基于Level Set的硅湿法刻蚀模拟研究

摘要

硅各向异性腐蚀技术仍然是最为广泛应用的硅微机械加工技术之一。各向异性是指在硅腐蚀过程中，各晶面的腐蚀速率取决于晶向，不同的晶面以不同的腐蚀速率演化。实现硅各向异性腐蚀技术的计算机模拟，对于MEMS CAD系统的建立具有重要的意义，可以提高MEMS设计水平，缩短产品研发周期，降低开发成本。Level Set方法是一种可靠解决运动界面追踪问题的数值模拟技术，特别适用于界面传播中包含拓扑变化的情况。由于具有良好的精确度、稳定性和高分辨率，其已经在许多领域得到了研究应用。
　　本文在已有的研究成果和理论基础上，探索将Level Set方法应用于硅各向异性腐蚀模拟。介绍了微机电系统的有关基本知识和原理。讨论了硅各向异性腐蚀模拟现状，对现有的两类主要的模拟方法-原子方法和几何方法作了比较分析。为了模拟腐蚀图形随时间的演化，获得所需足够的准确的腐蚀速率数据，引用了一种有效的腐蚀速率插值方法，根据硅晶体的对称性，通过对已知实验数据的主要晶面进行插值计算得到了完整的腐蚀速率。论述了Level Set方法的数学理论和应用步骤，Level Set方程的数值解法，构造了5阶精度的WENO格式。分别对二维和三维空间中应用Level Set方法数值模拟硅各向异性腐蚀的建模过程作了说明，运用MATLAB数学软件开发了硅各向异性腐蚀模拟程序，演示了常用掩膜图形的各向异性腐蚀模拟实例。模拟结果表明Level Set方法可以作为一种可选的工具用于湿法刻蚀仿真。