南京航空航天大學IJMTM：晶圓級納米孿晶銅微結構陣列的精密電鑄技術
[科學背景]
隨著物聯網、人工智能、云計算等新興電子戰略性產業快速發展，我國在芯片制造為代表的高端電子制造領域的技術需求日益增加。電子電鍍（電鑄）是集成電路等高端電子制造產業的核心技術之一，其應用貫穿高端電子制造的全部流程，并且在太赫茲、MEMS、微傳感器等微納器件制造中的應用不斷拓展。納米孿晶結構銅（nt-Cu）材料因其無與倫比的力學和物理性能，極大地提高了銅的抗電遷移性能，避免了焊接工藝中銅錫合金化和柯肯達爾孔洞等問題，已然成為當前最具應用前景的電子互連材料之一。與此同時，電子電鍍（電鑄）技術也是納米孿晶銅材料的首選合成方法，其難點在于如何實現沉積層的均勻增厚以及沉積層中孿晶結構的精細調控。
電鑄部件的厚度分布不均勻不僅影響其加工精度，還會在隨后的化學機械平坦化（CMP）過程中會造成不可逆的凹陷和侵蝕，從而影響后道工藝。與此同時，由于電鑄過程中施加的電流分布不均勻，晶圓上不同位置的單個電鑄組件的微觀結構（例如，組件晶粒尺寸、元素含量和晶體取向）和性能，甚至同一電鑄部件上的不同位置處的微觀結構和性能可能會有所不同。事實上，電鑄制造過程中這種微觀結構的異質性往往被忽視，限制了其在高端制造中的應用。
[成果掠影]
近日，南京航空航天大學電化學制造技術團隊成員朱增偉教授在高端微電子制造技術方面取得新進展。研究圍繞晶圓級納米孿晶結構銅材料制造難題，創造性地提出了一種同步提高晶圓級陣列微結構電鑄厚度均勻性和微觀組織一致性的精密電鑄方法，通過在晶圓陰極外圍添加輔助陰極來保證整體陣列微結構表面電流密度分布的一致性，同時施加周期性反向脈沖電流對陣列中微結構單元進行電化學微整平。基于二者高度協同作用，巧妙地解決了傳統電鑄工藝中的邊緣效應問題和反向脈沖電鑄工藝中沉積速率低的問題，在精確控制晶圓級陣列結構生長厚度和微觀組織結構方面展現出巨大潛力。相關成果以題為“New precision electroforming process for the simultaneous improvement of thickness uniformity and microstructure homogeneity of wafer-scale nanotwinned copper arrays”的論文在國際機械工程領域著名期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》上公開發表。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104006
[數據概覽]
論文的圖片摘要 ? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
圖3 傳統電鑄晶圓級納米孿晶銅陣列存在兩類厚度不均勻現象，即外側區域A與內側區域C之間的整體厚度不均勻以及單個疊片外側與其中心區域的厚度不均勻：(a) 電鑄納米孿晶銅陣列厚度測量結果 (b) 相應的厚度分布仿真結果 (c) 試驗和仿真結果對比 (d) 陰極附近的電場分布仿真結果 ? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
圖5 傳電鑄晶圓級納米孿晶銅陣列存在的微觀組織異質性現象，即外側A區疊片中（111）取向晶粒占比較少: (a) 從不同區域收集的銅疊片的XRD圖譜 (b，d) 來自圖3中A區和C區的銅疊片的橫截面FIB圖 (c，e) 相應的EBSD取向分布圖 ? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
圖7 通過引入輔助陰極并調節輔助陰極與陰極表面電流密度之比（J）來試圖改善整體厚度不均勻性：(a-c) J對整體厚度均勻性的影響 (d) 相應地仿真結果匯總情況 ? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
圖14 結合反向脈沖電鑄與輔助陰極手段同時實現對整體和單個疊片的厚度均勻性優化：(a) 最佳工藝參數下疊片厚度分布結果以及(b) 相應的仿真結果 (c)不同工藝參數下疊片厚度分布測量與仿真結果匯總 (d)相應的厚度不均勻系數CV變化情況 ? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
圖 15 輔助陰極和反向脈沖電鑄相結合產生的協同效應對整體和單個疊片厚度均勻性的影響機制： (a) 四種典型工藝下獲得的納米孿晶銅疊片厚度曲線比較情況以及 (b) 相應的歸一化沉積速率分布圖 (c) 沉積速率仿真分布結果 ? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
圖16 研究了不同反向脈沖電鑄參數（正反通電量之比Qa/Qc）對納米孿晶銅疊片微觀組織的影響：(a-h) 不同Qa/Qc參數值條件下納米孿晶銅疊片截面的EBSD取向分布圖 ? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
圖18 結合反向脈沖電鑄與輔助陰極手段同時實現提升整體和單個疊片的微觀組織一致性：(a)圖14中9個疊片對應的XRD圖譜 (b，c) 代表性銅疊片截面FIB-SEM圖像 (d) 圖(a)中不同編號疊片的平均硬度與XRD衍射峰(111)與(220)之比 (e，f) 代表性銅疊片截面TEM圖像 ? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
[成果啟示]
本文提出了一種全新的晶圓級銅微結構精密電鑄工藝，該工藝將輔助陰極與脈沖反向電流（PRC）電鑄相結合，利用二者之間的協同效應，在提高厚度的均勻性的同時獲得了組織一致性更優的納米孿晶結構。作為所提出工藝的一個實際演示案例，在4英寸晶圓面積上制作了納米孿晶銅疊片陣列，并對其進行了有限元數值模擬仿真，以探討這種特殊的協同機制。最終確定了陣列微結構間距、電流波形和厚度不均勻性三者之間的內在相關性，結果表明：
(1) 由于固有的電流邊緣效應，在晶圓級陣列微結構的精密電鑄過程中，陰極上的電流分布不均勻是導致微觀組織及性能（如顯微硬度）分布不均勻的根本原因。通過改善陣列結構的間距（或減小圖案面積），整體厚度均勻性可以得到改善，但單個結構的厚度均勻性則會降低。
(2) 建議根據需電鑄部件的圖形間距選擇最佳的J值（輔助陰極與陰極表面電流密度之比）。最佳的輔助陰極參數與部件間距（圖案面積）密切相關。隨著部件間距的增加，所需的J值減小。
(3) 引入反向脈沖電流會使金屬以離子形式溶解并進入溶液，誘導nt-Cu表面完美和孿晶核/原子從表面脫附。因此，該過程選擇性去減少了柱狀晶粒界處等軸晶核數目。然而，過大的陽極導通時間或陽極平均電流密度值會降低孿晶體積分數并影響生長取向，具體表現為顯微硬度的下降和（111）取向的顯著下降以及（220）取向的增加。
(4) 輔助陰極和反向脈沖電鑄的結合可以獲得更加均勻的電流分布，使反向脈沖整平化能力最大化，有效確保厚度和組織結構在整個晶圓范圍上是均勻且一致的。此外，在施加反向脈沖的過程中，沉積在電流擁擠區域上的厚銅層會被優先剝離，從而減輕了由輔助陰極引起的電流再分配對疊片厚度均勻性的不利影響，并為孿晶銅結構的均勻生長提供了額外的可能性。
作者還建議未來的工作可以圍繞將所提方法進一步擴展到更大晶圓尺度納米孿晶結構的制造。另外，針對現有研究中輔助陰極與陰極之間的電流串擾所帶來的不利影響，作者正在積極開發專用的同步脈沖電源，以期最大化整平效果并消除電流串擾效應。此外，隨著晶圓面積和圖案密度的增加，需要更大的J值；因此，必須進一步改進所提出的方法以獲得更高的極限電流密度上限。
[作者簡介]
南京航空航天大學機電學院博士生詹曉非為第一作者，博士后沈春健為論文通訊作者，在朱荻院士和朱增偉教授的共同指導下完成。該研究工作得到了江蘇省自然科學基金項目（BK20222010）、國家自然科學基金創新研究群體項目（51921003）、國家自然科學基金項目（52275436）、江蘇省自然科學基金項目（BK20220893）的共同資助。
朱增偉，南京航空航天大學機電學院教授，博士生導師，南航電化學制造技術團隊主要成員，入選教育部新世紀優秀人才支持計劃和江蘇省333高層次人才培養工程，作為主要成果人獲獲2007年國家技術發明獎二等獎和2009年教育部自然科學獎二等獎。主要從事氫氧推力室、液氧甲烷推力室、鈦合金薄壁機匣等航空航天發動機關鍵零部件電化學加工，太赫茲饋源喇叭、太赫茲行波管、芯片三維封裝轉接板、OLED精細金屬掩膜版（FMM）等器件關鍵特征結構的電鑄微增材制造技術研究。
本文由X. Z.供稿
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