综述：微机电系统与三维集成电路的晶圆键合技术：进展、挑战与趋势

这篇综述全面探讨了晶圆键合技术的最新进展，系统比较了直接键合（SAB、VUV、PAB）和间接键合（金属键合、共晶键合、聚合物键合）的机制与应用。作者重点分析了表面粗糙度、温度、压力等关键参数对键合强度的影响，并展望了分子模拟技术在优化键合界面中的潜力，为MEMS和3D IC集成提供了重要技术指导。

　　

晶圆键合技术概览

晶圆键合作为半导体制造的核心工艺，通过永久连接两个或多个晶圆实现三维集成。根据是否使用中间层可分为直接键合和间接键合两大类，每类又衍生出多种技术路线，在MEMS、功率器件和先进封装领域具有不可替代的作用。

直接键合技术突破

表面活化键合（SAB）采用氩原子束轰击实现室温键合，其核心优势在于避免高温导致的晶格失配问题。研究表明，经Ar-FAB处理的SiC/Si界面在1000°C退火后，理想因子可降至1.03，反向偏置电流低至2.98×10^-6 mA cm^-2。真空紫外（VUV）键合则通过172 nm紫外光激发表面羟基，在200°C下实现SiC/SiO₂的纳米级过渡层连接，其键合强度可达玻璃基体断裂强度的90%。

等离子活化键合（PAB）通过O₂/N₂等离子体处理显著提升键合效率。实验数据显示，双面等离子处理能使Cu-Cu键合剪切强度从18.45 MPa提升至30.4 MPa，界面空洞率降低至0.3%。特别值得注意的是，采用Sn钝化层的Cu键合在220°C、2 MPa条件下即可实现完整键合，为低温工艺提供了新思路。

金属键合创新

铜互连技术中，化学机械抛光（CMP）后的表面粗糙度（RMS）需控制在0.5 nm以内。Intel的Foveros架构采用50 μm间距的铜柱互连，通过热压键合实现<1.1 Ω的通孔电阻。金-金键合则展现出独特的适应性，Mo/Au纳米粘附层（32 nm厚）可使Si晶圆获得420 N的拉伸强度，其奥秘在于金的高自扩散系数（10^-11-10^-13 m²/s）。

共晶键合体系研究揭示，Au-Sn合金在280°C时剪切强度可达275 MPa，远超传统Pb-Sn焊料。而Au-Si共晶系统在363°C形成的界面，经TiW阻挡层优化后，密封性能满足MEMS加速度计10^-6 Torr的真空要求。

分子模拟新前沿

密度泛函理论（DFT）计算表明，Si(111)面在5个原子层（≈1.6 nm）厚度时会呈现金属性导电，电导率提升10⁷-10⁸倍。分子动力学模拟则揭示，Cu(100)/Cu(100)晶面取向组合的扩散活化能比非晶向组合低0.35 eV，这解释了晶向调控对键合强度的决定性影响。

挑战与展望

当前技术仍面临三大瓶颈：SiC/SiO₂键合界面易产生柯肯德尔空洞；＞400°C退火会引发LNOI波导中铁纳米层（＞3 nm）的光吸收损耗（3.1 dB mm^-1）；聚合物键合在95%湿度下21天粘附力会衰减67%。未来研究将聚焦ALD-Al₂O₃过渡层设计、光子晶体应力补偿结构，以及机器学习辅助的工艺优化，推动键合技术向纳米精度和智能化方向发展。