一、3D集成晶圓鍵合技術介紹

3D集成晶圓鍵合技術是一種在半導體制造領域具有重要意義的技術。它能夠通過建立不同表面之間的分子、原子間作用力，實現高至納米級精度的互聯，或以臨時鍵合的技術實現晶圓減薄，使工廠在仍使用現有設備的條件下，能夠在薄晶圓上實現各種制程，進而支持3D封裝技術的實現與推廣，滿足超摩爾定律的要求。

混合鍵合（Hybrid Bonding）是其中一種先進的晶圓鍵合技術，它有助于集成多個半導體元件以創建高密度、高性能的設備。與傳統封裝方法相比，混合鍵合可實現更高的互連密度，是3D集成和異構片上系統 (SoC) 應用的關鍵技術。混合鍵合的基本原理是結合了介電層和金屬層的連接，例如通過在晶圓之間形成直接的銅 - 銅（Cu - Cu）鍵合，實現芯片之間的互連。

除了混合鍵合，還有如熔融鍵合（Fusion Bonding）等技術。熔融或直接晶圓鍵合使介電層和功能團，更精確的活化，懸掛在氫橋鍵的幫助下在晶圓之間橋接。該預鍵合步驟在室溫和大氣條件下進行，僅在隨后的退火步驟中，低能氫參與反應。

這些鍵合技術可以將不同的芯片或晶圓連接在一起，實現垂直方向上的集成，從而提高芯片的性能、功能密度以及減小芯片的體積等，對于現代電子設備向小型化、高性能化發展有著至關重要的作用。

二、3D集成晶圓鍵合技術的發展歷程

早期，傳統的鍵合技術如引線鍵合、倒裝芯片鍵合和硅通孔（TSV）鍵合等在半導體封裝領域占據主導地位。然而，隨著電子系統對于小型化高密度集成、多功能高性能集成、小體積低成本集成的需求不斷增長，傳統鍵合技術逐漸難以滿足要求。

在這樣的背景下，3D集成晶圓鍵合技術開始發展。代工廠、設備供應商、研發機構等開始研發更為先進的鍵合技術，例如銅混合鍵合（Hybrid bonding）工藝，這項技術正在推動下一代2.5D和3D封裝技術的發展。雖然與現有的堆疊和鍵合方法相比，混合鍵合可以提供更高的帶寬和更低的功耗，但混合鍵合技術也更難實現。

眾多知名企業如英特爾、三星、華為、高通、羅姆、臺積電等，以及眾多高校、科研院所均圍繞晶圓級封裝鍵合開展了設備、器件、工藝的研究。例如英特爾在2022 IEEE國際電子器件會議上，發布了新的3D混合鍵合（hybrid bonding）技術，將功率密度和性能提升了10倍。在國內，也有像中科青禾這樣的新興半導體創業公司積極參與到晶圓鍵合技術的研發中，其母公司青禾晶元的首席科學家須賀唯知是日本東京大學名譽教授，原日本電子封裝學會會長，也是晶圓鍵合領域的泰斗級人物。

從設備方面來看，相關設備的研發也在不斷進步。例如奧地利弗洛里安的EV集團(EVG)推出業內首部用于晶片到晶圓（D2W）鍵合應用的商用混合鍵合活化與清潔系統——EVG?320 D2W晶片準備與活化系統，這也反映了3D集成晶圓鍵合技術在設備層面的不斷發展和完善。

三、當前3D集成晶圓鍵合技術的應用領域

（一）高性能計算領域

在高性能計算中，3D集成晶圓鍵合技術有助于提高計算性能。通過將不同功能的芯片（如處理器芯片和存儲芯片）進行3D集成鍵合，可以大大縮短芯片之間的信號傳輸距離，減少信號延遲。例如，當處理器和高速緩存（Cache）芯片進行3D集成時，數據的讀取和寫入速度能夠顯著提高。因為傳統的平面集成方式下，信號傳輸線路較長，會導致傳輸延遲，而3D集成可以將這些組件緊密結合，使得信號能夠以更快的速度傳輸，從而提高整個計算系統的運行效率。

（二）智能手機等移動設備領域

對于智能手機等移動設備，小型化和高性能是兩大關鍵需求。3D集成晶圓鍵合技術可以在滿足高性能要求的同時，有效地減小芯片的體積。例如將多個傳感器芯片（如加速度計、陀螺儀等）與主處理器芯片進行3D集成鍵合，可以減少整個芯片模組的物理空間占用，為手機內部的其他組件騰出更多空間，同時也能夠降低功耗，延長電池續航時間。此外，在移動設備的圖像和視頻處理方面，通過將圖像傳感器芯片與圖像處理芯片進行3D集成，可以提高圖像和視頻的處理速度和質量，滿足用戶對于高清拍照、視頻通話等功能的需求。

（三）MEMS（微機電系統）領域

在MEMS領域，3D集成晶圓鍵合技術有著獨特的應用。設備由MEMS領域應用轉化到3D集成技術領域，表現出高對準精度特點。大多數對準、鍵合工藝都源于微機電系統（MEMS）制造技術，但應用于3D集成的對準精度要比傳統MEMS對準精度提高5 - 10倍，目前設備對準精度已經達到亞微米級。這使得在制造微傳感器和微執行器等MEMS器件時，可以實現更復雜、更精密的結構和功能。例如在制造微型壓力傳感器時，通過3D集成晶圓鍵合技術可以將不同的功能層（如敏感層、電極層等）精確地鍵合在一起，提高傳感器的靈敏度和準確性。

（四）邏輯存儲器應用領域

晶圓到晶圓混合鍵合已成為一種很有前景的3D集成技術，可實現不斷增加的I/O密度以及功能芯片之間更高效的連接，在邏輯存儲器等應用方面有著重要意義。為了實現邏輯存儲器等應用（其中晶圓到晶圓鍵合發生在靠近前端的位置），必須將銅互連間距的縮放推至其最終極限，從而提高存儲器的讀寫速度和存儲容量等性能指標。

四、3D集成晶圓鍵合技術的最新研究成果

（一）Cu/SiO?晶圓級混合鍵合技術研究進展

在面向三維集成應用的Cu/SiO?晶圓級混合鍵合技術方面取得了一定的研究成果。研究歸納了現有的晶圓級鍵合技術，包括直接鍵合、活化鍵合以及金屬固液互擴散鍵合，并分析了其應用于混合鍵合技術的可能性。進一步總結了近年來部分Cu/SiO?混合鍵合技術的研究進展，從原理上剖析該工藝得以實現的關鍵，這為國內半導體行業在該技術領域的發展提供了重要的理論依據和技術參考，有助于國內企業在Cu/SiO?晶圓級混合鍵合技術方面取得進一步的突破，提高國內在半導體封裝領域的技術水平。

（二）柔性光電極神經探針的3D集成

中國青年學者領銜在最新Nature合作子刊發表了關于柔性光電極神經探針的3D集成成果。這一成果表明3D集成晶圓鍵合技術在生物醫學領域也有了新的應用拓展。柔性集成電子 - 光子系統已應用于生物傳感、光遺傳神經刺激和持續血糖監測等方面，3D集成技術使得這些柔性光電極神經探針能夠更好地實現其功能，例如提高信號采集和傳輸的效率等，為生物醫學工程領域的發展提供了新的技術手段和研究方向。

（三）晶圓到晶圓混合鍵合的互連間距突破

在晶圓到晶圓混合鍵合技術方面，研究朝著將互連間距突破400納米的方向發展。更小的互連間距意味著更高的I/O密度以及功能芯片之間更高效的連接。這一成果將有助于進一步提高芯片的性能，特別是在邏輯存儲器等應用場景中，能夠提升芯片的讀寫速度、數據處理能力等性能指標，推動3D集成晶圓鍵合技術在高性能芯片制造領域的發展。

五、3D集成晶圓鍵合技術的發展趨勢

（一）更高的集成度

隨著電子設備不斷朝著小型化、多功能化發展，3D集成晶圓鍵合技術將朝著更高的集成度發展。這意味著在垂直方向上能夠集成更多的芯片或功能層。例如，在一個封裝體內，不僅可以集成處理器、存儲器等傳統芯片，還可能集成更多種類的傳感器、射頻芯片等。通過進一步提高集成度，可以大大減小整個芯片模組的體積，滿足如可穿戴設備等對于超小型化芯片的需求。同時，更高的集成度也有助于提高信號傳輸速度和系統的整體性能，減少信號在不同芯片之間傳輸的延遲，實現更快的數據處理。

（二）更小的互連間距

目前，研究已經在朝著將晶圓到晶圓混合鍵合的互連間距突破400納米的方向努力，未來這一趨勢將繼續發展。更小的互連間距能夠實現更高的I/O密度，使得芯片之間可以在單位面積上建立更多的連接通道。這對于提高芯片的帶寬、數據傳輸速度以及功能密度有著重要意義。例如在高性能計算和數據中心應用中，更小的互連間距可以提高服務器之間的數據交互速度，從而提升整個數據中心的運算效率。

（三）多材料、異質集成

未來的3D集成晶圓鍵合技術將更多地涉及多材料、異質集成。硅基三維集成微系統可集成化合物半導體、CMOS、MEMS等芯片，充分發揮不同材料、器件和結構的優勢，可實現傳統組件電路的芯片化、不同節點邏輯集成電路芯片的集成化，從而提升信號處理等電子產品的性價比。通過將不同材料（如硅、化合物半導體等）和不同類型的器件（如邏輯器件、存儲器件、傳感器等）進行3D集成鍵合，可以實現更多樣化的功能。例如將硅基的邏輯電路與化合物半導體的光電器件進行集成，可以在一個芯片上同時實現邏輯運算和光電轉換功能，為光通信、光計算等領域提供新的技術解決方案。

（四）與其他技術的融合發展

3D集成晶圓鍵合技術將與其他半導體制造技術融合發展。例如與光刻技術、蝕刻技術等傳統半導體制造工藝相結合，在提高鍵合精度的同時，優化整個芯片制造流程。此外，還可能與新興的技術如量子技術、柔性電子技術等進行融合。在量子技術方面，如果能夠將量子芯片與傳統的半導體芯片通過3D集成晶圓鍵合技術進行集成，有望推動量子計算技術的實用化進程；在柔性電子技術方面，3D集成晶圓鍵合技術可以用于制造柔性的多功能芯片，拓展柔性電子設備的應用范圍。

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