一、3D集成晶圆键合技术介绍

3D集成晶圆键合技术是一种在半导体制造领域具有重要意义的技术。它能够通过建立不同表面之间的分子、原子间作用力，实现高至纳米级精度的互联，或以临时键合的技术实现晶圆减薄，使工厂在仍使用现有设备的条件下，能够在薄晶圆上实现各种制程，进而支持3D封装技术的实现与推广，满足超摩尔定律的要求。

混合键合（Hybrid Bonding）是其中一种先进的晶圆键合技术，它有助于集成多个半导体元件以创建高密度、高性能的设备。与传统封装方法相比，混合键合可实现更高的互连密度，是3D集成和异构片上系统 (SoC) 应用的关键技术。混合键合的基本原理是结合了介电层和金属层的连接，例如通过在晶圆之间形成直接的铜 - 铜（Cu - Cu）键合，实现芯片之间的互连。

除了混合键合，还有如熔融键合（Fusion Bonding）等技术。熔融或直接晶圆键合使介电层和功能团，更精确的活化，悬挂在氢桥键的帮助下在晶圆之间桥接。该预键合步骤在室温和大气条件下进行，仅在随后的退火步骤中，低能氢参与反应。

这些键合技术可以将不同的芯片或晶圆连接在一起，实现垂直方向上的集成，从而提高芯片的性能、功能密度以及减小芯片的体积等，对于现代电子设备向小型化、高性能化发展有着至关重要的作用。

二、3D集成晶圆键合技术的发展历程

早期，传统的键合技术如引线键合、倒装芯片键合和硅通孔（TSV）键合等在半导体封装领域占据主导地位。然而，随着电子系统对于小型化高密度集成、多功能高性能集成、小体积低成本集成的需求不断增长，传统键合技术逐渐难以满足要求。

在这样的背景下，3D集成晶圆键合技术开始发展。代工厂、设备供应商、研发机构等开始研发更为先进的键合技术，例如铜混合键合（Hybrid bonding）工艺，这项技术正在推动下一代2.5D和3D封装技术的发展。虽然与现有的堆叠和键合方法相比，混合键合可以提供更高的带宽和更低的功耗，但混合键合技术也更难实现。

众多知名企业如英特尔、三星、华为、高通、罗姆、台积电等，以及众多高校、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。例如英特尔在2022 IEEE国际电子器件会议上，发布了新的3D混合键合（hybrid bonding）技术，将功率密度和性能提升了10倍。在国内，也有像中科青禾这样的新兴半导体创业公司积极参与到晶圆键合技术的研发中，其母公司青禾晶元的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，也是晶圆键合领域的泰斗级人物。

从设备方面来看，相关设备的研发也在不断进步。例如奥地利弗洛里安的EV集团(EVG)推出业内首部用于晶片到晶圆（D2W）键合应用的商用混合键合活化与清洁系统——EVG®320 D2W晶片准备与活化系统，这也反映了3D集成晶圆键合技术在设备层面的不断发展和完善。

三、当前3D集成晶圆键合技术的应用领域

（一）高性能计算领域

在高性能计算中，3D集成晶圆键合技术有助于提高计算性能。通过将不同功能的芯片（如处理器芯片和存储芯片）进行3D集成键合，可以大大缩短芯片之间的信号传输距离，减少信号延迟。例如，当处理器和高速缓存（Cache）芯片进行3D集成时，数据的读取和写入速度能够显著提高。因为传统的平面集成方式下，信号传输线路较长，会导致传输延迟，而3D集成可以将这些组件紧密结合，使得信号能够以更快的速度传输，从而提高整个计算系统的运行效率。

（二）智能手机等移动设备领域

对于智能手机等移动设备，小型化和高性能是两大关键需求。3D集成晶圆键合技术可以在满足高性能要求的同时，有效地减小芯片的体积。例如将多个传感器芯片（如加速度计、陀螺仪等）与主处理器芯片进行3D集成键合，可以减少整个芯片模组的物理空间占用，为手机内部的其他组件腾出更多空间，同时也能够降低功耗，延长电池续航时间。此外，在移动设备的图像和视频处理方面，通过将图像传感器芯片与图像处理芯片进行3D集成，可以提高图像和视频的处理速度和质量，满足用户对于高清拍照、视频通话等功能的需求。

（三）MEMS（微机电系统）领域

在MEMS领域，3D集成晶圆键合技术有着独特的应用。设备由MEMS领域应用转化到3D集成技术领域，表现出高对准精度特点。大多数对准、键合工艺都源于微机电系统（MEMS）制造技术，但应用于3D集成的对准精度要比传统MEMS对准精度提高5 - 10倍，目前设备对准精度已经达到亚微米级。这使得在制造微传感器和微执行器等MEMS器件时，可以实现更复杂、更精密的结构和功能。例如在制造微型压力传感器时，通过3D集成晶圆键合技术可以将不同的功能层（如敏感层、电极层等）精确地键合在一起，提高传感器的灵敏度和准确性。

（四）逻辑存储器应用领域

晶圆到晶圆混合键合已成为一种很有前景的3D集成技术，可实现不断增加的I/O密度以及功能芯片之间更高效的连接，在逻辑存储器等应用方面有着重要意义。为了实现逻辑存储器等应用（其中晶圆到晶圆键合发生在靠近前端的位置），必须将铜互连间距的缩放推至其最终极限，从而提高存储器的读写速度和存储容量等性能指标。

四、3D集成晶圆键合技术的最新研究成果

（一）Cu/SiO₂晶圆级混合键合技术研究进展

在面向三维集成应用的Cu/SiO₂晶圆级混合键合技术方面取得了一定的研究成果。研究归纳了现有的晶圆级键合技术，包括直接键合、活化键合以及金属固液互扩散键合，并分析了其应用于混合键合技术的可能性。进一步总结了近年来部分Cu/SiO₂混合键合技术的研究进展，从原理上剖析该工艺得以实现的关键，这为国内半导体行业在该技术领域的发展提供了重要的理论依据和技术参考，有助于国内企业在Cu/SiO₂晶圆级混合键合技术方面取得进一步的突破，提高国内在半导体封装领域的技术水平。

（二）柔性光电极神经探针的3D集成

中国青年学者领衔在最新Nature合作子刊发表了关于柔性光电极神经探针的3D集成成果。这一成果表明3D集成晶圆键合技术在生物医学领域也有了新的应用拓展。柔性集成电子 - 光子系统已应用于生物传感、光遗传神经刺激和持续血糖监测等方面，3D集成技术使得这些柔性光电极神经探针能够更好地实现其功能，例如提高信号采集和传输的效率等，为生物医学工程领域的发展提供了新的技术手段和研究方向。

（三）晶圆到晶圆混合键合的互连间距突破

在晶圆到晶圆混合键合技术方面，研究朝着将互连间距突破400纳米的方向发展。更小的互连间距意味着更高的I/O密度以及功能芯片之间更高效的连接。这一成果将有助于进一步提高芯片的性能，特别是在逻辑存储器等应用场景中，能够提升芯片的读写速度、数据处理能力等性能指标，推动3D集成晶圆键合技术在高性能芯片制造领域的发展。

五、3D集成晶圆键合技术的发展趋势

（一）更高的集成度

随着电子设备不断朝着小型化、多功能化发展，3D集成晶圆键合技术将朝着更高的集成度发展。这意味着在垂直方向上能够集成更多的芯片或功能层。例如，在一个封装体内，不仅可以集成处理器、存储器等传统芯片，还可能集成更多种类的传感器、射频芯片等。通过进一步提高集成度，可以大大减小整个芯片模组的体积，满足如可穿戴设备等对于超小型化芯片的需求。同时，更高的集成度也有助于提高信号传输速度和系统的整体性能，减少信号在不同芯片之间传输的延迟，实现更快的数据处理。

（二）更小的互连间距

目前，研究已经在朝着将晶圆到晶圆混合键合的互连间距突破400纳米的方向努力，未来这一趋势将继续发展。更小的互连间距能够实现更高的I/O密度，使得芯片之间可以在单位面积上建立更多的连接通道。这对于提高芯片的带宽、数据传输速度以及功能密度有着重要意义。例如在高性能计算和数据中心应用中，更小的互连间距可以提高服务器之间的数据交互速度，从而提升整个数据中心的运算效率。

（三）多材料、异质集成

未来的3D集成晶圆键合技术将更多地涉及多材料、异质集成。硅基三维集成微系统可集成化合物半导体、CMOS、MEMS等芯片，充分发挥不同材料、器件和结构的优势，可实现传统组件电路的芯片化、不同节点逻辑集成电路芯片的集成化，从而提升信号处理等电子产品的性价比。通过将不同材料（如硅、化合物半导体等）和不同类型的器件（如逻辑器件、存储器件、传感器等）进行3D集成键合，可以实现更多样化的功能。例如将硅基的逻辑电路与化合物半导体的光电器件进行集成，可以在一个芯片上同时实现逻辑运算和光电转换功能，为光通信、光计算等领域提供新的技术解决方案。

（四）与其他技术的融合发展

3D集成晶圆键合技术将与其他半导体制造技术融合发展。例如与光刻技术、蚀刻技术等传统半导体制造工艺相结合，在提高键合精度的同时，优化整个芯片制造流程。此外，还可能与新兴的技术如量子技术、柔性电子技术等进行融合。在量子技术方面，如果能够将量子芯片与传统的半导体芯片通过3D集成晶圆键合技术进行集成，有望推动量子计算技术的实用化进程；在柔性电子技术方面，3D集成晶圆键合技术可以用于制造柔性的多功能芯片，拓展柔性电子设备的应用范围。

先进芯片封装清洗介绍

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