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？

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。