Bevezet

1
Bevezetés Jellemzo méretek
2
Bevezetés Jellemzo méretek
3
Bevezetés Jellemzo méretek
4
Bevezetés Tervezési nehézségek

• mechanikai elektromos funkció
• megoldandó mechanikai/statikai egyenletek
• forgó, mozgó, hidas szerkezetek
• FEM/BEM szükségessége
• CMOS-sal szemben itt minden gyár másfajta
  megoldást kínál
• lényegesen kevesebb alternatíva
• nincsenek kiforrott tervezési metodikák
• kis hiba (pl. törés, letapadás) is teljes
  zavart okozhat

5
Bevezetés CMOS integrálhatóság

• probléma, foleg a nagyon eltéro méretek miatt
• két irányzat
• COB (Chip-on-board) VLSI MEMS
• Flip-chip jelentosége
• SoC (System-on-chip) VLSI ? MEMS
• ASIMPS, Sandia
• idozítések egyeztetésének nehézsége

6
Bevezetés Tokozási problémák

• mechanikai funkció miatt sokszor körülményes
• Felhasználásspecifikus anyagok
• agresszív alkalmazási körülmények
• törési veszély
• BioMEMS
• Parylene, Ti-6Al-V, Ni-Ti
• hermetikus tokozás jelentosége
• pl. Konzolra vízcsepp - muködésképtelenség

7
Gyártástechnológiák, MPW szolgáltatók IC
technikák

• Tömbi mikromechanika
• szilícium szeletben alakítjuk ki akívánt
  struktúrát, anizotróp marás
• membránok, szelepek és cantileverek
• Felületi mikromechanika
• struktúra kialakítása a szelet felületén,
  litográfiai úton, szelektív marás áldozati
  rétegek
• CMOS integrálhatóság lehetosége

http//www.memsrus.com
http//www.memsrus.com
8
Gyártástechnológiák, MPW szolgáltatók definiált
elemkészletu technológiák

• Elonyök
• költséghatékonyak(pl. egyetemi alkalmazások)
• gyorsabb, cellakönyvtáras tervezés
• sorozatgyárthatóság lehetosége
• célspecifikus processzek
• Hátrányok
• kevesebb kreatív tervezési lehetoség
• minden problémára nincs cellakönyvtáras elem
• korlátozott CMOS integrálhatóság(kivétel
  ASIMPS, Sandia)

9
Gyártástechnológiák, MPW szolgáltatók definiált
elemkészletu technológiák

• Sandia National Laboratories
• SUMMiT és SUMMiT V
• MEMSCAP
• MetalMUMPs, SOIMUMPs, PolyMUMPs
• Microfabrica
• Efab Access
• Qinetiq
• INTEGRAM
• TRONICS Microsystems
• MEMSOI

10
Gyártástechnológiák, MPW szolgáltatók definiált
elemkészletu technológiák
MUMPs Multi-User MEMS Process

• MetalMUMPs
• nikkel galvanizálás
• eredetileg MEMS kapcsolók és relék gyártásához
  készült
• a polySi ellenállásként, vagy veztékként
  funkcionál
• kis ellenállású kontaktusok, aranyozás miatt

• SOIMUMPs
• SOI(Silicon-on-Insulator) technológia
• elektrosztatikus, termikus aktuátorok
• eredetileg optikai csillapítókhoz és mozgó
  tükrökhöz készült
• finom és durva fémréteg
• szilícium a szerkezeti rétege

• PolyMUMPs
• polikristályos szilícium a szerkezeti anyag
• CaMEL elemkönyvtár
• ipari standard
• széles szoftvertámogatás
• változatos struktúrák, univerzális technológia

11
MEMS-ek gyártástechnológiái Elore definiált
technológiák MEMSCAP - PolyMUMPs
Reaktív ionmarás (RIE)
Gödrök
Fotoreziszt
Poly 0
Fotoreziszt
Primer oxid
POCl3 diffúzió
Poly 0
Nitrid
Szilícium szubsztrát
Szilícium szubsztrát
Szilícium szubsztrát
Szilícium szubsztrát
Szilícium szubsztrát
12
MEMS-ek gyártástechnológiái Elore definiált
technológiák MEMSCAP - PolyMUMPs
Gödrök
Fotoreziszt
PSG kemény maszk
Szekunder oxid
Szekunder oxid
Fém
PSG kemény maszk
Poly 2
Primer oxid
Poly 1
Nitrid, Poly0
POCl3 diffúzió
ANCHOR1
ANCHOR2
Szilícium szubsztrát
Szilícium szubsztrát
Szilícium szubsztrát
Szilícium szubsztrát
RIE
Szilícium szubsztrát
Szilícium szubsztrát
POLY1_POLY2_VIA
13
Tervezorendszerek Áttekintés

• MEMS tervezorendszerek osztályozási
  szempontjai
• önálló, vagy integrálható
• végzett szimulációk típusai
• támogatott technológiák száma
• elterjedtség
• ár/érték arány

14
Tervezorendszerek Áttekintés
anyagparaméterek
teszt struktúrák
processzspecifikus tervezés
maszkok layoutjai
3D layout, csomópontválasztás
2D séma, processzleírások
szimulációk
matematikai modell iteratív megoldása
Probléma specifikálása
fizikai modell
15
Tervezorendszerek Áttekintés

• Jellemzo szimulációk
• elektromos, elektrosztatikus
• mechanikai
• termikus
• FEM / BEM
• rendszerszintu
• technológiai
• optikai
• biológiai
• mikrofluidikai

• Finite Element Method
• geometriai diszkretizálás
• függvénytér diszkretizálása
• elemekhez tartozó mátrixok
• szerkezet egyenletei felírása
• egyenletek megoldása
• másodlagos változók számítása

16
Tervezorendszerek Végeselemes szimuláció

• ANSYS Revision 5.3 (FEA - Finite Element
  Analysis)
• Pro/MECHANICA Rev. 8.0 (FEA)
• CAESAR II (PFA - Piping Flexibility Analysis)
• STAAD III (SAD - Structural Analysis and Design)
• NASCRAC (CPA - Crack Propagation Analysis)
• NASA/Flagro 2.0 (CPA)
• COSMOS/M
• Mark
• PATRAN
• Algor
• stb

17
Tervezorendszerek Végeselemes szimuláció

• Vizsgálatok típusai FEM esetén
• Lineáris mechanikai feszültséganalízis
• Nemlineáris mechanikai feszültséganalízis
• Rázási vizsgálatok
• Termikus analízis
• Folyadék- v. gázáramlási analízis (CFD)
• Elektrosztatkai vizsgálatok

18
Tervezorendszerek FEM elonyei

• Inhomogén anyagú testek kezelése
• Akár minden test anyaga eltérhet
• Nemizotróp anyagú testek kezelése
• Ortotróp
• Anizotróp
• Fontos anyagjellemzok
• Homérsékletfüggo paraméterek
• Rugalmasság
• Kúszás
• Fontos geometriai jellemzok
• Nagy elmozdulások
• Nagy elfordulások
• Kontaktusok leírása

19
Tervezorendszerek FEM hátrányai

• Az eredmény függ a csomópontválasztás (mesh
  generálás) sikerességétol
• Matematikai közelíto módszer
• Nagy tapasztalat kell a jó modellalkotáshoz
• Nagyteljesítményu gépek kellenek

20
Tervezorendszerek Áttekintés

• Coventor
• Softmems
• Tanner
• IntelliSense
• Microfabrica???

CoventorWare MEMS Xplorer
21
Tervezorendszerek CoventorWare

• Moduljai
• Analyzer
• standard
• MemElectro Szélso(boundary) elemek
  elektrosztatikus modellezése, 3D-s
  struktúrák(beleértve a vezetoket és
  dielektrikumokat) elektrosztatikus erejének és
  kapacitásának modellezése
• MemMech Teljes(termikus, elektro-termikus,
  piezoelektromos) FEM / BEM szimulátor. Alakkal,
  harmonikusokkal, kontaktussal, steady state és
  tranziens állapotokkal kapcsolatos számítások
• Co Solve EM Csatolt, hiszterézises
  elektromechanikus szimuláció

22
Tervezorendszerek CoventorWare

• bovítmény
• MemPZR mechanikai feszültség által terhelt
  ellenállások áramsuruségének, potenciáleloszlásána
  k eloszlása, ellenállás értékének meghatározása
• MemHenry Frekvenciafüggo ellenállások és
  induktivitások értékeinek a meghatározása
• MemOptics nyalábok terjedése és diffrakciója
• MemPackage tok hatásának elemzése, a MEMS-re
  nézve

23
Tervezorendszerek CoventorWare

• INTEGRATOR direkt interface-t biztosít a
  Cadence VerilogA, SABER-MAST, valamint
  MATLAB-Simulink felé csökkentett rendu modellek
  használata megkönnyíti az IC tervezonek a MEMS
  illesztésének lehetoségét
• DampingMM az INTEGRATOR részeként, csillapító
  tényezoket határoz meg
• GDS II output generálásának lehetosége

24
Tervezorendszerek CoventorWare

• Designer
• MEMS-re specializált 2D-s layout editor
• köríveket és szögben álló eszközöket is kezel
• GDSII, CIF és DXF formátumok importálása
• ARCHITECT-ben adott rendszerszintu leírásból
  layout generálása
• többféle formátumba való exportálási lehetoség
• Elem paraméter adatbázisban tárolja a felhasznált
  elemek tulajdonságait, amiket az Analyzer a
  FEM/BEM szimulációnál használ
• 3D Preprocessor 2D-s layoutból és technológiai
  lépésekbol 3D-s layout generálás, FEM/BEM
  szimuláció, modellek alapján

25
Tervezorendszerek CoventorWare

• Architect
• paraméterezett, elore definiált cellákkal történo
  viselkedési szintu szimuláció
• 6 szabadsági fokos számítások
• a standard FEM-nél 100-szor gyorsabb szimuláció
• analóg és mixed-signal tartományban is képes
  viselkedési szimulációt végezni
• hullámforma generátor alkalmazása

26
CoventorWare
27
Tervezorendszerek SoftMEMS MEMS Xplorer

• Moduljai
• MEMS VerilogA könyvtári elemek
• MEMS Master(M2Architect, M2Librarian) Ez egy
  olyan layout-szeru schematicot produkáló program,
  amely VHDL-AMS-be, vagy VerilogA-ba írja a
  kimenetét. Használható analóg, ill. mixed signal
  szimulációra is.
• EasyMEMS A layout tervezésénél felmerülo
  problémák megoldását automatizálja, csökkenti a
  tervezési idot.
• MEMS Layout Generators Meggyorsítja a layout
  tervezésének a menetét, standard építoelemek
  használatával.
• MEMS Etching Emulator anizotróp marást modellez

28
Tervezorendszerek SoftMEMS MEMS Xplorer

• Moduljai
• Cross Section Viewer gyors szerkezeti
  áttekintést az éppen tervezett eszközrol
• 3D Modeler automatikusan építi fel a 3D-s
  struktúrát a Virtuoso layout cellái alapján
• MEMS Modeler viselkedési szimulációt végez 3D
  FEM modellek alapján
• MEMS Mapper a 3D-s struktúrát 2D-s szerkezetté
  alakítja a layout tervezo számára
• Solid Modeler 3D-s struktúrát épít fel a maszk
  layout, illetve a gyártási lépések egy részének
  kiválsztása alapján is.

29
Tervezorendszerek SoftMEMS MEMS Xplorer