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HAL Id: tel-00002965 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00002965 Submitted on 10 Jun 2003 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Outils CAO pour Microsystèmes Zein Juneidi To cite this version: Zein Juneidi. Outils CAO pour Microsystèmes. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2003. Français. ￿tel-00002965￿ INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE N° attribué par la bibliothèque |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__| T H E S E pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’INPG Spécialité : MICROELECTRONIQUE préparée au laboratoire TIMA dans le cadre de l’Ecole Doctorale ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE, TELECOMMUNICATIONS, SIGNAL présentée et soutenue publiquement par Zein Juneidi le 26 mai 2003 Titre : Outils CAO pour Microsystèmes _______ Directeur de thèse : Docteur Bernard COURTOIS _______ JURY M. Pierre GENTIL , Président Mme. Marta RENCZ , Rapporteur M. Christian DUFAZA , Rapporteur M. Bernard COURTOIS , Directeur de thèse M. Kholdoun TORKI , Codirecteur A Toufeek, mon grand père… A Victoria, ma mère… A Hussein, mon père A May, ma femme et Hussein mon fils. A mes frères et soeurs Marwa, Nora, Mohammad, Youssra, Anas, Ali, Ahmad, Sam, et Boushra. A mes neveux, et mes nièces : Ali, Johanna, Dima, Hussein, Alizen et Victoria. A Oussama, Adnan, Ali, Firas, et Rim. Remerciements REMERCIEMENTS Je tiens à exprimer ma reconnaissance à… Monsieur Pierre Gentil, pour l’honneur qu’il me fait en acceptant de présider le jury de cette thèse. Madame Marta Rencz, pour avoir accepté d’être rapporteur de ce travail, et de s’être déplacée de si loin pour la soutenance. Monsieur Christian Dufaza pour avoir accepté d’être rapporteur de ce travail, et les nombreuses corrections qui ont amélioré le manuscrit. Monsieur Bernard Courtois, pour m’avoir accueilli au sein du groupe microsystèmes, et pour m’avoir donné l’opportunité d’entreprendre de nombreux projets. Monsieur Kholdoun Torki, pour m’avoir encadré et pour toute l’aide qu’il m’a fourni tout au long de cette thèse. Mes collègues et amis au laboratoire TIMA, dont la liste est longue pour tenir dans une page. Mes compatriotes en France qui m’ont soutenu pendant les moments difficiles. Au gouvernement syrien qui a financé mes études en France.  Outils CAO pour Microsystèmes On peut définir les microsystèmes ou les systèmes micro–électromécaniques comme des systèmes de petites dimensions (plus petites qu’un centimètre cube) et qui accomplissent des fonctions de précision. Les microsystèmes se composent de capteurs pour acquérir les informations du monde extérieur, d’une partie électronique pour le traitement de données et d’actionneurs qui réagissent avec le monde extérieur. Le coût élevé de développement d’un microsystème est dû en grande partie à la complexité du flot de conception faisant intervenir une multitude d’outils CAO spécifiques ou adaptés aux microsystèmes. Le but de cette thèse est de développer une méthodologie de modélisation et de simulation de microsystèmes en se basant sur les outils CAO microélectronique existants. Cette méthodologie comprend les différents niveaux d’abstraction des microsystèmes. Pour transposer les techniques de simulation et modélisation du domaine microélectronique aux microsystèmes, il a fallu faire tout d’abord une étude comparative entre les deux flots de conception. Nous avons ensuite développé des techniques pour gérer la complexité des dessins du masque de microsystèmes. Ces techniques couvrent la génération des motifs uniformes au niveau de layout, ainsi que l’adaptation des algorithmes de vérification de règles de dessin aux formes complexes microsystèmes. Une étude sur une méthodologie de synthèse et d’optimisation pour microsystèmes est présentée où un langage hybride de description de microsystèmes est illustré et différents algorithmes d’optimisation sont discutés. Finalement un environnement de simulation globale de SoC est défini où un composant microsystème « commutateur optique » est simulé avec son environnement électronique. Mots clés : Microsystèmes, MEMS, CAO, Modélisation, Simulation, Optimisation, Synthèse, Co-simulation, Formes Non Manhattan, SoC.   CAD tools for MEMS With the rapid development of MicroElectroMechanical Systems “MEMS” and to reduce their high prototyping costs, there is a rising need for Computer Aided Design “CAD” tools which are able to handle the MEMS devices during their different steps of design and fabrication. A common approach to MEMS CAD tools is to make use of integrated circuits CAD tools by adding specific enhancements for MEMS designs. The aim of this thesis is to define a modeling and simulation methodology for MEMS which covers the different abstraction levels. We started our study by comparing the design flow of microelectronics and MEMS, then we developed a new methodology to handle MEMS layout. This methodology covers the generation of complex MEMS design shapes (especially Non-Manhattan), and the adjustment of the design rule checking “DRC” algorithms to be able to handle these complex shapes. A synthesis and optimization methodology is presented. Through this methodology we are developing a MEMS description language and discussing different optimization algorithms. Finally we are presenting a methodology to establish an environment for the global modeling and simulation of systems on chip “SoC” embedding MEMS devices. In this environment a multi-language/multi-engine approach is used at high-level design description. This methodology is proved through an optical switch co-simulation. Keywords: MEMS, CAD, Modeling, Simulation, Co-simulation, Synthesis, Non-Manhattan shapes, SoC. Table des matières Zein Juneidi : Outils CAO pour microsystèmes Table des matières 1 Introduction------------------------------------------------------------------------------------------ 1 1.1 Etat de l’art------------------------------------------------------------------------------------- 4 1.2 Présentation de la thèse ---------------------------------------------------------------------- 6 2 Flot de conception microsystème ---------------------------------------------------------------11 2.1 Structure globale d’un environnement de conception microsystème -------------12 2.2 Flot de conception microélectronique----------------------------------------------------13 2.3 Flot de conception microsystème----------------------------------------------------------14 2.4 Le flot de conception microsystème face au flot de conception microélectronique ----------------------------------------------------------------------------------------------------17 3 Technologies de fabrication et outils de simulation de procédé--------------------------21 3.1 Les technologies microsystèmes -----------------------------------------------------------21 3.1.1 Le micro-usinage en surface ------------------------------------------------------------------------------------21 3.1.1.1 La micromécanique ---------------------------------------------------------------------------- 22 3.1.1.2 Les principaux fondeurs multi-utilisateurs ------------------------------------------------ 22 3.1.1.3 La planarisation mécano chimique---------------------------------------------------------- 23 3.1.1.4 Les problèmes de contact de surface et les dimples ------------------------------------- 24 3.1.1.5 Les technologies de micro-usinage de surface intégrées-------------------------------- 24 3.1.2 Le micro-usinage en volume------------------------------------------------------------------------------------27 3.1.2.1 La gravure anisotrope du silicium----------------------------------------------------------- 28 3.1.2.2 Intérêt de la gravure anisotrope-------------------------------------------------------------- 28 3.1.2.3 L’anisotropie de la réaction de gravure ---------------------------------------------------- 29 3.1.2.4 Les solutions de gravure anisotrope du silicium------------------------------------------ 30 3.1.2.5 Les différents types de micro-usinage en volume---------------------------------------- 30 3.1.2.6 Le micro-usinage en volume face arrière -------------------------------------------------- 31 3.1.2.7 Le micro-usinage en volume face avant et arrière --------------------------------------- 32 3.1.2.8 Le micro-usinage en volume électrochimique-------------------------------------------- 32 3.1.3 D'autres technologies---------------------------------------------------------------------------------------------33 3.1.3.1 Les microsystèmes sur SOI------------------------------------------------------------------- 33 3.1.3.2 Le LIGA------------------------------------------------------------------------------------------ 34 3.2 Simulation de procédé technologique et génération de modèle 3D d’une structure microsystème------------------------------------------------------------------------------35 3.2.1 Définition du procédé --------------------------------------------------------------------------------------------36 3.2.1.1 Déposition d’une couche---------------------------------------------------------------------- 36 I. Déposition « Conformal » : -----------------------------------------------------------------------36 II. Déposition « Snowfall » ---------------------------------------------------------------------------37 III. Déposition de remplissage « Fill » --------------------------------------------------------------37 3.2.1.2 Suppression d’une couche (gravure)-------------------------------------------------------- 38 I. Gravure en surface----------------------------------------------------------------------------------38 II. Gravure en volume ---------------------------------------------------------------------------------39 i La théorie géométrique de la gravure bidimensionnelle--------------------- --------------40 ii L’algorithme de simulation de la gravure bidimensionnelle------------------------------42 iii Implémentation, simulation et résultats------------------------------------------------------45 Table des matières Zein Juneidi : Outils CAO pour microsystèmes 3.2.2 Construction du modèle 3D -------------------------------------------------------------------------------------46 3.3 Conclusion : -----------------------------------------------------------------------------------52 4 Modélisation composant et système------------------------------------------------------------55 4.1 Modélisation par description analytique puis calcul numérique-------------------55 4.1.1 Constantes localisées réseaux de Kirchhoff -----------------------------------------------------------------55 4.1.1.1 Introduction-------------------------------------------------------------------------------------- 55 4.1.1.2 Étude de transducteurs élémentaires-------------------------------------------------------- 57 I. Introduction ------------------------------------------------------------------------------------------57 II. Configurations de base-----------------------------------------------------------------------------58 III. Étude de transducteurs électrostatiques---------------------------------------------------------58 IV. Équations caractéristiques-------------------------------------------------------------------------61 4.2 Modélisation par éléments finis -----------------------------------------------------------63 4.3 La simulation comportementale des microsystèmes----------------------------------64 4.3.1 Simulateurs de circuits-------------------------------------------------------------------------------------------64 4.3.2 La modélisation par langage comportemental ---------------------------------------------------------------65 4.3.2.1 Structure d’un modèle HDL------------------------------------------------------------------ 66 4.3.2.2 Exemple électrothermique convertisseur électrothermique ---------------------------- 66 • Analogie électrique/thermique -------------------------------------------------------------------67 4.3.2.3 Exemple électromécanique : les micro-résonateurs électrostatiques en peigne ---- 68 • Description du composant-------------------------------------------------------------------------68 • Formulation mathématique------------------------------------------------------------------------69 • Analogie Electrique Mécanique------------------------------------------------------------------71 4.4 Simulation globale de microsystèmes ----------------------------------------------------72 4.5 Conclusion -------------------------------------------------------------------------------------75 5 Dessin du masque et règles de dessin pour microsystèmes--------------------------------79 5.1 Introduction -----------------------------------------------------------------------------------79 5.2 Les Formes Non-Manhattan --------------------------------------------------------------79 5.3 La discrétisation des formes Non-Manhattan------------------------------------------81 5.3.1 Fondements mathématiques-------------------------------------------------------------------------------------82 5.3.1.1 Discrétisation d’une courbe ------------------------------------------------------------------ 82 I. Discrétisation par pavés semi–ouvert -----------------------------------------------------------82 II. Discrétisation par intersection avec la grille---------------------------------------------------82 III. Discrétisation par intersection avec la grille d’un même côté de la courbe -------------83 5.3.1.2 Discrétisation d’un segment de droite------------------------------------------------------ 83 I. Plus proche voisin discret -------------------------------------------------------------------------83 II. Plus proche voisin discret de même côté-------------------------------------------------------83 III. Plus proche voisin selon une direction de grille ----------------------------------------------84 5.3.1.3 Discrétisation des formes coniques --------------------------------------------------------- 85 5.3.1.4 Discrétisation des polygones avec l’angle libre (Non-Manhattan) ------------------- 86 5.4 Les règles de dessin pour microsystèmes------------------------------------------------87 5.4.1 Les fausses erreurs d’origine topologique --------------------------------------------------------------------88 5.4.2 Technique de résolution des problèmes topologiques ------------------------------------------------------90 5.4.3 Les fausses erreurs d’origine Non-Manhattan ---------------------------------------------------------------91 5.4.4 Technique pour résoudre les problèmes de fausse signalisation d’origine Non-Manhattan----------92 5.5 Conclusions ------------------------------------------------------------------------------------93 6 Techniques de synthèse et d’optimisation de microsystèmes-----------------------------96 6.1 Introduction -----------------------------------------------------------------------------------96 Table des matières Zein Juneidi : Outils CAO uploads/Science et Technologie/ tel-00002965-pdf 1 .pdf

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