金屬沉積是制造微電子器件（這里指廣義半導體器件，包括LED、MEMS、模擬器件等）的重要工藝技術。在許多器件制造需要用到的厚金屬（大于數十微米）工藝中，電鍍幾乎是目前厚金屬沉積的唯一方式。但如何處理有毒害電鍍廢液，簡化工藝流程，以及解決沉積時間長等問題，成為多年來困擾行業發展的核心要素。

MEMS技術與鑄造工藝的結合

金屬鑄造是一種被廣泛使用的金屬制造方法。人類使用鑄造的歷史有5000多年，鑄造的基本原理是將金屬或者合金熔化后注入預制模具中，待固化后，脫模取出成型鑄件。據考證，鑄造技術已有上千年的發展歷史，約1500BC年前青銅器鑄造開始出現。隨著近代科學和技術的發展，鑄造技術也隨之不斷發展。上世紀60年代，應噴氣式發動機的需要，一種新的熔模單晶鑄造技術應運而生。該技術以單晶形式鑄造噴氣式發動機的葉片，從而滿足超高溫度和轉速的使用要求。80年代末，真空鑄造的研發減少了鑄件中的氣泡缺陷，促使鑄件的成型質量大幅提高。

MEMS技術與鑄造的結合，緣自它們之間的一個共通點：兩者都是機械部件制造技術，區別在于尺度上存在幾個數量級差異。相對于其他機械加工方法，例如車，銑，拋等，鑄造的長處在于它幾乎一次成形，可免機械加工或少量加工，降低了成本并在一定程度上縮短了加工周期，而且可成型復雜結構的機械部件。而MEMS技術是近幾十年從微電子技術中發展出來的一項微加工技術。通過在硅片或者其它襯底上制造出微米尺度的機械部件，來實現傳感、執行、能量采集等功能。MEMS與鑄造結合的基本概念是通過體硅刻蝕工藝在硅片（或者其它材料襯底）上制造出需要成型的微模具，然后將微量金屬熔化注入填充并固化成型。

如何將新興的MEMS技術與傳統的鑄造技術結合并應用在微電子領域從而創造了一項全新的金屬沉積方法，實現MEMS和鑄造的完美結合，是中國科學院上海微系統與信息技術研究所顧杰斌博士及其團隊的主要研發方向。經過努力，他們終于開發并掌握了MEMS-Casting?關鍵技術。此技術的開發運用對微電子相關領域帶來了革命性的突破， 大大降低了成本、節省了工藝流程、縮短了工藝周期同時避免了廢液對環境的污染及對人體的危害。但是這個結合也面臨巨大的技術挑戰。首先，對于宏觀的鑄件，存在的問題是鑄件內部容易產生氣泡或者空洞，這些氣泡或者空洞的尺寸可以達到毫米級別，已經遠超MEMS結構的尺寸。其次，鑄造通常用于機械部件而不是電子元件的制造，MEMS鑄件在電性能方面能否滿足器件的要求也需要深入研究。最后，MEMS與鑄造的結合，不僅僅是將宏觀的模具換成體硅刻蝕的硅微模具這么簡單，因為鑄件尺寸縮小幾個數量級帶來的表面效應和溫度效應等，在硅微模具的制造、合模、熔融合金的微流控填充，固化過程中的體積收縮問題以及脫模等方面均無法采用宏觀鑄造的方法解決。只有引入相關的微納尺度效應，才能真正意義上實現MEMS和鑄造的結合。

據麥姆斯咨詢報道，多年來，為了實現MEMS和鑄造的結合，顧杰斌博士在英國帝國理工（Imperial College London）讀博期間就開展這項技術的相關研究工作，歷經十余年，攻破了MEMS和鑄造結合中的一個個關鍵技術點。這項研究在國際核心學術期刊發表文章十余篇，并在MEMS相關國際頂級會議上與同行進行過多次報告分享。2018年3月，上海邁鑄半導體科技有限公司成立，同年即獲得中科院旗下中科創星的天使輪投資。公司致力于MEMS-Casting?技術的產業化應用。目前，擁有從技術，設備到工藝的多項完全自主知識產權。隨著研發進一步深入，該項技術的產業化方面日趨成熟，并已開放試樣服務。

MEMS-Casting?工藝流程解讀

MEMS-Casting?的六步工藝流程

MEMS-Casting?技術被分為六個步驟，如上圖所示，分別為合模、合金填充、“切割”、固化、脫模和表面處理。

第一步：合模，即通過在刻蝕有微模具的硅片增加上下蓋板（硅片或者玻璃片），將微模具形成一個閉合的空間結構。合模的挑戰在于，上下蓋板在填充過程施加的壓力下會有形變，因為晶圓的薄片形狀，產生的形變量很容易達到鑄件本身的特征尺寸。因此模具和蓋板需要進行專門的結構設計以使形變量控制在一定的限度內。

第二步：合金填充，高溫熔化下金屬在微米尺度的微槽中流動填充雖然類似于微流控，但是因為合金的表面張力、粘滯系數，以及與硅模具側壁的浸潤性等因素相較于傳統微流控中的水溶液不一樣，所以產生了特殊的流動填充機理。合金填充的最大挑戰是減少流動過程中氣泡或者空洞，氣泡/空洞對造成器件產生致命的斷路缺陷。

第三步：“切割”，其目的是將填充入硅微模具的合金與外界合金進行“切割”。該步驟至關重要，因為如果無法實現“切割”，硅片中的合金與外界合金始終是連成一體，在這種情況下固化后硅片與外界合金連成一體，則無法實現這項技術的實際應用。顧博士團隊研發了一項基于“液橋”的切割技術，這項歷時三年的研發技術，可以在下蓋板（MEMS噴嘴片）中實現填充后合金與外界合金的有效分離。

第四步：固化，絕大部分金屬在從液相到固相的固化過程中，體積會經歷一個收縮，收縮量約在2%~7%之間。在宏觀鑄造中，體積收縮的問題是靠補償方式來實現的。即通過控制鑄件從下往上冷卻，最后頂部冒口處的金屬熔化，這樣在冷卻過程可以一直補償其下方的合金固化收縮。

但是在MEMS-Casting?中，因為晶圓的扁平結構加上硅材料本身的高熱導性，補償需要的溫度梯度是無法實現的。如何挑戰MEMS-Casting?固化過程中收縮產生的缺陷問題？顧博士給出的解答是：“我們從固化理論著手，提出并研發一項均勻固化技術。通過該技術可以將缺陷化整為零，從而將收縮缺陷控制住。”

第五步：脫模，上下蓋板在固化完成后需要與鑄件體硅片進行分離。因為合金熔化后進行填充，固化后容易出現上下蓋板被合金粘住無法分離的情況。顧博士團隊研發出納米分子層脫模技術，即通過在蓋板的表面沉積特種納米分子層材料以減少其表面能，從而實現輕松的分片。

第六步：表面處理，這不是必須步驟。根據實際情況，脫模后可能需要進行化學機械研磨（CMP）來平整化，或者在鑄件表面進行薄層電鍍的方式來達到某些具體應用要求。

作為一項厚金屬沉積工藝，MEMS-Casting? 技術可以作為電鍍的替代和補充，并且具有成型速度快，過程清潔無污染等優點。可應用于以下三個微電子領域：（1）半導體先進封裝的硅過孔互連（TSV）/玻璃過孔互連（TGV）；（2）MEMS器件，例如MEMS磁通門、電磁式能量采集器等；（3）三維堆疊微波組件及集成無源器件（IPD）。

上海邁鑄半導體科技有限公司新研制的MEMS-Casting?專用設備

上海邁鑄半導體科技有限公司利用MEMS-Casting?技術實現TSV/TGV填充的圖片

上海邁鑄半導體科技有限公司利用MEMS-Casting?實現150匝磁通門探頭的圖片

上海邁鑄半導體科技有限公司利用MEMS-Casting?技術實現的螺線電感IPD的圖片