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本文总结了表面激活键合（SAB）方法的历史发展，基于通过能量粒子轰击（如氩气快原子束辐照）在超高真空背景下实现的表面激活。清洁和激活表面使得在室温下无需热处理即可实现高强度键合。标准SAB技术最近已被修改和扩展，包含异质半导体晶圆键合和三维集成，将表面激活与纳米粘附层的同步共溅射结合起来，从而实现离子晶体、玻璃和聚合物的键合。此外，本研究介绍了最近在晶圆尺度上将钻石材料与宽禁带半导体键合的进展，并探讨了SAB在铜-铜混合键合中的潜力。最后，本文介绍了SAB在混合键合中的最新发展，并提出了其未来在半导体加工和3D器件集成中的应用前景。© 2025 日本应用物理学会。所有权利，包括文本和数据挖掘、人工智能训练及类似技术的权利，均已保留。
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1.引言
表面激活键合（SAB）方法的开创性工作始于1982年，当时作者的导师船久博康教授和他的助手赤池雅岳博士成功地展示了单晶铝的室温键合。这一突破性成就为进一步探索室温键合，特别是陶瓷与金属的键合奠定了基础。到1992年，关于异质材料键合的可能性以及键合界面的微观结构的研究已经取得了显著进展。该技术被称为SAB。这个术语最初由华盛顿大学的大内教授和作者共同定义，意为“通过能量粒子轰击进行表面激活”，这是键合过程中的关键环节（见图1）。
图 1. 论文中首次定义表面激活键合（SAB）的方法段落 。
在过去30年里，SAB已经超越了金属-陶瓷键合，扩展到包括各种材料。这些材料包括半导体晶圆、无机单晶、玻璃和聚合物，展示了该方法的多功能性和在各行业中的应用。然而，SAB仍然是一个复杂的现象。尽管关于其基本原理的阐明工作仍在进行，但研究人员面临着一个难题：尝试确定主导机制往往与解决实际技术挑战的方向有所偏离。SAB基于固态材料的固有性质，提供了一种在室温下实现键合的独特方法。然而，作为一个学术领域，它的研究变得越来越复杂，需要复杂且昂贵的实验设备。因此，多年来，参与该领域的研究人员数量有限，尤其是在国际范围内，这使得它成为一个孤立且小众的研究领域。
2.键合机制
尽管存在这些挑战，在识别成功键合的机制和关键因素方面已有一定进展。值得注意的是，这些机制涉及在键合界面形成一个非平衡的界面层。理想情况下，室温键合涉及通过表面激活在材料表面生成的悬挂键之间形成键合。然而，这些悬挂键非常容易受到环境因素的影响，并且依赖于各自元素的键合特性、键长和晶格常数。
四价元素，如金属锡（Sn）和铅（Pb），它们具有较大的晶格常数，可以在去除表面氧化物后容易地形成键合。锗（Ge）也表现出对激活条件（如残余气体吸附）相对不敏感，能够在室温下轻松键合。与此相对，硅（Si）的室温键合对残余气体（如水蒸气）非常敏感，有时可能转变为亲水性键合。此外，尚未报告任何关于钻石直接进行室温键合的成功案例，钻石具有较小的晶格常数，因此悬挂键的寿命极短。然而，值得一提的是，尚未有理论研究针对这些现象进行深入探讨。
在表面激活过程中，表面会引入各种缺陷。例如，金属和半导体中可以形成点缺陷，由于晶体结构的破坏，可能会出现亚稳定的微结构，并且半导体中可能形成无定形层。缺陷层的厚度通常在几个纳米的量级。
图. 2. (a) TEM图像和GaAs/GaAs界面在Ne、Ar、Kr和Xe-FAB辐照后键合的EDS结果。 (b) Ne辐照情况下的TEM放大图 .
通过改变表面激活过程中使用的离子束的离子种类，或通过在整个过程中加热基底，可以减少半导体中无定形层的厚度。图2显示了无定形层的厚度与界面电阻之间的关系以及与离子种类的关系。一系列研究已经证明了无定形层或缺陷在硅键合界面上对其电气性能的影响（见图3）。Shigekawa等人对辐照损伤对硅电气性能的影响进行了更广泛的实验和分析。
图3. 经Ne、Ar、Kr和Xe-FAB辐照后键合的n-GaAs/n-GaAs的I-V曲线。
在金属的情况下，互扩散过程比通常情况要深得多。例如，在铜-锡（Cu-Sn）体系中，即使在室温下，也会形成几纳米厚的互扩散层，并观察到被认为是铜-锡化合物的细小颗粒。类似地，在铝-铝氧化物（Al-Al2O3）键合界面处，原始的单晶铝层中引入了大量缺陷，形成了细小颗粒。在Al2O3一侧，发生了氧位点空位，导致形成γ铝土矿层（见图4）。
图4. 在室温下通过SAB方法创建的界面微观结构： (a) Cu–Sn键合和 (b) Al–αAl2O3键合。
在离子晶体中，表面激活过程中通常会扰乱离子的排列，导致选择性溅射特定离子而产生离子缺陷。因此，激活的氧化物表面可能表现出金属特性，并能够通过SAB直接键合。对于氮化物或碳化物，选择性溅射效应可能使表面呈现金属或非金属特性。例如，在氮化镓（GaN）中，氮被选择性溅射，留下了镓终止的表面。相反，在碳化硅（SiC）中，硅被选择性溅射，留下了碳终止的表面，这使得键合变得困难。因此，钻石与氮化镓的键合变得非常困难。以二氧化硅（SiO2）为主的玻璃则具有独特性，即无法通过离子轰击的表面激活键合方法有效地键合。低键合强度的原因尚不清楚。有人假设，Si-O结构中的高度自由度导致由离子轰击生成的活性悬挂键的寿命极短，无法维持活性状态。因此，SAB技术对SiO2没有效果，无法直接进行室温键合。
3.扩展表面激活键合
上述仅涉及通过能量粒子轰击进行表面激活的SAB方法，称为标准SAB。然而，它存在一些局限性，具体如下：
1.需要纳米级平整表面。
2.需要超高真空或清洁环境。
3.不能应用于SiO2材料。
通过引入扩展SAB方法，这些限制得到了放宽。
通过对接触材料施加高压缩载荷并允许显著的塑性变形，可以放宽标准SAB方法中的低载荷或无载荷要求。这使得在没有纳米级平整度的情况下也能实现键合。此外，依据所涉及的材料，键合可以在大约10^-5 Pa的真空条件下进行。例如，在使用SAB制备的金属包层中，施加的载荷压力估计超过100 MPa，表面粗糙度在几十纳米范围内，且在约10^-5 Pa的真空条件下实现了键合。
此外，如果允许键合温度上升至约150°C，诸如金（Au）或金-锡（Au-Sn）合金等不易氧化的材料，以及锡-银（Sn-Ag）等软材料，它们的氧化膜在变形作用下容易破裂，也可以仅通过等离子体处理在低真空环境下进行键合。
已提出了一种间接键合方法，允许SiO2和离子材料的键合。该方法使用活性金属、硅（Si）或氧化物作为中间层，这些中间层可以在室温下实现键合。中间层的厚度可以薄至几个纳米，甚至亚纳米级，且有时形成岛状结构的不连续薄膜。对于在超高真空下沉积的微晶金属薄膜，其表面本身具有活性，无需通过离子束辐照进行额外的表面激活。在接触后，晶粒生长发生，促进键合（原子扩散键合：ADB）。这种薄的中间层通常被称为“纳米粘附层”。
这种方法的一个重要优点是其广泛的适用性，使得能够无论基材类型如何，都能键合各种材料。例如，聚酰亚胺（PI）、聚醚酮（PEN）和聚环烯烃（COP）等平面聚合物薄膜，可以使用约10 nm厚的Si和Al中间层进行键合。与传统依赖有机粘合剂的键合方法不同，扩展SAB采用无机键合材料，避免了气体和水分透过粘合剂界面的问题，确保了较高的密封性。
带有纳米粘附层的扩展SAB方法正在广泛应用于包括宽禁带半导体、碳基材料如钻石和石墨烯以及新兴二维材料在内的多种材料。尤其是钻石，预计将成为高功率和射频器件（如氮化镓高电子迁移率晶体管，GaN-HEMT）的有效散热器。SAB已经证明了它在这些材料组合上的有效性。然而，迄今为止，键合实验仅限于小样本，通常只有几毫米大小，因为在大晶圆尺度上有效抛光钻石基板仍面临挑战。
最近，结合等离子体辅助抛光的气团离子束技术被提议作为解决晶圆级钻石抛光的方案。该方法能够实现达到0.5 nm的粗糙度，速度约为传统化学机械抛光（CMP）的30倍。使用这种方法，成功演示了在室温下将2英寸聚晶CVD钻石晶圆与氮化镓（GaN）和铌酸锂（LiNbO3; LN）晶圆键合的过程。
4.SAB在混合键合中的应用
在半导体器件的三维集成中，混合键合的应用正在逐步推进。传统的混合键合技术通常需要至少350°C的加热或后续退火，这限制了可兼容材料的选择，并显著限制了异质半导体的集成。考虑到当前的技术环境，350°C的键合温度不切实际，因此需要在200°C或更低的温度下进行操作。尽管提出了各种低温键合方案，但它们的适用范围仍然有限。主要的挑战源于铜（Cu）与绝缘二氧化硅（SiO2）之间根本不同的键合机制。由于铜-铜键合的金属特性，原子扩散至关重要。此外，由于铜表面在环境条件下会发生氧化，因此高温退火是必需的，以便通过氧化层进行扩散。因此，目前正在研究包括低温铜-铜键合在内的一系列混合键合方法。然而，核心问题仍然存在：即如何在同一平面上同时键合具有不同键合机制的两种材料。
根据SAB方法，铜-铜键合可以通过直接的金属键合在室温下实现。实际上，2000年提出了一种用于半导体器件的芯片-芯片堆叠结构，作为无凸接触互连技术，实现了800,000个尺寸为3μm、间距为10μm的铜电极的室温同时键合，所有端口通过菊花链连接，且每个互连的连接电阻约为1mΩ。
在SAB混合键合过程中，假定铜键合表面突出于介电层。然而，LETI的最新实验表明，SAB混合键合也可以应用于具有传统凹陷结构的铜焊盘。正如预期的那样，铜-铜键合表现出极高的强度，而介电层的键合强度相对较弱。通过约150°C的后退火处理，这个问题有所改善。
然而，特别值得注意的是，即使在室温下，具有凹陷结构的铜焊盘也能最终接触并实现键合。在传统的混合键合中，通过CMP过程制造的凹陷形状铜在后退火过程中由于热膨胀而从介电层表面突出，导致热压键合。然而，观察到一个看似奇特的现象：凹陷铜在室温下实现键合，而无需任何热膨胀。
为什么会发生这种情况？一种可能的解释在于SAB的独特键合机制，下面将对此进行讨论。
5.SAB过程的接触分析
LETI小组区分了亲水性键合中键合和断裂过程的能量平衡。他们制定了在键合过程中的粘附能量和在断裂过程中的附着能量（断裂能），并澄清了决定性因素，特别是在硅（Si）和二氧化硅（SiO2）键合界面上。换句话说，粘附能量与水的扩散和界面处的流体动力学流动有关。相比之下，附着能量与由于水引起的界面应力腐蚀相关。
SAB对于铜、金属和硅的情况是不同的。在SAB中，键合仅通过接触在超高真空下自发进行，且在不稳定的断裂过程中可能会发生脆性断裂。然而，在实际的晶圆键合中，尤其是当金属层如铜位于键合界面时，由于局部塑性变形，能量耗散显著，即使在界面断裂的情况下，断裂能量也会显著增加。自然地，稳定的界面断裂可能会因应力腐蚀而发生，这取决于环境条件。
由于SAB过程中的键合来自配对材料表面之间的短程原子吸引力，实际接触面积及其变形显著影响键合特性。如果表面粗糙度超过某一临界值，无法避免存在未键合的区域。然而，已知当表面粗糙度低于临界值时，由于配对材料表面之间的短程原子吸引力，即使它们不直接接触，整个界面也可以实现完全键合。从宏观角度看，这一现象可以通过键合后表面能的减少来解释，这对应于附着功。Fan等人制定了接触过程中的能量平衡公式，该公式表示了断裂力学中能量平衡的逆过程。通过结合这两种方法，接触能量平衡可以表示如下：
其中，A是界面面积的增加，W是外部加载所做的功，U是整个系统的应变能。R是一个参数，称为接触电阻，它对应于定义在断裂过程中的能量释放率。考虑到与附着功Γ的能量平衡，键合或断裂的标准描述如下：
·
Γ > R: 键合过程
·
·
Γ = R: 平衡状态
·
·
Γ < R: 脱键过程
·
作者进行了详细的有限元方法（FEM）仿真，研究了粗糙表面的接触，重点是能量平衡，结合了金属变形和残余应力评估的弹塑性建模，假设粗糙表面与刚性平面之间有周期性分布的突起。模拟系统包括通过薄的金（Au）和钛（Ti）层键合的硅晶圆，如图5所示。
图5. 细金属在硅晶圆上粗糙表面的键合过程的有限元建模。表面粗糙度由波长为70 nm的正弦曲线表示。初始间隙模拟了表面粗糙度。
仿真使用ANSYS软件在二维平面应力条件下进行，表面粗糙度近似为振荡波，振幅范围从1 nm到10 nm。基于SAB原理，假设一旦接触表面粘附，它们就会实现完全的粘附而不发生滑动。每种材料被建模为弹性或弹塑性，具有由冯·米塞斯屈服准则控制的双线性各向同性硬化行为。仿真中使用的材料参数列在表I中。
表I. FEM仿真材料参数。E：杨氏模量，ν：泊松比，Y：屈服应力。
图6展示了不同表面粗糙度水平下接触电阻R与接触比之间的关系。接触比是实际接触面积与投影面积之比，其中0表示没有接触，1表示完全接触。假设金（Au）的附着能Γ是一个大约2 J/m²的常数（如虚线所示），结果表明，对于粗糙度为5 nm时，当接触比为0.4时，接触电阻R超过附着能，这意味着键合将在约40%的整个面积上停止。相反，当表面粗糙度小于3 nm时，整个表面会实现完全的键合。
图6. 键合电阻R与接触比之间的关系。接触比为0表示接触开始，接触比为1表示完全键合。如果接触电阻R超过附着功，则不会再发生接触。在此示例中，如果表面粗糙度2h为5 nm，则将导致约40%的键合，但如果表面粗糙度为3 nm或更小，则可以期待完全接触。
虽然原始研究中没有明确提到，但可以推断，在接触比为1时，接触电阻曲线中观察到的峰值，随后的下降至零，源于假设的正弦表面轮廓。在接触的最后阶段，当接触比达到1时，正弦曲线的斜率趋于零，导致接触电阻也趋近于零。然而，如果粗糙度轮廓包含深谷，则实现100%接触变得越来越困难，接触电阻R可能在接触比接近1时发生发散。因此，R在峰值后的特性行为可能不能准确反映现实条件。
塑性变形和金属层的弹性模量等因素对这种行为有很大影响。直观地，当塑性变形易于进行时，表面更容易实现接触，而较小的弹性模量减少了应变能，从而降低了接触电阻。这些关系在图7中得到了展示。
图7. 塑性变形和应变能对接触电阻的影响，通过比较仅考虑弹性的情况、屈服应力Y减小至1/4以及杨氏模量E减小至1/10的情况来展示。
上述仿真是在正弦表面轮廓的波长固定为70 nm的条件下进行的。尽管这些结果不是决定性的，但可以推断，增加表面粗糙度的波长会产生类似的趋势，这也适用于相对较大粗糙度的表面。换句话说，即使表面粗糙度更大，只要波长足够大，也能实现完全接触。在前一部分讨论的铜（Cu）焊盘的情况下，凹陷深度（对应于表面粗糙度）在几个纳米的范围内，而波长与铜焊盘的尺寸相关，位于微米级。因此，尽管铜和金之间存在差异，但合理推测，一旦铜焊盘上的任何一点开始接触，整个凹陷的铜焊盘表面最终将接触并完全粘附。
6.SAB对混合键合的替代方法
如前所述，SAB的一个重大问题是SiO2-SiO2介电键合的强度极弱。介电键合的低可靠性和相关的应力腐蚀问题不可忽视。这与当前主流的混合键合方法形成鲜明对比，后者根本依赖亲水性键合来确保SiO2-SiO2介电层的键合强度，并容忍铜-铜连接的相对低键合强度。
为了解决这些问题，提出了三种替代方法：
第一种方法是全金属三维（AM3D）互连，其中仅使用铜进行键合。在这种配置中，铜信号线被键合，绝缘层上覆盖铜平面电极，然后将这些电极键合在一起（见图8）。这种方法通过统一机制实现了铜组件之间的完全键合，所有过程都在室温下完成。可以提出多种铜平面电极的配置。一种可能的设计是在电极周围设置密封框架，假设电极布局类似于传统的混合键合。已经确认了SAB在这种配置中的密封性能。
图8. 全金属三维（AM3D）互连的概念，(a) 键合过程，(b) 平面电极配置示例。29, 30)
第二种方法是采用扩展SAB过程，并加入硅纳米粘附层。研究表明，超薄的硅中间层（厚度小于1纳米）可以在水平方向上维持电气绝缘，同时在垂直方向上实现低电阻和强粘附（见图9）。
图9. 传统混合键合的键合结构（顶部）和作为替代方案提出的三种SAB键合结构（底部）。
最后一种方法是通过Al2O3界面层进行键合。ALD-Al2O3已证明可以通过SAB形成强键合。在这种方法中，铜焊盘首先通过CMP处理成突起形状。随后，将Al2O3薄膜应用于整个表面，包括绝缘层。然后进行第二次CMP处理，暴露出铜焊盘区域。这使得铜和Al2O3表面能够通过SAB在室温下同时实现键合（见图9）。
7.结语
将SAB应用于三维器件可能面临挑战，尤其是在亲水性键合已经用于三维混合键合的情况下。然而，尽管存在这些挑战，SAB特别是在室温下实现键合的能力，仍然为未来在各种三维堆叠器件应用中提供了显著的前景。
与真空工艺相关的挑战之一是保持高对准精度。这是因为真空必须在维护时被打破，设备必须在维护后进行烘烤。这个问题引发了对真空工艺在减少吞吐量和生产效率方面的担忧。然而，一个新的概念可能能够解决这一限制：如果多个工艺工具都位于一个大的真空环境中，而不是将真空工艺分散在各个真空腔中呢？这种方法并非完全没有先例。例如，NASA和JAXA已经开发了用于测试空间卫星的大型超高真空腔体。通过在一个巨大的真空容器内进行工艺处理，单独工具的维护可以在不破坏真空环境的情况下进行，从而简化程序并提高精度。尽管构建一个大型真空腔体无疑会很昂贵，但半导体制造中的真空设备已经是一个重要的成本因素。因此，尽管这一想法仍具有一定的猜测性，但它可能并非完全不切实际。它可能代表着未来半导体加工和三维器件集成的可行替代方案。
文章名：Recent progress in surface activated bonding for 3D and heterogeneous integration作者：Tadatomo Suga单位：Collaborative Research Center, Meisei University, Hino-shi, Tokyo 191-8506, Japan
