973项目申报书-2009CB724200-超大规模集成电路制造装备基础问题研究

PAGEPAGE18项目名称：超大规模集成电路制造装备基础问题研究首席科学家：雒建斌清华大学起止年限：2009.1至2013.8依托部门：教育部

一、研究内容本项目以32nm及其以下线宽的IC制造装备所面临的纳米精度图形转移、超低应力平坦化、高密度封装、高速高精运动和超精密测量等关键共性技术为突破口，围绕下列三个重要科学问题展开研究：科学问题一、纳米精度制造中的界面与尺度效应及精确控制随IC制造未来向32nm及其以下线宽的推进，由尺寸效应而引起的铜导线的电阻率以指数关系上升。因此，互连结构的电阻和电容所引起的信号延迟效应越来越严重。超低k介电质材料的引入成为必然趋势。由于其与Cu力学性能的巨大差异，导致在图形转移、平坦化等工艺中界面问题成为关键瓶颈之一。在平坦化方面，如何在微区粗糙度、中等区域波纹度和大尺寸晶圆的全局平整度的三个跨尺度（纳米－微米－毫米）域中实现高精度控制、如何避免互连线损伤和界面剥离、如何在降低平坦化压力的情况下实现高效、大面积、均匀的材料去除等问题成为急需克服的屏障。同时，在作为图形高保真转移的关键方法之一，即纳米压印光刻方面，随线宽的缩小，界面的物理化学性能对阻蚀胶流变将产生很强的约束作用，其流变特性将显示出明显的尺度效应。为实现图形的高保真转移，界面的分子作用机制、纳米间隙流变规律、静电场诱导的分子自组装过程的界面行为等是急需研究的问题。针对这些难点，设置两方面研究内容：1）超低压力下异质表面纳米精度平坦化新原理与实现针对32nm及以下线宽、晶圆直径300-450mm、Cu互连与超低k介质材料的超大规模集成电路制造，需要探索超低下压力化学机械平坦化（CMP）新原理、异质材料表面CMP过程中材料的原子尺度去除规律，揭示表面间的摩擦化学和机械的耦合作用对原子尺度材料去除的影响，探明原子逸出数目与分布规律、多场耦合下界面分子刷趋向与刚度控制机制、超低应力平坦化过程实现异质材料均匀、快速去除机制和纳米二相流的流动规律等问题。从而提出新的超低应力平坦化方法、研制出新的CMP系统。拟研究五个部分内容：原子尺度（Å级）材料的去除机制；超低应力平坦化新方法—柔性分子刷；超低应力平坦化中界面行为与损伤控制；外电场辅助全局平坦化的原理和方法；超低应力平坦化的原理样机及工艺实现。2）纳米结构的外场诱导流变成形规律与控制电场和紫外光诱导的流变图形化过程将纳米结构的图形模板以纳米间距置于高分子材料(阻蚀胶)膜的上方，施加静电场驱动阻蚀胶分子在基材表面的运动聚集，形成图形，再以紫外光将液态的分子膜固化定型。这种图形化方法的本质是外场诱导的纳米尺度几何约束形变过程，其阻蚀胶与各工艺要素的交互作用与现有光学投影光刻过程中有显著不同。光学光刻过程中的阻蚀胶在激光能的作用下仅发生原位化学或物理作用。而在外场诱导流变成形时，阻蚀胶首先必须经历力学流变，然后在外部光能场的照射下发生光聚合固化反应。提高图形化效率，需要施加激光和热场等辅助能量形式，以提高分子的自由能。显然，在这种新的纳米结构图形化过程中，纳米尺度下的界面约束作用、流变规律和控制是核心问题。因此，拟展开以下研究：纳米尺度空间材料的流变行为；纳米成形中界面分子作用的规律及外场诱导机制；成形过程结构的几何形状及物理特性演变规律；纳米成形中的外场传输控制与装备实现。科学问题二、纳尺度键合的快速能量通道形成机制与性能调控为满足封装向系统集成、小型化、超薄化方向发展，基于引线键合的芯片堆叠三维封装和基于倒装互连的高密度封装将成为32nm及以下IC封装的主流工艺。预计到2013年，晶圆厚度将降低到40μm，凸点间距（pitch）降低到15μm，三维封装最小厚度减小到0.5mm，倒装芯片的I/O数增至5000个/cm2，封装的空间约束将发生根本变化，键合过程的复杂性也更加突出，对现有的键合原理和技术提出了挑战，如：三维堆叠芯片悬梁键合在非稳定状态下，多形态能量如何输入？键合界面如何响应？稳定可靠的超低弧引线如何成形？高密度超细凸点倒装键合中，热、力、流体、运动等多物理量如何精确控制？机械振动、温度变化等环境因素对超薄芯片多自由度精密操作的影响等等，需要研究“高密度封装多能场复合作用机制”这一核心科学问题，主要研究内容包括：1)超薄芯片叠层组合互连中多域能量传递与键合形成三维封装中堆叠芯片导致悬梁键合和超低弧引线等特殊需求，使互连的可靠性、稳定性要求大幅提高，迫切需要解决：1)芯片悬梁键合的动力学参数匹配问题。悬臂末端位移过大（>50µm），超声加载过程中悬臂处于振动状态，导致互连失效、强度降低、悬臂硅片裂纹等问题；2)超低弧(Ultra-low-loop)引线稳定性。超薄芯片、悬臂下面的引线和整个封装高度的降低，都需要发展<75µm的超低弧，且弧高/弧形一致性要求更严格，以避免同层线或上下层线间的短路。因此，需要研究如何在堆叠芯片悬臂上有效施加、吸收外场能量，实现高强度、高可靠性悬臂键合；研究空间引线成形过程中，引线微位移、微张力、刚度的动态匹配与弧形稳定性的相关规律，以提高弧高/弧形一致性。主要的研究内容：芯片悬梁键合中多形态键合能输入、响应与键合微结构的生成；复杂条件下的引线成形过程建模；键合头精密运动生成与高精度引线运动控制；键合过程与键合质量的监控理论与方法。2)高密度倒装键合中多物理量协同控制机制与实现对于32nm及以下线宽IC封装，超薄芯片（<40μm）高密度凸点（5000/cm2）超细间距（<15μm）的倒装键合过程中尺度效应和表面效应作用明显，超薄芯片与基板之间的翻转、定位、对准、调平等多自由度精密操作易受机械振动以及温度、湿度等环境因素影响而变得非常困难。由于高密度封装导致的热功率密度增加、有机基板的变形弯翘、芯片与有机基板热膨胀系数相差过大（1：6）等因素综合影响，倒装键合过程易产生较大的残余热应力和应力集中现象使封装界面分层失效，对热、力、流体等键合参数精确控制提出了挑战。因此，建立多自由度微米精度快速对准新原理，提出大尺寸超薄晶圆或微小芯片的快速转移与精确定位新方法；研究热、力、流体等多物理场复合作用下高密度倒装键合界面精确形成机理，提出热、力、流体等多物理量耦合多参数精确协同控制方法。研究内容如下：高密度倒装键合的多自由度快速精确对准；超薄晶圆/芯片的表面效应与可靠拾取；高密度微互连中的多物理场作用机理与精确控制；键合过程缺陷在线检测、实时诊断及质量评估；高密度超细间距倒装键合原型机研制。科学问题三：纳米制造系统的高速精确响应机制与运动精度生成原理随着光刻工艺逐步进入32nm及以下节点，在目前光刻机工件台运动控制系统中无需特别关注的微弱扰动、测量的时滞非线性、未建模动态特性对系统的精度和动态性能影响效应凸显，光刻机工件台的“极限”运动精度将带来一系列原理性问题。对环境的要求也向超高真空/超洁净发展，晶圆、薄膜和电路图案的制造过程在线检测和质量检测也越来越困难。这些问题对现有运动系统建模、测量、控制的理论和方法提出了新的挑战，如：光刻机工件台作为大惯量多体多场跨尺度系统，其中的力-热-光-电磁-流场等多物理场如何复合作用；如何补偿环境的微弱扰动，形成大尺寸范围高速运动的亚纳米测量精度；如何实现多轴测量数据与时间的同步，以及解决测量离散空间对高动态纳米精度运动表征的不确定性；如何实现大尺寸晶圆高效超洁净传输、超精加工的在线测量等等。需要围绕“纳米制造系统的高速精确响应机制与运动精度生成原理”这一核心科学问题，开展下面三个方面的研究：1）大惯量多体系统的多场多尺度建模与纳米精度运动生成光刻机工件台是大惯量多体混杂系统，在复合场的复杂作用下，从多个层面影响纳电子制造精度的生成。影响精度生成的各种因素之间并不完全独立，存在着静态与动态关联，其中环境扰动、运动系统自身复杂的机械特性是影响系统精度的主要因素。由运动系统多结构串联特征所带来的误差放大效应，也是影响系统总体精度的重要因素。为解决这些问题，需要建立并分析复杂环境中的扰动与动力学模型，分析各种误差形成机理，通过对动态与静态扰动的精确补偿以及精密振动控制，才能保障纳电子制造的最终纳米精度运动生成。主要研究内容如下：大惯量多体多尺度及多场系统的动力学建模与分析；曝光运动中激光干涉测量的动态流场对精度影响分析；精密运动机构的构型优化与振动控制；亚纳米精度下轨迹跟踪与曝光运动动态精度生成；光刻机动力学分析与纳米精度生成的综合实验验证。2）复杂环境下大尺寸超薄晶圆的高效稳定传输原理与实现随着IC的集成度和复杂性越来越高，对环境的要求也向着超高真空/超洁净的方向发展，如CVD、PVD和等离子刻蚀等制造阶段，为避免工件被氧化或被污染，晶圆的操纵环境的真空度要求达到10-9torr量级。大规模IC生产设备要求控制0.1μm的尘粒达到class1，甚至更严。在如此苛刻的环境下工作，对晶圆传输设备的运动生成提出了更高的要求。随着晶圆向大尺寸(≥300mm)发展，IC制造产能不断提高，传输设备的高效高可靠性成为一个重要的制约环节，在快速传输运动与晶圆快速拾放过程中，容易产生振动、擦伤、晶圆滑落等问题。随着晶圆向超薄(≤50μm)发展，如何避免超薄晶圆在传输中容易产生表面划伤、变形等问题，是超薄晶片成功取放的首要条件。主要研究内容如下：传输摩擦界面的固体薄膜润滑机理与控制；传输机构磁流体密封与高性能磁力传动；大尺寸超薄晶圆的高效可靠拾取机理与方法；大尺寸超薄晶圆高效稳定传输的轨迹优化与控制。3）晶圆表面加工中几何参数的纳米精度在线测量方法与表征在IC制造过程中，晶圆、薄膜和电路图案的加工质量检测是不可缺少的内容。为了解决32nm及以下线宽、300-450mm晶圆平坦化加工过程中铜膜厚度变化的实时在线检测和晶圆加工的高速高精度全局和局部微观形貌测量问题，本研究提出非接触快速高精度硅片微观几何参数测试方法，以实现32nm及以下IC制造过程硅片表面质量的在线测量。主要研究内容如下：基于电涡流原理的高频微波反射式涡流探测器的设计原理；高频微波反射式涡流探测器系统的构建以及与CMP工艺的集成；晶圆表面微观形貌在线检测的快速测量原理；晶圆异质表面光学特性对莫尔条纹形成的影响因素；大范围纳米分辨率微观形貌测量技术及方法。

二、预期目标【总体目标】针对高精度、高可靠和高性能IC制造技术和装备面临的技术挑战，通过上述七个课题的研究，实现IC制造若干关键工艺和先进装备的自主创新，造就一批从事该领域前沿科学研究的高科技人才，奠定支撑我国新一代IC制造技术和工业体系发展的理论和技术基础，为我国在IC制造装备领域实现跨越式发展，成为世界IC制造的主要生产和创新中心提供支撑。【五年预期目标】 第一方面：理论研究通过研究，建立面向32nm及以下技术节点IC制造装备的理论体系，争取在以下方面取得突破性进展：（1）通过对晶圆互连层表面平坦化机制和外场诱导流变成形规律的研究，揭示纳米精度制造中的界面与尺度效应，提出纳米精度制造的精确控制方法；（2）通过对高密度键合过程中多能场（热、流变应力、超声、摩擦化学）耦合作用规律的实验与理论研究，揭示纳尺度键合的快速能量通道形成机制，实现键合性能的调控；（3）通过对光刻机运动系统不确定因素的数理表达，解决多体、多场、多尺度制造装备耦合建模难题，进而揭示纳米制造系统的高速精确响应机制，提出运动精度生成的新原理。第二方面：技术成果通过本项研究，在下列若干关键技术上取得有自主知识产权的原创成果，建立我国高性能IC制造装备的关键技术平台。建立超低k值介质与Cu互连层的超低应力平坦化新方法及原理装置；实现32nm以下线宽结构的外场诱导流变图形转移，建立原理装置；面向32nm芯片三维叠层封装，实现超薄（40－50m）芯片、超低弧（75研制出高密度倒装键合原型装置，实现高密度（5000个凸点/cm2）、超细间距（<15μm）倒装键合；研制出光刻机精密减振器原型系统及超精密气浮运动台样机，实现6自由度减振系统的隔振率大于40dB（>2Hz），以及3nm同步扫描与定位精度；研制出超薄（40－80μm）晶圆的可靠拾取系统和适用于高真空度（10-9torr）、高洁净度（≤1级）环境的大尺寸（≥300mm）晶圆高效稳定传输装置；研制出分辨率<2nm的晶圆表面金属膜厚在线测量技术和26mm×33mm范围内的晶圆表面局部形貌分辨率<10nm的在线测试技术。第三方面：知识产权本项目研究过程中，拟在本领域国际权威刊物上发表高质量系列论文，SCI收录100篇以上，撰写专著2-3本，申请专利或软件著作权登记20-30项。培养一批从事IC制造装备的高层次人才，包括博士后、博士和硕士100名左右。

三、研究方案【学术思路】本项目的整体学术思路分为四个层次：1）针对IC装备制造向线宽32nm及以下发展所临的瓶颈，归纳出五项技术挑战，即low-k材料与Cu布线层表面的超低应力平坦化，纳米精度图形的高保真度转移，光刻机的定位、套刻和同步精度的进一步提升，封装互连的高密度化，大尺寸超薄晶圆的高效稳定传输；2）在此基础上集中解决3个关键科学问题：即纳米精度制造中的界面与尺度效应及精确控制、纳尺度键合的快速能量通道形成机制与性能调控，以及纳米制造系统的高速精确响应机制与运动精度生成原理；3）以多学科交叉与最新的理论方法和实验技术探索IC制造新原理，丰富和完善IC装备制造的理论体系；4）研发具有自主知识产权的关键技术和装备原型，突破32nm线宽IC制造的瓶颈。【技术途径】（1）以柔性分子刷与外电场调控相结合的方法实现超低应力平坦化。通过界面原子分子相互作用研究和多尺度数值模拟揭示材料的原子级去除机理和规律，建立包含机械/化学作用的CMP模型，探索平坦化新原理，减小平坦化过程异质材料界面的损伤和缺陷。（2）采用先进的表面修饰和新的能场诱导方式，突破界面对流变成形过程的阻力，提高图形转移的分辨率和保真度。针对纳米空间中受限介质的流变性质和流动规律变化，以电场诱导图性化分子自组装、激光或热场辅助驱动等方法克服表面粘着和流动阻力，实现纳米尺度结构的精确成形。（3）利用多普勒振动测试、高速图像和表面分析技术，提取键合过程中的相关信息，建立能量输运，界面结构形态，引线运动之间的关系。实现高密度三维叠层封装中的高可靠性互连。（4）运用数值模拟和多物理场复合作用分析，建立大惯量多体运动系统动力学与精度模型。揭示气固耦合运动系统中磁场、流场等扰动规律和控制方法。结合优化算法，利用坐标映射原理和最小信息熵理论建立误差分离数学模型和动态精度生成算法。（5）利用混合约束建模和多变量协同精密控制发展‘倒装键合’中多自由度实时自动对准新方法。利用热/声激励与主动红外探测，发展倒装键合过程中缺陷在线检测、实时诊断及质量评估系统，通过原型样机考察实际应用效果。（6）以轨迹规划、结构参数优化、多尺度接触分析等建立传输机械手的静动态模型，研制高性能磁力传输器和密封系统，发展低应力夹持方法，减小传输中的损耗与失效，实现IC制造特殊环境下大尺寸超薄晶圆的高效稳定传输。（7）采用高频微波扫描、变光源快速频移等现代光学技术实现制造过程中高精度在线测量。如引入谐振机制和去卷积技术提高精度，以免疫算法消除环境干扰，矩形光栅提高对比度，去包裹相位法提高测量范围等。【创新点】理论研究方法的创新本项目拟采用原子/分子尺度数值模拟、多尺度分析、多体动力学、多物理场耦合分析、现代优化算法、混合约束建模和多变量协同等理论方法来研究探索以宏观装备实现纳米精度表面、结构制造和互连的新原理。研究思路和技术创新本项目提出了新的技术路线和研究思路。如提出柔性分子刷技术实现超低下压力平坦化，利用图案化自组装和超声/静电场表面能控制方法改善图形转移精度、采用高频微波反射式涡流探测原理实现膜厚的高精度在线测量等。另外，以现代视频图像技术实现信息采集和精确定位，运用主动红外探测、高频微波扫描、变光源快速频移等现代光学最新技术实现制造过程中高精度在线检测等。与国外同类研究对比本项目提出实现32nm及以下线宽是国际IC制造业尚未实现和努力追求的目标，各课题中提出的各项技术指标，如表面超精加工精度、纳米压印的特征线宽，封装互连密度，运动平台的响应速度和定位精度等，也均是国际上尚未实现的先进水平。【组织方式】本项目集中了国内几所优势研究单位的多个强有力的学术群体，在发挥各自专长的同时，应定期组织学术交流，避免分散、孤立和重复研究，还需要与国际同行加强交流、保持密切的学术联系，保证研究工作的前沿性。为了项目的顺利、高效实施，我们拟设立核心领导小组和管理组。项目参加单位如下：清华大学：摩擦学国家重点实验室深圳清华大学研究院微纳工程实验室西安交通大学：机械制造系统工程国家重点实验室现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室中南大学：现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室ASM-中南大学微电子封装联合实验室华中科技大学：数字制造装备与技术国家重点实验武汉国家光电实验室（筹）哈尔滨工业大学：机器人技术与系统国家重点实验室【课题设置】根据三个关键科学问题，将项目研究内容分为三类七个课题，如图1所示。针对第一个科学问题，即揭示IC制造过程中的界面新现象和规律，提出新的制造原理和方法，并通过装备设计和制造，使新的制造原理和方法得以实现。主要从物理层次入手，将解决重大科学问题与关键技术瓶颈相结合，为解决IC制造前道两大关键问题，即超低应力平坦化问题和图形保真转移问题提供新的解决方法和技术。因此，设置二个研究课题。针对科学问题之二，即IC制造中的能量转换和传输问题，结合高密度三维封装中的键合互连，设置课题三和课题四。主要解决高密度3D互连以及倒装键合的装备实现问题。针对科学问题三，设置课题五、六、七，主要结合IC制造的普遍共性基础问题，即高精、高速和高可靠运动的形成、测量和控制问题开展研究，以便为IC制造提供基础平台。总体目标总体目标面向32nm及以下的IC制造提供新方法和新技术科学问题问题一纳米精度制造中的界面与尺度效应及精确控制问题二纳尺度键合的快速能量通道形成机制与性能调控问题三纳米制造系统的高速精确响应机制与运动精度生成原理课题一超低压力下异质表面纳米精度平坦化新原理与实现课题二纳米结构的外场诱导流变成形规律与控制课题三超薄芯片叠层组合互连中多域能量演变规律与结构调控课题四高密度倒装键合中多物理量协同控制机制与实现课题五大惯量多体系统的多场多尺度建模与纳米精度运动生成课题六复杂环境下大尺寸超薄晶圆的高效稳可传输原理与实现课题七晶圆表面加工几何参数的纳米精度在线测量方法与表征课题设置技术挑战超低k值介质铜互连表面的超低应力平坦化32nm及以下图形的高保真转移光刻机的3nm运动精度实现5000I/O点高密度三维组合封装的精确可靠互连40μm超薄大尺寸晶圆的高效稳定传输图1课题设置思路通过上述七个课题研究，从不同层次解决三个科学问题，以便建立32nm及其以下IC芯片制造装备的基础理论。同时在关键技术方面取得源创成果，以建立共性关键技术平台，从而为IC制造提供理论基础和技术支持。课题之间的关系是：课题一和课题二是揭示制造过程界面的影响机制和规律，提出IC制造中表面平坦化和图形转移的新原理和方法，并建立原理样机，以实现关键技术的突破。课题三、四主要解决课题IC制造后道的封装互连中多能场影响规律和制造原理问题，为突破高密度三维封装装备提供新的途径。课题五、六、七是支撑前面四个制造工艺所面临的运动控制与传输问题。七个课题的共同成果，形成IC制造装备的关键技术和基础理论平台。课题一：超低压力下异质表面纳米精度平坦化新原理与实现研究目标：针对32nm及以下线宽、晶圆直径300-450mm、Cu互连与超低k介质材料的超大规模集成电路制造，需要解决超低下压力CMP新原理、不同物性表面CMP过程中材料的原子尺度去除规律，多场耦合下界面分子刷趋向与刚度控制机制等科学问题，探索新的超低应力平坦化方法、研制新的CMP系统。研究内容：（1）原子尺度（Am级）材料的去除机制通过分子动力学和量子化学多尺度模拟计算，揭示表面间的摩擦化学和机械的耦合作用对原子尺度材料去除的影响；研究环境温度、下压力、表面相互运动速度等因素对表面去除率和表面质量的影响。（2）超低应力平坦化创新方法——柔性分子刷研究柔性分子刷的生成和表征；探讨软质层的形成、软化与表征；揭示柔性分子刷与抛光液对抛光片软质层的作用。（3）CMP中界面行为与损伤控制研究超精密抛光中加工表面间纳米固体颗粒的运动规律和纳米二相流的流动规律；探讨平坦化过程中的缺陷产生机理及其控制方法。（4）超低应力平坦化的原理样机及工艺实现设计大尺寸、高精度、自适应、区域压力控制抛光头；建立高稳定性低下压力气压加载系统；完成超低下压力平坦化原理样机的设计、制造；研究low-k材料与Cu导线的协同平坦化技术。（5）外电场辅助全局平坦化的原理和方法研究外电场调控柔性分子刷与平坦化表面的作用机制；揭示外电场对平坦化过程中化学机械耦合作用的影响规律。经费比例：21％承担单位：清华大学课题负责人：雒建斌教授学术骨干：胡元中、王慧、李永堂、潘国顺、郑志勇、顾卡丽、刘宇宏、马天宝课题二：纳米结构的外场诱导流变成形规律与控制研究目标：面向32nm以下纳米结构图形转移，从分子动力学和分子结构设计的角度探索高分子阻蚀胶材料与模板和基材固体界面分子间作用的规律和可控性，探明在光、热场、静电等能场作用下材料分子结构和相互作用规律的演变，从而发现采用外场控制材料本体和界面流变行为的方法，并为材料的设计和制备提供理论依据；同时，拟从纳米电磁动力学、分子运动热力学的角度出发，通过对多种能场在材料、纳米结构、界面处的传播与分布规律分析，为诱导模板制备、能场生成与控制等装备要素的设计奠定理论基础。研究内容：（1）纳米尺度空间材料的流变行为研究建立纳米尺度下高分子阻蚀胶材料特性的表征模型，以建立流动和变形力学过程的材料本构方程；研究纳米尺度高分子材料流变特性与分子链物理与化学结构的关系；研究材料流变行为的实验观察和理论仿真方法。（2）纳米成形中界面分子作用的规律及外场诱导机制研究阻蚀胶分子与基材接触固体表面和模板接近间隙空气之间界面的分子作用关系；研究阻蚀胶分子链在激光、热场和电场驱动下相对基材和模板的阻力和运动规律，探明工艺参数对流变过程的影响规律；（3）成形过程结构的几何形状及物理特性演变规律研究阻蚀胶在紫外光照射作用下物理相变过程的几何变形行为和力学特性演变规律，寻找纳米结构成形的误差及缺陷来源和控制方法；研究模板误差在阻蚀胶上的传递和转移规律，探索通过模板修形补偿最终成形图形的途径；研究多层对准套印过程中套印误差与工艺要素和参数的关系，为降低套印误差寻求流变成形工艺的优化途径。（4）纳米成形中的外场传输控制与装备实现研究强电场在模板体和模板纳米结构多尺度介质中的分布和传递规律，为模板材料的选择和模板结构的设计和制作提供理论依据；研究电场作用下模板纳米结构尖端效应和纳米间距条件下阻蚀胶分子的激发作用规律，探索新的流变成形控制方法和装备实现技术。经费比例：10％承担单位：西安交通大学课题负责人：丁玉成教授学术骨干：刘红忠、段玉岗、于德梅、魏正英、王莉、李本强、王伊卿课题三：超薄芯片叠层组合互连中多域能量传递与键合形成研究目标：针对三维叠层封装互连中更复杂的能量输入与响应机理，探索高可靠性悬梁芯片键合界面强度生成原理，研究实现低弧/大跨度互连引线快速、高精度成形过程的新方法，揭示键合过程多参数的相互影响规律及其与键合质量之间的关联规律，建立叠层封装键合界面科学与工艺装备体系，提出高可靠性三维叠层封装互连的新原理。研究内容：（1）芯片悬梁键合中多形态键合能输入、响应与键合微结构的生成研究芯片悬梁键合多能量输入通道，多能场的匹配与融合，多能场的发生与输入系统，研究悬梁键合动态条件下互连界面对多形态键合能的响应/吸收与微结构生成规律，研究高强度悬梁互连界面的生成条件，获得悬梁键合的工艺窗口。（2）复杂条件下的引线成形过程建模研究空间引线成形过程中，引线微位移、微张力、刚度的动态匹配与成形稳定性的相关规律，研究键合点状态对引线参数的影响，建立引线成形模型，提出键合头运动轨迹规划方法。（3）键合头精密运动生成与高精度引线运动控制提出键合头精密运动平台的结构，建立键合头运动平台的机－电耦合动力学模型，提出高精度引线运动控制理论与方法。（4）键合过程与键合质量的监控理论与方法建立封装过程工艺与装备多种特征信号的传感与采集系统；研究多种键合特征信号的提取，信息交叉与融合辨识；建立键合质量与特征信息之间的关联模型，形成键合质量与特征信息相互映射的评判依据。经费比例：15.5％承担单位：中南大学课题负责人：韩雷教授学术骨干：李涵雄、李军辉、王福亮、蔺永诚、隆志力、胡友旺、孙小燕、郑煜课题四：高密度倒装键合中的多物理量协同控制机制与实现研究目标：揭示超薄芯片精密定位与操作中尺度效应和表面效应，提出超薄芯片多自由度微米精度对准新原理，研究LowK材料、超薄芯片和有机基板等对键合界面性能和可靠性的影响规律，提出高密度倒装键合中热、力、流体等物理量精确协同控制方法，提出热/声激励结合主动红外探测的键合缺陷在线检测与诊断新方法，研制高密度微细间距倒装键合原型机，为我国微电子制造装备自主研发提供理论基础和技术支撑。研究内容：（1）高密度倒装键合的多自由度快速精确对准揭示倒装键合过程中的机械振动、温度变化、冲击变形等因素对多自由度对准精度的影响规律，提出基于多传感器的微小芯片位姿测量及其误差实时补偿新方法，提出抗噪声污染、信息缺失等干扰的强鲁棒性快速定位方法，建立高速工况下倒装键合多自由度微米精度快速对准新原理和新方法。（2）超薄晶圆/芯片的表面效应与可靠拾取研究超薄晶圆/芯片拾取转移过程中的尺度效应，揭示不同温度、湿度等环境下表面粘附力对芯片拾取可靠性和精度的影响机理，建立微夹持器与超薄晶圆/芯片之间的表面接触模型，提出适用于不同芯片材料和表面形状的高效操作策略，实现大尺寸超薄晶圆或微小芯片的可靠拾取与高效转移。（3）高密度微互连中的多物理场作用机理与精确控制研究LowK材料、超薄芯片、异质基板以及键合温度、压力、时间等工艺参数对键合界面性能和可靠性的影响，揭示热、力、流体等多物理场复合作用下键合界面精确形成机理，建立倒装键合界面失效与工艺参数之间的定量关系，提出热、力、流体等物理量精确协同控制方法。（4）键合过程缺陷在线检测、实时诊断及质量评估探索高密度倒装键合过程中异质材料、高密度微互连的缺陷实时检测新原理，提出热/声激励结合主动红外探测的键合缺陷诊断新方法，开发键合过程中缺陷在线监测系统，实现高密度芯片倒装键合质量的预测与评估。（5）高密度超细间距倒装键合原型机研制针对典型器件的高密度封装要求，研制集成精密定位、多物理量精确控制、高速高精运动控制、在线检测等单元技术的倒装键合原型机，实现超薄芯片、异质基板、高密度凸点的高精、高效、高可靠倒装键合。经费比例：18.5％承担单位：华中科技大学课题负责人：尹周平教授学术骨干：熊有伦、史铁林、廖广兰、吴金波、汤自荣、陈林、聂磊、赵江滨、王峻峰、来五星课题五：大惯量多体系统的多场多尺度建模与纳米精度运动生成研究目标：针对32nm及以下节点光刻机运动系统的高动态高精度性能要求，综合运用多学科理论和方法，分析磁-气-热复合作用下多体结构振动、多源非线性流场弱扰动测量精度的形成机理，探索运动机构构型优化、精密振动抑制、动态误差补偿、多轴时间同步修正等解决动态极限精度问题的原理和方法，揭示复合场作用下多体机构结构相互作用及超精密测量误差分离规律，满足纳电子制造对结构和测量需求。研究内容：（1）大惯量多体系统多场多尺度的动力学建模与分析研究磁-气-热等对精密运动机构结构复合作用机理，研究大惯量多体多尺度多场系统的动力学建模方法，研究大惯量多体结构在多场复合作用下的动力学参数辨识方法，研究复杂多体多尺度多场系统动力学的计算和分析方法。（2）曝光运动中激光干涉测量的动态流场对精度影响分析研究光刻机干涉测量过程中多源复杂动态流场结构化模型；研究基于最小信息梯度的动态流场测量辨识算法；研究多成分分析算法，揭示影响测量精度的关键因素,提出综合优化的测量方案。（3）精密运动机构的构型优化与振动控制研究光刻机精密运动机构拓扑结构优化，分析集“传感-反馈-作动-被控体”为一体的智能结构机电耦合行为规律，研究主被动振动控制统一建模与全局优化的理论方法，研究光刻机运动结构与主被动减振作用规律，研究主/被动振动控制器设计方法。（4）亚纳米精度下轨迹跟踪与曝光运动动态精度生成研究动态非线性弱扰动流场下亚纳米精度高泛化能力补偿算法；研究多自由度测量耦合误差模型及其空间精度修正；研究时基弱同步误差传递模型与预测校正算法；建立曝光对准测量非线性映射模型，研究融合系统运动信息的高动态精度补偿方法；开发时钟高同步性能的通讯板卡。（5）光刻机动力学分析与纳米精度生成的综合实验验证研制具有典型光刻机工件台运动与环境特征的大惯量多自由度超精密气浮实验平台，通过多自由度自标定模型优化与自标定算法研究，设计三维模板标定物理工件台；研发主被动振动控制器原型，开发光刻机运动系统硬件在环仿真实验平台，进行硬件在环仿真和综合物理实验，开展动力学建模、求解、结构优化的仿真研究，并研究纳米精度运动生成中的振动控制、扰动补偿、同步补偿、结构自标定算法。经费比例：17%承担单位：清华大学华中科技大学课题负责人：朱煜教授学术骨干：陈学东、郁鼎文、胡金春、尹文生、张鸣、李小平、罗欣、曾理湛、陈霸东、徐登峰课题六：复杂环境下大尺寸超薄晶圆的高效稳定传输原理与实现研究目标：面向IC制造装备对晶圆自动化传输的发展需求，研究超高真空超洁净极端环境下固体薄膜干摩擦润滑、低应力拾取与高效稳定传输控制等科学问题，提出复杂环境下大尺寸超薄晶圆高效稳定传输的新原理与新方法，为我国IC制造装备提供拥有自主知识产权的晶圆传输自动化关键理论与技术基础。研究内容：（1）传输摩擦界面固体薄膜润滑机理与运动控制研究传输机构干润滑剂基于分子动力学模型和有限元分析的多尺度摩擦磨损机理分析、设计、工艺实现与评价，摩擦力与运动控制耦合的多尺度数值仿真技术，以及基于干润滑剂设计的运动控制技术。（2）传输机构磁流体密封与高性能磁力传动研究针对超高真空环境的传输机构磁流体轴封结构和传输机构径向磁力传动器的设计方法，包括密封参数对密封耐压值与洁净度的影响规律，基于非线性弹簧分析的高效低转矩转速波动磁力耦合，以及磁力传动器位置控制。（3）大尺寸超薄晶圆的高效可靠拾取机理与方法研究拾取大尺寸超薄晶圆的失效模式和失效机理，建立晶圆拾取过程的交互接触模型，提出基于表面微凸点控制的接触式超真空拾取新方法，研究传输系统末端夹持工具的结构尺寸、表面粗糙度的优化设计方法。（4）大尺寸超薄晶圆高效稳定传输的轨迹优化与控制建立多自由度、并行传输系统的运动-晶圆夹持耦合的宽频带数学模型，分析高速传输时晶圆振动/滑移规律，研究基于传输运动系统关节速度/加速度/力矩约束、晶圆应力/夹持力约束、环境约束等复杂约束条件下的时间最优轨迹规划算法和抑振控制方法。经费比例：8％承担单位：哈尔滨工业大学西安交通大学课题负责人：孙立宁教授学术骨干：蔡鹤皋、毛均红、荣伟彬、刘延杰、董光能、陈立国课题七：晶圆加工的在线测量技术与表面质量表征研究目标：针对下一代CMP中金属膜厚及其晶圆微观形貌的测试技术，研究金属膜厚度及其晶圆微观形貌的测试新理论及方法，构建相应的实验装置，利用高频微波扫频技术实现探测器的最佳工作频率以提高金属膜厚在线测量精度及测量速度，采用无机械运动的变光源快速频移技术实现CMP加工晶圆微观形貌的快速、高精度在线测量，赶超国际先进水平，为晶圆加工和表面质量表征实现提供技术储备和手段。研究内容：（1）CMP金属膜厚实时在线测量原理与方法揭示高频微波反射式涡流探测器测量金属膜厚的机理；探索探测器参数对灵敏度和线性范围的影响规律；研制高效实时的信号处理方法与系