金属铬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

本文介绍了金属铬（Cr）在微机电系统领域中的应用。

在微机电系统（MEMS）领域，金属铬（Cr）因其独特的物理化学性质和工艺兼容性而被广泛应用。其物理化学性质表现为：具有较高的熔点约1907°C，良好的机械强度和硬度，杨氏模量范围在190–230GPa之间，优异的化学稳定性，尤其在空气中能形成致密的氧化铬钝化层而抗腐蚀，以及对多种衬底，如硅、二氧化硅、玻璃衬底，展现出极佳的黏附力。这些特性使其成为MEMS中重要的功能材料和工艺辅助材料。

Cr在MEMS中的沉积主要依赖物理气相沉积（PVD）技术，包括蒸发和磁控溅射。蒸发速度快，成本相对较低，但形成的薄膜台阶覆盖性通常较差，且可能包含较多缺陷导致应力控制困难。磁控溅射则更为常用，它能提供更好的薄膜均匀性、可控的应力水平以及显著改善的台阶覆盖性。铬膜通常呈现压应力状态，且本征应力常常到GPa级别，通常通过工艺优化（如调节溅射气压、偏压、退火），应力可控制在-500MPa（拉应力）至+1GPa（压应力） 之间。

图Cr作为玻璃基底沉积Au的黏附层

在MEMS器件中，铬的典型应用主要基于其核心特性：优异的黏附性和化学稳定性使其成为不可替代的黏附层，广泛应用于金（Au）、铂（Pt）等贵金属电极或互连线与硅、二氧化硅、氮化硅等基底之间，显著提高这些功能层的附着力和可靠性。其次，其良好的抗蚀性使其成为优质的硬掩模材料，在深硅刻蚀或玻璃衬底的湿法刻蚀工艺中作为掩膜。第三，Cr的生物相容性和化学惰性也使其适用于某些生物MEMS器件的电极或表面功能化层。最后，在光刻掩模版中，由透明基板和不透明的铬（Cr）薄膜组成，Cr层作为遮光层，在曝光过程中，特定波长（如G-line, I-line, DUV, EUV）的光线照射到掩模版上，光线可以透过没有铬覆盖的石英区域，但被铬层阻挡。

Cr的厚度根据其在MEMS中的功能灵活设计，作为黏附层厚度为10-50nm，过厚（>50nm）可能增加界面应力或降低电导率；作为硬掩膜厚度为100-300nm，需根据腐蚀深度，确保厚度足以阻挡刻蚀剂；作为光刻掩模版厚度为70-100nm，阻挡紫外光，需保证高光学密度。