半导体行业的“嫁接”技术。

作者｜赵健

摩尔定律是指导半导体产业发展的圭臬。半个世纪以来，集成电路上可容纳的晶体管数量基本遵循每隔18-24个月翻一倍、同时芯片成本下降一半的规律发展。

但今天，随着芯片制程迈入5nm甚至3nm，在物理规律的限制下，摩尔定律已经逼近极限，继续在二维平面缩小晶体管的特征尺寸来提升芯片性能变得越来越困难。

因此，从二维平面向三维集成的新型结构发展，成为超越摩尔定律、推动半导体行业发展的重要方向。

“晶圆键合”就是3D集成技术的一种。

虽然热度比不上光刻机、EDA等半导体概念，但晶圆键合在MEMS（微机电系统）、CMOS（图像传感器）、DRAM（动态随机存取内存）和NAND（计算机闪存）等领域有着广泛的应用。

晶圆键合是半导体行业的“嫁接”技术，通过化学和物理作用将两块已镜面抛光的晶片紧密地结合起来，进而提升器件性能和功能，降低系统功耗、尺寸与制造成本。

由于晶圆键合在3D集成方向的巨大潜力，英特尔、三星、华为、高通、罗姆、台积电等知名企业及众多高校、科研院所均围绕晶圆级封装键合开展了设备、器件、工艺的研究。

比如，英特尔在IEEE国际电子器件会议上，发布了新的3D混合键合（hybridbonding）技术，将功率密度和性能提升了10倍。

在国内，晶圆键合也是新兴的半导体创业方向。成立于年，曾受华为哈勃投资的中科青禾是代表公司之一。

中科青禾的母公司青禾晶元，其首席科学家须贺唯知是日本东京大学名誉教授，原日本电子封装学会会长，也是晶圆键合的泰斗级人物。须贺教授在20世纪90年代就开始研究的常温晶圆键合，是当下最先进的键合技术方向。

近期，「甲子光年」采访了须贺教授，探讨了晶圆键合在超越摩尔定律、推动半导体行业发展所产生的影响。

甲子光年：对于半导体产业链，最简单的分类通常是芯片设计、芯片制造、芯片封测三大环节。您能否通俗地解释一下“键合”在半导体产业链中的位置，以及所发挥的作用吗？

须贺唯知：半导体产业从技术角度可分为“前工序”和“后工序”，而键合技术被视为“后工序”和“封装”的一种技术。然而，随着近年来半导体微缩化的极限和集成化的障碍，人们开始认识到3D集成化作为一种超越以往技术壁垒的重要技术。

在传统的半导体产业联中，设计、制造和封测是相对独立地进行，但现在情况有所改变。考虑到整体系统的集成，键合需要在前工序中进行讨论，而不再局限于后工序，否则整个系统将无法完成。这使得整个过程变得紧密无缝。

在半导体产业中，键合作为先进封装技术的核心技术起着重要作用。在3D集成中，键合技术是DRAM存储器和NAND存储器堆叠的关键技术。此外，逻辑芯片和存储器的堆叠也离不开键合技术的支持。此外，Si-Photonics和光子学领域的新型器件也依靠键合技术来实现。

甲子光年：键合技术的物理与化学原理，实际上早在人类切出第一片晶圆前就已经被发现和应用了。但晶圆键合真正的大规模工业应用，是从20世纪90年代之后才开始。原因是什么呢？

须贺唯知：自从贴合晶圆SOI（Silicon-on-Insulator）实用化之后，晶圆键合技术才开始真正被应用。在此之前，几乎没有工业领域使用晶圆键合技术。之后，由于MEMS封装、SAW滤波器、Si-Photonics等工业领域的出现，需要依赖键合技术来实现的领域才逐渐增多。

甲子光年：晶圆键合有很多分类，能否先帮我们梳理一下键合的种类？

须贺唯知：键合方法可以分为在键合材料之间加入焊料等互连中间层的键合方法，和无中间层的直接键合的方法。

图片来源：WaferBonding,ShawnCunninghamMarioKupnik,Chap.11

在Si和SiO2晶圆键合中，主要使用的是亲水性键合（HydrophilicBonding），它可以在大气环境下进行键合，因此被广泛应用，但需要加热至°C；而表面活性化键合（SurfaceActivatedBonding，SAB）则需要真空环境，但可以在常温下进行键合。

目前，已经开始研究将这两种方法结合的ModifiedSAB。对于金属等的直接键合，SAB是一种常温键合方法，而传统的加热方法包括热压键合（Thermo

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