利用独特的版图编辑和验证功能，化解MEMS设计挑战（二）
2018-06-09 19:36:21   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

简介

自能够使用改良的半导体器件制造技术制造MEMS（微机电系统）器件以来，MEMS便一直保持着飞快的发展速度。在IC设计中广泛使用的版图工具自然也成为了MEMS版图设计的首选工具。尽管IC版图工具已相当成熟，并且具有丰富的IC应用功能，但若要高效应对MEMS版图带来的挑战，其中许多工具仍有些力不从心。因此，IC工具需要独特的面向MEMS的功能，以满足MEMS版图设计的特定要求，以及提高设计流程的速度、便捷性和准确性。

MEMS版图与IC版图之间的一大区别在于是否能使用独特的不规则形状。在传统的CMOS IC设计中，版图形状通常是曼哈顿样式（例如矩形和直角多边形）或用于布线的具有45度边的多边形；而MEMS设计则与之不同，其可广泛应用于机械、光学、磁性、流体和生物学领域，因而所使用的几何形状也就千变万化，较为繁复。实现对不规则形状（包括曲线和全角多边形）的支持和易用性，已成为区分面向MEMS的CAD工具与传统的面向IC的工具的关键标准。大多数版图和验证工具主要处理IC设计以及对其进行优化，不过，这些工具并不适合MEMS设计所需的不规则形状。MEMS设计人员需要的版图和验证工具必须能够应对曲面或全角对象所带来的挑战。此外，设计人员还需要相关的技巧和诀窍，能处理因正交几何形状优化规则而导致的虚假错误。

克服机械CAD工具中的局限性

在传统的机械CAD工具中，“零宽度”线极为常见。而MEMS版图则与之不同，其要求所有几何形状全部表示为“封闭”或“填充”的多边形。否则，将无法定义掩模的明暗场。使用一些机械CAD工具的一个限制，即它们无法轻松表示填充的多边形，并且在这些工具中执行任何绘图通常都会导致多边形被表示为多个“零宽度”的线段。在导入DXF文件（用于从机械CAD工具传输几何形状的常用格式）时，Tanner L-Edit MEMS可以搜索其端点在用户指定的公差范围内的线段，并尝试重建封闭的多边形，如图1所示。如果发现封闭的多边形，则单独的线段将被替换为单个多边形。线段的端点不需要完全匹配。Tanner L-Edit MEMS允许用户在将线段合并为多边形时，指定线段端点之间的最大间隙。

将MEMS设计发送到晶圆代工厂制造时，用户通常会以GDSII格式导出设计。由于GDSII格式不支持曲线，因此在导出GDSII掩模数据时，需要将圆形、扇形、曲面多边形和圆环转换为近似的相应曲线的全角多边形。Tanner L-Edit MEMS会自动执行此转换，并且会在设计中包含顶点数超过200个的导线或多边形时发出警告，因为GDSII存在8192个顶点的限制，而传统的最佳实践限制数为200个顶点。然后，用户可以指定每个多边形应具有的最大顶点数，如果超过此最大数，该多边形将被Tanner L-Edit MEMS自动分解为具有较少顶点的较小多边形。

图1：在Tanner L-Edit MEMS中通过单独的线段重建多边形

在Tanner L-Edit MEMS中也可以将全角多边形转换回曲面多边形。有时需要将未保存曲线的GDSII文件读回以进行设计修改；或者需要从高级编辑操作（例如布尔运算）的结果中恢复曲线，以方便进行编辑。为实现良好的曲线恢复，Tanner L-Edit MEMS会搜索全角多边形中具有八个或更多个顶点的弧形，并将多个相邻的线段替换为曲面边，只要这些顶点所在弧形的半径误差不超过一个制造单位（图2）。利用此类转换功能，用户可以更方便和更精确地重新编辑曲面对象。

图2：Tanner L-Edit MEMS中的曲线重建

曲线到全角边的转换

在执行一些高级编辑操作、运行设计规则检查（DRC）和导出到GDSII时，需要将曲面多边形转换为全角多边形。全角近似必须尽可能精确地表示实际曲线。在一些CAD工具中，曲线基于特定数量的顶点进行转换，这样就无法保证不同大小的曲线之间的精度。Tanner L-Edit MEMS则基于制造网格转换曲线，可在转换过程中基于曲线的大小来调整需要使用的顶点数量，从而获得极高的精度。

为演示Tanner L-Edit MEMS与其他CAD工具方法之间的差异，我们使用其他CAD工具中通常使用的固定数量的顶点，将图3中的三个半径分别为5µm、50µm和250µm的圆形转换为全角多边形。同时也使用Tanner L-Edit MEMS的方法执行该转换。可以看到，对于较小的曲线（例如5µm半径的圆形）与原始曲线相比，两种方法在曲线近似方面的表现都不错，并且具有相同的误差。但对于较大的曲线（例如250µm圆形）固定顶点数量的方法误差率会增加至0.3µm。由于Tanner L-Edit MEMS使用制造网格来计算顶点数，因此平均误差小于0.01µm的制造网格。尽管在制造时会对边进行平滑化处理，但如果误差过高，此误差可能会影响最终的MEMS结构的性能。此外，此转换误差在对曲面几何形状执行布尔运算时可能导致问题，并且造成出现很多DRC虚假错误。

图3：Tanner L-Edit MEMS中的曲线重建

曲面几何形状和全角几何形状面临的DRC挑战

与IC版图相似，MEMS版图也必须通过DRC，以最大限度地降低制造风险和提高良率。除了常规的DRC问题以外，MEMS版图中常见的曲面对象对DRC工艺也构成了一些独特的挑战。最大的挑战是由于DRC规则无法有效地处理MEMS版图而生成DRC虚假错误。大多数DRC引擎和DRC命令文件都是专为IC几何形状（主要是正交几何形状）而设计的，并非用于处理全角或曲面几何形状。在对全角几何形状运行能够有效检查正交几何形状的标准规则时，可能会产生大量虚假错误。少数几个虚假错误可以快速检查，但如果有成百上千个虚假错误，则很容易忽略真正的DRC错误，尤其是运行多次DRC时。

Tanner L-Edit MEMS集成了名为Tanner Verify的层次化DRC引擎，可帮助滤除一些DRC虚假错误。我们将以一个简单的扩展规则为例，来演示DRC虚假错误这一挑战难题。扩展规则规定，一个层面上的对象必须从另一个层面上的对象扩展出至少特定的距离。该扩展规则会测量从层面1对象边缘的外侧到层面2对象边缘的内侧的距离。一般情况下，这类检查会忽略相交的边或是以90度角相交的边，如图4所示。

图4：扩展DRC规则

当曲面边被近似为多个较小的全角边（将一个较长的边分解为多个较小的边）时，便会产生DRC虚假错误，如图5所示。这样一来，检查时就不可能忽略相交，因为与层面2相交的层面1上的单个曲边被转换为3条边，其中一条边没有与层面2的边相交。这并不是因为DRC引擎无法处理此问题，而是因为该规则是针对正交几何形状编写和优化的，需要经过修改才能处理曲面边。

图5：由于曲线近似导致的DRC虚假错误

要滤除由于曲线近似而产生的大量短边，诀窍就是仅当边彼此投影的量不小于特定量时才对其进行检查。一个边到另一个边的投影指的是从参考边到被投影到的边的垂直投影。图6显示了将层面1的边投影到层面2的边以及相反过程的示例。使用制造网格的10倍或测量距离的1/10作为筛选长度是个不错的经验法则。

遗憾的是，按投影长度进行筛选，并无法消除由于曲面边在扩展规则期间被近似为多个较小的全角边而导致的虚假错误。生成的小边与另一层不相交的小边可以具有合理的投影长度，因此不会被滤除。该项挑战在于，如何滤除如果没有近似且原本会相交的边。最好的方法是重写DRC运行规则，只检查相反的边而不是交叉点。这可以通过进行扩展检查并将结果保存为多边形或区域来完成，然后执行内部或宽度检查，检查对象的2个边的内侧（内部）之间的间距。

图6：边的投影

图7显示了一项真实错误存在的情况，在扩展规则检查期间生成了一个包含四个或更多个顶点的多边形。在因单个较长的边被分解为多个较短的边而产生DRC虚假错误时，扩展规则检查会导致在该DRC虚假错误位置生成三角形。由于宽度检查不会检查交叉点，因此这些三角形将被忽略，并有效地从结果中滤除。

图7：使用DRC两步检查法，滤除由于曲线近似导致的虚假错误

影响全角旋转和节点高亮显示的循环问题

在IC版图中，DRC和LVS严重依赖CAD工具来查找和报告错误，而MEMS版图则与之不同，其设计人员倾向于在运行验证工具之前，采用更直观的方法用肉眼检查连接，这是因为MEMS器件的固有特征以及缺少可与之比较的原理图网表。Tanner L-Edit MEMS支持节点高亮显示，允许用户高亮显示连接到某个节点/网络或几何形状片段的所有几何形状。要运行节点高亮显示，用户需要先通过指定彼此连接的层面的名称来定义连接。如果两个层面彼此重叠并且具有触点或通孔等连接层面，则将两个层面进行连接，也可以将其设为在彼此接触时进行连接。如果层面1、层面2上的对象与连接层面的AND运算产生了非零面积的几何形状，则将对象定义为已连接。如果未指定连接层面，则层面1和层面2必须重叠或接触，才能视为已连接。定义设置后，用户随后可基于这些定义运行连接提取引擎。

要选取需要高亮显示的节点，用户可以高亮显示连接到所选对象的几何形状，或可以打开一个对话框窗口以指定目标节点名称。节点高亮显示适用于绘制的或派生的层面上的合并对象，从而允许用户创建复杂的连接规则。节点的所有合并几何形状都会在版图中高亮显示，并且会在状态栏中显示节点名称。

可以按顺序选择多个节点并以不同的颜色高亮显示。高亮显示某个节点后，将会显示整个层次结构中所有相关的连接。高亮显示时，如果光标位置有不止一个节点，则会显示所有潜在节点的列表，并提示用户选择其中一个节点。

图8显示了使用节点高亮显示功能来直观检查连接的示例。高亮显示的两个节点以不同的颜色显示其连接，以便用户能够快速找出错误的连接。在对全角旋转对象执行连接提取和节点高亮显示时，可能会出现一个问题，就是由于四舍五入而导致产生未连接的几何形状，进而导致在旋转的实例中造成对象之间出现细小间隙。当按全角量（非90度）旋转实例时，每个对象将会单独旋转，并捕捉到设计数据库的分辨率（通常为1nm）。此捕捉可能导致循环问题，进而导致在未旋转时接触的两个对象在旋转非90度角后变为分离或未接触（之间存在细小间隙）状态。

在图8中可以看到，对于节点1，有几个辐条没有高亮显示，因为在旋转和捕捉到设计数据库的分辨率期间出现了细小的间隙。此细小间隙很难以肉眼看见，但通过节点高亮显示即可轻松检测出来。处理这一问题的最佳方法是在所旋转的单元中合并接触的对象，或确保接触的对象之间存在一定的重叠。可以看到，连接到节点2的辐条全部高亮显示，因为该辐条是单一对象，而不是彼此接触的2个对象。

图8：MEMS几何形状的节点高亮显示，以及接触对象的全角旋转问题

结语

在进行MEMS设计时，设计工具需要具备能够应对任意形状和结构所带来的挑战的功能。曲面几何形状的影响及其采用的近似方法会影响版图从编辑到DRC和节点高亮显示的方方面面。关键在于要获取正确的工具，以便高效地操作从MEMS结构得出的曲面几何形状，并滤除DRC虚假错误。有了上述专为MEMS设计用途而开发的独特功能，便可精确地验证MEMS版图并将此版图送交制造。由此，Tanner L-Edit MEMS这类面向MEMS的版图工具成为了MEMS设计人员不可或缺的得力助手。

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