溶质掺杂调控银铜合金薄膜纳米孪晶结构与性能的机制研究及其在先进电子封装中的应用

本研究针对3D IC封装中金属互连材料的机械强度与导电性能平衡难题，通过DFT计算与共溅射技术相结合，系统探究了Cu掺杂Ag和Ag掺杂Cu合金薄膜中溶质浓度对堆垛层错能(SFE)、纳米孪晶形成及性能的影响。发现4.7 at.% Cu掺杂使Ag薄膜硬度提升近2倍，表面粗糙度降至～5 nm，同时保持电阻率仅增加50%，为金属直接键合和混合键合提供了理想材料解决方案。

　　

随着晶体管尺寸进入纳米尺度，摩尔定律的延续面临挑战，3D集成电路(3D IC)封装技术成为突破路径。然而传统焊料互连中金属间化合物(IMC)的脆性问题，以及宽禁带(WBG)半导体器件对高导热、抗电迁移材料的需求，促使研究者探索新型互连方案。银(Ag)和铜(Cu)因其优异的导电导热性能成为首选，但本征硬度低(Ag～0.25 GPa，Cu～0.35 GPa)限制了其应用。虽然纳米孪晶结构可同时提升强度和导电性，但如何通过可控掺杂优化堆垛层错能(SFE)并平衡性能参数，仍是亟待解决的科学问题。

为解决这一难题，台湾清华大学的研究团队在《Aquaculture》发表论文，采用密度泛函理论(DFT)计算与共溅射沉积相结合的方法，系统研究了溶质掺杂对Ag-Cu合金薄膜纳米孪晶形成、织构演变和性能的影响。研究通过构建1×1×12和2×5×10超胞模型计算SFE，使用纯度为99.99%的Ag/Cu靶材在Si(100)衬底上制备系列掺杂薄膜，通过EDX、FIB/SEM、TEM、XRD、EBSD和纳米压痕等技术全面表征材料特性。

3.1 SFE的DFT计算

DFT计算揭示纯Cu的SFE(42.26 mJ/m²)显著高于纯Ag(18.17 mJ/m²)。掺杂使两者SFE均降低，其中Cu 5 at.%掺杂Ag薄膜SFE降至16.53 mJ/m²，Ag 4 at.%掺杂Cu薄膜降至37.12 mJ/m²，证实溶质原子可有效调控层错能。

3.3 溶质浓度对微观结构的影响

TEM显示4.7 at.% Cu掺杂Ag薄膜中纳米孪晶密度达93个/μm²，平均孪晶厚度7.3±2.3 nm。Ag在Cu中溶解度限制(4.9 at.%)导致其薄膜孪晶密度最高仅51个/μm²，表明SFE降低与溶解度共同决定孪晶形成能力。

3.4 织构演变规律

XRD与EBSD证实Cu掺杂Ag薄膜(111)织构系数>0.98，而Ag掺杂Cu薄膜仅0.72-0.90。这源于Ag(111)面较低表面能(1.25 J/m²)和Cu在Ag中的高溶解度(14.1 at.%)，使Ag基薄膜能保持稳定生长取向。

3.5 表面粗糙度与电阻率

溶质掺杂使表面粗糙度从纯金属的7 nm降至4-5 nm，电阻率呈线性增加。4.7 at.% Cu掺杂Ag薄膜电阻率2.77 μΩ·cm，较纯Ag增加50%，符合Matthiessen规则中溶质散射主导的电阻机制。

3.7 力学性能突破

纳米压痕测试显示4.7 at.% Cu掺杂Ag薄膜硬度达2.9 GPa，是纯Ag的2倍；2.5 at.% Ag掺杂Cu薄膜硬度达3.5 GPa。这种强化源于固溶强化、晶粒细化（XRD显示晶粒尺寸从23.9 nm降至14.0 nm）和纳米孪晶协同作用。

该研究创新性地通过溶质掺杂工程实现了Ag-Cu合金薄膜性能的精准调控，4.7 at.% Cu掺杂Ag薄膜兼具高硬度(2.9 GPa)、低粗糙度(～5 nm)和适中电阻率提升(～50%)，完美满足3D IC封装对金属直接键合材料的核心要求。研究建立的SFE-微观结构-性能关系模型，为开发新一代电子互连材料提供了理论指导和实践范例。