面向集成電路產(chǎn)業(yè)的電子電鍍研究方法

文章來源：中國科學(xué)雜志社

原文作者：中國科學(xué)：化學(xué)

電子信息與科學(xué)技術(shù)的迅猛進展, 極大地提升了國民經(jīng)濟生活水平、引領(lǐng)者科技進步和社會前進, 關(guān)乎國家發(fā)展命運. 電子信息與科學(xué)技術(shù)的核心在于集成電路的設(shè)計、制造和檢測. 電子電鍍則是集成電路芯片制造、集成和封裝以及高密度印制電路板等高端電子制造中的核心關(guān)鍵技術(shù), 是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)納米級電子邏輯互連和金屬基微納結(jié)構(gòu)批量可控制造的技術(shù), 是半導(dǎo)體芯片互連的基礎(chǔ), 也是未來碳基、生物和量子芯片的集成和封裝的基礎(chǔ). 基于電子電鍍線路互連的電子產(chǎn)品, 是實現(xiàn)自動化、信息化、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字技術(shù)、大數(shù)據(jù)等構(gòu)建新增長引擎先進國家戰(zhàn)略的重要構(gòu)件. 其中, 芯片制造及電子封裝是電子電鍍的關(guān)鍵核心研究和發(fā)展高地.

電子電鍍應(yīng)用領(lǐng)域廣闊, 如芯片、封裝、(剛/柔)線路板(載板)、5G天線、汽車電子、接插件、檢測探針、電子器件(電容、電感、電阻)、液晶顯示、微機電加工等, 是不可或缺的重要加工制造業(yè)之一, 也是國家完整工業(yè)體系的重要一環(huán). 電子電鍍種類繁多, 包括金、銀、鈀、銅、鎳、錫、鈷、鉍、銠、釕等. 與傳統(tǒng)電鍍的防護和裝飾目的不同, 電子電鍍鍍層多以微電子功能性鍍層為主. 從技術(shù)上講, 電子電鍍要求高、門檻高、投資大、技術(shù)難度大, 主要表現(xiàn)在:

(1) 與大尺寸常規(guī)電鍍迥然不同, 電子電鍍多在具有特定深寬比的微納米孔結(jié)構(gòu)中進行;

(2) 線路尺寸小, 密度高, 金屬互連質(zhì)量要求高;

(3) 環(huán)境必須潔凈, 鍍液必須純凈,需要潔凈室和高端專用設(shè)備;

(4) 表界面結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 器件特殊, 工藝復(fù)雜. 電子電鍍的鍍液配方和工藝的復(fù)雜性體現(xiàn)在器件材料及其尺寸發(fā)生改變, 鍍液配方及工藝隨之變化. 針對不同的孔徑、孔間距、孔密度和孔深徑比等微納結(jié)構(gòu)特征, 不僅鍍液配方要做適當調(diào)整, 電鍍電流和攪拌/噴流等工藝條件亦需優(yōu)化. 研究者不僅需要執(zhí)著的科學(xué)探索精神, 而且需要精益求精的“工匠”精神.

高深寬比微納米孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電場分布不均, 物質(zhì)傳遞不暢. 因此, 在電沉積過程中, 孔底金屬離子濃度低于孔口, 孔底電場強度弱于孔口, 理論上孔口金屬離子沉積速率遠高于孔底, 致使盲孔或通孔金屬互連結(jié)構(gòu)存在縫隙、孔洞和不完全填充等缺陷. 添加劑是實現(xiàn)盲孔/通孔的致密填充或均勻加厚, 進而實現(xiàn)集成電路高質(zhì)量金屬互連的關(guān)鍵. 在各種添加劑分子及其協(xié)同作用下, 孔口與孔底處金屬電沉積的速率發(fā)生翻轉(zhuǎn), 實現(xiàn)特定深寬比微納米孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部金屬的致密填充或均勻增厚.

不同于常規(guī)的大尺寸平面電鍍, 高深寬比微納米孔結(jié)構(gòu)下固/液表界面結(jié)構(gòu)、傳質(zhì)過程、添加劑分子作用機制、金屬成核與生長機理等更為復(fù)雜. 這主要涉及以下科學(xué)問題:

(1) 高深寬比微納米孔結(jié)構(gòu)內(nèi)金屬填充過程及機制;

(2) 添加劑分子作用、協(xié)同作用及調(diào)控銅沉積機制;

(3) 微納米限域空間內(nèi)金屬成核與生長機制及其表界面過程;

(4) 銅鍍層組分、價態(tài)、晶型和形態(tài)等理化性質(zhì)與其導(dǎo)電性、延展性、導(dǎo)熱性和熱循環(huán)性能等電子性質(zhì)之間的構(gòu)效關(guān)系.

為深刻闡明這些科學(xué)問題, 需在繼承經(jīng)典電化學(xué)方法的同時, 發(fā)展適用于電子電鍍的原位形態(tài)學(xué)、光譜學(xué)及能譜學(xué)等先進研究方法; 在明確添加劑作用效果、獲取金屬沉積的熱力學(xué)和動力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上, 研究在金屬填充工況條件下金屬離子還原的表界面結(jié)構(gòu), 添加劑吸脫附行為及其協(xié)同作用機制, 建立相應(yīng)的理論模型及數(shù)值仿真方法, 加速電子電鍍的基礎(chǔ)研究和工藝開發(fā)的進程.

審核編輯：湯梓紅