球差校正透射电镜揭示微通孔界面纳米空隙结构机制

研究背景与问题提出

高密度互连印刷电路板（HDI-PCB）因其小型化、高可靠性及成本效益，在便携式电子设备和无线通信领域得到广泛应用。HDI-PCB通过微通孔实现多层线路互连，是复杂高频电路设计的关键技术。然而，微通孔界面存在的"弱微通道问题"——即化学镀铜层质量不佳导致的裂纹和分层现象，严重影响了器件可靠性。

这一问题的根源在于微通孔与电路垫界面处形成的夹层结构（电解铜镀层/化学镀铜薄层/电解铜镀层）。化学镀铜过程中，铜离子还原反应产生的氢气可能被包裹在镀层内，形成尺寸为2-30nm的纳米级空隙。这些空隙显著降低材料机械性能，导致界面底部成为失效高发区。尽管工艺改进已抑制了宏观缺陷，但纳米空隙仍是潜在可靠性风险，亟需深入解析其形成机制和物理性质。

研究方法与技术路线

样品制备工艺

研究采用标准微通孔制备流程：激光烧蚀钻孔后，进行表面粗糙化处理去除电镀铜垫底部污渍。酸性条件下软刻蚀清洗表面，阴离子溶液预浸处理。随后使用碱性离子催化剂吸附钯离子（7.5μm/dm²），最后在碱性化学镀铜液（CuSO₄·5H₂O、NiSO₄·5H₂O、罗谢尔盐、HCHO组成）中完成镀层沉积，并通过常规电镀形成微通孔。

表征技术组合

• ​截面样品制备​：机械抛光后采用氩离子研磨系统（IM4000）物理抛光

• ​STEM样品制备​：聚焦离子束（FIB-SEM）系统提取技术，30kV镓离子束粗加工，16kV电子束精细处理

• ​球差校正STEM分析​：JEM-ARM200F在200kV工作电压下，0.08nm电子束探针原子分辨率成像

• ​成分分析​：0.3nm探针配合X射线能谱（X-EDS）进行元素定量（无标准方法）

• ​原子探针断层扫描​：LEAP5000xS实现原子级元素分析，FIB制备针状试样

实验结果与发现

微通孔界面结构特征

通过扫描离子显微镜（SIM）观察显示，微通孔底部界面存在明显的晶粒不连续性，表明化学镀铜层位于电解铜镀层与衬垫之间形成关键互连层。该区域未经热处理，保留了原始晶粒结构。

纳米空隙分布规律

球差校正STEM分析揭示了纳米空隙的精确分布特征。明场（BF）-STEM和高角度环形暗场（HAADF）-STEM图像清晰显示，纳米空隙主要集中于化学镀铜层底部界面处，形成线性排列的纳米级结构。

关键发现包括：

• ​空间分布​：纳米空隙优先形成于化学镀铜层与电解铜垫的界面处，上界面和层内部位较少出现

• ​尺寸特征​：多数空隙尺寸为几纳米，沿界面呈线性聚集分布

• ​形成机制指示​：底部界面富集现象表明空隙形成于化学镀铜初始阶段

图1(a)微通道和(b)微通道底部的典型SIM图像

图2(a)微通道底部界面的高炉和(b)HAADF图像

机制分析与讨论

纳米空隙形成机理

研究结果表明，纳米空隙的形成与化学镀铜初始反应条件密切相关。反应起始阶段发生在催化剂覆盖的电解铜表面，多种添加剂、络合剂、还原剂和反应产物的复杂相互作用为空隙形成创造了条件。与电解镀铜工艺不同，化学镀过程特有的化学反应环境是空隙产生的关键因素。

空隙性质解析

通过先进的球差校正STEM技术结合APT分析，证实纳米空隙并非完全中空，而是包含有机物质、复合物及其他材料，可能包括氢气等气体成分。空隙最外层被钯元素覆盖，这一发现为理解其形成机制提供了重要线索。

可靠性影响评估

线性聚集的纳米空隙在热处理或使用过程中可能发生生长和合并，成为微裂纹的起源点。这种潜在的生长特性使得纳米空隙成为影响微通孔长期可靠性的重要因素，特别是在高频、高密度应用场景下。

技术优势与创新价值

本研究通过球差校正STEM技术实现了纳米尺度空隙结构的精确表征，技术突破体现在：

分辨率突破

• 原子级分辨率成像（0.08nm探针）揭示空隙精细结构

• 清晰区分空隙与基体界面关系

• 精确测定空隙尺寸和分布特征

分析能力创新

• 多技术联用（STEM+APT）提供互补信息

• 元素分析确认空隙化学成分

• 三维结构解析增强机制理解

工业应用与质量提升

研究发现对电子制造行业具有重要指导意义：

工艺优化方向

• 化学镀初始阶段参数精确控制

• 添加剂和反应条件优化策略

• 界面质量控制关键点识别

可靠性提升途径

• 纳米空隙抑制技术开发

• 界面强化方法设计

• 寿命预测模型完善

结论与展望

本研究通过球差校正透射电子显微镜技术，系统揭示了微通孔界面纳米空隙的结构特征和形成机制。研究发现纳米空隙主要形成于化学镀铜层底部界面，呈线性聚集分布，且并非完全中空而是包含多种物质。这些空隙在特定条件下可能生长合并，成为可靠性风险的潜在源头。

未来研究将聚焦于空隙形成动力学的原位观察、工艺参数与空隙特征的定量关系建立，以及抑制技术的开发。这些工作将为实现高可靠性微互连技术提供重要理论支持和技术指导。

​参考文献​

M.C. Hsieh, M. Nishijima, K. Jogo, et al. Structural investigation of nanovoids around the interface of micro-vias by spherical aberration corrected scanning transmission electron microscopy. Microelectronics Reliability, Volume 150, 2023, 115231.

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