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芯片互连数十层全靠超纯铜!中国6N材料进入产业链,7N已在路上?

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我国一家企业在制作6N超高纯铜方面,取得了世界领先的成就。这种铜的纯度可以达到6N,也就是99.9999%。换算一下,相当于100万份物质中,铜占999999份,允许留下的杂质只有大约1份。如果有整整1吨这样的铜,理论上的杂质上限只有大约1克。



这种过去主要依赖海外供应的芯片级材料,正在进入先进集成电路产业链。一块看似普通的铜锭,背后其实藏着现代芯片制造最基础,也最容易被忽视的一道技术门槛。

那么,这种6N超纯铜究竟有什么特别之处呢?

金属行业喜欢用几个“N”来表示纯度,3N就是99.9%,4N是99.99%,5N达到99.999%,6N则进一步提高到99.9999%。乍看之下,它们好像都已经非常接近100%。但如果换成杂质含量,差别一下就出来了。



3N材料中,杂质可以达到约1000ppm(百万分之1000)。4N降到100ppm,5N只剩10ppm,到6N以后,只允许约1ppm。从3N做到6N,不是简单地把99.9%提高成99.9999%,而是把允许存在的杂质总量压低大约1000倍。

这也是为什么普通电线里的高质量铜,与芯片制造需要的超高纯铜,看起来同样都是铜,价格、工艺和技术门槛却完全不是一个概念。

我国这家企业生产的超高纯材料的全元素杂质总量能够控制在1ppm以下,其中碱金属元素杂质低于0.01ppm,放射性元素杂质低于0.005ppm。



此外,该企业还配置了辉光放电质谱设备,对材料进行ppb级检测,1ppb即十亿分之一。说得形象一点,这有点像在一座装满铜的大型仓库里,寻找散落其中的几粒尘埃,而且还不能漏掉。

铜本来就是一种优良导体,家里的电线根本用不到6N超纯铜。为什么到了芯片制造环节,突然对那一点点杂质如此敏感?



最主要原因就在于现在的芯片越来越小。一根几毫米粗的电线中混进极少量杂质,对整体性能影响可能微乎其微。但先进芯片内部的金属线路已经进入十几纳米甚至更小的尺度,此时材料中的微量杂质、晶粒、界面和缺陷,都可能被无限放大。

铜在现代集成电路中承担着重要的互连任务,晶体管负责计算,但数以亿计乃至数百亿计晶体管如果不能彼此连接,再强的晶体管也只是一个个孤岛。芯片内部因此需要布置一层又一层极其复杂的金属互连网络。



铜、铝、钽、钨等金属都是半导体制造的重要材料,其中铜被广泛用于芯片内部互连层以及不同金属层之间的连接。先进芯片内部甚至可能拥有数十层互连结构。为了保证最终器件性能和制造良率,对这些金属的纯度要求非常高。

杂质带来的问题并不只是稍微增加一点电阻,某些杂质可能改变材料电阻率,一些元素可能影响晶粒结构,一些污染物可能增加薄膜缺陷,还有些杂质在长期通电、高温环境下会对器件可靠性产生影响。



而且,半导体生产具有巨大的放大效应。晶圆厂不是做一根铜线,也不是生产一颗芯片,而是在一片晶圆上同时制造大量芯片,每颗芯片又包含海量微观结构。一个极低概率的材料缺陷,只要乘上足够大的器件数量,就可能变成不可忽略的良率问题。

所以,芯片越小,使用的材料越少,但对材料本身的要求反而越高。

从99%走到99.9%,难度开始明显增加。再从99.999%提高到99.9999%,需要解决的已经不是普通冶炼问题,而是一整套超纯化、污染控制、设备材料、熔炼铸造和分析检测技术。甚至装材料的容器、生产设备内部零件、环境中的尘埃,都可能成为污染源。

所谓“3纳米”,首先是芯片技术节点的名称,并不意味着芯片里每根铜线的直径都是3纳米。以先进铜互连为例,晶圆上先要制作出极其微小的沟槽和通孔,然后沉积阻挡层以及铜种子层,再通过电化学沉积等方法把铜填入其中,最后进行化学机械抛光,把多余金属去掉。



其中物理气相沉积,也就是PVD环节,就离不开高纯金属溅射靶材。在真空腔体内,等离子体中的高能粒子轰击靶材,将一个个金属原子从靶材表面打出来,再让这些原子沉积到晶圆表面。

铜种子层可以通过PVD工艺形成,随后再利用电镀方式填充铜,这就是超高纯铜真正与先进芯片发生联系的地方。从铜矿到普通铜,再到6N甚至7N超纯铜,之后还要制成满足晶圆厂要求的高性能靶材,再通过薄膜沉积设备把金属转移到晶圆上。



对于超纯铜的追求,该企业还更进一步,可以生产出7N超高纯铜,填补了国内相关产业空白。

7N意味着99.99999%,如果仍然按照1吨来计算,对应的总杂质水平已经压缩到约0.1克量级,也就是100毫克。从1克再走向0.1克,看起来只少了不到1克,但对于超高纯材料行业而言,这可能又是一次完全不同级别的技术跨越。

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