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目前，MEMS的加工工序日益增多，而且每一道工序都会对最终产品的性能产生直接影响，采用传统的反复试验方法为这种多变量过程确定出最佳工艺条件，已经变得非常困难且成本急剧增加。MEMS工艺模拟研究可实现MEMS器件的虚拟制造，能够利用MEMS CAD软件优化制造工艺和MEMS结构，通过改进版图设计与制造工艺就能得到性能良好的MEMS器件和结构，可以有效地缩短MEMS产品的设计周期，降低MEMS产品的开发成本。因此，MEMS工艺模拟已经成为完善和改进已有MEMS CAD系统的关键技术之一。
虽然硅各向异性腐蚀、光刻、反应离子刻蚀等MEMS加工工艺的模拟研究已经开展了很多年，但是随着MEMS器件的尺寸不断缩小，对工艺模拟精度的要求不断提高，一些已有的单步工艺模型和模拟工具在很多情况下已经不能满足实际需要。目前的光刻工艺模拟软件主要是面向集成电路加工过程的薄胶光刻过程模拟。然而，MEMS加工中采用的厚胶光刻工艺（如SU-8胶深紫外（UV）光刻）与集成电路制造过程中的薄胶光刻工艺有着很大的差异。由于这些模拟软件较少考虑SU-8胶等厚光刻胶的特殊性，采用其模拟厚胶光刻过程，模拟结果与实验结果误差比较大。另一方面，集成电路制造过程中不涉及斜入射光刻等独特曝光技术，因此，已有的光刻过程模拟软件根本不能完成这些独特曝光过程的模拟；目前，硅各向异腐蚀过程模拟的原子级模型不能够精确地引入（120）、（211），（311），（331），（411）等较多的高密勒指数晶面，因而这些模型的模拟精度不高。同时，还存在着模拟速度较慢，模拟过程中需要存储单元较多的问题；此外，目前报道的MEMS工艺模拟主要集中在单步工艺的模型与模拟，不能完整地实现MEMS器件的虚拟制造，对MEMS器件设计的指导作用仍然有限。MEMS器件的加工工艺模拟需要对每一步工艺进行建模与模拟，同时还要在结构和算法上将每一步工艺连接，才能模拟出完整的MEMS器件拓扑结构。
本论文以元胞自动机方法为主线，对MEMS的加工工艺模型和模拟方法进行了深入研究，具体工作和创新点归纳如下：
第一、提出了一种用于光刻胶刻蚀模拟的二维（2D）动态元胞自动机算法。采用一些公认的光刻速率分布测试函数非常有效地测试了该算法，验证了该算法的效果。在此基础上，通过改进时间补偿值计算方法和元胞自动机演化规则得到精度更高、速度更快的改进的2D动态CA算法。采用已有的光刻速率分布函数模拟光刻胶的刻蚀过程，验证了改进的2D动态CA算法。改进的2D动态CA算法稳定性好，在光刻胶刻蚀速率急剧变化的区域也很稳定。同时，运算速度更快，可以更好地满足SU－8胶等厚胶光刻过程模拟的需要。
第二、研究了UV光在SU-8胶中传播时的吸收、衰减过程，在空气/光刻胶界面、光刻胶/衬底界面的反射与折射规律。同时，研究了SU－8胶中溶剂的不均匀分布对曝光过程的影响，以及斜入射曝光这种独特曝光方式的基本原理。建立了用于SU-8胶UV光垂直入射和斜入射光刻模拟的空间影像成型和曝光2D模型。结合已有的后烘和显影模型，并基于改进的2D动态元胞自动机算法，开发了SU－8胶UV光刻过程的2D模拟系统。设计并完成了一系列SU－8胶UV光刻实验，验证了该2D模拟系统的模拟结果。
第三、提出了光刻胶刻蚀模拟的三维（3D）动态元胞自动机算法，采用光刻速率分布测试函数有效地测试了3D动态元胞自动机算法，算法具有稳定性好、运算速度快、精度较高的优点。采用该算法模拟了UVTM113薄光刻胶的完整光刻过程，模拟结果与已有实验结果一致。此外，将SU－8胶UV光刻模拟的空间影像成型、曝光、后烘和显影的2D模型推广为3D模型，并基于3D动态元胞自动机算法和这些3D光刻模型，开发了SU－8胶UV光刻过程的3D模拟系统。实验结果与该3D模拟系统的模拟结果比较一致，验证了该系统的效果。
第四、建立了高精度的硅各向异性腐蚀3D连续元胞自动机CA模型，推导出一系列方程用于描述不同表面元胞腐蚀速率与各晶面腐蚀速率的关系，在此基础上进一步拟合得到了不同表面原元胞的激活能。模型可以有效的引入（211），（311），（331），（411）等高密勒指数晶面。同时，提出了一种动态算法，可以有效地提高模拟速度，并减少模拟过程中所需要的存储单元。基于本章建立的3D连续CA模型和动态算法开发了硅各向异性腐蚀模拟系统，并设计实验验证了模拟结果。
第五、研究了反应离子刻蚀、低压化学汽相淀积（LPCVD）等MEMS常用表面加工工艺的原理，建立了薄膜淀积、刻蚀等各单步工艺模拟的模型。提出了表面加工工艺模拟的元胞自动机算法。基于该算法开发了反应离子刻蚀、LPCVD等加工工艺的模拟程序，在验证了单步工艺模拟效果的基础上，本论文还以多晶硅表面微机械加工工艺流程模拟为目标，以多晶硅悬臂梁的加工工艺为例，实现了简单的MEMS表面加工工艺流程的模拟。
本论文建立的光刻胶刻蚀过程的动态元胞自动机算法及改进的动态元胞自动机算法可以有效地应用光刻过程的模拟；基于改进的动态元胞自动机算法开发的SU-8深紫外光刻过程的模拟系统可以用于SU-8深紫外光刻工艺研究，优化工艺参数，提高MEMS设计的效率；基于3D连续CA模型和动态算法开发了硅各向异性腐蚀模拟系统，模拟系统具有精度高，模拟速度快，需要存储单元数目少等优点，模拟结果与实验结果较为符合，这对腐蚀工艺研究和一些MEMS器件制备有一定的实用意义。最后，基于元胞自动机方法，模拟了多晶硅悬臂梁的加工工艺流程，这对于最终实现MEMS器件加工流程的完整模拟和器件分析是非常有益的探索。