半导体晶圆键合力控制技术的研究进展与挑战

半导体晶圆键合力控制技术的研究进展与挑战

张慧郑志伟张辉王成君

（南京林业大学机械电子工程学院南京汇智工业设计有限公司东南大学机械工程学院中国电子科技集团公司第二研究所）

摘要：

综述了半导体晶圆键合力控制技术的研究现状与发展趋势。首先介绍了晶圆键合的基本原理和分类，分析了键合力在晶圆键合过程中的关键作用。随后详细阐述了影响键合力的主要因素，包括表面形貌、清洁度、化学处理、温度与压力参数等。重点探讨了直接键合、阳极键合、黏合剂键合等典型键合技术的力学控制方法，并介绍了界面表征与键合力测量的关键技术。进一步分析了晶圆键合力控制面临的挑战，提出了未来发展方向，为半导体制造领域的键合工艺优化提供参考。

0 引言

随着半导体器件尺寸的不断缩小和三维集成技术的发展，晶圆键合技术在现代半导体制造中扮演着越来越重要的角色[1]。晶圆键合（又称为“连接”）即是通过物理或化学方法，将两片或多片晶圆永久结合在一起的过程，其质量直接影响器件的性能与可靠性[2]。孙韵韵和姜嘉豪[3]公开了一种获得最佳晶圆键合力的理论方法，结合晶圆的曲率系数、曲率半径、弹性应变能与接触面积，得到单位面积应变能，进而获取最佳键合质量。李安华等人[4]针对传统键合工艺过程面临的压力分布不匀、控制精度低的问题，利用伺服电机驱动与多传感器反馈技术，进行了精密加压控制（精度±0.5%，0~100 kN 范围）测验；通过自平行柔性加压结构，也实现了键合台的自动调平性能。晶圆键合技术已广泛应用于半导体光电器件、大功率激光器、电子器件、微机电系统（MEM）以及光电集成等领域。

在众多键合质量评价指标中，键合力是最关键的参数之一，它决定了键合界面的机械强度和长期稳定性；其中，加压系统是高精度晶圆键合设备的核心构件，该系统包含电缸、气缸、液压缸和气液混合缸等。目前较好的系统加压方案是气液混合缸的方式[5]。进一步地，键合力控制不当可能导致界面分层、应力集中等问题，严重影响器件成品率。因此，深入研究键合力控制机理，开发精确可控的键合工艺与检测方案，对提升半导体器件制造水平具有重要意义。彭侃和张伟光[6]发明了一种晶圆键合力的检测方法，根据采集得到的被轰击晶圆表面发出的热波，判断键合力，该方法不会造成受测量的晶圆的报废，且成本低廉。陈艳明等人[7]公开了一种晶圆键合力测试法，使用超声波扫描显微镜对载片盒内的晶圆进行三次扫描，得到晶圆键合界面的裂缝位置数据，得到其精准长度，进而计算出键合力；重复多点测试，最终获得了键合力平均值。胡智峰等人[8]给出了一种晶圆键合力测试装置及检测方法，其中的信号收集处理组件用于收集压电刀片构件的电压信号，并将其转化为对压力值进行控制。张耀庚等人[9]提供了一种用于图像传感器制作的晶圆键合力测试方法，其能够自动对晶圆进行按压固定和解除，自动控制刀体构件插入键合界面，从而产生键合裂缝，进一步提高了测试效率。

近年来，随着先进封装技术的快速发展，对于晶圆键合技术的要求不断提高，特别是在异构集成领域，不同材料晶圆间的键合面临着更大挑战。尤其是微加工应力对于微机电系统（MEMS）的惯性器件（如微加速度计与微型陀螺等，一般采用硅基材料）影响显著，MEMS 晶圆受力以拉应力为主，中心受挤压变形，外围受拉伸变形。由于热膨胀系数不同，异质材料间随着温度变化易产生热应力[10]。Milad Ghaemi 和 Mehdi Jafary-Zadeh[11]在晶圆界面上施加了纯应变和纯应力控制的加载，其研究结果表明，在晶圆间（W2W）混合键合(通过电介质键和金属键)中，适当的样品制备和退火工艺对于保证组件的完整性，以及功能的可靠性至关重要。严孟等人[12]设计了一种晶圆键合力测量、解键合、键合晶圆检测装置，其中的测力部件用于测量解键合力，进而确定了晶圆键合受力效果。

本文旨在梳理晶圆键合力控制技术的研究进展，分析影响键合力的关键因素，比较不同键合技术的力学控制特点，并探讨该领域面临的挑战和未来发展方向，为相关研究和工程实践提供参考。

1 晶圆键合的基本原理与分类

键合就是将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质材料晶圆，经表面清洗与活化处理，在一定条件下通过分子力/原子力键合成一体的技术，也是获得复合材料的有效手段。晶圆键合机的基本原理是对键合材料施加外部条件（压力、温度和电压等），以进行不同材料和结构的键合。键合质量与成功率均与控制系统密切相关。

晶圆键合技术根据有/无中间层分为两大类，根据作用机理又主要分为直接键合、阳极键合和黏合剂键合三大类，类似图 1 所示。直接键合又称融合键合或分子键合，是指经过特殊处理的晶圆表面在室温下接触后，通过分子间作用力（如范德华力）形成初步键合，再经高温退火提高键合强度的工艺过程。由 Iasky 等人于 1985 年首次提出。这种键合方式不需要中间层材料（如黏结剂）[13]，就能够实现高精度的晶格匹配，广泛应用于 SOI（Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅）材料和三维集成领域。与其他键合技术相比，直接键合的键合强度高、键合界面可靠、工艺流程精简，适用于多种键合材料，具有较高的研究价值[14]。

为了降低生产成本，用于晶圆键合工艺过程的表面活化技术（如等离子体表面活化技术、真空紫外光活化技术）应运而生。其中，等离子体所含的高能基团能够直接与晶圆表面原子和杂质反应，因而不需要超真空环境。更低生产成本的紫外光活化预处理技术，主要应用于硅基晶圆以及Ⅲ-V 族化合物（如镓化砷 GaAs、磷化铟 InP 和氮化镓 GaN 等）的键合。并且，真空紫外光活化晶圆表面装置能够实现低温直接键合，其工艺参数变量可参考光照时间(如 15 min)，环境湿度(如 35%)与退火温度(最高 200 ℃)。评价晶圆键合质量的依据是：有效键合面积和键合强度。

该类装置具有臭氧消除功能和光照控制功能，能够实现异质石英玻璃/硅，同质石英玻璃的低温直接键合[15]。极短波长(172 nm)的真空紫外光能够有效去除硅基晶圆表面的污染物，使其表面的硅羟基（Si-OH）增多；其中的水蒸气也提供了大量自由羟基，并在待键合界面形成氢键连接的“水桥”，使晶圆能够在室温条件下键合。室温下，晶圆键合间隙由水分子填充，其预键合主要由分子间作用力（范德华力）和氢键的吸力实现。在退火工艺过程中，晶圆键合界面间发生脱水反应，生成了大量共价键，键合孔隙消失，进而实现高强度键合。

阳极键合是一种特殊的静电键合技术，主要应用于玻璃与半导体材料（如硅）的键合。该工艺在高温（通常180~500 ℃）和直流电压（200~1000 V）条件下进行，通过离子迁移在界面形成化学键。阳极键合工艺的温度相对较低、键合强度高，在 MEMS 器件封装制备中应用广泛，如微流体器件、绝缘衬底上的硅（SOI）结构等。

黏合剂键合则是利用聚合物中间层（如苯并环丁烯BCB、聚酰亚胺等）实现晶圆间的连接。这种方法对表面平整度要求较低，工艺温度适中（通常低于 400 ℃），能够有效缓解热失配应力，特别适用于不同材料体系的集成[16]。然而，聚合物材料的引入可能带来热稳定性、气密性等方面的挑战。

采用干膜（DF）黏结剂材料键合的堆叠芯片具有更优异的可靠性，且具有更高的键合强度。DF 黏结剂能够明显提高晶圆级混合（金属/黏结剂）键合强度，更适用于 Cu/SnAg 钎料微凸点和黏结剂低温混合键合结构，因为混合键合结构对微凸点高度均一性要求苛刻，且易出现未键合区域、滑移的现象[17]。混合键合的基本原理即是通过电介质键(dielectric bond)和金属键(metal bond)实现两个晶圆间的互连。

以Au/Ti 作为金属过渡层的硅—硅共晶键合晶圆，表面可带有微结构；亲水湿法活化处理能够降低硅片表面杂质的含量。利用微装配平台、温度与键合力控制的方式，保证键合精度与强度。然后用恒温炉对键合后的晶圆进行低温退火，以解决硅晶圆表面的平整度与洁净度要求极高的问题[18]。

随着人工智能（AI）和大数据机器学习（ML）应用对互连密度的要求越来越高，晶圆间（W2W）混合键合（HB）越来越受到关注；混合键合技术作为微电子封装领域的新型连接技术，已经助力实现了芯片堆叠封装，该类芯片具有高性能、高密度和低功耗的特点[19]。Chiplet（芯粒）晶圆混合键合技术常见的两种互连方式有：（1）W2W：适合高良率的芯片，如 CMOS、3D NAND；（2）Die to Wafer(D2W)芯片对晶圆：适合不同种类型芯片集成，如异构集成。W2W 键合良率更高的原因在于对准和键合步骤是分开的，即在 W2W 设备有一个单独的腔室（chamber）来执行对齐[20]。Shin 等人[21]针对晶圆对晶圆（W2W）或芯片对晶圆（D2W）键合工艺结合强度（B/S）已进行了研究，提出了一种利用原子力显微镜（AFM）测量粘附力的 B/S 无损评价方法。

2 影响晶圆键合力的关键因素分析

表面形貌与粗糙度是影响晶圆键合力的首要因素。研究表明，当表面粗糙度小于1 nm 时，直接键合才能获得理想的键合强度。过大的粗糙度会显著减少有效接触面积，阻碍分子间作用力的形成。化学机械抛光（CMP）是目前最常用的晶圆表面平整化技术，但过度抛光可能导致表面缺陷，反而降低键合质量。

其次是表面清洁度与化学状态对于晶圆键合力的影响，即使微量的有机污染物或颗粒也会在界面形成弱键区，成为潜在的失效源。标准的抗清洗和抗剥离（RCA）清洗工艺可有效去除大多数污染物，但对于特定材料可能还需要开发定制清洗方案。此外，表面化学基团（如-OH、-H等）的分布和密度直接影响晶圆键合反应的活性，通过等离子体处理或湿法化学处理能够调控其表面化学状态。

之后是温度与压力参数对键合过程的影响。一般来说，提高退火温度可以促进键合界面原子扩散和化学反应，从而增强其强度。但过高的温度可能引入热应力，甚至导致晶格缺陷。键合加压参数需与晶圆表面特性相匹配，过低的压力无法实现充分接触，而过高的压力可能导致晶圆破损或界面损伤。目前半导体晶圆/芯片键合的压力为几十 kN 级。其中的伺服电缸加压系统能够通过双编码器反馈实现精确的加压位移；在 PLC 中应用 PID 算法对压力偏差值进行计算，并驱动执行机构进行实时压力修正，通过小步距位移实现压力的精确控制。伺服电缸加压系统在晶圆键合加压过程中，能够实现压力曲线的准确跟随，具有可靠性与稳定性[22]。基于模糊 PID（比例-积分-微分）和 RBF（Radial Basis Function）径向基函数神经网络等深度学习算法，有利于提高半导体晶圆键合过程的效率和控制精度[23]。

最后，超声波键合压力自适应平衡装置，也有利于实现焊头与待键合芯片的压力均匀性分布[24]；其设计原理是：当压力不平衡时，压力大的气缸内气体向压力小的气缸内流动，从而使装置姿态自适应调整。同时利用封闭空气的弹性支撑，降低静摩擦力矩产生的影响。

3 典型键合技术的力学控制方法

在直接键合技术中，键合力控制主要依赖于表面预处理和退火工艺的优化。亲水化晶圆表面处理（如氧等离子体处理）可以增加表面羟基密度，提高初始键合强度。退火过程中的温度梯度控制对于减少热应力较为重要，采用多阶段退火工艺（如先在低温下稳定键合界面，再逐步升高温度）有利于获得更均匀的键合强度分布。Hiratsuka 等人[25]研究了粘附力对于晶圆直接键合的关键作用，通过圆柱形平台测试结构，以及晶圆与流体间相互作用的键合模拟，得到了黏附能小于分离能的结果；该方法能够量化晶圆片边缘到中心区域的粘附分布。

阳极键合的力学控制更为复杂，涉及电场、温度和机械压力的协同作用。键合电压的施加方式和速率直接影响界面离子的迁移行为，进而影响键合强度和均匀性。新型的动态电压控制策略，即在键合过程中根据电流响应实时调整电压参数，能够显著提高键合界面的质量一致性。

黏合剂键合的力学控制重点在于中间层材料的选择和固化工艺的优化[26]。聚合物材料的流变特性决定了其在键合压力下的填充行为，而固化动力学则影响最终的内应力状态。通过添加纳米填料（如 SiO2 纳米颗粒）可以调节黏合剂的机械性能，实现键合强度的精确调控。此外，紫外光辅助固化等新型工艺，能够实现低温下的高强度键合。

键合力的控制通常不是通过单一方法实现的，而是贯穿于键合前的表面处理、键合工艺参数选择以及键合后处理整个流程。不同的键合技术（如直接键合、阳极键合、共晶键合等）其控制方法和侧重点也不同。键合力的控制本质上是“键合强度”与“工艺带来的负面影响”（如热应力、缺陷、成本）之间的权衡。表 1 综合了键合力的控制方法：极致的表面平整清洁（CMP）、等离子体活化、精确的温度/压力控制以及优化的退火工艺，是当前关键技术途径及其优缺点的总结。

4 界面表征与键合力测量技术

键合界面表征是评估键合质量的基础。扫描声学显微镜（SAM）可以无损检测界面缺陷和分层情况，分辨率达到微米级。X 射线光电子能谱（XPS）和二次离子质谱（SIMS）等表面分析技术可提供晶圆界面化学组成和元素分布信息。透射电子显微镜（TEM）能够直接观察原子尺度的界面结构，但其对样品制备要求极高。

近年来，原位表征技术的发展为理解键合机理提供了新途径。例如，环境控制的原位AFM（原子力显微镜）可以在模拟键合条件下，实时观察键合材料表面相互作用过程。同步辐射 X射线技术能够在高温退火过程中，监测键合界面结构的演变。这些先进表征手段有助于深化对键合力控制机理的认识。

键合力测量技术主要包括拉伸/剪切测试、四点弯曲测试、纳米压痕技术和裂纹开口位移法等。拉伸测试简单直接，但可能引入额外的应力集中。四点弯曲测试更适合评估脆性材料体系的界面强度，获得断裂韧性参数。纳米压痕技术作为一种局部测量方法，能够提供微区键合性能的分布信息，对工艺开发具有重要指导价值。裂纹开口位移法是最常用的检测方法，即半导体晶圆经过键合后或高温退火后，使用刀片匀速插入两个晶圆键合界面中，进而产生裂纹。将裂纹长度代入相关理论公式后，能够计算出晶圆键合力。

5 挑战与未来发展方向

晶圆键合力控制面临的主要挑战包括：异质材料集成中的热失配应力问题、超薄晶圆键合过程中的变形控制，以及界面缺陷对器件性能的影响等。特别是对于第三代半导体材料（如SiC、GaN）的键合，由于较高的工艺温度要求，传统的键合技术面临着挑战。此外，随着芯片堆叠层数的增加（如图 2 所示），以及键合互连密度的提高，对于界面的电学性能要求也日益严格。开发同时满足高机械强度和高电学性能的键合技术，将成为重要的研究方向。同时，晶圆封装技术的发展也将推动低温、低应力键合工艺的创新。

在晶圆键合加压精度控制方面的挑战主要有：1）多级传动系统带来的精度损失及补偿方面，在键合力传递到晶圆的过程中，多个传递环节都可能引入损耗与误差，影响最终的键合台加压精度。2）键合界面平行度与压力均匀性之间存在矛盾，高温环境所产生的多方向热变形，将导致键合加压不均匀，进而影响键合质量。3）复杂的键合腔体结构，在要求保证真空密封性的同时，还需实现精确的压力传递和控制；避免机械振动与温度变化等外部因素的干扰。进一步地，结合键合温度以及键合时间，研究分析键合过程中的应力-应变规律，比如通过实验测量键合处的剪切力，分析不同参数下的剪切力变化和原因。另外还包括对于键合后的芯片进行电光特性测试，以及进行最优精度等目标参数对比研究[29]。

不同材质的晶圆与键合力控制需求，应采取不同的键合工艺（如图4），未来的键合预处理技术应是多方案优化组合；比如在等离子体活化晶圆表面之前，进行湿法预处理，有利于降低键合界面空洞率，提高键合强度[31]；通过仿真对活化设备中等离子体的分布均匀性进行优化，以提高生产效率，等等。总之，通过领域交叉研究，有利于不断实现晶圆键合控制技术的提升。

6 结束语

本文综述了半导体晶圆键合力控制技术的研究进展。键合力作为评价键合质量的关键指标，受到材料表面特性、工艺参数等多方面因素的影响。不同键合技术各有其力学控制特点，需要根据材料体系和器件结构要求选择合适的工艺方案。先进的表征技术和测量方法为深入理解键合机理提供了有力工具。

未来研究应重点关注异质材料键合的应力管理、工艺智能化和新型中间层材料的开发。随着半导体技术向三维集成的不断发展，晶圆键合力控制技术将继续发挥重要作用，促进先进封装和异质集成技术不断迭代更新。跨学科合作和基础研究的深入将是推动该领域发展的关键。