Baukastenbasierte Entwicklungsmethodik für die rechnerunterstützte Konstruktion von Mikrosystemen

In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik vorgestellt, die den Entwickler von Mikrosystemen von der Entwicklung einzelner Komponenten bis zum Entwurf komplexer Mikrosysteme, die aus einer Vielzahl von Materialien bestehen können, unterstützt. Dazu wird zunächst ausgehend von bekannten Vorgehensmodellen der Produktentwicklung ein Vorschlag für ein an die Besonderheiten des Mikrosystementwurfs angepasstes Vorgehensmodell entwickelt welches den verhaltensnahen und den fertigungsnahen Entwurf vereint. Dabei wird insbesondere darauf geachtet, dass es ungeachtet der Ausrichtung der Entwurfsstrategie einen gemeinsamen Einstiegspunkt in das Vorgehensmodell gibt. Der Systementwurf in dem von den Anforderungen eine Funktions-, bzw. Wirkstruktur abgeleitet wird, ist sowohl für den verhaltensnahen als auch für den fertigungsnahen Entwurf relevant. Ausgehend von der Wirkstruktur sieht das Vorgehensmodell dann prinzipiell zwei Wege vor, die zunächst zur Ableitung eines dreidimensionalen Modells, später zum gefertigten Mikrosystem führen. Die Analyse des Stands der Forschung hat gezeigt, dass die bisher entwickelten Entwurfswerkzeuge hauptsächlich den verhaltensnahen Entwurf unterstützen. Die bekannten Ansätze zur fertigungsnahen Entwurfsunterstützung vernachlässigen weitestgehend den Entwurf des Maskenlayouts. Im Bereich der Baukästen wurden hauptsächlich Systembaukästen aufgebaut, die einzelne Mikrosysteme über definierte Schnittstellen miteinander verbinden. Daher wurde ein System entwickelt, welches eine Lücke im Bereich des Komponentenentwurfs schließt. Mit Hilfe von Bausteinen auf Komponentenebene kann eine Möglichkeit aufgezeigt werden wie ein kombinierter Layout- und Prozessentwurf die technologieübergreifende Nutzung von bereits erfolgreich gefertigten Lösungselementen ermöglicht. Das System wurde in einen Softwareprototyp umgesetzt und mit einer zentralen Datenbank verbunden. Einen Aspekt des Komponentenentwurfs spiegelt die detaillierte Simulation konkreter Prozessschritte wider. Gerade im Umgang mit Prozessen der UV-Tiefenlithographie hat sich im Verlauf der Arbeit gezeigt, dass Beugungserscheinungen die strukturgetreue Abbildung der Maskengeometrie verhindern. Es ist daher sinnvoll, die Belichtungsintensität auf der Resistoberfläche vorhersagen zu können, um das Maskenlayout ggf. anzupassen. Daher wurde ein Simulationsprogramm für Beugungseffekte entwickelt, welches aus den erstellten Maskenlayouts eine Topographie der Resistoberfläche ableitet und den Einfluss dieser Topographie auf die Abbildungstreue simuliert. Um die starre Zuordnung von Bausteinen zu Fertigungsprozessen, wie sie im Datenmodell des Baukastensystems verankert ist aufzuweichen, wurde nach einer Möglichkeit gesucht Fertigungstechnologien an Hand eines Kriteriensystems auswählbar zu machen. Es wird gezeigt, dass aus dem Maschinenbau bekannte Verfahren an die Belange der Mikrosystemtechnik angepasst werden können und so zur gezielten Auswahl geeigneter Technologien führen. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Arbeit ist die Integration der einzelnen Module in eine geschlossene Entwicklungsumgebung. Hier wurde darauf geachtet, dass kommerzielle Werkzeuge mit den entwickelten Modulen über definierte Schnittstellen Daten austauschen und so ein geschlossenes System für den verhaltens- und fertigungsnahen Entwurf zur Verfügung steht. Der Entwickler wird über ein Projektplanungs und -management Werkzeug durch die einzelnen Entwurfsschritte geführt. Abschließend zeigen Anwendungsbeispiele verschiedene Aspekte des Systems. Am Beispiel einer doppelllagigen Mikrospule wird das Vorgehen beim Entwurf mittels Baukastensystem verdeutlicht. Diese Anwendung soll vor Allem detailliert die Arbeitsweise des Programms im Hinblick auf die Ableitung von Gesamtlayout und - prozesskette verdeutlichen. Des Weiteren wird hierbei ein Modul zum Grobentwurf von planaren Mikrospulen eingesetzt und die Anbindung an ein Finite Elemente Magnetics Programm vorgestellt. Ein zweites Anwendungsbeispiel verdeutlicht den Einsatz von Modulen zum Komponentenentwurf, falls für gewünschte Funktionen keine Bausteine im System vorgehalten werden. Die Membran eines Kraftsensors wird herangezogen, um die Vorgehensweise des Moduls zur Optimierung von Masken zu illustrieren. In der letzten Anwendung wird die Fähigkeit des Systems herausgestellt technologieübergreifende Bausteine zu einem neuen, komplexen Mikrosystem zusammenzuführen. Das Beispiel eines Mikrogreifers, der Komponenten aus der Siliziumtechnologie und der UV-Tiefenlithographie verbindet zeigt wie vorteilhaft die technologieübergreifende Entwicklung sein kann. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick für zukünftigen Forschungsbedarf ab.This work presents a method, which supports designers of microsystems. The main achievement of the system is that it supports the design of single components as well as the development of complex systems that consist of several different materials. In a first step available product development models are analyzed and the main challenges of MEMS design are discussed. This leads to the generation of a new process model for MEMS design that combines both behavioral modeling and productionrelated design. The system design forms the common starting point of the model. This process leads from the specifications to a function structure, which will than act as a basis for either the behavioral design path or the production-related design path. Both ways lead to a three-dimensional model of the proposed system, which can be used for further computational analysis. An analysis of the state-of-the-art in design tools for MEMS showed that most commonly the behavioral modeling is supported by such tools. All relevant methods neglect the design of process and mask layout for non-standard process flows. The area of building block systems mainly focuses on the definition of interfaces between single micro systems. This leads to the development of the presented system, which closes a gap in the area of component design. By means of building blocks on component level a new way of designing microsystems can be pointed out. The combination of layout and process design makes the reuse of once successfully fabricated elements possible. The system is presented as a software prototype and is attached to a central database. One important aspect of component design is the simulation of process steps. Especially high-aspect-ratio UV-lithographic patterning requires the use of a simulation tool for the estimation of diffraction effects during the exposure of complex three-dimensional structures. Different levels of microstructures and substrate cause diffraction effects during the exposure, which lead to a distortion of the original mask pattern. The presented simulation tool enables a designer to calculate intensity profiles on the resist surface and to estimate the impact of diffraction effects on the resulting resist pattern. An example is used to show the optimization of mask structures by adding special compensation structures. The presented building block system still lacks of flexibility regarding the use of evolving technologies. It uses fixed process sequences for single blocks to derive of process flow for the whole system. This leads to the fact that new fabrication processes have to be added to each block separately. To substitute single processes in a process chain a criterion system was developed to assist designers in decision making regarding the use of the best fabrication technology for a given design problem. Another important aspect is the integration of all tools into one single design environment. Here the fact that commercially available tools can communicate with other modules of the environment by especially designed interfaces was especially addressed. This ensures the consistent use of behavioral modeling and production-related design tools in one workflow. Different application examples show the capabilities of the presented system. The example of a spiral micro-coil is used to depict the use of the building block system. It focuses on the aspect of deriving a process flow and the layout. Additionally a module for the preliminary design of all coil dimensions and the interface to a finite-elementmagnetics tool is presented. In a second example the use of modules for the design of single components is shown. The membrane of a tactile force sensor acts as an example for deriving an optimized layout structure. The last application shows, how the system can handle blocks from different technologies to combine them into a complex microsystem. A hybrid micro gripper is used to depict how silicon based components can be combined with technologies from highaspect- ratio UV-lithography. The work concludes with a summary and a perspective for further research activities in this area