芯片制造電子電鍍技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

文章來源：中國科學(xué)雜志社 作者：中國科學(xué)：化學(xué)

程俊, 戴衛(wèi)理, 高飛雪, 杭弢, 黃蕊, 王翀, 馬盛林, 洪文晶, 趙慶, 陳軍, 任其龍, 楊俊林, 孫世剛

電子電鍍作為芯片制造中唯一能夠?qū)崿F(xiàn)納米級電子邏輯互連的技術(shù)方法, 是國家高端制造戰(zhàn)略安全的重要支撐. 本文基于國家自然科學(xué)基金委員會第341期“雙清論壇”, 針對我國在芯片制造電子電鍍領(lǐng)域的重大需求, 梳理了芯片制造電子電鍍表界面科學(xué)基礎(chǔ)的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及面臨的挑戰(zhàn), 凝煉了該研究領(lǐng)域急需關(guān)注和亟待解決的重要基礎(chǔ)科學(xué)問題, 探討了今后5~10年的科學(xué)基金重點(diǎn)資助方向, 為國家相關(guān)政策的總體布局提供有效的參考建議.

1引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、智能汽車、智能家居、可穿戴設(shè)備等新興電子戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展, 武器裝備朝著更高、更快、更強(qiáng)、更準(zhǔn)、更穩(wěn)和更全的方向進(jìn)化, 我國在芯片制造為代表的高端電子制造領(lǐng)域的技術(shù)需求日益增加. 電子電鍍作為芯片制造的核心技術(shù), 在芯片制造水平向納米級躍遷的進(jìn)程中實現(xiàn)與之匹配的電子電鍍技術(shù)自主化, 是我國高端芯片戰(zhàn)略安全的重要保障.

電子電鍍可以界定為用于電子元器件制造的電鍍技術(shù)[1]. 有別于常規(guī)電鍍, 電子電鍍的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括芯片大馬士革互連、印制板(Printed Circuit Board, PCB)電鍍、引線框架電鍍、連接器電鍍、微波器件等其他電子元器件制造[2~5]. 作為唯一能夠?qū)崿F(xiàn)納米級電子邏輯互連和微納結(jié)構(gòu)制造加工成形的關(guān)鍵技術(shù), 電子電鍍成為芯片制造、三維集成和器件封裝、微納器件制造、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、傳感器、元器件等高端電子產(chǎn)品生產(chǎn)中的基礎(chǔ)性、通用性、不可替代性技術(shù). 從芯片的銅互連技術(shù)、封裝中電極凸點(diǎn)電鍍技術(shù)、引線框架的電鍍表面處理到印制線路板、接插件的各種功能電鍍, 電子電鍍技術(shù)應(yīng)用貫穿高端電子制造的全部流程, 并且在MEMS、微傳感器等微納器件制造中的應(yīng)用不斷拓展. 因此, 與常規(guī)的裝飾性、防護(hù)性電鍍相比, 芯片制造電子電鍍在種類、功能、精度、質(zhì)量和電鍍工藝等方面具有極高的技術(shù)要求, 其發(fā)展水平直接決定了高端電子制造業(yè)的技術(shù)水平.

但是, 由于我國工業(yè)體系建設(shè)起步晚, 制造業(yè)長期以價值鏈低端的制造加工為主, 導(dǎo)致國內(nèi)電子電鍍技術(shù)發(fā)展相對緩慢[6,7], 在電子電鍍專用化學(xué)品、電子電鍍裝備及電鍍工藝方面都長期依賴進(jìn)口, 尤其是14?nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下的芯片納米溝槽高密度電子互連、三維硅通孔大深徑比的互連以及三維封裝必需的電子電鍍添加劑、超高純化學(xué)試劑等電子電鍍專用化學(xué)品全部被壟斷[8~10].

隨著智能化時代的到來, “互聯(lián)網(wǎng)+”、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、智能制造等國家戰(zhàn)略將逐步深化落實, 信息化和工業(yè)化深度融合、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、5G技術(shù)逐步商用等將進(jìn)一步激發(fā)電子信息制造業(yè)的繁榮發(fā)展, 對電子電鍍的需求和要求也將進(jìn)一步加大. 據(jù)工信部公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù), 2022年全國電子信息制造業(yè)實現(xiàn)營業(yè)收入15.4萬億人民幣[11], 電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展離不開電子電鍍技術(shù)的支撐. 作為高端電子制造產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán), 加快電子電鍍基礎(chǔ)與工業(yè)的發(fā)展是加快實現(xiàn)科技自立自強(qiáng), 推動科技創(chuàng)新整體能力和水平實現(xiàn)質(zhì)的躍升的重要保障.

3研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

3.1 芯片制造電子電鍍產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

在芯片制造中, 電子電鍍與光刻技術(shù)同等重要: 光刻技術(shù)在硅片上制作出高度集成的晶體管, 形成芯片的“腦細(xì)胞”; 電子電鍍技術(shù)制作晶體管之間邏輯互連的電子導(dǎo)線, 形成芯片的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”. 芯片制造電子電鍍工藝的技術(shù)難點(diǎn)是要在保證小尺寸、大深徑比結(jié)構(gòu)填充能力的同時提高互連線電性能、可靠性和平坦化潛力. 從工藝角度, 需要篩選大量添加劑品類, 并在低于1?mg?L-1的濃度范圍精細(xì)調(diào)控多種添加劑配比; 從材料角度, 需要采用超純鍍液、添加劑等高端電子化學(xué)品, 其雜質(zhì)濃度要控制在μg L-1以下; 從設(shè)備角度, 需要合理設(shè)計電、熱、液流等多場耦合作用以及高精度調(diào)控[11,12].

我國芯片制造電子電鍍專用化學(xué)品和裝備嚴(yán)重依賴進(jìn)口, “卡脖子”問題十分突出, 主要體現(xiàn)在如下幾個方面.

一是電子電鍍專用化學(xué)品瓶頸. 超純鍍液可覆蓋到14?nm技術(shù)節(jié)點(diǎn), 相關(guān)產(chǎn)品已在12英寸產(chǎn)線應(yīng)用, 但基本原材料仍然嚴(yán)重依賴進(jìn)口.

二是電子電鍍裝備瓶頸. 國內(nèi)晶圓級先進(jìn)封裝的電子電鍍裝備初步具備量產(chǎn)化生產(chǎn)能力. 但7?nm以下互連沉積設(shè)備、在線分析檢測儀器、鍍液檢測分析儀器均被美國廠商壟斷, 且國產(chǎn)儀器中關(guān)鍵零部件仍嚴(yán)重依賴進(jìn)口. 面向鈷互連的物理氣相沉積和電子電鍍設(shè)備, 國內(nèi)目前還是空白.

三是電子電鍍工藝技術(shù)瓶頸. 我國目前采用的電子電鍍工藝技術(shù)包括大馬士革成形、先進(jìn)封裝、引線框架電鍍、有機(jī)基板電鍍等, 主要由美國和日本引進(jìn). 目前芯片電子互連的最佳工藝是大馬士革工藝, 產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用的主流技術(shù)是大馬士革銅互連, 這也是電子電鍍眾多應(yīng)用技術(shù)中難度最大、指標(biāo)要求最高、國外壟斷最嚴(yán)重的環(huán)節(jié)之一. 我國目前采用的電子電鍍工藝技術(shù)路線大都由國外引進(jìn), 通過引進(jìn)吸收再創(chuàng)新, 14?nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)集成電路互連電鍍已基本實現(xiàn)自主化, 先進(jìn)集成電路封裝電鍍部分技術(shù)已接近國際先進(jìn)水平. 但是, 涉及填充能力、鍍層品質(zhì)、可靠性的核心技術(shù)專利, 難以實現(xiàn)工藝技術(shù)的升級換代, 對基礎(chǔ)和共性技術(shù)自主掌控需求迫切.

我國芯片制造先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)所用電子電鍍材料、設(shè)備的自主協(xié)調(diào)發(fā)展, 主要面臨三個方面的問題: 一是電子電鍍產(chǎn)品化門檻高, 我國研發(fā)起步晚, 且受到外國技術(shù)封鎖, 客觀技術(shù)差距大; 二是市場小, 回報低, 但研發(fā)成本高、周期長, 單憑企業(yè)投入, 資金缺口嚴(yán)重; 三是缺乏先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的互連圖形芯片制造能力, 技術(shù)驗證受限. 我國電子電鍍產(chǎn)業(yè)面臨的重點(diǎn)技術(shù)難題包括鍍液、添加劑的成分提純, 添加劑配方的開發(fā)和高精密度濕法電鍍設(shè)備的研制.

在新型電子電鍍材料方面, 我國還處于發(fā)展初期, 主要還是根據(jù)國外先進(jìn)思路進(jìn)行學(xué)習(xí)和仿照. 目前, 隨著芯片尺寸縮小, 孔尺寸也需要進(jìn)行相應(yīng)的縮小, 導(dǎo)致單一金屬材料電阻率急劇上升, 如隨著特征線寬尺寸降低到14?nm以下, 銅互連線路中的電阻率呈指數(shù)級增大, 導(dǎo)致阻容延遲和焦耳熱顯著增加[13]. 高結(jié)晶度銅(單晶銅、納米孿晶銅等)互連理論上可極大改善銅電遷移, 解決銅錫合金化和柯肯達(dá)爾孔洞等問題, 有望大幅改善銅互連性能、提高可靠性. 根據(jù)理論計算, 使用單晶銅, 可以提高電導(dǎo)率, 降低趨膚效應(yīng)所造成的信號損失, 有可能替代傳統(tǒng)的焊接模式, 直接進(jìn)行同層互連. 金屬鈷因具備短平均電子自由程(λ=10nm)、優(yōu)異的抗電遷移(擴(kuò)散活化能小至為1?eV)和擴(kuò)散阻擋性能, 成為芯片中備受青睞的新一代互連材料[14,15]. 大馬士革電鍍鈷工藝用于14?nm以下的互連層已有研究[16~19], 但尚未獲得商業(yè)上的廣泛應(yīng)用. 新型金屬合金(銅鋁合金、鎳合金等)、先進(jìn)碳材料等也被提出應(yīng)用于先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)互連, 是未來芯片互連的關(guān)鍵研究方向, 目前正處于研發(fā)階段[20,21].

隨著后摩爾時代的到來, 先進(jìn)集成封裝技術(shù)被推向舞臺的正中央, 多種先進(jìn)封裝技術(shù)與先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)融合趨勢明顯. 先進(jìn)集成封裝是將更多裸芯片像疊床架屋一樣堆放在一起并塞進(jìn)一個封裝空間內(nèi). 而且, 還要在這些水平、垂直方向堆疊的裸芯片之間通過最小尺寸導(dǎo)電通道互連起來. 其中, 實現(xiàn)裸芯片厚度方向電氣連接的通道即是硅通孔技術(shù)(Through-Si-Via, TSV). 三維集成封裝技術(shù)通過晶圓或芯片的縱向堆疊大幅提高集成度, 是電子封裝技術(shù)發(fā)展的必然趨勢, TSV電鍍則是三維集成封裝的核心. TSV電鍍正不斷朝開口更小、深徑比更大的方向發(fā)展. 其中, 有機(jī)添加劑體系(抑制劑、整平劑和加速劑)配方是實現(xiàn)深孔電鍍的關(guān)鍵挑戰(zhàn)[22~26].

3.2 芯片制造電子電鍍基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

3.2.1 超級填充機(jī)理的研究

超級填充現(xiàn)象即通過溝槽底部的鍍速大于溝槽側(cè)壁和開口處的鍍速這一鍍速差實現(xiàn)溝槽內(nèi)部的金屬超填充. International Business Machines Corporation, IBM最早提出芯片中的電鍍銅填充納米溝槽和孔道的機(jī)制, 他們以銅層輪廓線隨電鍍時間的變化來描述銅層的生長過程[27]. 最初, 他們認(rèn)為電鍍時“孔底上移”現(xiàn)象是由添加劑的吸附、消耗以及擴(kuò)散造成的, 特別是抑制劑在陰極的裂解使得其濃度沿著孔徑方向具有濃度梯度, 因而在抑制劑濃度最低的孔底銅的沉積速率反而最快. 而后美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)的Moffat團(tuán)隊[28]提出了加速劑在孔底的累積造成孔底快速生長的“曲率提升加速劑覆蓋率(curvature-enhanced accelerator coverage, CEAC)”模型, 解釋了電鍍結(jié)束后孔口半球形凸塊的形成原因[29]. 在后續(xù)更多實驗結(jié)論的基礎(chǔ)上, 綜合考慮加速劑和整平劑的競合作用效果, 他們又將其修訂為“曲率提升吸附物覆蓋量(curvature-enhanced adsorbate coverage, CEAC)”模型. 竇維平教授[30~32]在結(jié)合旋轉(zhuǎn)圓盤的恒電流注入實驗中發(fā)現(xiàn), 某些鍍液中銅電沉積的極化過電位與旋轉(zhuǎn)圓盤電極的轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān), 鍍液具備該電化學(xué)特性就能夠產(chǎn)生“孔底上移”的電鍍行為, 這種特性被稱為“對流依賴吸附(convection dependent adsorption, CDA)”現(xiàn)象. CDA模型強(qiáng)調(diào)了對流對添加劑分子吸附的影響, 模型中引入了添加劑分子的吸/脫附和包埋過程, 通過計算相應(yīng)添加劑的覆蓋度和交換電流密度, 來描述添加劑對電沉積銅速率的影響.

綜合上述研究可知, 模擬超級填充銅生長過程的模型中, 傳質(zhì)是非常重要的影響因素, 且受到電場、流場、溫度、離子濃度等物理參數(shù)的控制. 采用多物理場耦合的方法, 能夠?qū)㈥帢O表面的電流密度分布、流場和擴(kuò)散傳質(zhì)、伏安關(guān)系等都統(tǒng)一在一個以空間坐標(biāo)為變量的方程組中, 獲得銅沉積速率(或厚度)的分布模型[33~36]. 但是, 已有的物理模型并未深入探討納米限域空間的尺寸效應(yīng)對孔內(nèi)傳質(zhì)和電場分布的影響. 此外, 在成分復(fù)雜的鍍液體系中, 要想將各添加劑對銅離子傳輸和電化學(xué)還原過程的影響抽象化為特征參數(shù)(方程), 還需要將研究視角深入拓展到原子/分子水平[37].

芯片電鍍中的金屬超級填充具有高度復(fù)雜性和多尺度的特點(diǎn). 研究者們采用了基于統(tǒng)計力學(xué)和隨機(jī)過程理論的動力學(xué)蒙特卡洛模擬(Kinetic Monte Carlo Simulation, KMC), 通過合理劃分系統(tǒng)尺度并各自采用有效的模擬算法, 為研究銅的成核和生長的微觀過程提供了伴隨化學(xué)反應(yīng)的直接動力學(xué)模擬. 兼顧溶液和電極上的動力學(xué)過程, 研究反應(yīng)速率與表面形態(tài)之間的相關(guān)性, 為超級填充過程的理論模擬提供重要信息[38,39].

人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)的應(yīng)用有望成為后發(fā)優(yōu)勢的突破方向, 可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法降低第一性原理精度分子動力學(xué)模擬成本, 從微觀分子結(jié)構(gòu)層面出發(fā), 還原界面環(huán)境, 明晰電化學(xué)過程中宏觀層面和微觀層面相互協(xié)調(diào)、共同作用的機(jī)理[20,40,41]. 利用機(jī)器學(xué)習(xí)輔助擬合多物理場仿真模擬, 實現(xiàn)電鍍效果的高效預(yù)測, 為電鍍液添加劑開發(fā)和電子電鍍設(shè)備制造提供理論指導(dǎo), 減緩研發(fā)周期, 提升產(chǎn)品質(zhì)量.

3.2.2 添加劑作用機(jī)制及新型添加劑結(jié)構(gòu)探索

目前, 針對銅互連添加劑的作用, 主要觀點(diǎn)分為兩類: 一是溝槽不同位置上吸附的抑制劑分子的抑制作用; 二是加速劑分子在溝槽內(nèi)分布不同所帶來的促進(jìn)作用[42,43]. 這兩種作用中哪一種占主導(dǎo)地位取決于溶液組成和添加劑的相對濃度. 長期以來的電鍍銅研究中, 研究者已經(jīng)在一些添加劑的作用機(jī)制上達(dá)成了共識, 如: 氯離子參與添加劑分子協(xié)同作用, 并增強(qiáng)抑制劑的吸附, 抑制孔壁和孔外的銅沉積; 加速劑通過巰基錨定在銅表面, 電沉積過程發(fā)生移動加速銅離子沉積; 整平劑傾向于強(qiáng)吸附在尖端凸起處抑制銅沉積等[44~48]. 但是, 有關(guān)添加劑分子之間的協(xié)同作用機(jī)制尚不清晰, 對于不同類型的整平劑也缺乏系統(tǒng)性研究.

健那綠(JGB)作為最典型的整平劑, 其作用機(jī)制得到了廣泛的研究和討論[49~52]. 一些結(jié)構(gòu)上與JGB有相似性的染料分子, 如阿爾新藍(lán)(8GX)、羅丹明B(Rhodamine B)等也被研究人員不斷考察和比較, 試圖破解染料類整平劑的作用機(jī)制, 以指導(dǎo)新型整平劑的研發(fā)工作[53~56].

工業(yè)界更關(guān)注聚季胺鹽類整平劑, 整平劑相關(guān)的專利也多圍繞此類整平劑展開. Broekmann[57]發(fā)現(xiàn)IMEP(聚咪唑環(huán)氧氯丙烷)與加速劑SPS間有較強(qiáng)相互作用, 能夠應(yīng)用于大馬士革電鍍的超級填充中; Zheng等[48]采用PBDGE(1, 4-丁二醇二縮水甘油醚)作為鏈接片段, 分別串聯(lián)起吡咯、咪唑等五元和六元含氮雜環(huán), 發(fā)現(xiàn)此類低聚物都具有一定的CDA特性. 最近Peng等[58]設(shè)計合成了一系列含氮雜環(huán)和α活性官能團(tuán)的低聚物, 研究結(jié)果表明, 整平劑分子除可以通過氮正離子與磺酸基產(chǎn)生相互作用外, 還能夠通過α活性官能團(tuán)與加速劑的巰基端相互作用, 為探索新型整平劑結(jié)構(gòu)提供了思路.

由上可見, 芯片電子電鍍的最終效果是有機(jī)添加劑共同作用的結(jié)果, 他們彼此競爭又相互關(guān)聯(lián). 要實現(xiàn)無空洞和無缺陷的高質(zhì)量電鍍, 除了改進(jìn)添加劑的單個性能, 還需厘清添加劑的構(gòu)效關(guān)系及多種添加劑的協(xié)同作用, 從而為新型添加劑的設(shè)計與鍍液配方的優(yōu)化提供理論參考.

3.2.3 電子電鍍研究方法的發(fā)展

早期電子電鍍的研究大多局限于測量極化曲線或阻抗譜圖等常規(guī)的電化學(xué)研究方法, 通過宏觀的電流電壓變化進(jìn)行表征, 難以獲取分子層面的信息[59]. 隨著電子電鍍技術(shù)的更新迭代, 傳統(tǒng)電化學(xué)分析技術(shù)已經(jīng)不能滿足理論發(fā)展的要求. 電化學(xué)石英晶體微天平(Electrochemical Quartz Crystal Microbalance, EQCM)[31]、電化學(xué)原位橢圓光譜(in-situ Spectroscopic Ellipsometry)[60]、電化學(xué)微流控裝置(Microfluidic Device)[61]等原位電化學(xué)方法逐漸涌現(xiàn). 此外, 采用核磁共振波譜法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR)測試電鍍前后鍍液成分的變化, 可幫助推斷鍍液添加劑的中間體結(jié)構(gòu)和添加劑代謝途徑. 掃描隧道顯微鏡(Scaning Tunneling Microscope, STM)在研究銅表面的吸附物及結(jié)晶構(gòu)型等方面起到了很好的作用, 但STM難以識別具體的分子信息, 難以應(yīng)用于多組分添加劑的協(xié)同作用研究[62~65].

近年來快速發(fā)展的電化學(xué)原位拉曼、紅外等振動光譜因具有識別分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢, 是當(dāng)前研究電子電鍍銅添加劑吸附結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制的最主要方法[66]. 通過原位振動光譜研究, 人們對典型的添加劑SPS/MPS和PEG在銅表面的吸附構(gòu)型和電鍍過程中的變化有了新的認(rèn)識[67,68]. 但是, 有關(guān)添加劑分子之間的協(xié)同作用機(jī)制尚不清晰, 對于不同類型的整平劑缺乏譜學(xué)方面的系統(tǒng)性研究. 電化學(xué)原位顯微技術(shù)結(jié)合微流控芯片, 已經(jīng)在金屬電沉積領(lǐng)域取得了較為矚目的研究成果, 如能應(yīng)用到電子電鍍研究領(lǐng)域?qū)﹄娮与婂冄芯糠椒ǖ陌l(fā)展起到關(guān)鍵作用. 因此, 拓展多種譜學(xué)和顯微成像技術(shù), 獲取添加劑吸附結(jié)構(gòu)分子層面的數(shù)據(jù), 實現(xiàn)對超填充過程的高分辨成像, 對于深入剖析電子電鍍機(jī)理具有重大意義.

4關(guān)鍵科學(xué)問題

芯片制造電子電鍍的發(fā)展應(yīng)圍繞國家戰(zhàn)略任務(wù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求, 以產(chǎn)業(yè)技術(shù)瓶頸難題為抓手, 深入揭示芯片金屬互連、先進(jìn)封裝集成、電子電鍍裝備等技術(shù)背后涉及的電子電鍍表界面基礎(chǔ)科學(xué)問題, 發(fā)展超越傳統(tǒng)電鍍體系的高端電子電鍍技術(shù).

與會專家一致認(rèn)為該領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題可概括為“芯片制造高端電子電鍍表界面科學(xué)與工程”, 具體涉及基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)兩個層面的問題:

4.1 基礎(chǔ)科學(xué)問題

(1) 添加劑分子設(shè)計、吸脫附規(guī)律、相互作用機(jī)制及構(gòu)效關(guān)系.

(2) 納微尺度時空限域條件下電場、流場、力場等多場耦合下物質(zhì)傳遞和電結(jié)晶過程及其調(diào)控.

(3) 芯片制造金屬互連原位/工況檢測方法和理論模擬.

4.2 應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)問題

(1) 芯片制造電子電鍍關(guān)鍵化學(xué)品合成、超純化及電鍍液體系的構(gòu)建.

(2) 芯片電子電鍍新概念裝備研制策略與優(yōu)化方案.

5主要研究方向及重點(diǎn)資助建議

為促進(jìn)我國芯片制造高端電子電鍍的自主創(chuàng)新發(fā)展, 圍繞“芯片制造高端電子電鍍表界面科學(xué)與工程”這一關(guān)鍵科學(xué)問題, 建議未來5~10年重點(diǎn)圍繞以下幾個方向開展資助, 推動多學(xué)科交叉的原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究.

5.1 微納尺度金屬超級填充機(jī)制與添加劑構(gòu)效關(guān)系的研究

微納尺度金屬超級填充過程涉及的傳質(zhì)、傳荷、金屬電結(jié)晶的機(jī)制及其與宏觀尺度金屬沉積理論之間的差異, 特別是納米尺度溝槽內(nèi)部物質(zhì)輸運(yùn)、雙電層結(jié)構(gòu)等的本征描述; 微納限域空間內(nèi)添加劑在固液表面的吸附轉(zhuǎn)化行為、添加劑之間的相互作用以及不同添加劑分子結(jié)構(gòu)對填充效果的影響規(guī)律.

5.2 新型添加劑設(shè)計合成與鍍液體系開發(fā)

解析添加劑分子大小、官能團(tuán)結(jié)構(gòu)、鄰近基團(tuán)和碳架結(jié)構(gòu)等因素對分子結(jié)構(gòu)特性的影響, 系統(tǒng)研究添加劑分子結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能之間的關(guān)系, 構(gòu)建添加劑分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計體系; 依據(jù)添加劑單組分物理性質(zhì)和組分間混合后的相互作用, 合理調(diào)整鍍液體系的具體參數(shù), 并建立基于理論基礎(chǔ)和工業(yè)應(yīng)用可行性的合理評估方案, 實現(xiàn)創(chuàng)新型鍍液體系開發(fā).

5.3 下一代互連新材料的研究與創(chuàng)制

針對芯片互連特征尺寸不斷縮小時, 銅互連結(jié)構(gòu)在限域空間內(nèi)的小尺寸效應(yīng)導(dǎo)致互連電阻增大和互連信號傳輸損耗等問題, 尋找下一代新型互連材料; 研究高結(jié)晶度銅(單晶銅、納米孿晶銅等)材料應(yīng)用及現(xiàn)有銅互連工藝的改進(jìn)路線; 探索鈷互連材料及其配套工藝; 探索新型碳納米管、石墨烯、石墨炔等碳納米材料并拓展其在電子互連中的應(yīng)用.

5.4 創(chuàng)新型工況表征/在線檢測方法和理論仿真模擬

在微觀尺度下利用SEM, TEM, 明、暗場光學(xué)顯微鏡, X射線斷層掃描等工況形態(tài)學(xué)技術(shù), 了解電子電鍍過程中的孔內(nèi)形貌和金屬成核生長過程; 借助質(zhì)譜、核磁共振譜、紅外、拉曼、掃描隧道顯微鏡等系列譜學(xué)和掃描探針技術(shù), 從分子層次全面、深入地剖析添加劑的吸附位點(diǎn)、作用機(jī)理以及中間產(chǎn)物和分解雜質(zhì); 借助人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí), 結(jié)合密度泛函理論計算和分子動力學(xué)模擬等理論方法學(xué), 優(yōu)化理論計算模型, 提高添加劑及相關(guān)材料的研發(fā)效率, 完善微納限域空間下的電子電鍍理論.

5.5 專用電子電鍍化學(xué)品的合成與純化分離

研究微納尺度下分子間多重相互作用機(jī)制, 創(chuàng)建分子辨識分離工程新方法及平臺技術(shù), 解決雜質(zhì)含量極低、結(jié)構(gòu)極其相似體系的高效分離難題; 結(jié)合先進(jìn)分離工藝, 強(qiáng)化化工分離過程, 實現(xiàn)專用電子化學(xué)品高純制備.

5.6 電子電鍍工藝開發(fā)與電鍍裝備研制

打通電子電鍍宏觀流場和微觀機(jī)理之間的內(nèi)在聯(lián)系, 建立開發(fā)電子電鍍新工藝的協(xié)同機(jī)制; 聚焦晶圓電鍍裝備的機(jī)理研究、設(shè)備加工、材料應(yīng)用以及設(shè)備設(shè)計等方面, 聯(lián)合化學(xué)、化工、機(jī)械制造、智能控制、電子信息等學(xué)科的優(yōu)勢力量, 突破國外設(shè)備壟斷, 走自主創(chuàng)新的電子電鍍設(shè)備國產(chǎn)化道路.

6跨學(xué)科交叉、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的創(chuàng)新機(jī)制建議

6.1 提高人才自主培養(yǎng)能力, 構(gòu)建系統(tǒng)化人才體系

發(fā)揮高校主力軍作用和學(xué)科交叉發(fā)展的引導(dǎo)作用, 完善電子電鍍專業(yè)人才培養(yǎng)機(jī)制, 擴(kuò)大專業(yè)人才隊伍規(guī)模; 鼓勵高校、科研院所與企業(yè)合作建立創(chuàng)新人才的聯(lián)合培養(yǎng)機(jī)制, 設(shè)立產(chǎn)業(yè)界技能型人才入校培養(yǎng)通道, 加快產(chǎn)業(yè)人才隊伍建設(shè); 深化芯片制造電子電鍍國際交流合作, 通過設(shè)立專家人才專項研發(fā)經(jīng)費(fèi)等多元機(jī)制引進(jìn)海外高層次人才.

6.2 建設(shè)國家級研發(fā)平臺, 打造原始創(chuàng)新高地

建立國家級芯片制造電子電鍍交叉科學(xué)研究中心或工程中心, 引導(dǎo)有條件的轉(zhuǎn)制科研院所聚焦芯片制造電子電鍍, 持續(xù)加強(qiáng)電子電鍍前沿關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān), 打造引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的原始創(chuàng)新高地, 實現(xiàn)電子電鍍專用化學(xué)品開發(fā)與應(yīng)用、關(guān)鍵裝備和材料研發(fā)、新型工藝技術(shù)驗證、中試生產(chǎn)線研制的集中攻關(guān).

6.3 集合優(yōu)勢企業(yè)和科研院校精銳力量, 構(gòu)筑產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合體

以國家芯片制造電子電鍍研發(fā)平臺為載體, 支持一批面向終端應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品聯(lián)合開發(fā)項目, 構(gòu)建國家意志與創(chuàng)新主體利益相綁定的電子電鍍技術(shù)創(chuàng)新生態(tài), 形成推進(jìn)電子電鍍技術(shù)創(chuàng)新和集體攻關(guān)的強(qiáng)大合力; 國家將課題直接下達(dá)至國企或科研院所, 由受命單位牽頭組建“產(chǎn)學(xué)研用”一體化班子, 聚焦瓶頸集中攻關(guān).

7總結(jié)與展望

芯片制造電子電鍍是支撐我國高端制造戰(zhàn)略發(fā)展的核心技術(shù)之一, 但由于我國芯片制造電子電鍍表界面科學(xué)基礎(chǔ)研究存在研究基礎(chǔ)薄弱、研究深度不足、研究隊伍斷層等問題, 導(dǎo)致我們芯片制造電子電鍍產(chǎn)業(yè)發(fā)展受制于人. 針對上述問題, 我們亟需凝聚資源形成科研集群力量, 開展長期持續(xù)的集中攻關(guān); 亟需創(chuàng)新電子電鍍研究范式, 借助先進(jìn)工況表征技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)理論計算方法, 提高電子電鍍基礎(chǔ)研究的效率; 亟需開發(fā)電子電鍍新材料、新工藝和新設(shè)備, 保障電子電鍍行業(yè)的自主協(xié)調(diào)發(fā)展. 圍繞國家戰(zhàn)略任務(wù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求, 以產(chǎn)業(yè)技術(shù)難題為抓手, 深入揭示芯片金屬互連、先進(jìn)封裝集成、電子電鍍裝備等技術(shù)背后涉及的電子電鍍表界面基礎(chǔ)科學(xué)問題, 發(fā)展超越傳統(tǒng)電鍍體系的高端電子電鍍技術(shù). 在當(dāng)前百年未有之大變革的環(huán)境下, 未來5~10年電子電鍍表界面科學(xué)基礎(chǔ)的重點(diǎn)研究方向應(yīng)從基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)兩個層面并行展開, 從而實現(xiàn)從“跟跑”、“并跑”到“領(lǐng)跑”的重大跨越, 為進(jìn)一步提升我國國際地位和話語權(quán)做出積極的貢獻(xiàn).

審核編輯：湯梓紅