铜由于其优异的电学性能，已在IC及其封装中逐步取代铝及其它金属，广泛应用于BEOL(晶圆制造后段工艺)中芯片上互连金属层MLI(Multilayer interconnect)，圆片级封装(WLP)中再布线(RDL)、铜柱互连(CuP)、微凸点等。由于铜的杨氏模量比铝、金、锡基共晶合金等传统材料高，铜在制备过程和热处理过程中，其内应力水平比传统工艺大，由此带来一系列的诸如翘曲、裂纹、孔洞等缺陷。由于当前模型无法准确评估该体系下的铜的应力及其演化规律，实际生产中铜互连由于过大的应力引起的产品过早失效时有发生，给制造商带来了巨大的损失。事实上，研究铜互连的应力及其演化，不仅是集成电路制造和封装业界的迫切需求，还涉及到一系列微观结构变化和众多塑性变形理论，一直是学术界的难点和热点问题。　　本文以WLP为背景，重点研究了铜在WLP的关键工艺之一RDL结构中的应力及其引起的翘曲问题。RDL包含很多特殊的工艺制程，如PI钝化层制备、多次高温退火工艺等，因此会导致铜内部积累大量的热应力，进而引起晶圆的翘曲。较大的晶圆翘曲会严重影响后续工艺的精度及自动化操作，同时带来诸多可靠性问题。目前，随着芯片集成度的不断提高，以及大尺寸晶圆的采用，铜互连的应力及晶圆翘曲问题也变得越来越严峻，已成为WLP发展所面临的主要挑战之一。　　首先分析了WLP中单层铜薄膜的应力演化过程。研究了薄膜在热冲击下的滞弹性响应、薄膜在温度循环下的温度回滞特性、图形化下边缘效应等常见的RDL工艺中影响铜的应力演化的行为。提出了基于等效扩散激活能的铜薄膜应力演化模型，有效简化了传统的铜塑性变形理论并提高了预测精度，有望应用于实际生产并对铜应力和晶圆翘曲进行监测。　　本文还分析了引入PI后的复合铜薄膜的应力及其晶圆翘曲问题，分析了PI对铜应力分布和对晶圆翘曲的影响。实验结合有限元分析发现，虽然PI的引入并不会降低晶圆翘曲，但发现PI会扩展铜的边缘效应，抑制了铜的温度回滞特性。　　最后，实验发现高的铜内应力与铜的纳米孪晶化有直接关系，后者被证明具有优良的电学、力学、热学等综合性能，非常有望广发应用于WLP中的铜互连。通过理论研究、实验验证结合分子动力学模拟方法，分析了纳米孪晶铜的溅射、电镀制备工艺及其对应的形核机理，分析了提高孪晶密度的方法，分析了纳米孪晶铜热稳定性，发明了一种与WLP工艺兼容的快速退火法来制备纳米孪晶铜。在业界首次通过脉冲电镀将纳米孪晶铜引入再布线，通过比较了翘曲-温度循环曲线的特征值，证实了纳米孪晶铜RDL在热稳定性和晶圆翘曲方面的优势。