南京航空航天大学IJMTM：晶圆级纳米孪晶铜微结构阵列的精密电铸技术
[科学背景]
随着物联网、人工智能、云计算等新兴电子战略性产业快速发展，我国在芯片制造为代表的高端电子制造领域的技术需求日益增加。电子电镀（电铸）是集成电路等高端电子制造产业的核心技术之一，其应用贯穿高端电子制造的全部流程，并且在太赫兹、MEMS、微传感器等微纳器件制造中的应用不断拓展。纳米孪晶结构铜（nt-Cu）材料因其无与伦比的力学和物理性能，极大地提高了铜的抗电迁移性能，避免了焊接工艺中铜锡合金化和柯肯达尔孔洞等问题，已然成为当前最具应用前景的电子互连材料之一。与此同时，电子电镀（电铸）技术也是纳米孪晶铜材料的首选合成方法，其难点在于如何实现沉积层的均匀增厚以及沉积层中孪晶结构的精细调控。
电铸部件的厚度分布不均匀不仅影响其加工精度，还会在随后的化学机械平坦化（CMP）过程中会造成不可逆的凹陷和侵蚀，从而影响后道工艺。与此同时，由于电铸过程中施加的电流分布不均匀，晶圆上不同位置的单个电铸组件的微观结构（例如，组件晶粒尺寸、元素含量和晶体取向）和性能，甚至同一电铸部件上的不同位置处的微观结构和性能可能会有所不同。事实上，电铸制造过程中这种微观结构的异质性往往被忽视，限制了其在高端制造中的应用。
[成果掠影]
近日，南京航空航天大学电化学制造技术团队成员朱增伟教授在高端微电子制造技术方面取得新进展。研究围绕晶圆级纳米孪晶结构铜材料制造难题，创造性地提出了一种同步提高晶圆级阵列微结构电铸厚度均匀性和微观组织一致性的精密电铸方法，通过在晶圆阴极外围添加辅助阴极来保证整体阵列微结构表面电流密度分布的一致性，同时施加周期性反向脉冲电流对阵列中微结构单元进行电化学微整平。基于二者高度协同作用，巧妙地解决了传统电铸工艺中的边缘效应问题和反向脉冲电铸工艺中沉积速率低的问题，在精确控制晶圆级阵列结构生长厚度和微观组织结构方面展现出巨大潜力。相关成果以题为“New precision electroforming process for the simultaneous improvement of thickness uniformity and microstructure homogeneity of wafer-scale nanotwinned copper arrays”的论文在国际机械工程领域著名期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》上公开发表。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104006
[数据概览]
论文的图片摘要© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
图3传统电铸晶圆级纳米孪晶铜阵列存在两类厚度不均匀现象，即外侧区域A与内侧区域C之间的整体厚度不均匀以及单个叠片外侧与其中心区域的厚度不均匀：(a) 电铸纳米孪晶铜阵列厚度测量结果 (b) 相应的厚度分布仿真结果 (c) 试验和仿真结果对比 (d) 阴极附近的电场分布仿真结果 © 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
图5传电铸晶圆级纳米孪晶铜阵列存在的微观组织异质性现象，即外侧A区叠片中（111）取向晶粒占比较少:(a) 从不同区域收集的铜叠片的XRD图谱 (b，d) 来自图3中A区和C区的铜叠片的横截面FIB图 (c，e) 相应的EBSD取向分布图 © 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
图7通过引入辅助阴极并调节辅助阴极与阴极表面电流密度之比（J）来试图改善整体厚度不均匀性：(a-c) J对整体厚度均匀性的影响 (d) 相应地仿真结果汇总情况 © 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
图14结合反向脉冲电铸与辅助阴极手段同时实现对整体和单个叠片的厚度均匀性优化：(a) 最佳工艺参数下叠片厚度分布结果以及(b) 相应的仿真结果 (c)不同工艺参数下叠片厚度分布测量与仿真结果汇总 (d)相应的厚度不均匀系数CV变化情况 © 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
图15辅助阴极和反向脉冲电铸相结合产生的协同效应对整体和单个叠片厚度均匀性的影响机制： (a) 四种典型工艺下获得的纳米孪晶铜叠片厚度曲线比较情况以及 (b) 相应的归一化沉积速率分布图 (c) 沉积速率仿真分布结果 © 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
图16研究了不同反向脉冲电铸参数（正反通电量之比Qa/Qc）对纳米孪晶铜叠片微观组织的影响：(a-h) 不同Qa/Qc参数值条件下纳米孪晶铜叠片截面的EBSD取向分布图 © 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
图18结合反向脉冲电铸与辅助阴极手段同时实现提升整体和单个叠片的微观组织一致性：(a)图14中9个叠片对应的XRD图谱 (b，c) 代表性铜叠片截面FIB-SEM图像 (d) 图(a)中不同编号叠片的平均硬度与XRD衍射峰(111)与(220)之比 (e，f) 代表性铜叠片截面TEM图像 © 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.
[成果启示]
本文提出了一种全新的晶圆级铜微结构精密电铸工艺，该工艺将辅助阴极与脉冲反向电流（PRC）电铸相结合，利用二者之间的协同效应，在提高厚度的均匀性的同时获得了组织一致性更优的纳米孪晶结构。作为所提出工艺的一个实际演示案例，在4英寸晶圆面积上制作了纳米孪晶铜叠片阵列，并对其进行了有限元数值模拟仿真，以探讨这种特殊的协同机制。最终确定了阵列微结构间距、电流波形和厚度不均匀性三者之间的内在相关性，结果表明：
(1) 由于固有的电流边缘效应，在晶圆级阵列微结构的精密电铸过程中，阴极上的电流分布不均匀是导致微观组织及性能（如显微硬度）分布不均匀的根本原因。通过改善阵列结构的间距（或减小图案面积），整体厚度均匀性可以得到改善，但单个结构的厚度均匀性则会降低。
(2) 建议根据需电铸部件的图形间距选择最佳的J值（辅助阴极与阴极表面电流密度之比）。最佳的辅助阴极参数与部件间距（图案面积）密切相关。随着部件间距的增加，所需的J值减小。
(3) 引入反向脉冲电流会使金属以离子形式溶解并进入溶液，诱导nt-Cu表面完美和孪晶核/原子从表面脱附。因此，该过程选择性去减少了柱状晶粒界处等轴晶核数目。然而，过大的阳极导通时间或阳极平均电流密度值会降低孪晶体积分数并影响生长取向，具体表现为显微硬度的下降和（111）取向的显著下降以及（220）取向的增加。
(4) 辅助阴极和反向脉冲电铸的结合可以获得更加均匀的电流分布，使反向脉冲整平化能力最大化，有效确保厚度和组织结构在整个晶圆范围上是均匀且一致的。此外，在施加反向脉冲的过程中，沉积在电流拥挤区域上的厚铜层会被优先剥离，从而减轻了由辅助阴极引起的电流再分配对叠片厚度均匀性的不利影响，并为孪晶铜结构的均匀生长提供了额外的可能性。
作者还建议未来的工作可以围绕将所提方法进一步扩展到更大晶圆尺度纳米孪晶结构的制造。另外，针对现有研究中辅助阴极与阴极之间的电流串扰所带来的不利影响，作者正在积极开发专用的同步脉冲电源，以期最大化整平效果并消除电流串扰效应。此外，随着晶圆面积和图案密度的增加，需要更大的J值；因此，必须进一步改进所提出的方法以获得更高的极限电流密度上限。
[作者简介]
南京航空航天大学机电学院博士生詹晓非为第一作者，博士后沈春健为论文通讯作者，在朱荻院士和朱增伟教授的共同指导下完成。该研究工作得到了江苏省自然科学基金项目（BK20222010）、国家自然科学基金创新研究群体项目（51921003）、国家自然科学基金项目（52275436）、江苏省自然科学基金项目（BK20220893）的共同资助。
朱增伟，南京航空航天大学机电学院教授，博士生导师，南航电化学制造技术团队主要成员，入选教育部新世纪优秀人才支持计划和江苏省333高层次人才培养工程，作为主要成果人获获2007年国家技术发明奖二等奖和2009年教育部自然科学奖二等奖。主要从事氢氧推力室、液氧甲烷推力室、钛合金薄壁机匣等航空航天发动机关键零部件电化学加工，太赫兹馈源喇叭、太赫兹行波管、芯片三维封装转接板、OLED精细金属掩膜版（FMM）等器件关键特征结构的电铸微增材制造技术研究。
本文由X. Z.供稿
文章评论(0)