2.2.2　MEMS工艺集成化设计

工艺设计是MEMS设计中的重要组成部分，工艺集成化设计的目标是根据现有设计思想，综合利用材料属性信息、工艺数据库信息、工艺设备信息、加工流程信息和版图信息等，得到完整的工艺设计方案，并依照其进行加工，得到符合要求的器件。传统的工艺设计分散进行，分别制定各模块的设计方案，再依据经验进行统一，得到整体工艺设计方案。其具有以下缺点：整个过程没有统一的格式，数据无法在各设计模块之间共享，因而难以保证一致性；没有集成化设计环境，设计过程不直观、不流畅，设计效率低；仅关注设计的一部分，设计方案针对特定工艺设备，因此极有可能与整体设计产生冲突；加工与设计严重脱节，许多研究者没有足够的基础，导致大量设计无法进行加工，即使能进行加工也常常由实验设计不合理和器件结构设计不完善等造成结果不理想，从而导致人力及物力的巨大浪费。工艺集成化设计对整个设计过程进行考虑，其设计方案不仅具有局部可行性，还符合整体设计和加工要求，因而可行性更高。为了改进传统设计方案、降低设计的分散度、提高设计效率，必须采用工艺集成化设计。

1. 工艺集成化设计内容

MEMS工艺集成化设计充分考虑了工艺的特点，以提高设计能力和设计效率。MEMS工艺集成化设计以材料属性、工艺参数、工艺设备和环境限制等数据为基础，在设计过程中，结合器件版图和具体的工艺参数，对工艺进行几何仿真和物理模拟，并根据仿真结果判断工艺流程的合理性，同时将相应的材料属性信息代入器件的结构分析中，根据分析结果优化设计方案，实现工艺集成化设计。工艺集成化设计与传统机械加工的最大区别在于，其过程是并行加工过程，每个步骤之间的相关性很强，在时间上基本不可逆，在空间结构上也不可分离，每项工艺都会对后续工艺产生一定的影响，一些差错可能造成不可挽回的后果。因此，在工艺集成化设计中，要充分考虑工艺前后顺序的合理性和工艺之间的兼容性。工艺集成化设计内容如图2-4所示。

图2-4　工艺集成化设计内容

工艺集成化设计内容如下。

（1）数据库支持。将材料数据库、工艺数据库、工艺设备库等作为底层支持，不仅可以提供设计中需要用到的设备、工艺和材料数据，还可从中提取工艺设计规则，并将其作为设计合理工艺流程的依据。

（2）版图设计和工艺流程设计。结合设计目标进行版图设计和工艺流程设计。

（3）工艺几何仿真和工艺物理模拟。对版图和工艺流程进行仿真，并分析器件的三维模型，对具体工艺进行物理模拟，分析可行性，对版图和工艺流程设计进行优化，得到合理可行的设计方案。

（4）输出设计方案，以进行器件加工。

2. 工艺集成化设计体系

工艺集成化设计体系如图2-5所示。数据库是工艺集成化设计的底层支持，可以认为是输入，包括材料数据库、工艺数据库、工艺设备库等；最终工艺设计方案是工艺集成化设计的目标，可以认为是输出，包括版图和工艺流程；集成化设计环境是工艺集成化设计的核心，可以认为是处理，包括几何仿真、物理模拟和构成各模块的数据交换接口。

图2-5　工艺集成化设计体系

3. 数据库支持

在设计和制作过程中，工艺会影响器件加工的结果。因此，需要对典型加工工艺建立工艺数据库，为工艺设计方案的确定提供参考和指导，并提高工艺的可重用性。工艺数据库是针对特定工艺设备，在进行大量实验的基础上总结得到的，一个完整的工艺数据库至少应包含淀积、刻蚀、氧化、掺杂、扩散、溅射、封装等工艺信息。大部分微机械加工技术对工艺条件和工艺参数十分敏感。例如，刻蚀效果除了与刻蚀速率、刻蚀钝化时间比、腔室压力和温度等有关，一般还与工艺设备有关。因此，为了保证工艺的可重用性与所加工器件性能的稳定性，必须针对工艺设备建立典型工艺条件和工艺参数下的工艺数据库。工艺数据库一般建立在大量实验的基础上，通过大量实验数据总结得到各工艺条件和工艺参数对加工过程与结果的影响，从而根据器件的实际加工要求确定最优的工艺设计方案，并将其添加到工艺数据库中。同时，对所建立的工艺数据库进行分析，深入研究工艺条件和工艺参数对加工过程与结果的影响，可以建立特定工艺的加工过程数学模型，并开发各种加工过程模拟软件，工艺数据库和加工过程模拟软件反过来又能指导实际加工过程，使工艺设计方案得到优化。与一般数据库相同，工艺数据库也必须支持添加、修改、查询等功能。此外，实际的器件加工一般不能从工艺数据库中查到完全符合要求的工艺设计方案，因此工艺数据库还应给出典型条件下各工艺参数在一定范围内对加工过程的大概影响，便于工艺设计师根据实际要求适当修改工艺条件和工艺参数，获得理想的加工效果。