常温键合，成破局关键

在追求更高性能与能效的半导体行业中，第三代半导体材料（如SiC、GaN）的异质集成与先进封装已成为延续摩尔定律的关键路径。然而，传统键合工艺中的高温环节长期制约着该领域的技术突破——高温不仅导致材料热应力损伤与界面氧化，更从根本上限制了对温度敏感材料体系的可靠集成。

面对这一严峻挑战，行业该如何破局？以青禾晶元为代表的技术厂商，凭借其已通过量产验证的全自动超高真空常温键合设备与成熟工艺，给出了答案：即以“超高真空+表面活化+常温键合”为核心的完整解决方案，为行业突破热敏感材料集成瓶颈提供了可靠的技术路径。

技术解析：

常温键合如何实现可靠连接？

该技术的核心，是在常温环境下实现晶圆间高强度、高洁净的结合，其流程主要分为两个关键步骤：

1.

超高真空环境下的表面活化

在≤5E-6Pa的超高真空度下，通过粒子束轰击晶圆表面，有效去除自然氧化层与污染物，实现晶圆表面的原子级洁净与活化，为后续键合创造理想条件。

2.

常温下的精密对准与键合

在常温条件下，将两片活化晶圆精密对准并施加可控压力，促使表面原子间直接形成强化学键，从而实现无需加热的原子级结合。

超高真空常温键合技术原理示意图

技术优势：

为异质集成带来哪些改变？

• 彻底避免热损伤：全程常温工艺，从根本上消除热应力对敏感结构与异质材料的影响。

• 获得超高界面质量：超高真空活化工艺保障界面洁净，可实现>2 J/m²的键合强度。

• 突破材料兼容性限制：已成功验证对Si、Ge、SiC、GaN、LiNbO₃、玻璃乃至金属等多种材料的直接键合能力，为异质器件设计提供了前所未有的材料组合自由。

• 具备量产级工艺可控性：全自动化操作，结合±1 μm级的对准精度与±1%的控压精度，保障了工艺的一致性与高良率，为规模化生产奠定了基础。

高温键合、常温键合晶圆翘曲对比图

应用实证：

从GeOI到5G滤波器的成功实践

常温键合技术已成为多个前沿领域产业化的破局关键，解决了长期存在的工程难题。青禾晶元的成熟解决方案，已在以下领域取得显著成效：

1.

攻克GeOI产业化瓶颈，散热与成本双优化

在光电子与高速器件领域，GeOI（绝缘体上锗）衬底备受期待，但受限于锗材料热导率低、界面氧化层不稳定及成本高昂，迟迟无法进行产业化应用。采用常温键合技术后：

• 热管理：避免了高温热应力，将锗薄膜直接键合于高阻硅衬底，实测散热效率提升40%。

• 界面强度：在超高真空中活化去除自然氧化层，实现Ge/Si原子级直接键合，键合有效面积提升至95%以上。

• 成本控制：设备支持混线生产并集成回收模块，使8英寸GeOI衬底单片生产成本从200美元降至75美元，为规模化应用奠定基础。

2.

实现SiC基铌酸锂薄膜，

推动SAW滤波器迈入5G高频时代

为满足5G/6G高频滤波器对高性能、低成本衬底的迫切需求，常温键合技术成功实现了碳化硅（SiC）与铌酸锂（LiNbO₃）的异质集成：

• 性能突破：制备的SiC/LN复合衬底完美结合了SiC的高频散热优势和LN的高机电耦合特性，基于此，谐振器在5GHz下实现了 Qmax > 700，K² > 20% 的卓越性能。

• 技术关键：常温工艺彻底避免了SiC（4.0×10⁻⁶/K）与LiNbO₃（15×10⁻⁶/K）的热膨胀系数差异带来热失配问题。

• 产业进展：已实现6英寸晶圆规模化制备，良率稳定在95%以上，为5G N77/N78等频段提供了高性能、高可靠性的滤波器解决方案。

行业意义：

推动集成技术走向更多可能

常温键合技术的成熟与设备化，正逐步在国内外先进研发与产线中得到验证。上述从GeOI到SiC-LN的成功案例表明，该技术已成为一种可复用的平台化解决方案，能够针对不同材料体系的特性，解决其异质集成中的核心痛点。 这不仅适用于第三代半导体的异质集成，也为MEMS、先进封装、光电集成等领域提供了新的工艺选项，有望持续拓展半导体器件在功率、射频、传感及光子学等场景下的性能边界。

随着异质集成与系统级封装需求的持续增长，能够彻底避免热影响的键合技术，其战略价值将日益凸显，成为不可或缺的关键技术储备。行业观察认为，该类技术若能持续提升效率、扩大衬底尺寸适配能力，并进一步降低成本，将在未来3-5年内进入更广泛的产业化应用阶段。

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第4271期内容，欢迎关注。

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