專利名稱：硅基微器件計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。涉及到針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)工藝規(guī)劃的基礎(chǔ)理論、軟件開發(fā)方法、相關(guān)算法及編程實(shí)現(xiàn)的途徑，特別涉及一種針對(duì)MEMS“反向”設(shè)計(jì)過程硅基微器件計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃方法。
同時(shí)，國內(nèi)外學(xué)者也對(duì)IC和MEMS加工建模方面進(jìn)行了很多的研究。Zaman，M.H開發(fā)的MISTIC軟件能從二維幾何器件截面圖描述中自動(dòng)生成制造工藝流，并且可以根據(jù)工藝流可視化生成二維器件。Osterberg開發(fā)的MemBuilder軟件可以根據(jù)用戶定義的工藝文件和二維掩膜數(shù)據(jù)，并借助于IDEAS CAD工具自動(dòng)生成三維微器件結(jié)構(gòu)圖形。Venkat A.Venkataraman等提出了表面微加工工藝的兩維工藝描述。Asaumi，K.等研究了單晶硅各向異性刻蝕的工藝仿真系統(tǒng)。Zhenjun Zhu等開發(fā)了各向異性晶體腐蝕仿真(ACES)程序，它是基于連續(xù)單元自動(dòng)(CA)模型的，該軟件按照微加工步驟仿真微器件三維圖形。
國內(nèi)在研究MEMS-CAD方面還處于起步階段。清華大學(xué)的周兆英教授曾在多篇文章中闡述MEMS-CAD的重要作用。東南大學(xué)、浙江大學(xué)及重慶大學(xué)等單位的學(xué)者也曾著文討論該方向的問題。
然而，上面所述的各種MEMS-CAD系統(tǒng)只支持所謂的MEMS“正向”設(shè)計(jì)過程，即首先參考可能的工藝流程或在工藝規(guī)劃的支持下進(jìn)行兩維布局和掩膜設(shè)計(jì)，并據(jù)此形成MEMS幾何模型，再進(jìn)行動(dòng)特性分析，以迭代地完成MEMS設(shè)計(jì)任務(wù)。造成這種狀況的原因之一是早期MEMS制造能力的制約與專門性導(dǎo)致了MEMS設(shè)計(jì)是依賴于制造的“試湊法”，且MEMS-CAD系統(tǒng)的開發(fā)沿用了這種“試湊法”的思路。從人類設(shè)計(jì)習(xí)慣看，MEMS設(shè)計(jì)應(yīng)采用“反向”設(shè)計(jì)思想，即首先進(jìn)行MEMS的三維建模與動(dòng)特性分析，然后產(chǎn)生工藝規(guī)劃、掩膜等用于后續(xù)制造過程。這樣做也將有助于設(shè)計(jì)思維的展開。
事實(shí)上，當(dāng)前國外在MEMS設(shè)計(jì)方法的研究上恰是焦聚在“反向”設(shè)計(jì)機(jī)制的，為此，本發(fā)明所提出的硅基微器件計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃方法，亦定位于支持MEMS“反向”設(shè)計(jì)的工藝規(guī)劃方法。
微器件設(shè)計(jì)過程極大地受制于相應(yīng)的制造工藝過程，當(dāng)前有很多CAD系統(tǒng)用于MEMS設(shè)計(jì)和制造。然而，大部分都是通過給定的二維掩膜數(shù)據(jù)來仿真結(jié)構(gòu)工藝，并且很少系統(tǒng)能從設(shè)計(jì)好的微器件模型生成制造工藝，這些系統(tǒng)也是基于二維幾何數(shù)據(jù)的。綜觀當(dāng)前國內(nèi)外研究進(jìn)展與成果可知，在MEMS加工建模與工藝規(guī)劃研究中還存在著以下明顯的問題及亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)1)大部分用于MEMS的CAD系統(tǒng)均針對(duì)“正向”設(shè)計(jì)過程，所含的微工藝規(guī)劃模塊很少涉及對(duì)工藝的自動(dòng)生成，而只是對(duì)工藝進(jìn)行編輯，對(duì)設(shè)計(jì)人員的工藝知識(shí)要求很高。
2)沒有系統(tǒng)性的總結(jié)微器件常見的三維制造特征。
3)通過版圖設(shè)計(jì)和工藝建模來進(jìn)行器件設(shè)計(jì)缺乏直觀性。
實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)方案是，采用Java方案建立了基于Web的微器件工藝規(guī)劃集成平臺(tái)，將微器件三維幾何結(jié)構(gòu)按加工層進(jìn)行分解，每一層由層主特征和若干輔助特征組成，建立了完整的微器件三維和二維表面制造特征，該制造特征與硅基微加工方法相聯(lián)系，反映了微加工工藝約束條件。建立了MEMS布局和掩膜與微加工工藝設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。通過給定的三維微器件模型，系統(tǒng)對(duì)微器件主特征進(jìn)行層次歸并，減少了加工工序和掩膜數(shù)量。在制造特征輸入過程中形成特征索引樹及特征之間的關(guān)系，很好地表達(dá)了微器件幾何信息和工藝信息，同時(shí)對(duì)每種加工方法、材料性能和制造資源進(jìn)行建模，據(jù)此實(shí)現(xiàn)了工藝流程設(shè)計(jì)和掩膜圖形設(shè)計(jì)。最后生成工藝數(shù)據(jù)和CIF格式掩膜文件。
采用Java方案建立了基于Web的微器件工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)微器件信息輸入，工藝自動(dòng)生成，掩膜圖形設(shè)計(jì)等功能。
在本發(fā)明中，其實(shí)體模型在經(jīng)過分析與仿真后才用于版圖生成，更加直觀的反映出微器件的設(shè)計(jì)過程，減少了微器件造型的迭代次數(shù)，減少了錯(cuò)誤的發(fā)生，只需修改三維圖形而無需修改不直觀的二維掩膜。在本發(fā)明中，經(jīng)過微器件分層算法減少了加工層的數(shù)量，并且通過工序的合并減少了腐蝕和光刻步驟，降低了微器件的加工時(shí)間和制造成本。而且通過工藝數(shù)據(jù)庫的建立，使得設(shè)計(jì)人員可以方便的查詢工藝信息。
而傳統(tǒng)方法則在版圖設(shè)計(jì)完成后，需要經(jīng)過三維實(shí)體重構(gòu)，并對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析和驗(yàn)證，這樣的反復(fù)往往需要進(jìn)行多次。


圖11是本發(fā)明實(shí)施例系統(tǒng)的運(yùn)行啟動(dòng)界面；圖12是本發(fā)明實(shí)施例用戶登陸界面；圖13是本發(fā)明實(shí)施例微器件信息輸入界面；圖14是本發(fā)明實(shí)施例工藝工藝決策與優(yōu)化界面；圖15是本發(fā)明實(shí)施例工藝編輯與工藝報(bào)表輸出界面；圖16是本發(fā)明實(shí)施例掩膜文件標(biāo)準(zhǔn)格式輸出(CIF或GDS II)界面。
本發(fā)明采用Java方案建立了基于Web的微器件工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)微器件信息輸入，工藝自動(dòng)生成，掩膜圖形設(shè)計(jì)等功能。5.1工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)框架本系統(tǒng)主要由系統(tǒng)信息集成接口、工藝規(guī)劃、工藝仿真、可制造性評(píng)價(jià)、掩膜設(shè)計(jì)、工藝文件管理、工藝數(shù)據(jù)管理等模塊組成。本系統(tǒng)的基本構(gòu)成框架如圖1所示，下面對(duì)各功能模塊進(jìn)行描述。
各模塊的功能分述如下●系統(tǒng)信息集成接口該模塊可以直接從MEMS-CAD系統(tǒng)中獲取器件信息，同時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的各種信息又是下游制造、檢測、封裝等系統(tǒng)的信息源。
●微制造工藝規(guī)劃建模及實(shí)現(xiàn)邏輯采用層次分解法，將微加工工藝路線空間表達(dá)成一系列可能工序的有向圖，用圖論方法實(shí)現(xiàn)工藝路線規(guī)劃；對(duì)每個(gè)工序內(nèi)的加工步驟或工步，同樣采用有向圖表達(dá)出工步空間，用圖論方法完成工序規(guī)劃；●微器件掩膜圖形設(shè)計(jì)采用圖形集合運(yùn)算及綜合方法，對(duì)微器件設(shè)計(jì)3D圖形按加工層進(jìn)行分解，并用2D圖形集合表達(dá)沿微器件高度方向的各加工層的橫切面，以推演出掩膜圖形；●微加工工藝過程仿真采用圖形動(dòng)畫技術(shù)并根據(jù)微加工工藝規(guī)劃結(jié)果，仿真不同的微加工工藝過程(主要指基于表面、體微加工)的淀積、曝光、刻蝕、電鑄等工藝操作及順序，使所設(shè)計(jì)的微器件的加工過程能呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)者。
●工藝文件生成管理可以對(duì)生成的工藝順序進(jìn)行工序與工步的增刪改，并可以生成工藝規(guī)程卡和工序卡。
●工藝數(shù)據(jù)管理該模塊是系統(tǒng)的重要支撐基礎(chǔ)，對(duì)所有的器件信息及工藝數(shù)據(jù)信息進(jìn)行組織和管理，使這些信息便于使用、擴(kuò)充和維護(hù)。其中工藝數(shù)據(jù)庫包含了工藝設(shè)計(jì)所需的工藝數(shù)據(jù)(如加工方法、設(shè)備、材料等信息)和決策知識(shí)(包括工藝決策邏輯、經(jīng)驗(yàn)、公式、圖表等)。采用數(shù)據(jù)字典對(duì)微加工工藝過程所應(yīng)用的術(shù)語進(jìn)行規(guī)范化與形式化描述。5.2工作流程機(jī)制參照?qǐng)D2，本系統(tǒng)的整個(gè)工作流程如圖2所述。
用戶在統(tǒng)一的Web瀏覽器界面的控制下，通過單擊微器件工藝規(guī)劃按鈕，啟動(dòng)相應(yīng)的Applet，并通過移動(dòng)Java使能服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。依據(jù)器件制造特征樹推出特征加工方法樹以形成多種加工方案，根據(jù)制造約束和動(dòng)態(tài)規(guī)劃選出加工方案，生成工藝流和掩膜圖形。5.3基于特征的微器件信息描述與相應(yīng)的輸入方法通過分析微器件的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)微器件三維幾何結(jié)構(gòu)可以按加工層進(jìn)行分解，每一層由層主特征和若干輔助特征組成，層主特征可以用沿微器件高度方向的橫切面特征和相對(duì)應(yīng)的主特征上表面表示。橫切面特征由一些參數(shù)化的基本形體特征組合表達(dá)；而上表面的特征形式多樣，又具有不同的排列組合方式，這些特征可以采用系統(tǒng)預(yù)定義的面特征及組合方式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于無法通過預(yù)定義特征及組合實(shí)現(xiàn)的上表面的特征，則可由用戶通過系統(tǒng)提供的二維繪圖模塊繪制；層輔助特征由一些基本的加工特征表示，如凸出、通孔、盲孔、底切等，這些特征與具體的加工方法相聯(lián)系。據(jù)此邏輯可得到微器件每一層的與具體加工方法相關(guān)聯(lián)的形狀，同時(shí)還要考慮到每一層之間的相互影響。層主特征的形成主要是通過薄膜沉積、光刻、刻蝕和摻雜等工序組合而成。通過總結(jié)分析微器件的幾何結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)，可對(duì)一些特殊的微器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，并按照每個(gè)特征均滿足在一次微加工循環(huán)中完成其結(jié)構(gòu)成形規(guī)則總結(jié)出一整套針對(duì)體硅加工和表面微加工的特征。
本發(fā)明將體硅加工和表面硅加工的微器件形狀特征分為層(基體)主特征、槽特征、廣義孔特征、“凸出”特征和摻雜特征。其形狀特征分解圖如圖3所示。圖中的槽特征是針對(duì)體硅加工總結(jié)出來的特征。其余特征適用于體硅和表面硅加工。
根據(jù)層(基體)主特征和輔助特征可以確定微器件的幾何形狀。形狀特征是其后推出具體加工方法的基礎(chǔ)。例如對(duì)于基體的輔助特征，如是“有槽特征”可推出是體硅加工，根據(jù)硅基體加工晶向的不同，會(huì)得到各種槽特征。因此根據(jù)槽特征可反向推出硅片的結(jié)晶取向等加工信息。每個(gè)特征都有形狀、位置與方位描述、有效性描述，針對(duì)每種特征還設(shè)定相對(duì)應(yīng)的加工方法，如對(duì)于矩形通孔和圓形通孔其加工方法都通過腐蝕得到，具體的腐蝕方法、參數(shù)、所需設(shè)備要與輸入的材料性質(zhì)、加工精度、層與層之間的聯(lián)系相適應(yīng)。同樣對(duì)于摻雜特征，需確定摻雜區(qū)域、材料等。5.4微器件工藝自動(dòng)生成算法工藝規(guī)劃中使用的基本原理是由微器件的幾何結(jié)構(gòu)生成工藝流。其工藝生成流程如圖4所示。
首先進(jìn)行微器件信息輸入。微器件信息由各主特征和輔助特征組成，特征存儲(chǔ)于特征庫中。特征庫中的特征是參數(shù)驅(qū)動(dòng)的特征模式，而不是具體的模型。為了盡可能全的表達(dá)微器件信息，系統(tǒng)預(yù)留了接口來擴(kuò)展特征庫。在輸入特征時(shí)，將會(huì)提示輸入特征的幾何參數(shù)及加工信息，并將這些信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中。輔助特征的生成要選擇所依附的主特征，以確定特征間的相對(duì)關(guān)系。
然后根據(jù)主特征建立MEMS器件的層主特征順序關(guān)系，并進(jìn)行主特征歸并與層的生成，形成MEMS器件加工的層次關(guān)系。
主特征歸并算法是每一個(gè)主特征表示了微器件d的相應(yīng)的屬性如材料特性，尺寸等。其中一些主特征可能屬于同一物理層，用“0”，“1”來表示其主特征之間的鄰接關(guān)系，應(yīng)用以下規(guī)則如果主特征ci位于cj之上，則用ci＞cj表示；如果ci是在cj上擴(kuò)散，那么ci＞cj；如果主特征ci要求的工藝會(huì)對(duì)主特征cj產(chǎn)生損壞，則ci＞cj。根據(jù)其建立鄰接矩陣，并根據(jù)鄰接矩陣生成無重復(fù)節(jié)點(diǎn)的主特征樹，上下節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系表明了其主特征之間的順序關(guān)系。但是這種順序關(guān)系不一定能適合于有效的微加工。為了降低制造成本和時(shí)間，將在一個(gè)加工循環(huán)中同時(shí)加工成形的主特征合并成組以形成一個(gè)層單元，形成與具體微加工相適應(yīng)的加工層。一般來說，同一層中的主特征同時(shí)被加工成形。主特征合并的準(zhǔn)則有●它們具有同一種材料屬性；●它們有相同的沉積厚度；●它們上表面同時(shí)暴露于空中。
滿足第一和第二條準(zhǔn)則可以通過預(yù)先描述的組主特征信息來獲取，可以根據(jù)用戶輸入主特征的屬性來判斷。第三條準(zhǔn)則是根據(jù)前面描述的主特征樹來實(shí)現(xiàn)的。我們知道，微加工中沉積工藝總是先于光刻腐蝕步驟，并且沉積工藝僅發(fā)生在暴露于空中的表面上。因此，系統(tǒng)使用主特征樹來檢測將要同時(shí)暴露于空氣中的主特征。
在微器件層次分析完成后，根據(jù)主特征的分組合并情況，按照層次關(guān)系重新組織生成詳細(xì)的微器件特征樹，按照相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)工藝生成。特征工藝生成過程如圖5所示。在遍歷特征樹中，首先搜索特征樹中的層節(jié)點(diǎn)，然后搜索每一層所包含的特征，最后形成所有備選工藝方案，根據(jù)制造資源約束和優(yōu)化約束，得出最優(yōu)工藝方案。5.5微器件掩膜生成方法在腐蝕和有掩膜摻雜情況下往往需要相應(yīng)的掩膜板。因此為了生成與工藝相對(duì)應(yīng)的掩膜圖形，需確定掩膜和孔特征之間的關(guān)系。首先掃描微器件特征樹，找出每一層的輔助廣義孔特征，并建立孔特征與層之間的鄰接矩陣關(guān)系和孔之間的鄰接矩陣。因?yàn)榻⑦@些關(guān)系后可以分析確定腐蝕步驟插入到工藝流中的位置關(guān)系。
至于掩膜圖形，其屬于二維平面圖，且可用開區(qū)域和閉區(qū)域兩部分表示，如圖6所示。
由于器件信息描述都是以三維特征為基礎(chǔ)的，因此需要將三維特征向二維特征映射，每一層(包括主特征和輔助特征)在垂直方向上投影，在投影過程中，需對(duì)二維平面圖形進(jìn)行布爾操作，如交、并、差、取反以及其對(duì)圖形的操作(如平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等)等。具體實(shí)現(xiàn)是利用Java和Java2D來生成二維掩膜圖形及對(duì)其操作。并能輸出通用的版圖文件標(biāo)準(zhǔn)交換格式CIF(Caltech Interchange Format)和GDS II。
掩膜形成的規(guī)則如下(只是針對(duì)腐蝕情況，摻雜與此類似)(1)各“開區(qū)域”在層形成后可以被腐蝕，但必須優(yōu)先于阻擋了此區(qū)域的上一層。以圖7為例，區(qū)域a，b必須要在層N+1形成之前被腐蝕掉。因?yàn)橥粚拥牟煌_區(qū)域可能與上下層之間的關(guān)系不一樣，有的區(qū)域被阻擋是不可見的，而有些是可見的，因此同一層的不同開區(qū)域可能在不同的時(shí)間被腐蝕。如開區(qū)域c可以在層N+1形成之前或之后腐蝕。
(2)在相鄰兩層(按順序關(guān)系)中有同樣的腐蝕圖形，且材料都能被同一腐蝕液(濕法)刻蝕或同一干法刻蝕，則可以一次加工成形，可以降低材料成本和掩膜數(shù)量。
(3)對(duì)于刻蝕如圖8所示的橫梁主特征，雖然其沒有“孔”等輔助特征，但它形成過程中必須經(jīng)過刻蝕步驟，因此在提取其表面輪廓后要判斷其與基體輪廓關(guān)系，若小于基體則以其輪廓形成掩膜。同理對(duì)特征1和特征2類似。
因此前面生成的掩膜圖形必須轉(zhuǎn)化為CIF文件格式，完成從三維實(shí)體到二維版圖的數(shù)據(jù)交換，生成一套掩膜集M實(shí)現(xiàn)了與CAM系統(tǒng)的結(jié)合。
最后生成的工藝流由一系列的層加工組成，將各腐蝕、摻雜、光刻、等工序插入到相應(yīng)層加工中，根據(jù)合適的掩膜版圖集形成了完整的工藝流程。
以上基本的工藝算法提供了定性的工藝流描述，但它并沒有確定特殊的工藝信息如工藝時(shí)間，溫度、成本等。每一個(gè)工藝流操作對(duì)每一層都包含了一系列的特定參數(shù)，這些參數(shù)取決于操作類型。如對(duì)一個(gè)LPCVD沉積多晶硅，其包含氣體特性、爐溫、壓力和沉積速率等參數(shù)。對(duì)于這些參數(shù)的給出，利用查表法或工藝模擬等方法，根據(jù)所要求的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)從工藝的加工能力和范圍數(shù)據(jù)庫中檢索匹配得到。
依據(jù)上述方法，系統(tǒng)會(huì)生成很多種工藝方案，如何從中選出最優(yōu)方法，取決于對(duì)加工成本(C)、加工時(shí)間(T)和加工質(zhì)量(Q)等因素的綜合評(píng)價(jià)。
由上述得到的工藝規(guī)程只是考慮到了理論因素，而對(duì)一些經(jīng)驗(yàn)值的確定很難考慮到，因此在生成工藝方案后，用戶可以對(duì)其進(jìn)行增刪該操作，對(duì)生成的工藝進(jìn)行審核，生成工藝規(guī)程卡和工序卡。
最后形成與具體加工環(huán)境相適配的加工工藝流，并將掩膜圖形以標(biāo)準(zhǔn)的CIF版圖格式輸出。5.6微器件計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃的軟件實(shí)現(xiàn)方法本系統(tǒng)采用Java Applet-Servlet對(duì)的方式進(jìn)行客戶機(jī)/服務(wù)器之間的通信，采用Java對(duì)象序列化(Object Serialization)的方法實(shí)現(xiàn)基于Web的分布式對(duì)象傳輸，從而實(shí)現(xiàn)Applet與Servlet的通信。在這里，Applet主要用于客戶端的計(jì)算，Servlet主要用于實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端的計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)客戶、服務(wù)器端計(jì)算的分布與平衡。
數(shù)據(jù)庫的操作則由用戶通過Applet向Servlet發(fā)送操作請(qǐng)求或命令，然后通過Servlet經(jīng)JDBC(Java寫的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)程序)向SQL Server發(fā)送SQL語句實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問。至于在Web服務(wù)器的選取上必須要支持EJB應(yīng)用服務(wù)的配置，本系統(tǒng)選用Apache服務(wù)器軟件。
由于本發(fā)明采用Java方案，因此其完全繼承了Java的跨平臺(tái)性特征，即“一次編譯，到處運(yùn)行”的特點(diǎn)，相比較于其它的編程語言，采用Java語言，應(yīng)是本發(fā)明的優(yōu)勢所在。5.7發(fā)明的效果針對(duì)本發(fā)明的目的，本發(fā)明在以下幾個(gè)方面取得了顯著的效果●目前的微器件工藝規(guī)劃均針對(duì)MEMS“正向”設(shè)計(jì)過程，且大都是利用工藝編輯器來交互實(shí)現(xiàn)的，是為了得到微器件幾何模型，且工藝步驟都相對(duì)簡單，與實(shí)際加工所需的信息相距甚遠(yuǎn)。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，越來越復(fù)雜的三維微器件的設(shè)計(jì)更依賴于MEMS“反向”設(shè)計(jì)方法，因此，急需與之相適應(yīng)的從系統(tǒng)性地支持設(shè)計(jì)與制造兩角度出發(fā)的微制造工藝規(guī)劃系統(tǒng)。本發(fā)明提出了微器件計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃的概念，并將其應(yīng)用于可制造性評(píng)價(jià)中。事實(shí)證明該方法能夠系統(tǒng)性地支持微器件設(shè)計(jì)與制造。
●基于已有的微器件結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成工藝的系統(tǒng)很少且都是基于二維的微器件模型。本發(fā)明以硅基微器件的體微加工和表面微加工為研究對(duì)象，發(fā)明了一種支持MEMS反向設(shè)計(jì)的新的微器件工藝規(guī)劃方法，通過已有的微器件三維結(jié)構(gòu)來自動(dòng)生成微器件工藝，并可以自動(dòng)生成掩膜。
●實(shí)現(xiàn)了基于微器件主特征的層次歸并方法，減少了加工工序和掩膜數(shù)量，降低了微器件的加工時(shí)間和成本，●系統(tǒng)能根據(jù)微器件三維結(jié)構(gòu)生成掩膜圖形，相對(duì)于傳統(tǒng)的由二維掩膜開始設(shè)計(jì)微器件的方法，微器件設(shè)計(jì)過程變得直觀，并減少了錯(cuò)誤的發(fā)生。
●軟件原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用了Java方案及ASP(Application ServiceProvider)技術(shù)。建立了基于Web的微器件工藝規(guī)劃集成平臺(tái)，初步實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上微器件工藝設(shè)計(jì)中心的思想。真正實(shí)現(xiàn)了“一處安裝，到處運(yùn)行”軟件運(yùn)行模式，節(jié)省了系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)成本。本發(fā)明的安裝和配置十分簡單，客戶端只需安裝Java運(yùn)行環(huán)境(JRF)和網(wǎng)頁瀏覽器即可。系統(tǒng)的服務(wù)器端程序以Servlet的形式出現(xiàn)。它隨著WEB服務(wù)器的啟動(dòng)而啟動(dòng)。
●本發(fā)明具備標(biāo)準(zhǔn)的圖形化用戶界面，用戶只需簡單地操作本圖形界面，就可以實(shí)現(xiàn)微器件工藝的自動(dòng)生成和掩膜圖形生成。5.8實(shí)施例基于上述發(fā)明專利所論述的理論、方法、算法與編程技術(shù)，申請(qǐng)人開發(fā)了一個(gè)原型測試系統(tǒng)，其軟件運(yùn)行界面如圖9-圖16所示。
采用本發(fā)明所描述的相關(guān)方法、算法及軟件編程技術(shù)已用于開發(fā)微器件工藝規(guī)劃工具M(jìn)icroCAP，該軟件的開發(fā)建立在前述的軟件測試原型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上。申請(qǐng)人希望能使MicroCAP工具成為商品化軟件。
權(quán)利要求
1.一種硅基微器件計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下步驟1)采用Java方案建立基于Web的微器件工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)；包括信息集成接口、微制造工藝規(guī)劃、工藝仿真、可制造性評(píng)價(jià)、器件掩膜設(shè)計(jì)、工藝文件生成管理、工藝數(shù)據(jù)管理模塊組成；2)將微器件的三維幾何結(jié)構(gòu)按加工層進(jìn)行分解，每一層由層主特征和若干輔助特征組成，建立完整的微器件三維和二維表面制造特征，該制造特征與硅基微加工方法相聯(lián)系，反映微加工工藝約束條件；3)建立MEMS布局和掩膜與微加工工藝設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，通過給定的三維微器件模型，系統(tǒng)對(duì)微器件主特征進(jìn)行層次歸并，以減少加工工序和掩膜數(shù)量；4)在制造特征輸入過程中形成特征索引樹及特征之間的關(guān)系，表達(dá)微器件幾何信息和工藝信息，同時(shí)對(duì)每種加工方法、材料性能和制造資源進(jìn)行建模，據(jù)此實(shí)現(xiàn)工藝流程設(shè)計(jì)和掩膜圖形設(shè)計(jì)；5)最后生成工藝數(shù)據(jù)和CIF格式掩膜文件。
2.如權(quán)利要求1所述的硅基微器件計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃方法，其特征在于，所述微器件工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)的信息集成接口、微制造工藝規(guī)劃、工藝仿真、可制造性評(píng)價(jià)、器件掩膜設(shè)計(jì)、工藝文件生成管理、工藝數(shù)據(jù)管理模塊的功能如下1)系統(tǒng)信息集成接口該模塊可以直接從MEMS-CAD系統(tǒng)中獲取器件信息，同時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的各種信息又是下游制造、檢測、封裝等系統(tǒng)的信息源；2)微器件工藝規(guī)劃建模及實(shí)現(xiàn)邏輯采用層次分解法，將微器件加工工藝路線空間表達(dá)成一系列可能工序的有向圖，包括，微器件信息輸入，器件層次分析，加工方法形成，加工設(shè)備選擇，加工參數(shù)確定等，用圖論方法實(shí)現(xiàn)工藝路線規(guī)劃；對(duì)每個(gè)工序內(nèi)的加工步驟或工步，同樣采用有向圖表達(dá)出工步空間，用圖論方法完成工序規(guī)劃；3)微器件掩膜圖形設(shè)計(jì)采用圖形集合運(yùn)算及綜合方法，對(duì)微器件設(shè)計(jì)3D圖形按加工層進(jìn)行分解，并用2D圖形集合表達(dá)沿微器件高度方向的各加工層的橫切面，以推演出掩膜圖形；4)微加工工藝過程仿真采用圖形動(dòng)畫技術(shù)并根據(jù)微加工工藝規(guī)劃結(jié)果，仿真不同的微加工工藝過程的淀積、曝光、刻蝕、電鑄等工藝操作及順序，使所設(shè)計(jì)的微器件的加工過程能呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)者；5)工藝文件生成管理可以對(duì)生成的工藝順序進(jìn)行工序與工步的增刪改，并可以生成工藝規(guī)程卡和工序卡。6)工藝數(shù)據(jù)管理該模塊對(duì)所有的器件信息及工藝數(shù)據(jù)信息進(jìn)行組織和管理，使這些信息便于使用、擴(kuò)充和維護(hù)；其中工藝數(shù)據(jù)庫包含了工藝設(shè)計(jì)所需的工藝數(shù)據(jù)和決策知識(shí)，采用數(shù)據(jù)字典對(duì)微加工工藝過程所應(yīng)用的術(shù)語進(jìn)行規(guī)范化與形式化描述。
3.如權(quán)利要求1所述的硅基微器件計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃方法，其特征在于，所述的層主特征和若干輔助特征層分別為層主特征可以用沿微器件高度方向的橫切面特征和相對(duì)應(yīng)的主特征上表面表示；橫切面特征由一些參數(shù)化的基本形體特征組合表達(dá)；而上表面的特征形式多樣，又具有不同的排列組合方式，這些特征可以采用系統(tǒng)預(yù)定義的面特征及組合方式實(shí)現(xiàn)；對(duì)于無法通過預(yù)定義特征及組合實(shí)現(xiàn)的上表面的特征，則可由用戶通過系統(tǒng)提供的二維繪圖模塊繪制；層輔助特征由一些基本的加工特征表示，如凸出、通孔、盲孔、底切等，這些特征與具體的加工方法相聯(lián)系。
4.如權(quán)利要求2所述的硅基微器件計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃方法，其特征在于，所述微器件信息輸入方法是1)首先進(jìn)行微器件信息輸入微器件信息由各主特征和輔助特征組成，特征存儲(chǔ)于特征庫中，特征庫中的特征是參數(shù)驅(qū)動(dòng)的特征模式，而不是具體的模型；在輸入特征時(shí)，將會(huì)提示輸入特征的幾何參數(shù)及加工信息，并將這些信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中；輔助特征的生成要選擇所依附的主特征，以確定特征間的相對(duì)關(guān)系；2)然后根據(jù)主特征建立MEMS器件的層主特征順序關(guān)系，并進(jìn)行主特征歸并與層的生成，形成MEMS器件加工的層次關(guān)系；上述主特征歸并算法是每一個(gè)主特征表示了微器件d的相應(yīng)的屬性如材料特性，尺寸等；其中一些主特征可能屬于同一物理層，用“0”，“1”來表示其主特征之間的鄰接關(guān)系，應(yīng)用以下規(guī)則如果主特征ci位于cj之上，則用ci＞cj表示；如果ci是在cj上擴(kuò)散，那么ci＞cj；如果主特征ci要求的工藝會(huì)對(duì)主特征cj產(chǎn)生損壞，則ci＞cj。根據(jù)其建立鄰接矩陣，并根據(jù)鄰接矩陣生成無重復(fù)節(jié)點(diǎn)的主特征樹，上下節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系表明了其主特征之間的順序關(guān)系，將在一個(gè)加工循環(huán)中同時(shí)加工成形的主特征合并成組以形成一個(gè)層單元，形成與具體微加工相適應(yīng)的加工層，同一層中的主特征同時(shí)被加工成形；主特征合并的準(zhǔn)則有(1)具有同一種材料屬性(2)有相同的沉積厚度(3)上表面同時(shí)暴露于空中滿足(1)和(2)準(zhǔn)則可以通過預(yù)先描述的組主特征信息來獲取，可以根據(jù)用戶輸入主特征的屬性來判斷；第(3)條準(zhǔn)則是根據(jù)前面描述的主特征樹來實(shí)現(xiàn)；在微器件層次分析完成后，根據(jù)主特征的分組合并情況，按照層次關(guān)系重新組織生成詳細(xì)的微器件特征樹，按照相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)工藝生成，在遍歷特征樹中，首先搜索特征樹中的層節(jié)點(diǎn)，然后搜索每一層所包含的特征，最后形成所有備選工藝方案，根據(jù)制造資源約束和優(yōu)化約束，得出最優(yōu)工藝方案。
5.如權(quán)利要求2所述的硅基微器件計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃方法，其特征在于，所述微器件掩膜的生成方法是首先掃描微器件特征樹，找出每一層的輔助廣義孔特征，并建立孔特征與層之間的鄰接矩陣關(guān)系和孔之間的鄰接矩陣；建立這些關(guān)系后分析確定腐蝕步驟插入到工藝流中的位置關(guān)系；所述掩膜圖形，其屬于二維平面圖，用開區(qū)域和閉區(qū)域兩部分表示；由于器件信息描述都是以三維特征為基礎(chǔ)的，因此需要將三維特征向二維特征映射，每一層，包括主特征和輔助特征，在垂直方向上投影，在投影過程中，對(duì)二維平面圖形進(jìn)行布爾操作，利用Java和Java2D來生成二維掩膜圖形及對(duì)其操作；掩膜形成的規(guī)則如下(1)各“開區(qū)域”在層形成后可以被腐蝕，但必須優(yōu)先于阻擋了此區(qū)域的上一層，因?yàn)橥粚拥牟煌_區(qū)域可能與上下層之間的關(guān)系不一樣，有的區(qū)域被阻擋是不可見的，而有些是可見的，因此同一層的不同開區(qū)域可能在不同的時(shí)間被腐蝕；(2)在相鄰兩層(按順序關(guān)系)中有同樣的腐蝕圖形，且材料都能被同一腐蝕液(濕法)刻蝕或同一干法刻蝕，則可以一次加工成形；(3)對(duì)于刻蝕的橫梁主特征，雖然其沒有“孔”等輔助特征，但它形成過程中必須經(jīng)過刻蝕步驟，在提取其表面輪廓后要判斷其與基體輪廓關(guān)系，若小于基體則以其輪廓形成掩膜；將生成的掩膜圖形必須轉(zhuǎn)化為CIF文件格式，完成從三維實(shí)體到二維版圖的數(shù)據(jù)交換，生成一套掩膜集M，并與CAM系統(tǒng)的結(jié)合；最后生成的工藝流由一系列的層加工組成，將各腐蝕、摻雜、光刻、等工序插入到相應(yīng)層加工中，根據(jù)合適的掩膜版圖集形成完整的工藝流程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以硅基微器件的體微加工和表面微加工為研究對(duì)象的計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃方法，將微器件三維幾何結(jié)構(gòu)按加工層進(jìn)行分解，每一層由層主特征和若干輔助特征組成，建立了完整的微器件三維和二維表面制造特征，該制造特征與硅基微加工方法相聯(lián)系，反映了微加工工藝約束條件。建立了MEMS布局和掩膜與微加工工藝設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。通過給定的三維微器件模型，對(duì)微器件主特征進(jìn)行層次歸并，減少了加工工序和掩膜數(shù)量。在制造特征輸入過程中形成特征索引樹及特征之間的關(guān)系，很好地表達(dá)了微器件幾何信息和工藝信息，同時(shí)對(duì)每種加工方法、材料性能和制造資源進(jìn)行建模，據(jù)此實(shí)現(xiàn)了工藝流程設(shè)計(jì)和掩膜圖形設(shè)計(jì)。最后生成工藝數(shù)據(jù)和CIF格式掩膜文件。
文檔編號(hào)G06F17/50GK1448870SQ0310802
公開日2003年10月15日 申請(qǐng)日期2003年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月14日
發(fā)明者江平宇, 汪繼亮, 劉崢 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)