在納米電子器件領域，微型化與高集成度的快速發展對納米組件在運行條件下的原子尺度穩定性提出了嚴峻挑戰。隨著器件尺寸縮減至亞10納米級別，電遷移現象成為制約其可靠性的核心瓶頸，即在高密度電流驅動下，原子發生的定向擴散會逐漸損毀金屬互連線，最終導致整個器件失效。長期以來，銅和金作為主流的互連材料，在亞10納米尺度下表現出較高的電阻率增量和較低的擴散激活能，極易發生失效。傳統理論認為，電子風力是驅動金屬互連線中原子遷移的主要動力，其方向始終與電子流向保持一致，這已成為電子行業制定可靠性策略的基石。

由于復雜電子結構材料在原子尺度的制備、測試及可視化存在的技術門檻，研究者對過渡族難熔金屬互連線的電遷移機制知之甚少。盡管原位透射電子顯微技術已能捕捉傳統金屬的遷移過程，但其應用大多局限于幾十至幾百納米的較大尺度結構。這種實驗數據的缺失嚴重阻礙了面向工況的納米組件可靠性設計，導致人們難以預測和控制次世代互連材料在原子級維度的結構演化規律。

針對上述問題，由浙江大學、河南省學院等組成的團隊利用澤攸科技的原位TEM測量系統進行了系統研究，通過原位納米加工與電脈沖技術，在亞10納米尺度的鎢、鉬等難熔金屬中發現了原子逆電子流方向遷移的“逆風”電遷移現象，挑戰了由電子風力主導原子的傳統理論認知。

研究團隊通過精密實驗發現，在鎢和鉬等難熔金屬納米互連線中，表面原子在電脈沖驅動下表現出一種迥異于傳統認知的“逆風”遷移現象。傳統理論一向認為電子風力會驅動原子沿電子流方向移動，但在這些具有復雜電子結構的過渡金屬中，原子卻表現出反向遷移的趨勢。這一發現不僅直接挑戰了半個世紀以來金屬電遷移現象的固有范式，也為未來工況下高性能納米器件的可靠性設計提供了關鍵的理論依據。

圖1 脈沖誘導的鎢納米線表面原子遷移

為了克服在原子尺度下對納米互連線進行制備、測試和實時成像的技術極難，研究人員開發了一種集成的原位納米加工與電脈沖測試方法。在這一過程中，利用了澤攸科技的原位探針樣品桿，實驗人員能夠在電鏡內部精確操縱納米級鎢針尖進行原位納米焊接，從而構建出無晶格缺陷且晶面取向可控的單晶或雙晶納米互連線模型。這種基于原位探針樣品桿精密硬件的實驗方案，確保了在排除表面污染干擾的前提下，能夠以原子級分辨率實時捕捉電遷移誘導的表面動力學演化過程，為揭示電遷移的本征機制提供了高可靠性的數據支持。

圖2 通過表面電遷移實現的鎢納米線結構演化

通過一性原理計算與密度泛函理論模擬，研究團隊深入剖析了驅動力反轉的物理本質。研究表明，金屬原子的有效電荷受直接力和電子風力的共同作用，而在鎢和鉬等材料中，由于其獨特的電子能帶結構，電子與聲子的耦合強度較弱且電子散射時間較短，導致電子風力大幅度減弱。計算結果顯示，鎢和鉬表面原子的直接力與電子風力之比遠高于傳統互連材料銅和金，使得直接力在競爭中占據主導地位，從而驅動原子逆著電子流方向遷移。這一機制的闡明，標志著電遷移驅動力評價體系從單一的電子風模型向多力博弈模型的跨越。

圖3 表面電遷移過程中的原子臺階動力學

研究進一步探討了電遷移現象在納米互連線失效預防與精密制造中的應用前景。實驗觀察到，通過改變電脈沖的極性或調節表面臺階動力學，可以人為引導原子的堆積與耗盡，甚至在特定條件下實現陽極損傷的自我修復。這種由電脈沖調節的原子級表面形貌變化規律，不僅有助于制定更精確的納米器件壽命預測框架，也為原子級制造技術提供了新的工藝思路。這項研究成果不僅深化了人類對金屬輸運行為的理解，更為開發下一代抗電遷移的新型合金材料與多層互連結構指明了科學方向。

圖4 不同金屬中脈沖誘導的表面電遷移現象

FEI單傾探針桿

澤攸科技專注于掃描電子顯微鏡、原位測量系統、臺階儀、納米位移臺、光柵尺、探針臺、電子束光刻機、二維材料轉移臺、超高真空組件及配件、壓電物鏡、等離子體化學氣相沉積系統等精密設備的研究，滿足國家在科學精密儀器領域的諸多空白。澤攸科技以自主知識產權的技術為核心，依托一支專業的研發與生產團隊，經過二十多年的技術積累，在半導體加工設備和材料表征測量領域已屬于國內頭部。公司承擔和參與了國家重點研發計劃、國家重大科研裝備研制項目等多個重量級科研項目，多次實現國內材料表征測量設備的“國產替代”，相關產品具有較好的國際聲譽、產品檢測數據被國際盛名期刊采納。