低温与室温表面活化Au–Au键合：表面要求、制备方法及新兴应用

《Sensors》：Low-Temperature and Room-Temperature Surface-Activated Au–Au Bonding: Surface Requirements, Preparation Methods, and Emerging Applications

　　

金-金（Au–Au）键合可形成无氧化物的金属界面，且无需焊料或导电胶，因而在异质集成、MEMS密封、光电子封装及柔性混合电子（FHE）领域具有重要应用价值。本综述聚焦于低温与室温表面活化Au–Au直接键合，并着重阐述表面粗糙度与活化状态所起的关键作用。与热压键合（TCB）相比，低温与室温键合对表面提出了更严格的要求，因为TCB过程中热量与压力可使表面微凸体发生形变，从而增大实际接触面积；而室温键合则在很大程度上取决于接触前的表面状态。成功键合通常要求金表面非常光滑、经过活化处理并严格控制污染。文献报道的粗糙度范围从光滑溅射或转移金膜的低于0.5 nm，到未经平滑处理的粗糙电镀金层的数十乃至数百纳米。因此，表面平滑策略可拓展直接键合的工艺窗口。等离子体活化可去除污染物并提高表面反应活性；Ar等离子体可促进强键合，而O2等离子体则可能形成金氧化物并削弱界面强度。水蒸气等离子体辅助键合（WVPAB）进一步实现了在较粗糙电极及柔性聚合物基底上的键合。应用领域涵盖光电子集成、MEMS气密封装、异质集成及FHE。当前面临的挑战包括晶圆级粗糙度控制、活化表面寿命、图形化Au键合、长期可靠性以及基于机理的工艺优化。

论文主体内容总结

2. Au–Au键合在先进集成中的定位

Au–Au直接键合在先进集成中具有重要地位，可为细间距互连、晶圆级键合、MEMS封装、光学与光电子微系统及异质集成提供直接的金属连接路径。早期研究将Au–Au键合定位为高密度互连的关键使能技术，研究者提出了用于超细密度倒装芯片和无凸点互连系统的表面活化键合（SAB）方法，并演示了Au–Au和Au–Cu直接键合。该原理随后从互连扩展到三维晶圆级封装，实现了含硅通孔（TSV）的MEMS三维晶圆级封装。近期研究进一步将Au–Au键合应用于芯粒集成与热管理领域，利用金不形成金属间化合物、不像Cu那样易氧化的优势，实现无焊料、无钝化层的直接Au柱键合。

3. 固态Au–Au连接的键合路线

3.1. TCB基线

Au–Au热压键合（TCB）是最成熟的固态Au–Au连接路线，键合质量由热、压力、时间及表面状态共同决定。早期研究确立了键合形成所需的温度与压力条件，发现存在临界键合温度，低于该温度时键合不发生；高于该温度后，剪切强度随压力增大而提高，其原因是有机阻挡层破裂和实际键合面积增大。后续研究表明，改进表面制备可降低所需键合温度，如采用十二烷硫醇自组装单分子层（SAMs）可在80–180 °C下实现强键合。真空紫外处理可去除碳基污染物，使凸点平均剪切强度提高1.6倍。TCB在晶圆级和MEMS封装中已成为成熟的密封方法，可在320 °C、2.5 MPa条件下实现完整晶圆键合，泄漏率低至2.74 × 10^?11 Pa·m³/s。TCB也被应用于LED、量子级联激光器、InP芯片及超导互连等多种器件集成。尽管TCB应用广泛，但其通常依赖较高温度与压力，这推动了基于表面工程的低温键合方法的发展。

3.2. 低温表面工程直接键合

3.2.1. 直接键合中的表面粗糙度控制

表面粗糙度对键合至关重要，因为两个键合表面必须在足够大的面积上实现紧密接触。研究表明，键合成功与否不仅取决于均方根（RMS）粗糙度，还与表面特征的横向尺寸有关——更小尺度的粗糙度更难通过弹性变形来适应。对于Au–Au键合，文献报道的粗糙度范围从光滑溅射膜的低于0.5 nm到粗糙电镀Au表面的数十乃至数百纳米。针对电镀Au的粗糙度降低策略包括：热压印平滑化处理，可在室温下实现超过200 MPa的键合强度；剥离复制工艺，可获得RMS粗糙度为0.8 nm的表面，实现约250 MPa的室温键合强度；原子级光滑Au薄膜直接转移技术，可使粗糙度从1.6 nm降至0.4 nm，获得约225 MPa的键合强度；基于模板剥离的多重薄膜转移工艺，可将粗糙度从205 nm降至10 nm（90 × 90 μm²面积内）；以及聚酰亚胺模板转移方法，可将电镀Au的RMS粗糙度从21 nm降至亚纳米级。在晶圆尺度上，当Au膜厚度为100 nm或以下时，键合面积可超过85%；Au膜厚度为50 nm或以下时可实现晶圆级真空密封。此外，机械平坦化也被用于制备电镀Au凸点以进行晶圆级真空密封与互连。

3.2.2. 低温Au–Au键合的表面活化方法

表面活化可去除Au表面的吸附污染物并改变表面化学状态，使Au表面在接触前具有更高的反应活性。低压Ar等离子体和快原子束活化是Au–Au表面活化键合的成熟方法，通过物理轰击和溅射去除吸附污染物。由于Au在常规条件下不形成稳定的自然氧化层，该处理可暴露清洁的Au表面而不引入持久氧化物层。Ar射频（RF）等离子体活化已在VCSEL倒装芯片键合、LiNbO₃波导芯片键合等光电子器件中得到验证。使用RMS粗糙度低于0.5 nm、厚度低于50 nm的光滑Au薄膜，可在室温空气中实现晶圆键合，剪切强度达47–70 MPa，透射电子显微镜（TEM）显示原子尺度的直接键合。研究表明，Ar等离子体活化后即使暴露于空气中800–2000小时，仍可获得高剪切强度。

O₂等离子体处理则表明并非所有表面活化都能改善Au–Au键合。O₂等离子体可在Au表面形成Au₂O₃，导致键合强度显著下降，仅约0.1 J/m²；而Ar等离子体处理可获得强键合，刀片测试中晶圆发生体断裂。

常压等离子体活化是另一条重要路线。常压Ar/H₂等离子体可在室温下实现Au薄膜与Au凸点的键合，剪切强度满足MIL-STD-883F标准要求。N₂常压等离子体处理不会导致Au氧化，在150 °C下比Ar+O₂等离子体具有更好的键合效果。真空紫外（VUV）和UV/O₃处理提供了一条光化学活化途径，但最强效果通常需要与Ar等离子体或温和加热结合使用。

水蒸气等离子体辅助键合（WVPAB）将Au–Au直接键合扩展到更粗糙的电极和柔性聚合物基底。在RMS粗糙度达6.29 nm的Cr/Au电极上，仅需室温、2 N压力、5 s即可实现键合，剥离测试中失效发生在基底而非界面，10,000次弯曲循环后电阻变化小于1%。

3.2.3. 污染控制与SAM表面保护

污染控制对Au–Au键合至关重要，因为吸附的有机物和含氧物种即使Au表面几何光滑也会阻碍直接金属接触。自组装单分子层（SAMs）在Au–Au键合中有两种主要应用方式：一是辅助低温TCB，在键合前钝化Au表面以限制污染；二是保护活化后的Au表面，延长活化表面在空气中保持可键合性的时间窗口。

3.2.4. 中间层辅助低温Au基键合

部分降低键合温度的方法并不保持纯直接Au–Au界面。研究者提出使用Ag纳米颗粒作为表面改性层的Au–Au键合路线，可在200 °C、30 MPa、3 min条件下实现键合，平均键合强度超过10 MPa，TEM观察显示无空洞界面。该方法属于低温键合的相关策略，但最终界面包含纳米颗粒改性层，应区别于直接Au–Au键合。

3.3. Au–Au键合机理

Au–Au键合涉及多个相关过程。首先，必须去除或破坏污染物及其他表面屏障，使Au表面能够相互接近——SAB主要依靠等离子体或束流活化，TCB则依靠加热和压力。其次，必须形成足够的实际接触面积——压力与升温促进Au微凸体变形，增大实际接触面积占比；室温SAB无法同等程度依赖热辅助变形，因此对初始表面光滑度要求更高。一旦清洁的Au表面接触，界面可发展出金属键合作用。部分低温研究将此描述为冷焊现象，但应将其视为紧密金属接触的一种解释而非在所有键合构型中均以相同机理验证。随着温度和键合时间增加，表面和界面原子扩散的作用日益重要。

4. Au–Au低温键合的器件级应用

4.1. 光学与光电子器件

光学与光电子器件是低温Au–Au键合的主要应用领域，因为这些器件常包含对热膨胀系数（CTE）失配敏感的材料组合。LiNbO₃/Si波导集成中，低温Au–Au键合有助于减少开裂问题。VCSEL及相关光电子芯片在键合后保持了正常的L-I-V特性和光学/电学性能。该原理还被应用于半导体碟片激光器、高功率半导体激光器的GaAs/SiC晶圆键合、硅光子平台的倒装芯片集成以及OLED面板封装。

4.2. MEMS气密与真空封装

Au–Au键合在MEMS气密与真空封装中可同时提供机械连接、电互连和密封功能。SAB基Au/Au键合已集成到含TSV的三维晶圆级MEMS封装流程中。光滑Au薄膜和经平滑处理的电镀Au密封环可支持室温晶圆键合及气密或真空密封。在晶圆级封装研究中，超过5000个石英谐振器组件通过Au–Au直接金属键合组装到中介晶圆上，4824个测试器件中超过75%实现了真空密封。阻挡层选择对需要真空除气退火的MEMS封装至关重要。

4.3. 异质集成与射频/声学器件

低温Au–Au键合用于异质集成，特别是在需要连接不同材料且避免过高热负载的场景。Au/Au直接键合已用于制备LiTaO₃/Si复合晶圆以制造射频谐振器，显著降低了热漂移。基于晶圆键合的异质集成工艺将铌酸锂声表面波（SAW）谐振器通过Ar等离子体活化后的Au–Au键合集成到BiCMOS晶圆上，实现了500 MHz单芯片SAW振荡器。该技术还扩展到选择性芯片转移、三维组装和热界面应用。

4.4. 柔性混合电子

柔性混合电子（FHE）要求键合界面薄且在弯曲和重复变形过程中保持稳定。水蒸气等离子体辅助Au–Au键合已用于连接超薄聚合物基底上的Au电极以及超薄硅传感器与parylene布线，展现了在柔性集成系统中的价值。低温Au直接键合也已扩展到Au涂覆纳米网，用于柔性和透气电子器件。

5. Au–Au键合的计量表征

Au–Au键合的计量表征通常围绕三个问题组织：Au表面是否具备键合条件？是否实际形成了连续界面？键合结构是否仍能执行预期功能？表面就绪状态主要通过表面粗糙度和表面状态评估，其中粗糙度测量是最常用的筛选工具。需要注意的是，不同研究使用不同的粗糙度参数（算术平均粗糙度与RMS粗糙度）和测量条件，数值不可直接等同比较。界面连续性通过截面成像判断，TEM用于确认原子尺度直接键合。功能验证取决于目标应用：封装结构关注残余气体压力、泄漏率和密封良率；互连和器件则通过剪切或剥离强度、电连续性及器件性能保持来评估。

6. 可靠性限制与性能约束

6.1. 良率限制因素

键合面积良率首先取决于键合瞬间能否形成足够的真实金属-金属接触。表面粗糙度是最主要的限制因素，因为局部微凸体会阻碍均匀接触并留下未键合区域。薄膜转移条件也会引入良率约束——过薄或不连续的转移层可能复制而非掩盖底层粗糙度。晶圆级键合中，Au膜厚度与粗糙度的组合共同影响键合面积和真空密封效果。活化后表面状态是第二个主要限制因素——活化Au表面在空气中暴露后不会无限期保持高可键合性，SAM保护可延长室温键合窗口。对于TCB工艺，良率取决于是否施加了足够的温度与压力以破坏表面屏障、使微凸体变形并形成实际接触。此外，对准精度和焊盘重叠面积也是影响良率的器件尺度因素。

6.2. 机械完整性

低温SAB研究一致表明，当Au表面足够光滑且活化充分时，可在低温下获得满足器件级剪切要求的机械强度。对于平坦化和转移Au表面，多项研究报告了基底内断裂或键合强度达到或超过体材料断裂极限，表明Au–Au界面并非键合结构中最薄弱的环节。TCB文献显示机械强度随工艺条件变化：键合强度随实际接触发展而增加，但压力超过一定程度后不再持续提高强度。对于柔性结构，单一强度测量不足以评估可靠性，需结合剥离测试与循环变形测试。

6.3. 电学功能与稳定性

SAB键合的VCSEL在键合后保持正常L-I-V特性，表明键合工艺未损害光电子功能。InP芯片的菊花链互连在热循环后保持完整，直接Au柱热压键合结构的所有21条菊花链均保持电连续性。现有文献的主要局限是缺乏在持续电流、升高温度和电-机械联合加载下的系统性测试，接触电阻演化、载流能力、电迁移及加速老化下的失效行为仍未得到充分表征。

6.4. 应力特定可靠性与基准

可靠性评估应从初始键合质量和在相关运行条件下的稳定性两方面进行。刚性晶圆和芯片结构可采用热循环或热冲击、高温存储、湿度暴露及电流应力测试；柔性结构应报告弯曲半径、循环次数、弯曲方向及电阻变化；气密封装应包含老化前后的泄漏率或腔体压力测量。500次热循环可作为刚性Au–Au互连的参考基准，10,000次弯曲循环可作为柔性Au–Au结构的参考基准。

7. 研究空白与未来方向

低温与室温Au–Au键合已超越概念验证阶段，剩余挑战在于将表面要求转化为可重复的制造工艺。首要任务是建立表面就绪状态的实用量化定义，综合考虑粗糙度、污染、活化状态及活化与接触之间的延迟时间，并量化活化Au表面在不同湿度、温度、存储时间和操作条件下丧失键合能力的速度。第二个优先方向是粗糙和图形化Au的晶圆级控制，需通过晶圆级粗糙度分布、活化状态、颗粒密度和活化-接触延迟来评估表面制备效果。第三个优先方向是在实际图形化、粗糙和非平面Au表面上的键合，需评估平滑方法在保持特征形状和提供均匀接触方面的表现。第四个优先方向是降低键合压力而不损失界面质量，需研究凸点几何和Au厚度对局部变形与接触形成的影响。可靠性测试应成为未来研究的核心内容，包括热循环、高温存储、湿热暴露、电流应力和循环弯曲测试，并通过可靠性测试后的截面分析确定失效起始位置。

8. 结论

Au–Au键合是异质集成、MEMS封装、光电子器件、传感器和柔性电子领域具有前景的互连与密封方法，其核心优势在于可形成高电导率、良好机械稳定性和强抗氧化性的直接金属界面。降低键合温度和压力将更大的重要性转移到Au表面在接触前的状态上——表面粗糙度、清洁度、活化方法、压力、温度和Au膜结构共同决定能否实现足够的实际接触。TCB可通过热辅助变形和扩散补偿部分表面限制，而室温SAB通常需要更严格的表面制备。WVPAB和表面平滑方法展示了将直接键合扩展到更粗糙和机械柔顺结构的可能途径。面向制造化，需解决四个关键挑战：以可测量的粗糙度、污染、活化状态和活化-键合延迟组合来定义表面就绪状态；在晶圆级图形化电镀Au结构上均匀实现平滑和活化工艺；在真实凸点、密封环和非平面特征上验证键合机理与工艺窗口；将可靠性评估从初始剪切强度和电连续性扩展到标准化的热、湿、电、气密和机械老化测试。