低能氣相腐蝕系統的建模與仿真

張紅霞，楊旭輝，馬芳蘭，胡艷琴，徐武德，馬宏偉

(甘肅省科學院傳感技術研究所甘肅省傳感器與傳感技術重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

低能氣相腐蝕系統的建模與仿真

張紅霞，楊旭輝，馬芳蘭，胡艷琴，徐武德，馬宏偉

(甘肅省科學院傳感技術研究所甘肅省傳感器與傳感技術重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

低能氣相腐蝕系統在微電子機械系統(MEMS)生產工藝中的應用非常廣泛，但是該系統的設計和開發十分復雜。為了降低系統設計的復雜度和生產成本，對低能氣相腐蝕系統進行了基于可視化開發工具LabVIEW的建模和仿真。以XeF2腐蝕MEMS中的無定形硅為例，對腐蝕速率、時間與腐蝕效果之間的關系進行了研究，重點分析和討論了建模中需要解決的三個重要問題：循環控制回路中交換腔氣體壓強的計算方法、恒定腐蝕速率下腐蝕氣體壓強的計算方法以及非晶硅犧牲材料表面積與時間的關系。根據對反應趨勢的計算結果進行仿真，表明在腐蝕一個微結構的過程中，腐蝕速率能夠維持恒定。仿真結果驗證了該方法可以快速模擬真實的低能氣相腐蝕環境，具有準確性和可行性，為后期系統的設計和開發提供了數據參考和技術指導。

MEMS； 腐蝕系統； 低能氣相； 腐蝕速率； LabVIEW；犧牲層； 建模； 仿真

0 引言

針對氣相腐蝕系統的參數難以確定的問題，通過對其條件體系進行建模和仿真，可以最大限度地進行仿真分析，從而得到準確的參數，為氣相腐蝕系統的實現提供一定的理論依據和技術指導。

低能氣相腐蝕系統就是通過將腐蝕氣體與犧牲層表面接觸，實現結構懸空和機械可動的腐蝕工藝過程[1]。該系統在微電子機械系統(micro electro mechanical system，MEMS)加工過程中應用廣泛[2]。使用該方法進行MEMS加工，可以提高產品優良率、均勻性和產量。但是由于該系統涉及很多參數和受許多干擾因素影響，其設計和開發非常復雜。為了降低系統設計的復雜度，得到相關的設計參數，本文基于可視化開發工具LabVIEW，對低能氣相腐蝕系統進行了建模和仿真，經過一段時間的運行，獲得了具有一定參考價值的數據，為系統的設計和開發提供了技術指導。

本文首先介紹了低能氣相腐蝕系統的基本概念，并從相關理論和原理出發，對系統的建模過程進行了詳細的論述；然后用LabVIEW進行了仿真、測試和分析，結果表明，通過該方法獲取的反應趨勢與理論計算結果相符，仿真方法正確可行。

1 系統簡介

低能氣相腐蝕系統就是通過控制腐蝕氣體的通路及其流向、濃度和壓強，控制腐蝕氣體與犧牲層表面的反應，以實現MEMS結構的腐蝕工藝。系統模型由稀釋氣源、腐蝕氣源、交換腔、腐蝕腔及相關閥門、泵和壓力表等組成，低能氣相腐蝕系統模型如圖1所示。腐蝕氣源和稀釋氣源先充在腐蝕劑源室和稀釋劑源室內，由閥門控制在交換腔中進行混合，然后再充入腐蝕腔與犧牲層材料發生反應。

圖1 低能氣相腐蝕系統模型

2 系統建模

在進行系統建模前，先對系統建模時所用到的一些參數和符號進行介紹，具體如表1所示。

表1 系統建模所需的參數和符號表

下面對系統模型進行詳細說明。以XeF2腐蝕MEMS中無定形硅為例進行介紹，反應方程式為：

2XeF2+Si=2Xe+SiF4

(1)

式中：Xe和SiF4為揮發性腐蝕產品。

假設腐蝕過程化學反應很快，腐蝕腔里的XeF2濃度是均勻的，則SiF4的質量平衡方程為：

(2)

根據腐蝕產物SiF4產生的速率，腐蝕速率可以表示為：

(3)

腐蝕腔里XeF2的壓力隨時間的變化由式(4)得到:

(4)

因此，恒定的腐蝕速率可以用下式計算：

(5)

式中：κ為反應常數。

(6)

結合式(2)和式(5)，可以推導出非晶硅犧牲材料表面積與時間的關系，并表示為:

(7)

基于以上分析，分別提出以下三個關鍵問題，并通過求解來建模。

①在該循環控制回路中，計算交換腔所需氣體壓強。根據氣體分子擴散理論和化學腐蝕反應理論，分子平均自由程可以表示為:

(8)

由于微器件中最小的晶圓是0.5 μm，則確定所需氣體的平均自由程λ=0.5 μm，根據式(8)即可得P。如果選取稀釋氣體，那么碰撞直徑σHe=2.457 5 ?，預計交換腔需要壓強PHe=31 064.11 Pa；如果選取稀釋氣體N2，那么σN2=3.681 ?，預計交換腔需要壓強PN2=26 664.5 Pa。

②在腐蝕速率維持恒定的情況下，計算腐蝕氣體壓強。

腐蝕腔里XeF2的壓力隨時間的變化由式(4)得到，則足夠時間后，腐蝕腔里的XeF2的壓力可以用初始時刻的壓強表示為：

(9)

因此，恒定的腐蝕速率可由式(5)、式(6)、式(9)計算得到：

(10)

③仿真犧牲層面積實時腐蝕效果。

在腐蝕過程中，維持恒定的腐蝕速率是犧牲層表面積隨時間變化的必要條件。非晶硅表面積與時間的關系可以用來估算注入腐蝕腔的腐蝕氣體濃度和壓強[3]。

已知參數γ=1.287×10-8mol/(cm3·V)；單位常數K=0.125 mm/a。

對式(3)求解，可得到200 s的SiF4濃度為 ：CSiF4(200 s)= 4.6 mol/L。

將其代入式(7)、式(3)，可得到Asi(300 s)=172.335 cm2、rh(300 s)=24.986 ?/s。

同上，可得CSiF4(300 s)=5.104 mol/L、rh(400 s)=24.637 ?/s、ASi(400 s)=171.813 cm2。依此類推，可以得到任意時刻的CSiF4和ASi，直到犧牲層全部被移除。

3 基于LabVIEW的系統仿真

3.1 LabVIEW介紹

LabVIEW是一種用圖標代替文本代碼創建應用程序的圖形化編程語言[5-6]。它采用數據流編程方式，被工業界、學術界和研究實驗室所認可，被視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。它提供了完整的系統辨識、控制設計、仿真和控制器執行模塊工具[7]。利用這些模塊和工具包，能方便地進行算法開發、分析和驗證。其仿真模組可以完全脫離任何外部建模工具的支持，獨立進行絕大多數類型動態系統的建模和仿真。通過將LabVIEW控制設計與仿真模塊、LabVIEW MathScript RT模塊相互結合，即可進行低能氣相腐蝕系統的建模、仿真和驗證[8]。

3.2 系統仿真

根據上述數學模型，在LabVIEW中編寫了仿真程序，仿真每一時刻的系統變化，從而模擬整個系統的運行過程，獲取系統運行所需要的參數。

根據后臺編寫的基于時間序列的系統運行狀態的仿真程序，得到了系統隨時間逐步變化的一系列參數；在前臺開發了仿真界面，并在界面中設計了腐蝕氣瓶、稀釋氣瓶、腐蝕劑源腔、稀釋劑源腔、交換腔和腐蝕腔，以及所用到的泵、氣壓計、閥門等配件[9]。

這些腔體可以根據后臺計算的結果，實時呈現出各自不同的狀態，并實時顯示腐蝕速率、腔體壓強及犧牲層大小等參數。

在完成腐蝕系統后，進行了一系列的仿真試驗。在仿真過程中，如果腐蝕速率降低到穩定值的90%，則將腐蝕腔中的氣體排出并抽成真空，重新注入腐蝕氣體后再次進行腐蝕過程。

經過一段時間的運行，腐蝕系統仿真結果如表2所示。這些數據為建立真實的腐蝕系統提供了數據參考和技術指導。

表2 腐蝕系統仿真結果

4 結束語

低能氣相腐蝕系統在MEMS生產工藝中應用非常廣泛，但是由于該系統涉及很多參數和受很多干擾因素影響，所以其設計和開發非常復雜[10]。通過對系統進行建模并使用相關工具進行仿真，可以快速模擬真實的試驗環境并得到相關參數，從而為設計和開發低能氣相腐蝕系統提供數據參考和技術指導。本文基于上述目的，對氣相腐蝕系統進行了簡化，并在可視化編程工具LabVIEW中進行了建模和仿真，得到了一些參數。這些參數和系統反應趨勢與理論計算結果相符，具有一定的參考價值。由于氣相腐蝕系統較為復雜，本文對系統進行了簡化，但并沒有加入真實系統中的干擾因素，在接下來的工作中將會對系統進行進一步的優化。

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[2] 吳曉,周星元.基于MEMS犧牲層技術的發展現狀[J].現代制造工程,2007(9): 86-88.

[3] CHAADT G P, SHI H. Etching method in fabrications of microstructures: US6939472[P].2005-09-06[2016- 01-10].

[4] SHI H, SCHAADT G P. Methods and apparatus of etch process control in fabrications of microstructures: US7645704[P]. 2010-01-12[2016-01-10].

[5] 郭一楠,程健,陳穎.基于LabVIEW和MATLAB的過程控制虛擬仿真平臺研究[J].電氣電子教學學報,2006,26(2):61-64,82.

[6] 李寧,樂偉偉.基于LabVIEW遠程測控技術的實現[J].裝備制造技術,2014,42(11):250-251.

[7] 蔡建安,陳潔華,張文藝.計算機仿真和可視化設計[M].重慶:重慶大學出版社,2006.

[8] 錢積新,王慧,周立芳.控制系統的數字仿真及計算機輔助設計[M].北京:化學工業出版社,2003.

[9] 胡艷琴,張紅霞,左顯維,等.MEMS工藝中氣相腐蝕系統研究現狀[J]. 電子制作,2016,23(16):35-36.

[10]付久長,米雙山,丁俊杰.基于AMESim和LabVIEW的液壓系統可視化仿真技術實現[J].液壓與氣動,2011,35(10):89-91.

Modeling and Simulation of the Low Energy Gas-Phase Etching System

ZHANG Hongxia,YANG Xuhui,MA Fanglan,HU Yanqin,XU Wude,MA Hongwei

(Gansu Province Key Laboratory of Sensors and Sensing Technology,Institute of Sensor Technology,Gansu Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China)

Low-energy gas-phase etching systems are widely used in the production process of MEMS,but the design and development of the system are very complex.In order to reduce the complexity of the system design and the production costs,the modeling and simulation of the low-energy gas-phase etching system based on visual development tools LabVIEW are carries out.With the XeF2etching amorphous siliconin MEMS as example,the relationship between etching rate,time and etching effect are researched,and three of the essential issues to be resolved in modeling are analyzed emphatically:the calculation method of the gas pressue in the exchange chamber in the cycling control loop; the calculation method of the pressure of etching gas under constant etching rate; and the relationship beteen the surface area of the amorphous silicon sacrificial materialand the time.The simulation is conducted in accordance with the calculation results of the reaction trend,in which the constant etching rate can be maintained in the process of etching a microstructure.The simulation results show that the method can emulate the real low-energy gas-phase etching environment quickly,and the simulation method is correct and feasible.It provides reference data and technical guidance for the design and development of the late system.

MEMS；Etching system; Low-energy gas-phase； Etching rate； LabVIEW； Sacrificial layers; Modeling; Simulation

甘肅省科學院青年科技創新基金資助項目(2014QN-18)、甘肅省科學應用研究與開發計劃(2013JK-01)

張紅霞(1982—),女，學士，工程師，主要從事計算機測控技術及應用方向的研究。E-mail：zhanghongxia_gs@126.com。 楊旭輝(通信作者)，男，博士，高級工程師，主要從事計算機應用技術、計算機仿真方向的研究。 E-mail：yangxh1-2@163.com。

TH705；TP391

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706004

修改稿收到日期：2017-03-10