Methoden zur Analyse parasitärer elektrostatischer Effekte in mikroelektromechanischen Systemen

Typ: Fortschritt-Berichte VDI
Erscheinungsdatum: 06.07.2020
Reihe: 20
Band Nummer: 473
Autor: Axel Hald
Ort: Herrenberg
ISBN: 978-3-18-347320-5
ISSN: 0178-9473
Erscheinungsjahr: 2020
Anzahl Seiten: 176
Anzahl Abbildungen: 107
Anzahl Tabellen: 10
Produktart: Buch (paperback DINA5)

Produktbeschreibung

Im Entwurf von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) gewinnen die parasitären elektrostatischen Effekte immer mehr an Einfluss. Auslöser hierfür ist der wirtschaftlich bedingte Zwang zur Minimierung von Chipfläche, der neben einer ständigen Strukturverkleinerung auch dazu führt, dass die Anschlussleitungen in sehr enger Nachbarschaft zu den mechanisch aktiven MEMS Strukturen geführt werden. Dies erfordert eine hochgenaue Analyse der elektrostatischen Verhältnisse.

Die vorliegende Arbeit liefert hierzu mehrere Beiträge. Eine 2.5D-Prozess-Simulation ermöglicht eine effziente und präzise Extraktion von Kapazitätswerten auf Basis von Analyse-Werkzeugen aus dem IC Entwurf. Mit einem neuartigen Verfahren zur Strukturerkennung lassen sich diese Werte, vergleichbar zu einem LVS bei ICs, erstmals lokal zuordnen, wodurch gezielte Layoutoptimierungen möglich werden. Eine weitere Neuerung ist die Berücksichtigung bewegungsabhängiger Parasiten.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Entwurfsprozess für MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Ziele der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Kapazitive MEMS-Inertialsensoren 10
2.1 Basis-Prozesstechnologie für Oberflächenmikromechanik . . . . . . . . 11
2.2 Aufbau kapazitiver MEMS-Inertialsensoren . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 Beschleunigungssensor: Aufbau und Funktionsprinzip . . . . . 16
2.2.2 Drehratensensor: Aufbau und Funktionsprinzip . . . . . . . . 18
2.2.3 Statische und dynamische Kapazitäten . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 MEMS-Entwurf 25
3.1 Entwurf der mikromechanischen Strukturen . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Entwurf der Chip-Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 Aktueller Stand der Elektrostatik-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 MEMS-Entwurfsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.1 Bibliotheksbasierter Entwurfsprozess ausgehend von einer GeometrieBeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.2 Bibliotheksbasierter Entwurfsprozess ausgehend von einer SchaltplanBeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.3 Polygonbasierter Entwurfsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4.4 Vergleichende Betrachtung der Entwurfsprozesse . . . . . . . . 43
3.4.5 Bewertung der Entwurfsprozesse hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit 45
3.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4 Präzisierung der Aufgabenstellung 48
5 Methoden zur Modellierung von MEMS-Prozessen für eine auf 3DField-Solvern basierenden Elektrostatik-Analyse 51
5.1 MEMS-spezifische Elektostatik-Analyse basierend auf 3D-Field-Solvern 52
5.2 2,5D-Prozess-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.1 Modellierung: Reaktives Ionentiefenätzen . . . . . . . . . . . . 54
5.2.2 Modellierung: Gas-Phasen-Ätzen . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.3 Modellierung: Topographie im Schichtaufbau . . . . . . . . . . 59

5.3 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.4 Verifikation der Extraktions-Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6 Methode zur polygonbasierten Schaltplan-Extraktion mit einer regelbasierten Strukturerkennung 71
6.1 Grundlegende Idee und Einordnung in den Extraktions-Fluss . . . . . 73
6.2 Regelbasierter Strukturerkennungs-Algorithmus . . . . . . . . . . . . 80
6.2.1 Eingabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.2 Architektur-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2.3 Definition der Topologie-Elemente mit ihren zugehörigen Regeln 83
6.2.4 Ableitung der Topologie-Elemente und Regeln bezüglich einer
spezifischen Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2.5 Segmentierung der Chip-Geometrie in Topologie-Elemente
durch Anwenden der abgeleiteten Regeln . . . . . . . . . . . . 96
6.2.6 Ausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.3 Elektrostatische RC-Analyse und Ersatzschaltplan-Synthese . . . . . 97
6.4 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.5 Verifikation der Extraktions-Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.7 Anhang zu Kapitel 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7 Methode zur Analyse bewegungsabhängiger elektrostatischer Effekte
bei lateraler Auslenkung 115
7.1 Grundlegende Idee und Einordnung in den Extraktions-Fluss . . . . . 116
7.2 Auslenkungs-Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.3 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.4 Verifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8 Kombination der Methoden zur Analyse bewegungsabhängiger elektrostatischer Effekte bei lateraler Auslenkung mit der regelbasierten
Strukturerkennung 132
8.1 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.2 Zusammenfassende Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
9 Gesamtzusammenfassung und weiterführende Aufgaben 138
Glossar 141
Literaturverzeichnis 145

Keywords: 47320, Axel Hald, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 20, Band 473, IFTE, Universität Dresden, MEMS-Sensoren, Parasiten-Extraktion, Elektrostatik-Analyse, MEMS-Entwurf, Field-Solver. polygonbasierter Entwurf, parasitäre Kapazität, ProzessSimulation, Quasistatische Analyse, regelbasierte Strukturerkennung

62,00 € inkl. MwSt.
VDI-Mitgliedspreis:*
55,80 € inkl. MwSt.

* Der VDI-Mitgliedsrabatt gilt nur für Privatpersonen

Die vorliegende Arbeit liefert hierzu mehrere Beiträge. Eine 2.5D-Prozess-Simulation ermöglicht eine effziente und präzise Extraktion von Kapazitätswerten auf Basis von Analyse-Werkzeugen aus dem IC Entwurf. Mit einem neuartigen Verfahren zur Strukturerkennung lassen sich diese Werte, vergleichbar zu einem LVS bei ICs, erstmals lokal zuordnen, wodurch gezielte Layoutoptimierungen möglich werden. Eine weitere Neuerung ist die Berücksichtigung bewegungsabhängiger Parasiten.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Entwurfsprozess für MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Ziele der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Kapazitive MEMS-Inertialsensoren 10
2.1 Basis-Prozesstechnologie für Oberflächenmikromechanik . . . . . . . . 11
2.2 Aufbau kapazitiver MEMS-Inertialsensoren . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 Beschleunigungssensor: Aufbau und Funktionsprinzip . . . . . 16
2.2.2 Drehratensensor: Aufbau und Funktionsprinzip . . . . . . . . 18
2.2.3 Statische und dynamische Kapazitäten . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 MEMS-Entwurf 25
3.1 Entwurf der mikromechanischen Strukturen . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Entwurf der Chip-Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 Aktueller Stand der Elektrostatik-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 MEMS-Entwurfsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.1 Bibliotheksbasierter Entwurfsprozess ausgehend von einer GeometrieBeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.2 Bibliotheksbasierter Entwurfsprozess ausgehend von einer SchaltplanBeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.3 Polygonbasierter Entwurfsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4.4 Vergleichende Betrachtung der Entwurfsprozesse . . . . . . . . 43
3.4.5 Bewertung der Entwurfsprozesse hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit 45
3.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4 Präzisierung der Aufgabenstellung 48
5 Methoden zur Modellierung von MEMS-Prozessen für eine auf 3DField-Solvern basierenden Elektrostatik-Analyse 51
5.1 MEMS-spezifische Elektostatik-Analyse basierend auf 3D-Field-Solvern 52
5.2 2,5D-Prozess-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.1 Modellierung: Reaktives Ionentiefenätzen . . . . . . . . . . . . 54
5.2.2 Modellierung: Gas-Phasen-Ätzen . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.3 Modellierung: Topographie im Schichtaufbau . . . . . . . . . . 59

5.3 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.4 Verifikation der Extraktions-Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6 Methode zur polygonbasierten Schaltplan-Extraktion mit einer regelbasierten Strukturerkennung 71
6.1 Grundlegende Idee und Einordnung in den Extraktions-Fluss . . . . . 73
6.2 Regelbasierter Strukturerkennungs-Algorithmus . . . . . . . . . . . . 80
6.2.1 Eingabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.2 Architektur-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2.3 Definition der Topologie-Elemente mit ihren zugehörigen Regeln 83
6.2.4 Ableitung der Topologie-Elemente und Regeln bezüglich einer
spezifischen Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2.5 Segmentierung der Chip-Geometrie in Topologie-Elemente
durch Anwenden der abgeleiteten Regeln . . . . . . . . . . . . 96
6.2.6 Ausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.3 Elektrostatische RC-Analyse und Ersatzschaltplan-Synthese . . . . . 97
6.4 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.5 Verifikation der Extraktions-Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.7 Anhang zu Kapitel 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7 Methode zur Analyse bewegungsabhängiger elektrostatischer Effekte
bei lateraler Auslenkung 115
7.1 Grundlegende Idee und Einordnung in den Extraktions-Fluss . . . . . 116
7.2 Auslenkungs-Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.3 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.4 Verifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8 Kombination der Methoden zur Analyse bewegungsabhängiger elektrostatischer Effekte bei lateraler Auslenkung mit der regelbasierten
Strukturerkennung 132
8.1 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.2 Zusammenfassende Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
9 Gesamtzusammenfassung und weiterführende Aufgaben 138
Glossar 141
Literaturverzeichnis 145

", "genre": "Rechnerunterstützte Verfahren", "isbn": "978-3-18-347320-5", "name": "Methoden zur Analyse parasitärer elektrostatischer Effekte in mikroelektromechanischen Systemen", "numberOfPages": "176", "publisher": { "@type": "Organization", "name": "VDI Verlag GmbH", "url" : "https://www.vdi-verlag.de" }, "author" : { "@type" : "Person", "name" : "Axel Hald" }, "offers": { "@type": "Offer", "availability": "http://schema.org/InStock", "price": "62,00", "priceCurrency": "EUR" } }