文章來源：芯學(xué)知

原文作者：芯啟未來

本文介紹了銅在微機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

在MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）中，銅（Cu）因優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性能，成為一種重要的金屬材料，廣泛應(yīng)用于電極、互連、結(jié)構(gòu)層等關(guān)鍵部件。Cu電導(dǎo)率極高（純銅約5.8×10?S/m，接近銀），是MEMS中低電阻電極和互連的理想選擇；其次，銅的導(dǎo)熱系數(shù)高（約401W/(m?K)），適合需要快速散熱的器件，如微加熱器、功率MEMS；第三，Cu具有延展性優(yōu)異，延伸率可達(dá)45%，能承受較大形變而不破裂，適合柔性或動態(tài)MEMS結(jié)構(gòu)，如微彈簧、懸臂梁。然而，Cu在高溫（>200℃）或潮濕環(huán)境中，Cu易氧化生成CuO，可能導(dǎo)致接觸電阻增大，需通過封裝或保護(hù)層（如Ni、Au鍍層）改善。另外，銅原子易向硅（Si）或二氧化硅（SiO?）中擴(kuò)散，可能導(dǎo)致硅器件失效，因此需搭配阻擋層（如Ta、TiN、W）隔離。

圖 陀螺儀中的TSV金屬銅填孔

金屬Cu薄膜可通過濺射（Sputtering）沉積，其優(yōu)勢是膜層附著力強(qiáng)，均勻性好，適合大面積沉積，但是臺階覆蓋性較差，高深寬比（>3:1）結(jié)構(gòu)中，側(cè)壁和底部膜厚不均，底部易薄、頂部易厚。金屬Cu薄膜，大于1μm厚度可通過電鍍沉積，電鍍Cu沉積速率快（可達(dá)1-10μm/min），適合厚膜（>1μm）；保角性好，可填充高深寬比（>10:1）結(jié)構(gòu)（如TSV硅通孔）；成本低，適合批量生產(chǎn)。

圖MEMS平面電感Cu線圈

金屬Cu薄膜在在MEMS器件中廣泛應(yīng)用。在平面電感中檸檬酸鹽電鍍銅線圈，Q值達(dá)12.75，降低信號損耗。在3D集成與TSV通孔填充中，電鍍銅填充深寬比10:1的通孔。 在光學(xué)傳感器的微鏡散熱層，濺射銅膜200nm快速導(dǎo)散激光熱量。在金屬壓力傳感器應(yīng)變計，利用高延展性（>30%）和壓阻特性檢測形變。在互連與封裝中，金銅熱壓鍵合，銅背板銦鍵合（覆蓋率>95%），耐受熱循環(huán)好。

圖Cu合金金屬應(yīng)變計