文章來源：中國科學雜志社

原文作者：中國科學：化學

電子信息與科學技術的迅猛進展, 極大地提升了國民經濟生活水平、引領者科技進步和社會前進, 關乎國家發展命運. 電子信息與科學技術的核心在于集成電路的設計、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鍵技術, 是目前唯一能夠實現納米級電子邏輯互連和金屬基微納結構批量可控制造的技術, 是半導體芯片互連的基礎, 也是未來碳基、生物和量子芯片的集成和封裝的基礎. 基于電子電鍍線路互連的電子產品, 是實現自動化、信息化、互聯網、人工智能、數字技術、大數據等構建新增長引擎先進國家戰略的重要構件. 其中, 芯片制造及電子封裝是電子電鍍的關鍵核心研究和發展高地.

電子電鍍應用領域廣闊, 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之一, 也是國家完整工業體系的重要一環. 電子電鍍種類繁多, 包括金、銀、鈀、銅、鎳、錫、鈷、鉍、銠、釕等. 與傳統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. 從技術上講, 電子電鍍要求高、門檻高、投資大、技術難度大, 主要表現在:

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

(2) 線路尺寸小, 密度高, 金屬互連質量要求高;

(3) 環境必須潔凈, 鍍液必須純凈,需要潔凈室和高端專用設備;

(4) 表界面結構復雜, 器件特殊, 工藝復雜. 電子電鍍的鍍液配方和工藝的復雜性體現在器件材料及其尺寸發生改變, 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構特征, 不僅鍍液配方要做適當調整, 電鍍電流和攪拌/噴流等工藝條件亦需優化. 研究者不僅需要執著的科學探索精神, 而且需要精益求精的“工匠”精神.

高深寬比微納米孔結構內部的電場分布不均, 物質傳遞不暢. 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構存在縫隙、孔洞和不完全填充等缺陷. 添加劑是實現盲孔/通孔的致密填充或均勻加厚, 進而實現集成電路高質量金屬互連的關鍵. 在各種添加劑分子及其協同作用下, 孔口與孔底處金屬電沉積的速率發生翻轉, 實現特定深寬比微納米孔結構內部金屬的致密填充或均勻增厚.

不同于常規的大尺寸平面電鍍, 高深寬比微納米孔結構下固/液表界面結構、傳質過程、添加劑分子作用機制、金屬成核與生長機理等更為復雜. 這主要涉及以下科學問題:

(1) 高深寬比微納米孔結構內金屬填充過程及機制;

(2) 添加劑分子作用、協同作用及調控銅沉積機制;

(3) 微納米限域空間內金屬成核與生長機制及其表界面過程;

(4) 銅鍍層組分、價態、晶型和形態等理化性質與其導電性、延展性、導熱性和熱循環性能等電子性質之間的構效關系.

為深刻闡明這些科學問題, 需在繼承經典電化學方法的同時, 發展適用于電子電鍍的原位形態學、光譜學及能譜學等先進研究方法; 在明確添加劑作用效果、獲取金屬沉積的熱力學和動力學參數的基礎上, 研究在金屬填充工況條件下金屬離子還原的表界面結構, 添加劑吸脫附行為及其協同作用機制, 建立相應的理論模型及數值仿真方法, 加速電子電鍍的基礎研究和工藝開發的進程.

審核編輯：湯梓紅