高重复频率皮秒激光刻蚀硅基微米铜膜的热传递机制研究

研究人员针对集成电路产业中铜膜精密刻蚀的热传递机制不明确问题，采用双温模型(TTM)与热传导模型(HCM)耦合方法，揭示了高重复频率皮秒激光(UV-ps)刻蚀硅基微米铜膜的热扩散规律。发现界面电子-晶格处于热平衡态，单脉冲周期内热量快速向硅基底扩散，且重复频率对刻蚀深度影响微弱。该研究为半导体制造中激光加工工艺优化提供了理论依据。

　　

随着集成电路(IC)产业向高集成度发展，铜(Cu)膜因其低成本、低电阻和优异导热性成为核心导体材料。然而，传统湿法/干法刻蚀存在污染和精度局限，而皮秒激光(ps)加工虽能实现纳米级精度，但微米级Cu膜与硅(Si)基底间的热传递机制尚不明确——这直接影响了IC制造中精密图形刻蚀的质量控制。

为解决这一难题，国内某高校研究团队在《Optics》发表论文，创新性地结合双温模型(Two-Temperature Model, TTM)和热传导模型(Heat Conduction Model, HCM)，系统研究了355 nm高重复频率(200-1000 kHz)皮秒激光刻蚀1 μm厚Cu/Si双层材料的热动力学过程。通过12 ps脉宽激光实验与多物理场仿真，首次证实界面电子-晶格始终维持热平衡态，单脉冲作用后热量在4000 ps内从Cu表面传递至界面，水平/垂直方向扩散距离达17.4/6.3 μm。更突破性地发现，尽管重复频率升高会引发422-781 K的热累积，但远低于Cu临界温度(0.9 T_c=6926 K)，因此重复频率对刻蚀深度几乎无影响——这一结论通过相同单位面积能量密度下的实验与仿真获得双重验证。

关键技术方法包括：1）搭建M²≤1.2的紫外皮秒激光系统；2）采用扫描振镜控制激光轨迹；3）基于TTM-HCM耦合模型进行多脉冲热力学仿真；4）通过电子温度(28539 K峰值)与晶格温度演化分析电子-声子耦合效应。

热传递过程分析
通过TTM模拟显示，Cu膜吸收5.17 J/cm²激光能量后，电子温度在7.8 ps内飙升至28539 K，随后通过电子-声子耦合在50 ps内完成能量转移。值得注意的是，Si基底的高导热性使83.7%热量在单脉冲周期内完成扩散，形成"热沉效应"。

热累积效应验证
多脉冲实验表明，当重复频率从200 kHz增至1000 kHz时，累积温度仅上升359 K，且刻蚀深度保持1.02±0.03 μm不变。仿真数据证实，残余热量仅占单脉冲能量的0.13%，这种微弱的热累积特性使得高重复频率加工成为可能。

该研究首次从微观尺度阐明了微米级Cu膜与半导体基底的热传递规律，不仅为IC制造中激光参数选择提供了理论指导（如优先调节能量密度而非重复频率），其建立的TTM-HCM耦合模型更可推广至其他金属-半导体多层材料体系。研究团队特别指出，该方法对开发新一代高导热互连结构的激光微加工工艺具有重要参考价值。