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电镀铜技术作为印制电路板、封装基板和集成电路实现电气互连的基石,在如今电子信息产业迅速发展的时代背景下遇到了前所未有的挑战。如何在集成度日益增加的印制电路板上维持层间互连结构的可靠性,如何在日益增加的生产需求中实现快速铜沉积以提高生产效率是当代电镀铜技术发展的主要诉求。酸性硫酸铜镀液体系是电镀铜技术的主流,通过复配添加剂可以调控铜的沉积并实现电气互连结构的均匀电镀。然而添加剂种类繁多,且长期以来缺乏有效的研究方法,因此添加剂的作用机理至今仍不明确。研究添加剂作用机理、开发新型添加剂是目前国际上研究电镀技术的难点。层间互连通孔是印制电路板实现电气互连最主要的方式之一,本文以提高印制电路板层间互连通孔的均匀性为目的,开发了不同应用场景的酸性硫酸铜电镀添加剂体系,并通过电化学、分子动力学、量子化学等手段对各添加剂体系的作用机理进行了研究。本文的主要研究内容及结果如下:（1）整平剂1-乙烯基咪唑聚1,4-丁二醇二缩水甘油醚（Poly（1-vinyl imidazole co 1,4-butanediol diglycidyl ether）,VIBDGE）的合成与性能研究。将1-乙烯基咪唑和1,4-丁二醇二缩水甘油醚共聚后分离提纯得到了VIBDGE并使用傅立叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectroscopy,FI-IR）和凝胶渗透色谱仪（Gel permeation chromatography,GPC）进行了结构表征。使用密度泛函方法计算了VIBDGE的前线轨道,预测了其整平性能。通过分子动力学模拟了其吸附特性,并比较了VIBDGE与常规整平剂健那绿（Janus green B,JGB）的性质差异。使用恒电流（Galvanostatic potential transient mesurments,GMs）和循环伏安法（Cyclic Voltammetry,CV）测试了VIBDGE的电化学特性及其与加速剂聚二硫丙烷磺酸盐（Bis-（sodium sulfopropyl）-disulfide,SPS）、抑制剂聚乙烯醇（Polyethylene glycol,PEG）之间的相互作用。结果证明,VIBDGE具有较强的极化能力,这种极化在不含SPS的情况下也存在,且VIBDGE与SPS、PEG都存在竞争吸附,这种的竞争吸附是动力学控制的。通过电镀测试直接验证了VIBDGE的整平性能,调控VIBDGE浓度后,PEG-SPS-VIBDGE组成的添加剂体系可以将通孔的均镀能力（Throwing power,TP）由46.38%提高到90.00%。（2）含氮杂环整平剂的合成与性能研究。在此部分内容中,研究了由嘧啶、吡啶、吡唑、咪唑和吡咯五种氮杂环化合物与1,4-丁二醇二缩水甘油醚共聚而成的整平剂的性能,五种氮杂环与1,4-丁二醇二缩水甘油醚的共聚产物依次将其标记为Leveler1到5。使用FT-IR和GPC对合成整平剂进行了结构表征,通过分子动力学研究了五种整平剂分子的吸附特性,并计算了五种整平剂分子的量子化学参数。通过五种整平剂分子的前线轨道能量预测Leveler1和2与铜具有最高的反应活性,而Leveler5的反应活性最低。Leveler3具有最高的表面静电势,由此预测其在高电流密度的情况下整平性能最好。使用GMs对五种整平剂分子的电化学性能进行了研究。正如五种合成整平剂的量子化学参数一致,Leveler1和2具有最强的极化能力,而Leveler5则没有极化能力。通过调控合成整平剂的浓度,可以实现在高低对流下的相对电位差大于0,具备实现通孔均匀电镀的能力。使用电镀测试板直接测试了所合成整平剂分子对通孔均匀性的影响,结果证明在2 A/dm2时,Leverler1和2的加入可将通孔TP由57.62%分别提高至83.82%和86.87%。此外,电流密度的提高对Leveler3的整平性能影响最小,在3 A/dm2时Leveler3的加入可使通孔TP由38%提高至72.37%。（3）开发应用于高速铜沉积的添加剂体系。传统添加剂配方难以在高速铜沉积中获得质量可靠的铜镀层,而对苯二酚的加入可以改善铜镀层的质量。通过电化学测试、分子动力学、X射线衍射（X-Ray diffraction,XRD）和扫描电子显微镜（Scanning electron microscope,SEM）等手段研究了对苯二酚在高速铜沉积中的作用机制。结果证明对苯二酚不影响铜电沉积中的电子转移和电结晶步骤中的成核模式,而是影响结晶的生长方向。而这种调控铜结晶生长方式是通过对苯二酚特异性吸附来实现的。对苯二酚选择性地吸附在铜（220）晶面上,造成该晶面的生长被抑制。因此,在核生长阶段,晶核的几何形状由层状生长转变为纳米立方颗粒的堆积。除此之外,对苯二酚是还原剂,在镀液中还可以起到稳定加速剂SPS的作用。对苯二酚的这两点特性促使了镀层质量的提高。电镀实验证明,使用PEG-SPS-对苯二酚体系在高速铜沉积（3.5 A/dm2）中可以使通孔TP由58.12%提高至68.48%,对比常速铜沉积（2 A/dm2）,该条件下生产效率提高了75%。（4）开发应用于高厚径比通孔电镀的添加剂体系。为了克服Fe3+/Fe2+电对在电镀时对铜层咬蚀的缺点,开发了有机氧化-还原电对作为通孔电镀面铜“减薄剂”,并研究了以蒽醌-2-磺酸钠为例的有机氧化-还原电对的作用机理以及其与SPS、PEG和JGB的相互作用。结果证明蒽醌-2-磺酸钠在镀液中可以与铜离子发生竞争还原,并且蒽醌-2-磺酸钠还会削弱PEG、JGB的极化能力和SPS的去极化能力。研究了蒽醌-2-磺酸钠对电镀铜电流效率的影响和对镀铜层形貌的影响。通过调控蒽醌-2-磺酸钠的浓度,并复配SPS、PEG和JGB后,将此添加剂体系应用于厚径比为10:1的通孔电镀中可将通孔TP由62.61%提高至82.76%。