Modellierung gekoppelter Effekte in Mikrosystemen auf ...

Entwurf und Modellierung von Mikrosystemen
Auch in der MST ist man also bestrebt, Simulationswerkzeuge zu entwickeln, die es
ermöglichen, den Entwurf von Bauelementen und Systemen auf allen Ebenen durch
umfassende Modellierung zu unterstützen. Dadurch können einerseits Kosten und Zeit
für teuere ” Trial and Error-“Zyklen gespart werden, andererseits kann ein detailliertes
Verständnis für die physikalischen Vorgänge im Bauelement und für seine Funktionsweise
entwickelt werden, und es lassen sich schon in einem frühen Entwicklungsstadium
Funktions- und Designkonzepte verifizieren und selektieren.
Für ein solches Vorgehen benötigt man Entwurfsumgebungen, mit denen man, ausgehend
von einem Maskensatz für das Bauelement, über Prozeß- und Bauelementesimulation
bis hin zur Beschreibung auf Systemebene ein Mikrosystem auf allen Ebenen des
Entwurfsprozesses durchgängig modellieren kann. Dazu müssen Programme zur Prozeßsimulation
spezifischer Prozesse der Mikromechanik, wie das anisotrope Ätzen, bereitgestellt
sowie die Behandlung gekoppelter Effekte auf Bauelementeebene handhabbar
gemacht werden. Wichtig sind hier speziell Kopplungen über die Grenzfläche zwischen
verschiedenen physikalischen Domänen, da diese in Mikrosystemen aufgrund des großen
Oberflächen- zu Volumenverhältnisses eine entscheidende Rolle spielen. Die Beschreibung
auf Systemebene schließlich verlangt nach adäquaten und effizienten Verfahren,
Kompakt- und Makromodelle von der kontinuierlichen Feldbeschreibung auf Bauelementeebene
abzuleiten, sowie nach Entwicklung von Strategien zur Parameteridentifikation
und -extraktion für diese Modelle [110, 111, 148, 150].
In der Mikrosystemtechnik muß für den Entwurfs- und Optimierungsprozeß also der
gleiche Ablauf wie in der Mikroelektronik etabliert werden, mit der Schwierigkeit, daß
hier ein breiteres Feld an physikalischen Effekten abzudecken ist. Daher ist es wichtig,
sich auf bereits bestehende Erfahrungen zu stützen. Vielfach werden hier deshalb bereits
vorhandene Simulationswerkzeuge so kombiniert oder angepaßt, daß sie den gegebenen
Anforderungen (zumindest größtenteils) gerecht werden, und es wird versucht, sich auf
bereits entwickelte Ansätze aus anderen Disziplinen zu stützen. Hier können Programme
aus dem klassischen Maschinenbau zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Finite-
Element-Programme, oder aus der Mikroelektronik, wie analoge Schaltkreissimulatoren
und Programme zur Parameterextraktion. Ein Überblick über diesbezügliche Möglichkeiten
wird in [76] gegeben.
Mittlerweile gibt es auch einige Firmen, die versuchen, teilweise basierend auf vorhandenen
Simulatoren, durchgängige Design-Suites für Mikrosysteme zu entwickeln
(z.B. [25, 61, 78]), bisher ist jedoch keine der erhältlichen Simulationsumgebungen uneingeschränkt
für alle Probleme einsetzbar. Insbesondere auf dem Gebiet der gekoppelten
Effekte und verstärkt in der Systemsimulation herrschen bislang noch große Defizite.
Zielstellung der Arbeit
Ziel dieser Arbeit ist es daher, Ansätze und Methoden zur Behandlung von gekoppelten
Effekten auf Bauelemente- und Systemebene zu entwickeln. Hierbei konzentrieren
sich die Untersuchungen auf Kopplungen über Grenzflächen, die, wie oben dargestellt,
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