随着手机、计算机芯片不断向微型化、高布线密度方向发展，芯片性能持续提升的同时，也面临着难以回避的技术难题：高密度金属互连导线之间易发生信号串扰，造成信号传输速率下降，同时带来功耗升高的问题。降低互连层间绝缘介质的介电常数（k值），是缓解上述问题的重要技术途径。然而传统low-k材料长期存在“鱼和熊掌”无法兼得的矛盾：为获得更低介电常数以减小电容与信号延迟，需要在材料内部引入大量孔隙，但孔隙结构又会显著削弱材料的力学强度，二者难以协同优化。金属有机框架（MOFs）兼具丰富的孔结构与刚性骨架，是破解该性能瓶颈的理想候选材料。但采用传统方法制备的MOFs薄膜，晶粒多为细长针状且无序堆叠，膜内存在大量缝隙，表面粗糙度高，难以形成连续致密的薄膜，致使材料的本征性能优势无法充分体现。
针对上述low-k互连介质难以兼顾介电与力学性能的行业技术瓶颈，华中科技大学机械科学与工程学院陈蓉教授、杨帆副教授团队提出一种新型协同调控策略：利用乙酸锌与三乙胺协同调控晶体生长动力学，诱导MOFs晶粒发生反各向异性生长，改变传统工艺杂乱针状的晶粒形貌，成功制备出表面平整致密、兼具超低介电常数与优异力学强度的MIL‑53薄膜。该研究成果以“Anti-anisotropic Growth Enabled Compact MIL-53 Films for Ultra-Low k Interconnect Dielectrics”为题，发表于国际权威材料期刊《ACS Materials Letters》。宋吉升博士为论文第一作者，杨帆副教授、陈蓉教授共同担任通讯作者。论文DOI：https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.6c00130。
给晶体“踩刹车”，细针变短棒，薄膜缝隙一扫而空
普通MIL-53薄膜晶体是细长针状，长宽比高达9.8，密密麻麻扎在一起，薄膜表面坑洼不平，粗糙度近18 nm，内部全是微小缝隙。
团队巧妙利用金属离子配位特性改写生长逻辑：
1．先加入乙酸锌：锌离子和原MOFs晶体框架中的铝八面体配位结构不匹配，会吸附在晶体纵向延伸的端面，相当于给晶体“拉长”的道路设下障碍，针状晶粒被压成短粗小棒，晶粒长宽比直接降到3.6，表面粗糙度降到11.5 nm。
2．再搭配三乙胺（TEA）：显著提升溶液pH，加速有机配体解离，让基底瞬间长出大量细小晶核。无数小晶粒横向铺开、互相拼接填满缝隙，晶粒长宽比降至1.8，薄膜粗糙度仅4.7 nm，SEM形貌显示MOFs薄膜表面平整顺滑，晶间空隙几乎彻底消失。元素检测也证实，锌离子仅短暂参与调控晶体生长，反应后没有锌元素残留在薄膜内，不会影响薄膜本身材质。
超循环叠加制备工艺，纳米级薄膜厚度精准可控
集成电路的后端互连工艺，对薄膜的厚度调控有着严格的要求。
团队先通过原子层沉积（ALD）在硅基底制备超薄氧化铝种子层，再借助微波溶剂热反应，将氧化铝完全转化为MIL-53薄膜。实验发现，单次转化存在局限：若氧化铝初始厚度偏大，表层率先生成的致密MOFs层会阻隔有机配体扩散，底层氧化铝无法充分反应。为此，团队设计超循环制备策略：循环叠加“氧化铝转化为MOF薄膜”的制备工序。薄膜厚度与循环次数呈现稳定线性关系，可实现28.6 nm ± 1.4 nm每个循环的膜层生长。几十至百纳米区间内，能制备出均匀连续、厚度精准可控的MIL-53薄膜，适配各类先进芯片制程需求。
超低介电，耐高压漏电少，长期工作可靠性出色
Low-k薄膜的介电、耐压和漏电以及使用寿命，是芯片长期稳定工作的核心保障，改良后的致密MOF薄膜实现全方位升级：
超低介电常数：薄膜介电常数仅1.98，稳定维持在2.0以下的超低标准，能有效降低线路间信号延迟；
耐压能力翻3倍：传统薄膜承受1.6 MV cm−1就会击穿漏电，致密薄膜耐压强度达到6.6 MV cm−1；
漏电大幅减少：漏电流密度下降近两个数量级，从2.48×10−4 A cm−2下降至2.52×10−6 A cm−2，绝缘性显著提升；
超长稳定寿命：模拟芯片日常工作环境测算，在常规工作电场下，薄膜可持续稳定使用5.55年。
MOFs介电综合性能的显著提升得益于致密薄膜紧密堆积的晶粒与平整的表面结构，可实现电场均匀分布，有效抑制局部电荷聚集与电场集中效应，从而大幅提升击穿场强并抑制漏电流。
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