铜在微机电系统中的应用

文章来源：芯学知

原文作者：芯启未来

本文介绍了铜在微机电系统中的应用。

在 MEMS（微机电系统）中，铜（Cu）因优异的电学、热学和机械性能，成为一种重要的金属材料，广泛应用于电极、互连、结构层等关键部件。Cu电导率极高（纯铜约5.8×10⁷S/m，接近银），是MEMS中低电阻电极和互连的理想选择；其次，铜的导热系数高（约401W/(m・K)），适合需要快速散热的器件，如微加热器、功率MEMS；第三，Cu具有延展性优异，延伸率可达45%，能承受较大形变而不破裂，适合柔性或动态 MEMS 结构，如微弹簧、悬臂梁。然而，Cu在高温（>200℃）或潮湿环境中，Cu易氧化生成 CuO，可能导致接触电阻增大，需通过封装或保护层（如Ni、Au镀层）改善。另外，铜原子易向硅（Si）或二氧化硅（SiO₂）中扩散，可能导致硅器件失效，因此需搭配阻挡层（如Ta、TiN、W）隔离。

图 陀螺仪中的TSV金属铜填孔

金属Cu薄膜可通过溅射（Sputtering）沉积，其优势是膜层附着力强，均匀性好，适合大面积沉积，但是台阶覆盖性较差，高深宽比（>3:1）结构中，侧壁和底部膜厚不均，底部易薄、顶部易厚。金属Cu薄膜，大于1μm厚度可通过电镀沉积，电镀Cu沉积速率快（可达1-10μm/min），适合厚膜（>1μm）；保角性好，可填充高深宽比（>10:1）结构（如 TSV 硅通孔）；成本低，适合批量生产。

图 MEMS平面电感Cu线圈

金属Cu薄膜在在MEMS器件中广泛应用。在平面电感中柠檬酸盐电镀铜线圈，Q值达12.75，降低信号损耗。在3D集成与TSV通孔填充中，电镀铜填充深宽比10:1的通孔。 在光学传感器的微镜散热层，溅射铜膜200nm快速导散激光热量。在金属压力传感器应变计，利用高延展性（>30%）和压阻特性检测形变。在互连与封装中，金铜热压键合，铜背板铟键合（覆盖率>95%），耐受热循环好。

图 Cu合金金属应变计