铜电沉积过程的循环伏安行为及传质机制研究

陈思诚1, 何灵均1
1厦门大学
发布日期 2026

铜电沉积是集成电路铜互连制造中的关键工艺之一,其沉积行为受界面电化学反应与离子传质共同控制。循环伏安(CV)作为表征电极反应动力学和传质特性的重要电化学手段,其电流响应可用于分析电镀添加剂对电极反应及界面传质行为的影响。 本研究利用COMSOL Multiphysics®软件,建立了铜电沉积循环伏安过程的多物理场模型(图1),采用Butler–Volmer方程描述Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu的电极反应,并结合 Nernst–Planck方程对电解液中Cu²⁺等离子的传质过程进行耦合描述。通过引入实验条件下的电极面积(1.9635E-5 m²)、扫描速率(0.005 V/s)和交换电流密度(0.02 A/m²)等参数,对模型进行校准,使模拟CV曲线与实验结果在电流响应和变化趋势上具有较好的对应关系。进一步通过参数化扫描分析反应动力学与离子传输对CV响应的影响。结果表明,电极反应动力学与Cu²⁺传输之间存在显著耦合。当界面还原速率超过Cu²⁺向电极表面的补充速率时,界面Cu²⁺逐渐耗竭并形成明显的浓度梯度(图2),使体系由动力学控制逐步转向传质控制,并进一步影响反向扫描过程中的电流响应。通量分析显示,在当前模拟条件下Cu²⁺的扩散通量明显高于电迁移通量,表明扩散为Cu²⁺主要输运方式。 本研究建立了CV响应与界面反应、离子传输及浓度变化之间的联系,为进一步研究电镀添加剂对铜沉积过程的调控提供了模型基础。

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