混合键合的替代材料探索

核心要点

混合键合是高带宽算力场景实现超高互连密度不可或缺的技术。

技术落地成败取决于表面化学特性与表面形貌管控：表面必须洁净，且形貌设计能够适配键合过程中的热膨胀。

为改善界面品质、缓解热膨胀失配引发的应力，厂商开始探索替代传统 “铜 / 二氧化硅” 键合界面的方案，包括新型介电材料、钝化金属、可形变高分子材料。

铜 - 铜键合能够实现器件间前所未有的互连密度，但该工艺对表面形貌、污染物极其敏感。工程师正在尝试不同介电材料与金属的组合方案，打造比现有结构更加平整、稳定性更强的键合结构。

业界转向铜 - 铜直接键合，源于现代计算系统永无止境的数据需求。生成式 AI 模型训练所依托的数据集，涵盖大量全网公开信息；自动驾驶车辆依靠车身内外大量传感器、摄像头持续采集数据；工业控制系统持续监测所有关键运行参数。

海量数据处理需要巨大带宽支撑：传感器采集的数据传输至中央处理器，经常还要送往远端数据中心；训练数据在存储介质、内存单元、核心处理器之间持续流转；运算结果再回传给终端用户。从单颗芯片到数据中心整体架构，带宽是当前电路与系统设计的核心瓶颈。

芯片内部，晶体管持续微缩，存储阵列规模不断扩张，二者之间需要密度持续提升的互连线路。芯片内部更高互连密度，也是 3D 集成电路发展的驱动力之一 —— 例如将阻变式存储器（RRAM）阵列直接制备在 CMOS 逻辑芯片上方。系统层面，3D 封装依靠焊料微凸点把芯粒贴装至中介层。

但随着互连间距不断缩小，焊料凸点可靠性持续下滑：可供形成稳固连接的材料余量严重不足；铜锡金属间化合物会提升接触电阻，甚至引发机械失效。为此，产业界开始采用铜 - 铜直接键合方案。

铜 - 铜键合最早的实现形式是热压键合（TCB）：在两片待键合表面制备铜柱，依靠高温与压力使两侧铜表面熔接。但随着互连密度持续提升，热压键合的力学条件越来越难以满足。过高的温度与压力容易造成互连结构扭曲、偏移，带来性能衰减甚至彻底失效，同时铜柱也会增加封装整体厚度。

混合键合（直接铜 - 铜键合）可以进一步提升互连密度。两颗芯片紧密贴合，铜与铜互连、介质与介质直接接合，中间不存在任何过渡材料。该技术能够降低封装总厚度，最大化互连密度，最早商用方案间距为 10 微米，且具备良好的微缩潜力。比利时微电子研究中心（imec）已经实现低至 400 纳米间距的混合键合演示。

制备洁净键合表面

混合键合原理看似简单：将两块洁净、经过活化处理的表面相互贴合，界面处的悬挂键在低温下形成牢固连接。但实际工艺的难点前置，在于制备 “洁净且具备活性” 的表面。常温环境下，金属铜会快速生成天然氧化层；二氧化硅则能够形成稳定、惰性的表面，这也是二氧化硅成为集成电路主流介电材料的核心原因。

常规混合键合工艺会通过热处理或等离子活化处理二氧化硅表面，生成羟基（-OH）亲水终端层。两片该类表面贴合后，界面易于形成 O-Si-O 共价键；同时采用柠檬酸清洗去除铜表面原生氧化层。两块表面贴合后，键合效果取决于铜表面原子扩散速率。

大阪大学辰广弘明团队的研究表明：暴露（111）晶面的纳米孪晶铜理论上可以加快原子扩散，促进空洞闭合与晶粒生长。但仿真结果同时发现，孪晶界会稳定表面结构，抑制原子重排；而拥有大量晶界的纳米晶铜更容易发生表面原子重构，顺利实现空洞弥合。

表面预处理优化有两大目标：降低键合温度、规避界面缺陷。等离子清洗配合真空环境下键合，可以在近乎理想的表面状态下压低键合温度。但整套方案成本偏高，清洗、对位、键合全程必须维持真空环境，不能破真空。

大连交通大学郑月婷团队在综述论文中提出另一条思路：利用自组装单分子层（SAM），在二氧化硅制备阶段保护铜表面。该方案的难点在于：键合前必须脱除保护层，既要避免铜再次氧化，又不能残留污染物。

部分研究团队选择引入钝化金属薄层。银、钌等金属不易氧化，并且与铜工艺兼容；作为导电金属，薄层可以保留在界面而不劣化电气性能。铜原子能够穿透钝化金属层扩散，形成永久性键合。

管控表面形貌

解决表面化学特性之后，表面形貌是决定混合键合成败的另一关键要素。即便在较低键合温度下，铜的热膨胀量依旧高于周边二氧化硅。因此理想形貌设计为：平整二氧化硅基底中，铜焊盘轻微下凹。键合升温时，铜受热膨胀，消除两侧铜表面之间的间隙。

想要得到目标形貌，需要高精度可控的化学机械抛光（CMP）。如果铜碟形下陷量不足，铜还处于膨胀阶段间隙就提前闭合，产生破坏性应力；下陷量过大，则相邻焊盘之间的间隙无法完全弥合。

混合键合最基础的应用结构，是二氧化硅基体内嵌铜焊盘。但铜与二氧化硅热膨胀系数（CTE）失配程度较大。在硅通孔（TSV）这类大尺寸结构中，铜膨胀诱发的应力容易引发薄膜开裂、界面分层。SiCN 等新型介电材料相较二氧化硅具备更优性能。imec 的实验证实，SiCN 能够实现更高键合强度与更优异的热稳定性。

引入可形变高分子或可固化胶层同样可以缓解键合应力。康硕京团队围绕苯并环丁烯（BCB）开展研究，发现对半固化状态的 BCB 直接进行精密 CMP 几乎无法实现：研磨磨料颗粒会嵌入柔软的高分子表层，抛光垫只能从颗粒上方滑过。

研究团队采用氩等离子体处理，硬化 BCB 表层，使其具备常规可抛光特性。硬化表层与本体材料之间产生应力，诱发表面褶皱，便于抛光液流通。由于 BCB 热膨胀系数高于金属铜，对应的理想形貌设计为：BCB 层相对铜焊盘轻微下凹。

未来有望出现更加复杂的键合界面。异构集成的目标之一，是在同一封装内融合光电器件、逻辑芯片与存储芯片。混合键合高互连密度、垂直厚度极小的优势，同样适用于硅基以外材料制备的光学、射频器件；与此同时，洁净度、表面形貌管控难题也同样存在。