本文是小编分享的第一篇关于表面活化键合技术（Surface Active Bonding）的文章，但是实际前面很多文章都提到了这个技术 ，

我们常见的键合技术 有硅玻璃键合 金金键合，金锡键合，金硅键合，临时键合等等 。但是当我们遇到一些需要低温键合，或者一些特殊材料时，或者应用场景时，上述键合方式很难满足一些特殊场景的应用，

因此科学家提出了表面活化键合技术，这种技术 使键合技术所覆盖的材料范围更加广泛，比如

Si-Si，                   GaN-Dlamond,                         Sl-Diamond,

蓝宝石-蓝宝石，          金刚石-sic,                               sic-inp,

sic-LN,                      sic-ga2o3,                              glass--glass

Si-SiC，Si-GaAs、GaAs- SiC、Si–SiC、SiC–SiC、Ge–Ge  、Al 2 O 3 -Al 2 O 3 ，GaP-InP， GaN-Si、LiNbO 3 -Al 2 O 3 、LiTaO 3 -Si

扩展的多材料的体系，将键合技术扩大了应用范围

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*功率器件                        *3D封装                        *异质集成

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这种技术，小编前面分享的有些文章中有提到，但是当时小编才疏学浅，未能把握住这个技术的核心，但是最近，命运安排人咨询我

a.GaN-Diamond   b.Si-Si    c.恰好我在分享碳化硅集成光子学，这个技术也是核心之一。

因此小编后续的重心将会放在基于SAB的先进多材料键合技术的知识分享

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用于低温键合的表面活化键合方法

摘要：

用于低温键合的表面活化键合（SAB）方法：回顾了其在异质和 3D 集成方面的发展。标准SAB方法基于超高真空中Ar束的表面轰击来清洁表面，以便它们可以在室温下非常牢固地粘合而无需热处理。人们对表面活化的修改进行了研究，以将标准 SAB 方法扩展到各种材料和应用。

介绍

自 80 年代中期以来，日本的几个研究小组已经证明了表面活化对于室温粘合的有效性。Al-Al 和 Al-Si 3 N 4 的 UHV 键合工艺于 1992 年 [1] 描述，Cu-Cu 的微键合工艺于 1993 年描述 [2] 。表面活性键合（SAB）方法于1996年成功应用于Si-Si的直接晶圆键合 [3] ，随后扩展到室温下半导体与金属之间的异质键合。SAB 方法由于其简单的工艺流程、不需要额外的中间材料进行键合以及与 CMOS 技术的兼容性而引起了越来越多的兴趣。

然而，它未能粘合一些介电材料，特别是玻璃和氧化硅。改进的 SAB 方法，使用沉积在活化表面上的纳米厚度的中间层。纳米中间层包括Si、诸如Al、Cu、Ti的金属以及某些氧化物。改进后的SAB现在不仅可用于粘合SiO 2 玻璃，还可用于粘合PEN和聚酰亚胺等聚合物薄膜以及WBG半导体晶圆，在柔性电子和电力电子领域具有广阔的应用前景。

其他新颖的表面活化工艺也被提出用于铜/电介质混合键合，这是一种有前途的高密度 3D 互连方法

本文通过扩展方法的多功能性，回顾了用于异构和 3D 集成的 SAB 方法与新方法。

标准的表面活化键合

A.概念

表面活性键合 (SAB) 一词首次在 F. S. Ohuchi 和 T. Suga (1994) 的文章中使用 [4] 来描述“利用原子级清洁的基本性质”的键合过程。当两个表面接触时，高能粒子轰击产生的表面会形成键。”

SAB 方法基于配合清洁表面上原子之间的化学相互作用。这些相互作用的根源是固体的内聚能和粘附能，即使没有高温反应也能实现固态键合。因此，SAB原则上可以在室温下实现各种材料（金属对金属、金属对陶瓷、金属对半导体和半导体对半导体）的键合，即无需加热或后键合退火。在标准 SAB 中，通过超高真空中的 Ar 原子束轰击进行预键合表面活化，用于去除表面污染物和原生氧化物。超高真空还可以防止粘合前表面的快速再氧化和再污染。

并行3D集成的无凸点直接键合概念于2000年提出 [5] 、 [6] 。无凸块接合互连被定义为在共面平面中直接与金属互连和绝缘层接合的两层结构，如 Fig. 1 所示。

图。1。无扰动互连的概念..

层结构代表LSI芯片和基板、两种不同器件（RF、数字、模拟、逻辑、存储器等）或布线层和器件层的组合。特别是，该结构有望应用于（1）用于全局互连的布线层和芯片上器件层的接合，（2）通过划分布线层来提高成品率，（3）通过采用适当的传输来提高信号传输速率线结构和缩短器件之间的距离，（4）互连两个不同的器件层，例如模拟和数字器件的分离，以及（5）光学器件与硅衬底的键合，以及半导体异质结的键合 [5]

Fig. 2 为采用该方法制备的Cu-Cu键合界面在室温下的TEM图像。可见界面意味着键合界面上没有发生明显的扩散和铜晶粒生长。还表明 SAB 对 Cu 扩散和 Cu 晶粒微观结构的依赖性较小。SAB 避免了热相关问题，例如热应力、热膨胀和膨胀引起的键合错位。标准 SAB 方法展示了 1,000,000 个电极在 3μm 临界尺寸和 6μm 节距 [7] 下的芯片级 Cu-Cu 接合互连 - [9] .

图 2.Cu-Cu 在室温下通过 SAB 方法粘合。

B. 晶圆键合

直接晶圆键合称为氧化物键合、硅直接键合或亲水键合，是当今用于光电子、微电子和 MEMS 等许多应用的众所周知的技术。尽管其技术重要性，但键合界面处水的存在导致硅原生氧化物上形成亲水键，从而在后退火过程中释放氢气，导致键合界面处出现大量键合缺陷。

标准 SAB 可实现无氧化物键合，并在室温下实现 Si-Si 共价键合。离子材料（例如氧化物、氮化物和碳化物）的键合机制尚不清楚，但金属的一定富集或贫化可能在表面活化过程后接触表面的键形成中发挥重要作用。事实上，标准 SAB 也已成功应用于室温下的半导体晶圆键合，例如 Si-Si [10] 、Si-SiC、Si-GaAs [11] 、GaAs- SiC、Si–SiC、SiC–SiC、Ge–Ge [12] 、Al 2 O 3 -Al 2 O 3 ，GaP-InP。GaN-Si、LiNbO 3 -Al 2 O 3 、LiTaO 3 -Si 等 Fig. 3 Fig. 4 显示了使用SAB在室温下键合的Si-Si晶片和Si-GaAs的典型界面。在许多情况下，观察到由离子束轰击引起的非晶界面层。

 图 3.采用SAB法进行Si-Si界面室温键合 [10] 。

图 4.采用SAB法进行Si-GaAs界面室温键合 [11] 。

C. 工业应用

由于SAB技术的独特之处，特别是在室温工艺下实现无需任何粘合剂或焊料的直接键合，尽管不可避免地需要高真空工艺和设备，但它已经应用于一定的批量生产。然而，目前公司只公开了几个例子，如用于手机外壳的Al-SUS金属层压板 [13] 、用于超导电缆特殊基材的Cu-Ni合金层压板、用于超导电缆特殊基材的Cu-Ni合金层压板、用于用于MEMS绝对压力传感器封装的Si晶圆键合、用于SAW滤波器的LiNbO 3 -Al 2 O 3 晶圆键合等。

改良型表面活化键合

A. 使用纳米粘合层改进的 SAB

标准 SAB 无法粘合离子晶片，尤其是 SiO 2 ，因为它们的极化不均匀，并且激活态的寿命可能很短。为了减轻极化效应的不利影响，我们对标准SAB方法进行了修改，在离子束溅射过程中同时掺杂某些金属，或者在离子束激活过程之前沉积纳米厚度的金属和氧化物薄层。熔敷金属包括Fe、Ti、Al、Cu、Al和Si。

Fig. 5 显示了在 1000 ℃ 下快速热退火后（a）通过标准 SAB 和（b）通过使用含硅 Ar 束轰击的改进 SAB 粘合的 SiC-SiC 界面的横截面 TEM 图像。°C 180 秒 [14] 。这两种方法都可以键合 SiC，但由于离子束轰击，Si 优先溅射，形成 Si 耗尽层，Si 耗尽层可以通过 Si 掺杂的改性 SAB 恢复，但不能通过标准 SAB 恢复。

图 5.SiC-SiC 界面结合方式：(a) 标准 SAB，(b) 1000 °C 快速热退火 180 s 后掺杂 Si 的改良 SAB

更有趣的是，这种方法也可以在不使用有机粘合剂的情况下粘合热固性塑料薄膜。Fig. 6 显示了通过厚度约为10nm的Si中间层粘合的两个聚酰亚胺膜之间的典型界面 [15] 。该界面紧密，可防止气体和水的渗透，有望用于各种薄膜器件的密封方法。

图 6.使用硅纳米粘合层通过改性 SAB 在室温下粘合聚酰亚胺薄膜。

B. SAB工艺与亲水处理相结合

标准 SAB 还经过修改，可在大气压甚至环境大气中进行粘合。该方法将使用含硅Ar束的表面照射与亲水处理 [16] 、 [17] 结合起来。它可以在 200 °C 的空气中实现 Cu/SiO2 混合键合，而不会在键合界面形成空隙。键合工艺包括真空键合之前的预键合附着-分离工艺。Ar 束中添加的 Si 原子预计会增加 SiO 2 表面活性 Si 位点的数量，而预键合附着-分离过程则用于增强 OH 吸附并去除多余的 H 2 O，使得在空气中的后退火过程中不会形成空洞。

结论

推出了一种创新的界面粘合技术——表面活性粘合（SAB）。标准和修改的 SAB 方法都为集成异质材料和设备提供了强大的工具。将键合扩大到高翘曲和表面粗糙度的大表面积仍然是一个挑战，特别是在满足较低的键合压力和较短的工艺时间方面。然而，它们的应用和批量生产已经在各个工程领域开始。