在一部智能手机里，参与4G/5G、Wi-Fi与卫星导航频段选择的SAW滤波器，是键合晶圆最贴近我们的应用之一。将铌酸锂、钽酸锂等压电材料与高声速、高导热或绝缘衬底组合，可为射频器件拓展高频、宽带、低损耗与温度稳定性的设计空间；同样的技术也支撑MEMS传感器气密封装、SOI器件和三维异质集成。两片晶圆如何从贴合走向可量产、可长期可靠的器件基础？答案要从晶圆键合最早的“握手”说起。
01 晶圆键合概念的萌芽
十八世纪的伦敦，正处于科学革命的黄金时代。在皇家学会的讲堂里，一位名叫约翰·特奥菲卢斯·德萨居利耶（John Theophilus Desaguliers, 1683–1744）的实验大师正在为学者们演示一个令人惊讶的实验[1]。德萨居利耶出身于法国胡格诺派移民家庭，是牛顿（Isaac Newton）的忠实追随者与实验演示者，也是皇家学会最受尊敬的馆员之一。他曾在牛津大学求学，后成为牛顿力学思想的积极传播者，以其精湛的实验技艺和生动的演讲闻名于当时的科学界[2]。
图1 德萨居利耶的铅球附着实验[1]
1725年，德萨居利耶在皇家学会的一次演示中，将两个铅球的切面用力压在一起并稍加旋转，使它们的表面尽可能紧密接触。令在场所有人惊讶的是，这两个铅球竟然紧紧地”焊”在了一起。要将它们分开所需的力量远大于大气压力[1]。德萨居利耶将这一现象归因于两个固体在紧密接触时产生的附着力。这很可能是人类历史上第一个有文献记载的”冷焊”案例：两个铅块在室温下通过塑性变形实现了原子级别的紧密接触，从而形成了牢固的金属键合。
时间流转至二十世纪初，光学工业的兴起带来了一个有趣的”烦恼”。当时，光学工匠们发现，被抛光到光学质量的精密光学元件会莫名其妙地自发粘在一起[3]。同样的现象也出现在用于精密测量参考尺度的光学抛光金属端块上。在那个时代，这种粘附更多地被视为一种麻烦而非优势，工匠们不得不小心地将粘在一起的光学元件撬开。这些被粘在一起的通常是体积较大的块状光学元件（如棱镜），远非今日用于晶圆键合的薄片材料。但这些观察积累了一个重要的经验性认识：当两个光滑到原子级平整度的脆性材料表面相互靠近时，大自然似乎有一种让它们”渴望”结合在一起的倾向。
这一领域迎来了第一个系统性的科学研究是在1936年。第三代瑞利男爵（Lord Rayleigh, 1842–1919）的儿子，同样杰出的物理学家小瑞利（Robert John Strutt, 4th Baron Rayleigh）对玻璃在室温下的粘附行为进行了开创性的实验研究[4]。然而，瑞利的这篇先驱性论文并未立即引发后续的技术发展。在那个年代，学术界对表面粘附的兴趣主要停留在基础物理层面，没有人预见到这一原理有朝一日会成为半导体制造的关键工艺。
表面粘附理论的突破和精密分析的出现要等到二十世纪六十年代末。在英国剑桥大学，大卫·泰伯（David Tabor, 1913–2005）及其合作者发明了一种精妙的实验装置——表面力仪，首次实现了对两个曲面之间相互作用能量的直接测量[5-6]。泰伯将两片云母薄片粘贴在圆柱形的玻璃基底上，使它们以十字交叉的方式相互靠近，模拟球面与平面的接触。通过多光束干涉技术，他们能够将表面间距的测量精度大幅提升。当一个表面固定在刚性支架上，另一个安装在弹性悬臂梁上时，两表面逐渐靠近至某一临界距离时会发生”跳跃接触”现象，吸引力克服了悬臂的刚度，使两个表面瞬间贴合在一起。
1969年，泰伯与温特顿（R. H. S. Winterton）在《英国皇家学会会刊》上发表了里程碑式的论文，首次直接测量了范德华力和迟滞范德华力，证实了Lifshitz关于范德华力的理论预测[5]。他们的实验表明，在间距小于约10纳米的范围内起主导作用的是范德华力，而在大于20纳米的距离上则是迟滞范德华力。随后，以色列萨奇维利（Jacob N. Israelachvili）进一步改进了表面力仪，将可测距离范围扩展至130纳米[7]。这些精密测量揭示了表面粘附的本质：当两个表面接近到纳米尺度时，无处不在的范德华力会在它们之间产生强大的吸引力。表面上的单层水分子等具有高偶极矩的分子薄膜也会显著影响这种相互作用。
图2 测试设备照片[7]
不过，从“理解表面力”到“可制造的晶圆键合”之间，还隔着材料选择、工艺窗口和设备控制等工程难题。真正把键合带入半导体制造的，并不是一开始就追求室温原子级贴合，而是另一条更容易工业化的路线：在加热条件下施加高电场，利用含碱金属离子的玻璃与硅发生电化学封接。这个技术的诞生，标志着晶圆键合从自然现象观察走向工程化应用的第一个里程碑。
02 阳极键合—晶圆键合的第一个里程碑
1969年，对半导体器件制造领域而言是一个值得铭记的年份。这一年，乔治·沃利斯（George Wallis）和丹尼尔·I·波美兰茨（Daniel I. Pomerantz）在美国《应用物理杂志》（Journal of Applied Physics）上发表了一篇标题朴素的论文——“电场辅助玻璃-金属封接”（Field Assisted Glass-Metal Sealing）[8]。这篇仅有四页的论文，却掀开了晶圆键合技术历史的新篇章。
沃利斯和波美兰茨工作的机构是位于美国马萨诸塞州伯灵顿的布兰德斯公司。他们的研究目标很实际：寻找一种能够在远低于玻璃软化点的温度下实现玻璃与金属可靠封接的方法。传统的玻璃-金属封接需要将整个组件加热到玻璃软化点以上，这对于已经集成了温度敏感元件的器件来说是不可接受的。到了1960年代末，硅基传感器和微型机械结构的雏形已经出现，业界需要一种既低温、又可靠、还能实现气密封装的玻璃-硅连接方法。阳极键合正是在这一工程需求中脱颖而出。
阳极键合的原理堪称电化学与材料科学的美妙结合。沃利斯和波美兰茨的实验设置并不复杂：将硅片放置在加热板上作为阳极，上方覆盖一层硼硅酸盐玻璃（如康宁公司的Pyrex 7740玻璃），玻璃的顶面通过点接触电极与阴极相连。当温度升至约400°C，并在两电极之间施加数百至一千五百伏的直流电压时，奇迹发生了，玻璃与硅片在约一分钟内便实现了牢固的封接[8]。
这一过程背后的物理化学机制极为精巧。在高温下，玻璃中的钠离子（Na⁺）获得了足够的迁移率。在电场的作用下，这些可移动的Na⁺离子从硅-玻璃界面处向阴极（玻璃顶面）迁移，在那里被中和。这一过程在界面附近的玻璃中留下了一层Na⁺耗尽层，一个充满固定负电荷（主要是O²⁻和Si-O⁻）的空间电荷区域[9]。这个耗尽层的形成至关重要，它类似于一个充电中的电容器：电压降主要集中在这个极薄的区域上，从而产生了极强的静电场。该电场在两个晶圆之间产生强大的静电吸引力，足以使硅和玻璃表面实现原子级别的紧密接触，即便存在微米级的表面翘曲也能通过弹性变形来适应。同时，界面处的氧离子（O²⁻）在电场驱动下向硅表面迁移，与硅发生阳极氧化反应，形成稳定的Si-O-Si共价键。正是这些共价键的建立，赋予了阳极键合极高的键合强度和优异的气密性。
图3 阳极键合设备[9]
沃利斯和波美兰茨最初的论文主要关注玻璃与金属的封接，但他们很快意识到这一技术在硅基器件上的巨大潜力。硅不仅是半导体工业的基石，而且其热膨胀系数与Pyrex 7740硼硅酸盐玻璃（约3.3×10⁻⁶/K）非常匹配，这大大降低了键合后在冷却过程中因热应力导致的开裂风险。1969年的这篇论文中，沃利斯已经在封接实验中使用了几百伏到上千伏的电压，键合温度则在200°C到500°C的范围内。他强调，外加电场的方向至关重要，玻璃必须相对于金属（或硅）处于负电位，否则键合无法发生[8]。
阳极键合技术一问世，便迅速引起了硅基传感器封装领域的关注。除沃利斯与波美兰茨的论文外，波美兰茨同名专利进一步把电场辅助封接用于半导体器件保护与封装语境，使阳极键合开始进入传感器和MEMS封装的工艺视野[10]。而最具标志性的里程碑出现在1979年，斯坦福大学的L. M. 罗伦斯（L. M. Roylance）和J. B.安吉尔（J. B. Angell）发表了被誉为MEMS加速度计领域开创性论文的”批量化制造硅加速度计” [11]。这篇基于罗伦斯1977年博士论文的工作，详尽地描述了一种采用阳极键合技术封装的玻璃-硅-玻璃三明治结构加速度计。他们在n型（100）硅片上制作出悬臂梁-质量块结构，并通过压阻效应检测加速度引起的应力变化。两片Pyrex 7740玻璃盖板通过阳极键合分别封接在硅片的上下两面，既保护了精密的压敏电阻扩散区，又通过密封腔体为悬臂梁提供了阻尼环境控制。
罗伦斯和安吉尔的工作具有深远的历史意义。这不仅标志着阳极键合从一项实验室技术正式走向工程化量产，更重要的是，它为MEMS器件的批量化制造提供了一条可行的技术路径。安吉尔教授是斯坦福大学电子工程系的著名学者，他在MEMS领域的远见卓识为该技术方向的早期发展奠定了坚实基础。罗伦斯则以其出色的工程才能，将设计、制造、分析与优化融为一体，展示了阳极键合在MEMS封装中的卓越性能。
在此后的数十年间，阳极键合技术在MEMS制造中得到了极为广泛的应用。压力传感器是最早受益的领域之一，通过在硅片上刻蚀薄膜并形成压力敏感腔体，再用玻璃盖板通过阳极键合进行真空密封，可以制造出高精度、高可靠性的压力传感元件。加速度计则利用阳极键合的玻璃盖板作为过载保护结构和阻尼控制腔体，显著提升了器件的性能和可靠性。随后，微泵、光学MEMS器件以及晶圆级真空封装等方向也把阳极键合作为重要的气密封接手段[12-13]。
图4 微传感器的真空封装方法[13]
阳极键合的另一项重要优势在于其能够提供真正的气密封接。键合强度通常可达10-40 MPa，而且封接后的界面能够有效阻止气体和液体的渗透，这对于需要长期保持真空或惰性气氛环境的MEMS器件（如谐振器、陀螺仪和惯性传感器）至关重要。1993年，海密（Henmi）等人报道了利用阳极键合实现MEMS器件的晶圆级真空封装[13]，这一技术大幅降低了高精度MEMS传感器的制造成本，为其大规模商业化铺平了道路。
当然，阳极键合也有其固有限制。首先，它通常要求一侧为含有可迁移碱金属离子的玻璃，另一侧为可导电材料，这使材料组合受到约束。其次，数百至上千伏电压和300-500°C热预算并不适合所有已完成CMOS电路的晶圆，高电场还可能影响电容、晶体管和介质层等敏感结构[14]。此外，离子迁移会在玻璃侧形成耗尽层，在精密光学或特殊电学应用中可能带来额外影响。也正是这些限制，推动研究者转向另一条路线：不再依赖玻璃中的离子迁移和外加电场，而是依靠超洁净、超平整表面之间的直接相互作用来实现键合。
03 硅直接键合的诞生
时间来到二十世纪八十年代中期，晶圆键合技术站在关键转折点上。阳极键合已在MEMS封装中证明了价值，但它依赖玻璃和高电场；SOI材料又迫切需要把一层高质量硅膜与绝缘层可靠结合。工程师们由此提出一个更直接的问题：能否让硅片与硅片在不依赖玻璃离子迁移的情况下结合，并通过后续退火把初始吸附转化为真正的共价键？这个问题的答案，将改变SOI技术的命运，也为三维集成时代埋下伏笔。
3.1 Lasky的”键合-回蚀”之路
1985年12月，在美国华盛顿特区举行的国际电子器件会议（International Electron Devices Meeting，IEDM）上，一位来自IBM的工程师J. B. Lasky向与会者展示了一项足以改写半导体材料史的成果。Lasky与其同事共同发表了题为”Silicon-on-insulator (SOI) by bonding and etch-back”的论文，首次系统性地提出了通过晶圆键合结合回蚀工艺制造SOI结构的方法[15]。
Lasky的工艺路线可以分为三步：首先，在一片硅片上热生长二氧化硅（SiO₂），作为未来SOI结构的埋氧层；随后，将氧化硅表面与另一片硅片进行面对面接触，室温下先由范德华力、氢键以及表面水膜形成初始贴合；最后，通过700°C以上退火，使界面硅醇基（Si-OH）逐步脱水缩合，生成Si-O-Si共价键网络[16]。在键合完成后，再通过选择性腐蚀或回蚀把供体硅片减薄，得到器件可用的SOI结构。
Lasky团队制备的SOI材料质量令人瞩目：电容测量显示少数载流子寿命达到27微秒，SOI与埋氧层界面处的固定电荷密度极低，且键合界面几乎没有可检测到的电荷积累[16]。这意味着键合过程并没有在界面引入大量的电学缺陷，器件级的SOI材料已经触手可及。基于这些SOI晶圆，团队成功制备了N沟道和P沟道FET器件，其阈值电压和迁移率均与体硅对照样品相当，亚阈值漏电小于每微米沟道宽度1飞安[15]。
Lasky团队认为，键合的驱动力源于两方面：一是界面间气体被消耗产生的负压效应，将两片晶圆拉近；二是两个表面上硅醇基（Si-OH）之间的聚合反应，脱水缩合形成Si-O-Si共价键网络[16]。这篇论文成为了硅直接键合领域的奠基性文献之一，至今被引用数千次。
3.2 Shimbo与东芝的突破
科学史上常有”殊途同归”的佳话。几乎在Lasky于IBM深耕键合SOI的同时，远在日本的一位东芝公司研究员M. Shimbo也在进行类似的探索。1986年，Shimbo与同事在《Journal of Applied Physics》上发表了题为”Silicon-to-silicon direct bonding method”的论文，独立报道了硅-硅直接键合技术[17]。
图5 硅-硅键合键合界面的TEM截面点阵图像[17]
Shimbo的方法与Lasky既有相似之处，又各具特色。他展示了氧化硅片之间可以键合，也展示了裸硅片之间能够直接键合，从而获得接近外延生长的界面质量。这种“裸硅对裸硅”的键合方式尤为重要：它说明直接键合并不只是SOI制备的辅助手段，还可以成为异质集成的一种通用连接方式，使某些难以通过外延实现的材料组合通过键合完成。Shimbo团队还证明，直接键合界面在热、化学、机械和电学上都非常稳定，键合界面没有可观测到的电阻，意味着该界面在电学上近乎“透明”[17]。
东芝团队的工作不仅验证了晶圆键合技术的普适性，更将其应用拓展到了功率器件领域。他们利用直接键合的硅片成功制造了耐压高达1800V的绝缘栅双极晶体管（IGBT），以及介质隔离的光电二极管阵列和500V功率集成电路[17]。这些成果向业界传递了一个明确信号：晶圆键合不是一种只能在实验室里”玩票”的精巧手艺，而是可以支撑起千亿美元级产业的关键制造技术。
3.3 键合机理：原子层面的”牵手”
硅直接键合（Silicon Direct Bonding），又称熔融键合（Fusion Bonding），其本质是两个超平整、超洁净的硅表面在室温下通过范德华力和氢键实现初始接触，再经高温退火使界面原子重排、形成共价键的过程[18]。
图6 裂纹扩展法原理示意图[18]
整个键合过程可以形象地理解为一场精密的”原子级握手”。首先，经过RCA标准清洗的硅片表面会吸附大量羟基（-OH），形成硅醇基（Si-OH）。当两片这样的硅片面对面靠近时，表面吸附的水分子通过氢键和毛细作用力将它们拉在一起。随后，在数百摄氏度的高温退火中，两个相对的Si-OH基团发生脱水缩合反应：
Si-OH + HO-Si → Si-O-Si + H₂O
这个反应释放出水分子，同时形成了与石英内部结构完全相同的Si-O-Si共价键网络。随着退火温度升高（通常在800-1100°C），界面上几乎所有的Si-OH都参与反应，键合强度最终趋近于体硅材料的断裂强度[18]。残留的水分子则通过氧化层向外扩散排出。界面上的微观起伏在高温下通过氧化物的粘滞流动逐渐抹平，最终实现原子级别的无缝结合。
3.4 SOI制造的初期道路：BESOI与SIMOX
从1980年代中期开始，SOI材料制备形成了几条并行竞争路线。Lasky推动的键合回蚀法（Bond and Etch-Back SOI，BESOI）通过晶圆键合后再机械研磨/化学腐蚀减薄上层硅片；另一条是氧注入隔离（Separation by Implanted Oxygen，SIMOX），通过向硅片中注入高剂量氧离子（约10¹⁸ cm⁻²），再经高温退火形成埋氧层[19]。二者的竞争，本质上是“键合后减薄”与“体内注氧成氧化层”两种思路的竞争。
BESOI的优点在于可以获得高质量的顶层硅膜，且设备要求相对较低；但其致命弱点是顶层硅的厚度均匀性极差，依赖机械研磨的精度，很难将厚度控制在微米级别以下且保持全片均匀。SIMOX虽然可以精确控制埋氧层的位置，却需要昂贵的专用离子注入机，且高剂量注入引入的缺陷密度较高，同时氧离子注入会在埋氧层中残留硅岛，影响器件性能[20]。
BESOI与SIMOX的竞争为后来的层转移技术留下了清晰的痛点：前者界面质量好但厚度控制难，后者厚度位置可控但注入损伤和设备成本高。后来Smart Cut的价值，正是在于把“键合界面质量”和“离子注入深度控制”结合起来，用可控裂解替代粗放回蚀，从而解决顶层硅厚度均匀性这一核心难题。
3.5 从IC到MEMS
晶圆键合技术的影响力很快超出了传统集成电路的范畴。1988年，K. Petersen及其合作者在Hilton Head Island举办的固态传感器与执行器研讨会上发表了题为”Silicon fusion bonding for pressure sensors”的论文，首次将硅熔融键合技术引入MEMS领域[21]。
Petersen工艺的核心思路是在一片硅片上通过各向异性腐蚀刻蚀出参考压力腔，然后将第二片硅片通过熔融键合密封在上方，形成真空腔体。再通过对上层硅片的减薄，可以获得精确控制厚度的压力敏感膜片。压阻式传感元件随后被植入膜片表面，构成完整的压力传感器[21]。
这一方法相较传统从背面进行各向异性湿法腐蚀释放膜片的工艺，带来了几个革命性的优势：首先，芯片尺寸显著缩小，传统方法需要留出大面积的背腐蚀窗口，而键合方法将腔体埋在芯片内部；其次，工艺与标准CMOS流程更加兼容，便于实现单片集成；第三，真空参考腔的密封质量大幅提高，传感器的长期稳定性得到改善。
Petersen的工作开创了一个全新的技术范式。此后，硅熔融键合迅速成为MEMS制造的核心工艺之一，被广泛应用于加速度计、陀螺仪、喷墨打印头、微流体器件等众多产品中。从NovaSensor到后来的Silicon Microstructures，一大批MEMS企业建立在晶圆键合技术的基础之上[22]。
从1985年到1988年，短短三年间，晶圆键合技术完成了从IC到MEMS、从实验室到产业化的关键跨越。
04 亲水键合技术的演进
4.1 亲水键合模型的提出
亲水键合的故事，要从硅片表面那一层看不见的水膜说起。当我们将一片经过标准RCA清洗的硅片置于空气中，它的表面会迅速被一层薄薄的氧化硅（SiO₂）覆盖，而这层氧化硅上又吸附着大量的羟基（-OH）。这些羟基如同无数双伸向虚空的小手，急切地等待着与另一个表面上的伙伴相握。1989年，德国斯图加特的Stengl等人基于红外光谱学的系统研究，首次提出了亲水键合的三阶段模型，为这门新兴技术奠定了化学基础[23]。该模型至今仍被教科书引用，其核心思想可概括为：
第一阶段：室温预键合。 两片硅片表面靠近时，各自的Si-OH基团通过氢键相互连接，中间还夹着几层水分子网络，如同两个湿漉漉的肥皂泡轻轻贴在一起。此时键合能仅为0.06-0.1 J/m²，微弱得如同晨露的表面张力，但已足够让两片晶圆在室温下自发贴合在一起，形成所谓的”键合波”[24]。
第二阶段：中温脱水。 当温度升至约180–300°C时，界面处吸附的水分子开始脱附蒸发，同时Si-OH基团之间发生缩合反应：
Si-OH + HO-Si -> Si-O-Si + H2O
这个反应在化学上被称为”硅醇缩合”，它将脆弱的氢键转化为更加坚固的共价键。但此时反应尚不完全，释放出的大部分水分子会扩散进入硅衬底或氧化硅层中，一小部分则可能在界面处形成空洞，这是工艺工程师们最不愿见到的”不速之客”[23]。
第三阶段：高温固化。 当退火温度超过700°C时，界面处的Si-O-Si键网络逐渐致密化，表面微粗糙度在高温下被”抹平”，氧化硅如同受热融化的蜡一般流动，填满了微观层面的凹凸不平。键合强度也随之飙升，在900°C以上可达约2.5 J/m²，与单晶硅的体断裂能相当[24]。此时，两片硅片之间的界面已近乎消失，键合强度测试中的断裂往往发生在硅片本体而非界面处。
图7 亲水键合模型[23]
4.2 CMP：键合质量的关键使能者
直接键合对表面质量的要求堪称苛刻：表面粗糙度须小于1 nm，对于最先进的应用甚至要求低于0.5 nm（约相当于2–3个硅原子层的高度）。这是一个什么概念？如果将一片8英寸的硅片放大到地球大小，那么表面允许的起伏仅相当于一座小土丘的高度。
化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技术完美地应答了这一挑战。它结合了机械磨削与化学腐蚀的双重作用：抛光液中的磨料颗粒（如SiO₂或CeO₂微球）在压力下对晶圆表面进行纳米级”研磨”，同时碱性或酸性化学物质选择性地腐蚀掉表面凸起部分。这种”削峰填谷”的协同效应，使得CMP能够将硅片表面处理到原子级别的平整度。1990年代，CMP技术刚从多层互连的介电层平坦化领域走向成熟，便迅速被键合工程师们”借”来，成为亲水键合不可或缺的预处理步骤。今天，没有CMP的直接键合几乎是不可想象的——这正如没有磨刀石的厨子，纵有再高明的技艺也切不出薄如蝉翼的肉片。
4.3 从高温到低温的温度革命
传统亲水键合工艺最大的软肋，是它对高温退火的依赖。700°C以上的退火在裸硅或SOI衬底制备中尚可接受，但对CMOS晶圆而言通常不可承受：掺杂分布会扩散，金属互连、阻挡层、低k介质和薄膜应力状态也可能被破坏。因此，“降温”成为直接键合研究的中心命题。
1994年，荷兰飞利浦研究所的Haisma等人率先从产业角度审视了硅片直接键合的工业可行性，系统评估了表面预处理、键合均匀性和可重复性等关键工程问题[25]。他们的工作向产业界发出了一个明确的信号：直接键合不再是仅供科学家把玩的实验室技术，它已准备好走向工厂车间。
2000年，瑞典查尔姆斯理工大学的Amirfeiz和Bengtsson等人以及德国马普研究所的Wiegand和Reiche等人几乎同时提出了等离子体活化键合（Plasma Activated Wafer Bonding）方案[26-27]。他们在键合前对硅片表面进行短暂的等离子体处理（O₂、N₂或SF₆等离子体），大幅提高表面的羟基密度和反应活性。这一巧妙的预处理使得退火温度可以从1000°C左右骤降至500°C以下，而键合强度仍能达到硅体断裂能的水平。
图8 接触角测试原理图[27]
等离子体活化的机理至今仍在深入研究中。简而言之，等离子体如同一场微观层面的”雷暴”，高能粒子轰击表面，打断Si-O-Si键并引入大量Si-OH和悬挂键，使表面进入一种高度活化的亚稳态。当两片活化后的晶圆接触时，这些活性位点如同久旱逢甘霖般迅速形成共价键，后续的中低温退火则负责将剩余的水分子驱赶出界面。
从1985年Lasky的开创性工作，到等离子体活化将退火温度降至300°C左右，亲水键合技术走完了一段从高温到低温的华丽蜕变，但这还远非终点。在不远处的地平线上，一群来自东京的科学家正在构思一个更加大胆的梦想：如果根本不需要加热，在室温下就能实现晶圆键合呢？
05 常温键合与表面活化键合
5.1 表面活化键合的问世
日本东京大学先进科学技术研究中心（RCAST）的Suga教授在金属材料连接领域有着深厚积淀。20世纪90年代，他正式提出了”室温键合”的概念。不同于欧美同行沿着亲水键合化学路径优化的思路，Suga团队选择了一条更物理化、也更激进的道路。
1992年，Suga等人报道了利用表面活化键合（Surface Activated Bonding, SAB）在室温下成功键合Al-Al和Al-Si₃N₄界面的工作，证明了当表面足够干净、足够活性时，室温直接键合是可行的[28]。1996年，里程碑式的成果到来，Suga团队在《Applied Physics Letters》上报道：200 mm直径的硅片在室温下通过SAB实现了无空洞、高强度键合，键合强度接近单晶硅的体断裂能[29]。在此之前，室温下的”键合”不过是靠范德华力或氢键维系的微弱预键合；而SAB实现的室温键合，强度足以在断裂测试中撕裂硅片本体。
图9 Al-Si3N4键合界面的高分辨显微图像[28]
5.2 SAB的物理机理
SAB的核心机理可概括为“表面清洁+表面活化”。在超高真空（Ultra-High Vacuum, UHV，压力低于10⁻⁵ Pa）环境中，氩快原子束（Ar Fast Atom Beam, Ar-FAB）以1.0–1.5 kV的加速电压轰击待键合晶圆表面[29]。这一过程同时完成三件事：去除有机污染物和吸附气体；剥离1–2 nm厚的本征氧化层（SiO₂）；在硅表面产生大量悬挂键。此时表面处于高活性的亚稳态，只要在再污染发生前完成贴合，两侧悬挂键便可能直接重构成共价键。
当两片经Ar束活化的晶圆在UHV中迅速贴合时（通常在活化后几分钟内完成，以避免再污染），两面的悬挂键迫不及待地配对，形成牢固的Si-Si共价键。整个过程不需要加热，不需要中间层，仅依靠表面原子的”自然亲和”[29-30]。
图10 SAB设备原理示意图[30]
SAB的适用材料范围远超传统亲水键合。Suga团队陆续实现了Si-Si、Si-GaAs、Si-InP、Cu-Cu、GaN-GaAs、Si-LiNbO₃等多种材料组合的室温键合[29-32]。对于异质材料集成，SAB的优势在于显著降低热预算，从而减轻热膨胀系数失配带来的应力；同时避免厚中间层引入，有利于获得更纯净的电学或光学界面。
图11 Si-LiNbO3键合界面高分辨TEM图像[31]
图12 SAB键合设备[32]
5.3 SAB设备的产业化
SAB走向工厂车间需要专用键合设备支撑。2001年，Suga等人报道了首台UHV级别SAB晶圆键合机，可容纳8英寸晶圆，实现X、Y、θ三轴±0.5 µm对准精度，首次完成8英寸硅片的SAB室温键合。该设备由传输腔室和多个功能腔室组成，机器人在各腔室间自动传输晶圆[33]。
此后，Bondtech等公司也在Suga团队成果基础上开发了商用SAB设备[34]。
5.4 亲水键合与常温键合：两条道路的比较
如果把晶圆键合比作登山，那么亲水键合和常温键合恰似从南北两坡攀登同一座高峰的两位登山者。前者带着化学试剂和退火炉，循着羟基缩合的阶梯拾级而上；后者则背着超高真空泵和氩离子源，沿着悬挂键重构的岩壁直攀顶峰。两者最终都抵达了”界面能达到硅体断裂能”的山巅，却走过了截然不同的路途。
从技术的最基本要素说起，亲水键合的核心在于化学，经过清洗的晶圆表面，覆盖着一层薄薄的原生氧化层（Native Oxide），其中充满了硅羟基（Si-OH）。当两片晶圆在室温下贴合时，这些羟基之间通过氢键相互吸引，形成微弱的初始键合；随后的退火过程中，相邻的羟基发生缩合反应，脱去一分子水，形成牢固的Si-O-Si共价键网络。传统的亲水键合需要1000°C以上的高温退火才能达到最高强度，但随着等离子体活化技术的引入，退火温度已可降至200°C~400°C的范围，同时保持极高的键合强度。
常温键合则选择了完全不同的物理路径。在超高真空环境中，用氩快原子束轰击晶圆表面，物理性地剥离氧化层和有机污染物，暴露出大量悬挂键。当两片经过如此活化的晶圆在真空中接触时，表面原子直接形成共价键，无需退火，在室温下即可获得极高的键合强度。这项技术由东京大学Tadatomo Suga教授的团队在上世纪90年代系统开发，其精妙之处在于利用物理手段创造了化学上极不稳定的活性表面，从而在常规条件下实现看似不可能的直接原子级连接。
两种技术的对比如下表所示：
晶圆键合技术的不断演进使得各种类型的键合晶圆逐步迈入大规模工业化生产，而另一项技术的出现赋予了键合晶圆“越级提升”的竞争力，这便是“Smart Cut”。敬请期待下期。
06 本期小结：键合技术演进时间轴
图13 本期晶圆键合技术演进时间轴
参考文献：
[1] J. T. Desaguliers, “Some experiments concerning the cohesion of lead,” Philosophical Transactions, vol. 33, no. 389, pp. 345-347, 1725, doi: 10.1098/rstl.1724.0065.
[2] The Royal Society, “John Theophilus Desaguliers (1683–1744),” Royal Society biographical record, URL: https://makingscience.royalsociety.org/people/na8419/john-theophilus-desaguliers.
[3] H. M. Budgett, “The Adherence of Flat Surfaces,” Proceedings of the Royal Society A, vol. 86, no. 583, pp. 25-35, 1911, doi: 10.1098/rspa.1911.0077.
[4] Lord Rayleigh, “A study of glass surfaces in optical contact,” Proceedings of the Royal Society A, vol. 156, no. 888, pp. 326-349, 1936, doi: 10.1098/rspa.1936.0151.
[5] D. Tabor and R. H. S. Winterton, “The direct measurement of normal and retarded van der Waals forces,” Proceedings of the Royal Society A, vol. 312, no. 1511, pp. 435-450, 1969, doi: 10.1098/rspa.1969.0169.
[6] D. Tabor and R. H. S. Winterton, “Surface forces: Direct measurement of normal and retarded van der Waals forces,” Nature, vol. 219, pp. 1120-1121, 1968, doi: 10.1038/2191120a0.
[7] J. N. Israelachvili and D. Tabor, “The measurement of van der Waals dispersion forces in the range 1.5 to 130 nm,” Proceedings of the Royal Society A, vol. 331, pp. 19-38, 1972, doi: 10.1098/rspa.1972.0162.
[8] G. Wallis and D. I. Pomerantz, “Field assisted glass-metal sealing,” Journal of Applied Physics, vol. 40, no. 10, pp. 3946-3949, 1969, doi: 10.1063/1.1657121.
[9] K. B. Albaugh, P. E. Cade, and D. H. Rasmussen, “Mechanisms of anodic bonding of silicon to Pyrex glass,” in Proceedings of the IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC, USA, June 6-9, 1988, pp. 109-110, doi: 10.1109/SOLSEN.1988.26450.
[10] D. I. Pomerantz, “Anodic bonding,” U.S. Patent 3,397,278, issued Aug. 13, 1968, URL: https://patents.google.com/patent/US3397278A/en.
[11] L. M. Roylance and J. B. Angell, “A batch-fabricated silicon accelerometer,” IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 26, no. 12, pp. 1911-1917, 1979, doi: 10.1109/T-ED.1979.19795.
[12] H. T. G. van Lintel, F. C. M. van de Pol, and S. Bouwstra, “A piezoelectric micropump based on micromachining of silicon,” Sensors and Actuators, vol. 15, no. 2, pp. 153-167, 1988, doi: 10.1016/0250-6874(88)87005-7.
[13] H. Henmi, S. Shoji, Y. Shoji, K. Yoshimi, and M. Esashi, “Vacuum packaging for microsensors by glass-silicon anodic bonding,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 43, no. 1-3, pp. 243-248, 1994, doi: 10.1016/0924-4247(94)80003-0.
[14] K. M. Knowles and A. T. J. van Helvoort, “Anodic bonding,” International Materials Reviews, vol. 51, no. 5, pp. 273-311, 2006, doi: 10.1179/174328006X102501.
[15] J. B. Lasky, S. R. Stiffler, F. R. White, and J. R. Abernathey, “Silicon-on-insulator (SOI) by bonding and etch-back,” in Technical Digest, International Electron Devices Meeting (IEDM), Washington, DC, USA, pp. 684-687, 1985, doi: 10.1109/IEDM.1985.191067.
[16] J. B. Lasky, “Wafer bonding for silicon-on-insulator technologies,” Applied Physics Letters, vol. 48, no. 1, pp. 78-80, 1986, doi: 10.1063/1.96768.
[17] M. Shimbo, K. Furukawa, K. Fukuda, and K. Tanzawa, “Silicon-to-silicon direct bonding method,” Journal of Applied Physics, vol. 60, no. 8, pp. 2987-2989, 1986, doi: 10.1063/1.337750.
[18] U. Gosele and Q.-Y. Tong, “Semiconductor wafer bonding,” Annual Review of Materials Science, vol. 28, pp. 215-241, 1998, doi: 10.1146/annurev.matsci.28.1.215.
[19] Q.-Y. Tong and U. Gosele, “Semiconductor Wafer Bonding: Science and Technology,” John Wiley & Sons, New York, NY, USA, 1999, URL: https://www.wiley.com/en-us/Semiconductor+Wafer+Bonding%3A+Science+and+Technology-p-9780471574811.
[20] J.-P. Colinge, “Silicon-on-Insulator Technology: Materials to VLSI,” 3rd ed., Kluwer Academic Publishers, Boston, MA, USA, 2004, URL: https://link.springer.com/book/10.1007/978-1-4419-9106-5.
[21] K. Petersen, P. Barth, J. Poydock, M. Brown, J. Mallon, and J. Bryzek, “Silicon fusion bonding for pressure sensors,” in Technical Digest, IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC, USA, pp. 144-147, 1988, doi: 10.1109/SOLSEN.1988.26462.
[22] K. Petersen, “Silicon as a mechanical material,” Proceedings of the IEEE, vol. 70, no. 5, pp. 420-457, 1982, doi: 10.1109/PROC.1982.12331.
[23] R. Stengl, T. Tan, and U. Gösele, “A model for the silicon wafer bonding process,” Japanese Journal of Applied Physics, vol. 28, no. 10, pp. 1735-1741, 1989, doi: 10.1143/JJAP.28.1735.
[24] W. P. Maszara, G. Goetz, A. Caviglia, and J. B. McKitterick, “Bonding of silicon wafers for silicon-on-insulator,” Journal of Applied Physics, vol. 64, no. 10, pp. 4943-4950, 1988, doi: 10.1063/1.342443.
[25] J. Haisma, B. A. C. M. Spierings, U. K. P. Biermann, and A. A. van Gorkum, “Diversity and feasibility of direct bonding: A survey of a dedicated optical technology,” Applied Optics, vol. 33, no. 7, pp. 1154-1169, 1994, doi: 10.1364/AO.33.001154.
[26] P. Amirfeiz, S. Bengtsson, M. Bergh, F. Zanghellini, and L. Börjesson, “Formation of silicon structures by plasma-activated wafer bonding,” Journal of the Electrochemical Society, vol. 147, no. 7, pp. 2693-2698, 2000, doi: 10.1149/1.1393591.
[27] M. Wiegand, M. Reiche, and U. Gösele, “Time-dependent surface properties and wafer bonding of O2-plasma-treated silicon (100) surfaces,” Journal of the Electrochemical Society, vol. 147, no. 7, pp. 2734-2740, 2000, doi: 10.1149/1.1393597.
[28] T. Suga, Y. Takahashi, H. Takagi, B. Gibbesch, and G. Elssner, “Structure of Al-Al and Al-Si3N4 interfaces bonded at room temperature by means of the surface activation method,” Acta Metallurgica et Materialia, vol. 40, suppl., pp. S133-S137, 1992, doi: 10.1016/0956-7151(92)90272-G.
[29] H. Takagi, K. Kikuchi, R. Maeda, T. R. Chung, and T. Suga, “Surface activated bonding of silicon wafers at room temperature,” Applied Physics Letters, vol. 68, no. 16, pp. 2222-2224, 1996, doi: 10.1063/1.115865.
[30] H. Takagi, R. Maeda, and T. Suga, “Wafer-scale spontaneous bonding of silicon wafers by argon-beam surface activation at room temperature,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 105, no. 1, pp. 98-102, 2003, doi: 10.1016/S0924-4247(03)00087-6.
[31] H. Takagi, R. Maeda, N. Hosoda, and T. Suga, “Room-temperature bonding of lithium niobate and silicon wafers by argon-beam surface activation,” Applied Physics Letters, vol. 74, no. 16, pp. 2387-2389, 1999, doi: 10.1063/1.123860.
[32] T. Suga, “Cu-Cu Room Temperature Bonding - Current status of surface activated bonding (SAB),” ECS Transactions, vol. 3, no. 6, pp. 155-163, 2006, doi: 10.1149/1.2357065.
[33] T. Suga, T. Itoh, and M. R. Howlader, “An 8-inch wafer bonding apparatus with ultra-high alignment accuracy using surface activated bonding (SAB) concept,” in E. Obermeier, Ed., Transducers ’01 Eurosensors XV, Berlin, Germany: Springer, 2001, pp. 222-225, doi: 10.1007/978-3-642-59497-7_52.
[34] Bondtech Co., Ltd., “Surface activated bonding,” Technology, URL: https://bondtech.co.jp/english/technology.html.
