[发明专利]一种全纳米孪晶组织结构的铜薄膜材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种全纳米孪晶组织结构的铜薄膜材料的制备方法，属于微电子封装技术领域。本发明在电沉积制备出含有纳米孪晶组织的镀层后，使用适当的热处理工艺，利用电沉积过程中产生的镀层内应力将纳米孪晶与基底材料之间的过渡等轴晶层转化为纳米孪晶组织，从而获得从底部到顶部均为纳米孪晶组织的铜薄膜材料。与直接电沉积获得的从底部到顶部全纳米孪晶组织结构的铜薄膜材料不同，本发明无需在严格(111)择优取向的铜种子层上进行电沉积，制备的镀层既保留了纳米孪晶铜良好的机械性能、硬度、导电性能，又降低了制备难度，并且可以广泛适用于微电子行业的各种常见基底材料。

技术领域

本发明涉及微电子及微机电系统封装技术领域，具体涉及一种全纳米孪晶组织结构的铜薄膜材料的制备方法。

背景技术

由于纯铜具有较低的电阻率、较高的热导率，在微电子互连行业中，被广泛用作各种互连体，如引线键合材料(wire bonding)、凸点下金属层(under bump metallization,UBM)、再布线层(Redistribution layer,RDL)、铜柱凸点(copper pillar)、硅通孔(through silicon via,TSV)等封装结构中。随着封装密度不断提高，互连体尺寸不断减小，施加在铜互连体上的温度梯度、应力强度以及电流密度与日俱增，这就要求铜互连体要有更好的综合性能。铜互连体的可靠性与微观组织、织构以及晶体取向有非常密切的关系。因此，可以通过改变铜互连体的组织进而改善纯铜的性能。

据前人报导，纳米孪晶铜具有非常高的力学性能和超高的导电性能。但是纳米孪晶材料的制备方法及工艺一直限制着其在微电子领域的应用和发展。虽然孪晶片层结构在低层错能的金属材料中是普遍存在的组织，但是实现纳米孪晶片层的可控生长制备较为困难。目前，纳米孪晶的制备方法主要有两大类，一类是生长纳米孪晶，另一种是变形纳米孪晶。其中，磁控溅射和电镀沉积是制备生长纳米孪晶较为常见的技术。但是由于磁控溅射的过程较为复杂，而且样品厚度有限，所以不适合微电子封装领域应用。而脉冲电镀制备纳米孪晶铜样品厚度也在几十微米以内，仅适合做UBM或是RDL应用，而不适用于TSV。

近期研究表明，使用直流电镀手段可以制备纳米孪晶样品，但是制备镀层从底部到顶部均匀生长的纳米孪晶铜难度仍然是非常大。如Liu等人在2014年Scientificreports提到，消除种子层与纳米孪晶结构之间的细晶过渡层，需要采用严格111择优取向的铜作为种子层，才能实现纳米孪晶组织的外延生长。若基体与纳米孪晶铜之间的晶格失配较大，则容易存在细晶过渡层。对于厚膜应用，比如超过100μm的应用场合，细晶过渡层的尺寸往往在0.1-20μm之间，尺寸差异较大，因此对性能的影响不大，可以忽略不计。但是对于几微米的薄膜应用，这与细晶过渡层的厚度量级相当，因此会影响纳米孪晶铜组织的整体性能。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种全纳米孪晶组织结构的铜薄膜材料的制备方法，通过优化电沉积工艺中的镀液组成及电镀参数，使制备的镀层具有较大的内应力，并且在镀层的纳米孪晶组织与基底材料之间存在一层细晶过渡层，然后通过热处理将细晶过渡层转变为纳米孪晶铜组织，最终获得从底部到顶部全纳米孪晶铜组织的铜薄膜材料。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种全纳米孪晶组织结构的铜薄膜材料的制备方法，该方法首先采用电化学沉积方法在基底材料上制备出含有纳米孪晶铜组织的镀层，该镀层中在纳米孪晶铜与基底材料之间存在细晶过渡层；然后将该镀层进行热处理，利用镀层的生长应力使等轴晶过渡层转变为纳米孪晶组织，从而获得从镀层底部(与基底接触端)到顶部均为纳米孪晶组织结构的铜薄膜材料。

所述电化学沉积方法中，采用的电镀液组成如下：