3D打印革新芯片 “纳米血管”

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全球芯片行业或迎来革命性突破！上海科技大学冯继成课题组（AIL）成功开发出全球首套“芯片纳米血管3D打印机”，突破下一代互连金属材料难以加工的瓶颈——用铱、钌等下一代互连材料替代传统的铜互连，并实现最小17 nm特征尺寸的三维桥连结构加工以及晶圆级的加工通量（图1）。这项名为“法拉第3D打印”的国产技术，将制造能耗砍至传统工艺的百万分之一，为未来国产高端芯片量产，打破高端芯片对进口设备和材料的依赖提供了有力保障。

图1.法拉第3D打印晶圆级大面积、多级、多尺度、多材料的芯片互连纳米结构

为什么需要“纳米血管革命”？

揭秘下一代互连金属材料

芯片内部数亿条“金属血管”正面临一场生死危机！当前高端芯片依赖的铜互连，一旦线宽缩至10 nm以下，就会像“生锈的水管”一样——电阻率暴增300%、发热严重甚至失效，直接卡死而无法提升算力。铱、钌等材料由于电阻尺寸效应弱，而被认为是可以替代铜的“下一代互连金属材料”（图2）。然而由于下一代互连材料多为贵金属，且目前主流的大马士革工艺无法完全适配，因此下一代互连金属材料未能在真正的芯片中亮相。

图2.下一代互连金属材料的主要性质：

抵抗电阻尺寸效应

未来的行业颠覆者

冯继成课题组除了解决下一代互连金属材料的加工难题外，更赋予其自主研制的纳米打印技术四大特质，使其可直接对接集成电路制程：

• 成本暴降：材料用量仅为传统工艺的0.0001%，能耗节省99.9%（图1），中小芯片厂也能玩转高贵的下一代材料；

• 性能优越：经过简单热处理后，3D打印的金属互连结构即可展现出接近理论预测值的优异性能表现（图3）；

• 晶圆级通量：仅需单次打印即可在60分钟内加工超过10000000个3D纳米结构组成的晶圆级大面积阵列（图4）；

• 国产突围：核心技术已申请19件发明专利，国产设备量产后可彻底摆脱对外国设备的依赖。

图3.法拉第3D打印互连结构的性能接近理论值。

图4.研究团队开发出基于脉冲电场的晶圆级高通量法拉第3D打印，1小时内即可打印晶圆级纳米结构阵列。

上文展示的工作展示了打印三维纳米结构作为芯片互连的应用潜力，有望为受制于现有制造手段而难以实现的芯片互连方案带来新的发展机会。与此同时，该技术不仅适用于集成电路互连制造和金属化，在MEMS、光学超构材料等前沿领域同样展现出广阔的应用前景（科研进展|上科大物质学院冯继成组在Advanced Materials发表后封面成果：4D打印彩色微电影，物质学院冯继成课题组自研“电力线画笔”高速描绘多材料、高精度的三维纳米结构阵列）。展望未来，冯继成团队将持续深耕纳米尺度3D打印技术的产业化应用研究，重点推进该技术与现有芯片制造工艺的深度融合，致力于攻克制约我国集成电路产业发展的"卡脖子"技术难题，为提升我国在高端芯片制造领域的自主创新能力注入新动能。

相关研究成果以题为“Wafer-scale nanoprinting of 3D interconnects beyond Cu”发表于国际学术期刊ACS NANO, 并选为Supplementary Cover成果。上海科技大学为本项成果唯一完成单位。

论文标题：Wafer-scale nanoprinting of 3D interconnects beyond Cu

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c00720xxxxxx

划重点

当主流工艺铜互连的红海中缠斗，新势力已用一场“纳米血管革命”撕开下一代芯片互连的新赛道。从材料、设备到工艺的全面自主，或许正是中国半导体冲破“卡脖子”困局的可行路径。

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团队官网: http://www.jcfenglab.com

上科大技术转移办公室，邮箱：ott@shanghaitech.edu.cn

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