摩尔定律逼近极限，封装尺寸不断减小，互连密度大幅度提高，互连体的尺寸也持续降低，对材料组织愈加敏感。同时外加电流密度、温度梯度以及外力激增等服役条件，也对新一代的微电子产品提出了更高的要求，尤其是对铜/锡互连焊点的组织性能不断提出更为严苛的挑战，这一点在晶圆级三维封装领域更为明显。整体上来讲，传统的铜与锡基焊料为主的焊接方式仍是微电子行业中的主流。但由于锡基焊料回流冷却之后，焊点中往往只存在几个或是一个晶粒，并且这些晶粒往往具有任意取向，导致晶圆级封装中各个焊点处金属间化合物任意生长、孔洞萌生等现象，从而使焊接性能比较离散，难以有效控制。结合如上文所述施加在焊点上的热、力、电激增的事实，会直接导致晶圆级封装中器件的过早失效问题。因此，如何通过材料结构的设计优化，有效提高界面处焊接质量，使之达到可控的目的，是晶圆级封装大背景下一个日益严峻的问题。　　本论文采用与封装企业兼容的直流电镀方式，主要以溅射了Ti/Cu种子层的晶圆为基板，系统研究了纳米孪晶铜薄膜的可控制备并探索了其在微电子封装中的应用。利用扫描电镜和透射电镜详细地研究了电流密度、酸含量、添加剂浓度等参数对于铜薄膜组织结构的影响，深入理解纳米孪晶Cu的生长行为。进一步将所制备的材料应用于与锡基铅料的焊接实验中，探索具有不同组织结构的铜薄膜对铜锡焊接性能的影响机制。同时也尝试将该工艺拓展到三维封装结构硅通孔互连体中，电镀制备无孔洞缺陷的纳米孪晶铜柱。论文主要内容如下:　　一、以工业中常用的溅射了Ti/Cu种子层的晶圆为基底电镀制备纳米孪晶铜薄膜:所制备的纳米孪晶铜组织为晶粒尺寸约为10μm柱状晶结构，且每个柱状晶粒内部均存在与晶圆基底平行的纳米尺度孪晶片层，孪晶片层厚度可通过调控电镀参数精准控制，目前片层厚度最小可达到22nm。纳米孪晶铜镀层存在非常明显的(111)织构，这是与其组织特点相对应的((111)取向的孪晶界面平行于薄膜生长表面)。研究发现酸含量和添加剂配合使用在纳米孪晶生成过程中起着及其重要的作用。存在明胶添加剂条件下，增加酸含量(从3ml/L到17ml/L)可以有效地促使纳米孪晶片层结构更易于从靠近基底的位置产生，并使柱状晶的生长方向更加规则，表现为柱状晶界更加平行于镀层生长的方向。继续增加酸含量(从17ml/L到31ml/L)，发现柱状晶生长的规则性降低，细小的等轴晶开始出现在镀层内部，存在纳米孪晶的晶粒比例下降，但在残存纳米孪晶的柱状晶中其片层厚度仍然非常小。因此，在添加剂存在的条件下，酸含量增加对于晶粒生长规则性的影响是先促进后抑制，孪晶片层在晶粒中出现的比例也呈现先增加后减少的趋势。此外，在无添加剂的铜酸二元体系电镀实验中也存在相同现象，随着酸含量的增加镀层中也会产生平行排列的纳米孪晶片层，晶粒生长的规则性、镀层生长速度也会随酸含量的增加而加快。产生该现象的主要原因是酸浓度增加会影响铜的正常沉积，这本身就是产生孪晶缺陷的一个因素。另外酸也是一种弱的电镀抑制剂，随着酸含量的增加，过电位不断增加，镀层生长模式发生转变:即从无孪晶的柱状晶→柱状晶纳米孪晶铜→纳米孪晶与等轴晶混合组织。该模型的建立对于深入了解孪晶在电镀铜膜内部的生长行为具有重大的指导意义。　　二、封装界面反应研究:选取纳米孪晶铜和无孪晶的多晶铜作为基底与纯锡回流时效，研究发现具有纳米孪晶结构的铜可以很好地抑制界面处的孔洞萌生，这在回流样品、短期时效(150℃，12h)样品以及高温长期时效(175℃，5d)样品中均得到了很好的验证。纳米孪晶对于界面处孔洞产生的抑制作用主要有以下三种机制:孪晶片层可以有效降低铜原子向界面处的输运速度，从而降低了空位向界面处的扩散;孪晶片层之间的对称结构使之可以钉扎界面处空位的运动;非共格孪晶界可以作为过饱和空位湮灭的位置。在该研究体系中发现纳米孪晶取向对于孔洞形成具有明显影响，这进一步说明纳米孪晶对空位的钉扎作用是三种机制中最重要的一个因素。　　此外，通过长时间、不同温度的时效实验，发现纳米孪晶铜作为基底时，界面处化合物生长激活能(31KJ/mol)高于无孪晶的多晶铜基底(20KJ/mol)。当使用纳米孪晶截面作为回流基底的时候，界面化合物生长激活能介于两者之间为28KJ/mol。研究结果显示纳米孪晶铜为基底时界面处化合物厚度均匀，而以无孪晶的多晶铜或是纳米孪晶截面为基底时，界面处化合物在高温时效之后会形成明显的针状化合物。考虑到铜向锡中的扩散是化合物生长的主要驱动力，而化合物向锡中生长时带来的弹性应变能的增加是主要的反应阻力，可以得出纳米孪晶表面为基底时界面化合物生长具有最小的驱动力和最大的反应阻力。　　三、硅通孔中电镀纳米孪晶铜:成功地实现了在136个通孔中制备出组织、性能均匀的含纳米孪晶组织的铜柱。在铜柱生长方向上，微观组织的晶粒尺寸和孪晶片层厚度在扫描下保持一致。另外XRD结果表明铜柱生长方向上也是存在着明显的(111)织构，与薄膜电镀结果一致。纳米压痕实验表明，纳米孪晶铜在生长方向上硬度均匀，分别为2.34Gpa(顶部)和2.68Gpa(底部)，远高于使用无添加剂镀液在硅通孔中填充的普通无孪晶的多晶铜(1.73Gpa)。　　利用电化学分析方法对纳米孪晶铜组织、性能的均匀性进行了深入探讨。通过使用电化学工作站和旋转圆盘电极模拟硅通孔底部和顶部的生长环境，发现添加剂存在的镀液中孔底部和顶部即时电位曲线区域很快趋于一致，而没有添加剂的镀液在圆盘电极不同的旋转速度下曲线存在明显的偏离。由于添加剂在酸性环境下会优先向阴极活性点表面吸附，阻碍铜原子沉积，只有继续增大过电位，才可使添加剂脱附并实现铜继续沉积。该过程相当于脉冲电镀制备纳米孪晶铜中的off-time，铜膜表面原子层会在这一时期形成孪晶以释放应力，进一步验证了之前提出的过电位导致孪晶生长的理论模型。