主单元和对其实例产生的影响曲线到全角边的转换在执行一些高级编辑操作、运行设计规则检查（DRC）和导出到GDSII时，需要将曲面多边形转换为全角多边形。全角逼近必须尽可能精确地表示实际曲线。在一些CAD工具中，曲线基于特定数量的顶点进行转换，这样就无法保证不同大小的曲线之间的精度。Tanner L-Edit MEMS则基于制造网格转换曲线，可在转换过程中基于曲线的大小来调整需要使用的顶点数量，从而获得极高的精度。为演示Tanner L-Edit MEMS方法与其他CAD工具之间的差别，我们使用其他CAD工具中通常使用的固定数量的顶点，将图7中的三个半径分别为5µm、50µm和250µm的圆形转换为全角多边形。同时也使用Tanner L-Edit MEMS的方法执行该转换。可以看到，对于较小的曲线（例如5µm半径的圆形）与原始曲线相比，两种方法在曲线逼近方面的表现都不错，并且误差几乎相同。但对于更大的曲线（例如250µm圆形）固定顶点数量方法的误差率会增加至几近0.3µm。由于Tanner L-Edit MEMS使用制造网格来计算顶点数，因此误差平均小于制造网格的误差0.01µm。尽管在制造时会对边进行平滑化处理，但如果误差过高，此误差可能会影响获得的MEMS结构的性能。此外，此转换误差在对曲面几何形状执行布尔运算时可能导致问题，并且造成出现很多DRC虚假错误。

图7：Tanner L-Edit MEMS中基于制造网格的曲线逼近提供了很高的精度使用“生成层面”创建复杂的形状有时，设计中需要的复杂形状几乎不可能通过手动绘制而成，但可通过一系列的布尔运算轻松生成。Tanner L-Edit MEMS支持创建派生的层面，即其他层面的布尔运算。派生的层面可引用其他派生的层面，从而允许用户通过对其他绘制的或派生的层面执行一组复杂的布尔运算来创建新层面。创建派生的层面后，Tanner L-Edit MEMS可使用“生成层面”功能，基于其派生等式，在该层面上生成几何形状。图8显示了派生的层面在创建复杂的MEMS形状时可带来的好处。在磁执行器中，填充平衡环的硅结构（灰色）之间的空间非常重要，但在填充物与硅结构之间需要存在20µm的间隙。使用派生的层面可以轻松做到这一点。首先，绘制一个覆盖硅结构范围的大方框。创建一个新的派生层面，将硅结构外扩20µm，然后从之前绘制的大方框减去外扩后的结构。运行“生成层面”功能，在新层面上创建几何形状，然后我们可以剔除生成的所有额外几何形状，获得我们需要的结果。

图8：使用派生的层面生成复杂的形状结语在设计MEMS版图时，版图编辑器需要具备能够应对任意形状和结构所带来的挑战的功能。曲面几何形状的影响及其采用的逼近方法会影响版图从编辑到布尔运算的方方面面。关键在于要获取正确的工具，以便高效地操作从MEMS结构得出的曲面几何形状。有了上述专为MEMS设计用途而开发的独特功能，便可轻松、精确地创建MEMS版图。由此，Tanner L-Edit MEMS这类面向MEMS的版图工具成为了MEMS设计人员不可或缺的得力助手。