文章來源：芯學知

原文作者：芯啟未來

本文介紹了銅在微機電系統中的應用。

在MEMS（微機電系統）中，銅（Cu）因優異的電學、熱學和機械性能，成為一種重要的金屬材料，廣泛應用于電極、互連、結構層等關鍵部件。Cu電導率極高（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，銅的導熱系數高（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具有延展性優異，延伸率可達45%，能承受較大形變而不破裂，適合柔性或動態MEMS結構，如微彈簧、懸臂梁。然而，Cu在高溫（>200℃）或潮濕環境中，Cu易氧化生成CuO，可能導致接觸電阻增大，需通過封裝或保護層（如Ni、Au鍍層）改善。另外，銅原子易向硅（Si）或二氧化硅（SiO?）中擴散，可能導致硅器件失效，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，其優勢是膜層附著力強，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）結構中，側壁和底部膜厚不均，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1-10μm/min），適合厚膜（>1μm）；保角性好，可填充高深寬比（>10:1）結構（如TSV硅通孔）；成本低，適合批量生產。

圖MEMS平面電感Cu線圈

金屬Cu薄膜在在MEMS器件中廣泛應用。在平面電感中檸檬酸鹽電鍍銅線圈，Q值達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。 在光學傳感器的微鏡散熱層，濺射銅膜200nm快速導散激光熱量。在金屬壓力傳感器應變計，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%），耐受熱循環好。

圖Cu合金金屬應變計