通過研究可調(diào)諧光濾波器來探討FEA的準備工作

MEMS器件在包含運動、振動、溫度波動等壓力因素的真實世界中是如何表現(xiàn)的？確保MEMS器件在實際環(huán)境中的工作性能符合預期的一個重要手段是執(zhí)行有限元分析（FEA）。FEA在MEMS器件的三維模型上定義一個網(wǎng)格，從而將計算物理作用力影響的復雜計算細分為有限元。計算各有限元的基本物理機制，建立一個復雜方程，然后逼近整個設計上的物理效應。本篇技術(shù)短文通過研究可調(diào)諧光濾波器（圖1）來探討FEA的準備工作。

圖1：可調(diào)諧光濾波器

可調(diào)諧光濾波器是建立光纖通信系統(tǒng)的波分復用（WDM）解決方案的核心部件。利用兩個折射率不同的并行Bragg鏡層構(gòu)建一個Fabry-Perot諧振腔。一個運動電極懸置于三根梁上。當施加電壓時，運動電極在靜電力作用下向固定電極移動。兩個Bragg層之間的距離決定諧振波長頻率。光波進入諧振腔，但只有諧振波長能通過諧振腔。

這種濾波器能否制造？它是否會像預期的那樣工作？要回答這些問題，設計人員可能會問：

? 可調(diào)諧頻率范圍是否可滿足要求？? 梁是否會正確彎曲以便像預期的那樣過濾光束？? 梁的運動是否會扭曲Bragg表面？? 梁的動作速度是否會足夠快以滿足要求？? 梁能否承受運動應力而不失效？? 非理想鏡面對器件運作會有何影響？

為了回答這些問題，應利用FEA工具對該器件進行實際條件下的仿真。設計人員須完成的FEA準備工作包括：指定制造工藝，創(chuàng)建二維掩膜版圖，以及在Tanner L-Edit中生成器件的優(yōu)化三維模型。

指定制造工藝

設計人員可以與晶圓代工廠合作，直接在L-Edit中指定制造工藝。第一步是說明制作可調(diào)諧濾波器所用的材料：金屬、多晶硅、氧化物和氮化物。設計人員視需要調(diào)整材料屬性，此信息隨后被傳送到 FEA 工具。接下來，設計人員會指定與材料相關(guān)聯(lián)的濾波器三維工藝步驟。指定的每個步驟都是模仿制造中使用的機器步驟，如沉積、蝕刻、拋光等等。例如，在一個沉積步驟之后定義一個蝕刻步驟，其指定要蝕刻的物料以及蝕刻移除的物料。設計人員將適當?shù)墓に嚥襟E映射到二維掩膜版圖。（可生成真實器件剖面圖）對于可調(diào)諧濾波器（圖2），基本工藝步驟包括：

? 沉積底鏡的氧化物、多晶硅和氮化物。? 沉積后蝕刻一層多晶硅。? 沉積氧化物并蝕刻固定電極。? 沉積金屬。? 沉積頂鏡的氮化物、氧化物和多晶硅。? 沉積并蝕刻梁、錨和運動電極。

圖2：可調(diào)諧濾波器的制造工藝步驟

創(chuàng)建二維掩膜版圖

在L-Edit中創(chuàng)建濾波器，指定在硅晶圓基礎(chǔ)上形成錨定梁和上下電極的材料層（圖3）。

圖3：可調(diào)諧濾波器版圖

濾波器諧振腔充滿空氣。為研究濾波器的靜電行為，設計人員可以在L-Edit中的二維版圖上添加一層來處理兩個電極之間的空氣量（圖4）。

圖4：濾波器版圖上添加一個空氣層

生成三維模型

設計人員可以從在FEA工具中創(chuàng)建濾波器三維模型開始。但是，制造器件需要二維掩膜。所以，最好從在L-Edit中創(chuàng)建二維掩膜版圖開始。然后，指示L-Edit通過這些掩膜自動生成三維模型，從而提供制造步驟的仿真。利用這個以掩膜為導向的設計流程，設計人員可以聚焦于設計切實可行的器件，因為最終用于制造目的的掩膜是被直接創(chuàng)建出來，而不是從三維模型進行逆向工作。

圖5所示為從L-Edit中的二維掩膜版圖自動生成的可調(diào)諧濾波器三維模型。

圖5：生成的可調(diào)諧濾波器三維模型

設計人員可以在三維模型中檢查各制造工藝步驟，并拍攝快照以用于編制文檔。為了探究模型中各元素的關(guān)系，可以指定模型的疊層結(jié)構(gòu)（圖6）。

圖6：探究三維模型的剖面

優(yōu)化性能

如果MEMS器件很復雜，F(xiàn)EA工具可能需要很長時間才能完成仿真，甚至可能無法收斂。設計人員可以運用多種技術(shù)來優(yōu)化三維模型的仿真性能，包括：

? 關(guān)閉三維模型中使用的某些材料和工藝步驟，再將其導出到FEA工具。? 使用L-Edit中的特征清除工具清除孔洞、合并轉(zhuǎn)角面并清除小圓角以簡化模型。? 仿真模型的一個分區(qū)以進行有針對性的分析。

利用L-Edit Substrate功能創(chuàng)建三維模型的一個1/3分區(qū)，可以簡化該可調(diào)諧濾波器。新模型僅包含一根梁、上下電極的1/3和諧振腔1/3的空氣量（圖7）。此分區(qū)降低了FEA分析的規(guī)模和復雜度。然后，設計人員可以對該梁和電極的靜電特性進行有針對性的分析。

圖7：將三維模型分區(qū)以改善仿真性能

執(zhí)行后續(xù)步驟

生成優(yōu)化的三維模型之后，設計人員可以將說明內(nèi)容導出為多種格式中的一種，然后將模型導入FEA工具。必要的靜電信息、邊界條件、物料屬性和梁自由度由三維模型提供。

在FEA工具中，設計人員驗證給定適當?shù)墓馐鴷r，濾波器能否在指定調(diào)諧范圍內(nèi)正常工作。此外，設計人員可以通過試驗探究鏡缺陷或鏡曲率不當對調(diào)諧器的影響。

執(zhí)行FEA之后，若發(fā)現(xiàn)任何問題則修改二維模型，并重新生成三維模型進行 FEA。確認了設計的物理效應之后，設計人員可以利用SoftMEMS的MEMS Modeler工具（配合T-Spice仿真器使用）生成器件的行為模型。

結(jié)語

為了制作MEMS器件，必須回答一些重要問題才能保證器件在實際條件下能正常工作。Tanner以掩膜為導向的設計流程將制造工藝步驟和材料與二維掩膜版圖關(guān)聯(lián)起來，以便自動生成用于有限元分析的優(yōu)化三維模型。該設計流程有助于確保制造出的MEMS器件符合預期。