打造物联网传感器

作者:Alissa Fitzgerald,美国Burlingame市A.M. Fitzgerald & Associates公司创始人兼管理人员

MEMS技术是许多传感器的关键要素,而传感器生成的数据将推动物联网的发展。一位资深的MEMS研发人员介绍了创建可靠MEMS所涉及的一些问题,同时提供了一些有助于设计工作的最佳仿真实践。

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MEMS cantilever sensor

 
由AMFitzgerald设计和构建的MEMS悬臂式传感器

微机电系统(MEMS)作为一种制造技术,可用于在硅晶圆上创建多种不同类型的传感器,如温度、运动、压力、声音等传感器。MEMS传感器作为当今智能互联产品的“眼睛”和“耳朵”,能够从环境中获取信息,例如汽车轮胎的空气压力,或者用来记录您行走步数的身体运动信息。根据预测,MEMS传感器将实现快速的增长曲线,因为物联网(IoT) 能接收来自数十亿MEMS传感器的信息,并利用这些数据智能地控制器件,从而改善效率、质量、健康、安全性与环境。

尽管MEMS在硅晶圆上制作而成,但MEMS的研发工作要比传统集成电路(IC)更困难、更缓慢,主要是由于缺少经过验证的设计实践以及当前仿真方法存在一些限制。幸运的是,采用最佳实践可完美解决这些挑战:参数化分析法可确定未知材料属性的影响,并将测试结果与仿真结果进行综合,以校正边界条件。凭借这些技术方法,研发人员可获得有用的仿真结果,从而减少制造次数,并且更快速、更低成本地将MEMS器件推向市场,而这些成果令传统构建测试法望尘莫及。

MEMS材料属性与技术和工具相关。
A MEMS cantilever sensor designed and prototyped by AMFitzgerald
由于金属薄膜的塑性变形,热循环导致剩余应力变化了100MPa。
在一定温度范围内从晶片级的薄膜应力数据可以估算模量。
 
Sensor

MEMS研发挑战

半导体制造行业已经研发出了相关的工艺设计套件(PDK);这些套件包含标准单元库、设计规则、仿真模型和布局信息,可用于在特定代工厂中利用专门技术来生产IC。此外,该行业还从一系列经过充分验证的设计与过程仿真工具中大获裨益。因此,只要芯片企业遵守PDK指南并尽早频繁使用仿真,他们就会非常确信一点,即器件能够按照预期工作,而且在制造时也不会遇到太大困难。

但是,MEMS器件中的各种几何结构与材料大相径庭,至少从目前看来,这一点不仅阻碍了PDK的研发工作,同时还妨碍了MEMS器件仿真达到与IC设计仿真同样级别的成熟度。结果导致了MEMS器件的研发人员只有从代工厂获得样片之后才能确定最终产品的性能。不幸的是,10个150mm研发晶圆的最低成本(仅含经常性成本)远超过100,000美元,而且交付周期至少为8至12周。雪上加霜的是,未知的研发成本使一些MEMS公司提前关门,并导致投资者对整个行业持谨慎态度。

仿真MEMS的最大挑战之一是确定薄膜的材料属性。薄膜的拉伸强度高度依赖沉积方法,而且即使在采用相同配方的情况下,不同制造工具之间也存在很大的差异。关于薄膜的另一个难题是,在非常高的温度下金属与电介质通常会沉积到硅片上。在沉积层与衬底具有不同热膨胀系数的区域,当晶圆冷却至环境温度时,薄膜中就会产生剩余应力。随着晶圆温度的变化,在不同工艺阶段的剩余应力通常各不相同。这会导致MEMS结构的弯曲、屈曲或裂纹,因此仿真模型中应该考虑到该应力。

采用仿真来解决材料属性的不确定性

参数仿真可确定材料属性的可变性对于器件性能的影响,从而有效解决材料属性的不确定性。ANSYS Mechanical软件中的工具能帮助工程师快速评估不同材料属性的影响以及各种设计参数,从而减少制造次数。典型方法是先开始采用标准的材料属性,然后改变结构的几何形状,同时保持弹性模量不变。下一步是保持几何结构不变,并改变模量。仿真有助于制定出明智的设计决策,以降低设计对材料属性的敏感度。如果您发现设计对于材料属性太过敏感,那么您能在ANSYS Mechanical中执行晶片级与器件级测量,以收集经验数据来改善仿真精确度。例如,KLA-Tencor Flexus应力测量系统能扫描晶圆,将薄膜应力作为温度的函数,并利用它来估算模量。

Force-displacement measurement
 
测量结果表明原始MEMS模型的边界条件太坚硬。

延性材料(例如金属)会在清晰定义的极限条件下失效,相比之下,我们很难预测MEMS中所用脆性材料的载荷极限。晶体微观结构会在表面处失效,因此它们的强度与刻蚀过程中所产生的表面裂纹的尺寸和位置有关。刻蚀工具类型与工作参数等因素会导致表面强度与器件断裂概率大不相同。AMFitzgerald发明了一种方法,即通过采用经验数据与定制ANSYS APDL脚本来估算器件断裂概率。该解决方案首先采用不同的工艺参数构建测试结构,用统计方法描述制造工艺对表面强度的影响。接下来,工程师在ANSYS Mechanical中针对推荐的或现有的微观结构创建有限元模型,并仿真施加载荷条件下的微观结构器件中的应力。最终,在后处理器中将载荷仿真结果与表面强度信息相结合,以预测失效位置与载荷极限。根据该信息,工程师能修改器件设计或流程,或者直接进入制造阶段。

“仿真能在制造和测试阶段节省数十万美元,并节省数月的重新设计时间。”

仿真与物理测试的集成有助于充分了解边界条件

为获得准确的仿真结果,工程师需要使用准确的模型边界条件。对于沉积在硅衬底上的薄膜结构而言,类似的宏观级结构将需要使用薄膜-衬底界面上的固定边界条件。然而,薄膜结构并没有宏观结构那么坚硬。解决方案是测量力与位移,以确定结构的刚度,随后将其馈送至模型中。

MEMS仿真要比IC仿真更具挑战性,因为它们的材料属性与边界条件并没有清晰的定义。经过努力,您能解决这些挑战并从仿真中大获裨益。相比于在代工厂中进行晶圆测试而言,仿真的成本要低得多,因此,您将能在设计流程早期阶段评估更多设计与制造选项,并在更少的时间内向市场推出更出色的产品。仿真能在制造和测试阶段轻松节省数十万美元,并节省数月的重新设计时间。在研发精确模型的工作中为您的技术进行投资,有助于您未来的产品大获成功。

Force-displacement simulation
 
使用力-位移测量结果来纠正有限元模型。
MEMS

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