常溫鍵合，成破局關鍵

在追求更高性能與能效的半導體行業中，第三代半導體材料（如SiC、GaN）的異質集成與先進封裝已成為延續摩爾定律的關鍵路徑。然而，傳統鍵合工藝中的高溫環節長期制約著該領域的技術突破——高溫不僅導致材料熱應力損傷與界面氧化，更從根本上限制了對溫度敏感材料體系的可靠集成。

面對這一嚴峻挑戰，行業該如何破局？以青禾晶元為代表的技術廠商，憑借其已通過量產驗證的全自動超高真空常溫鍵合設備與成熟工藝，給出了答案：即以“超高真空+表面活化+常溫鍵合”為核心的完整解決方案，為行業突破熱敏感材料集成瓶頸提供了可靠的技術路徑。

技術解析：

常溫鍵合如何實現可靠連接？

該技術的核心，是在常溫環境下實現晶圓間高強度、高潔凈的結合，其流程主要分為兩個關鍵步驟：

1.

超高真空環境下的表面活化

在≤5E-6Pa的超高真空度下，通過粒子束轟擊晶圓表面，有效去除自然氧化層與污染物，實現晶圓表面的原子級潔凈與活化，為后續鍵合創造理想條件。

2.

常溫下的精密對準與鍵合

在常溫條件下，將兩片活化晶圓精密對準并施加可控壓力，促使表面原子間直接形成強化學鍵，從而實現無需加熱的原子級結合。

超高真空常溫鍵合技術原理示意圖

技術優勢：

為異質集成帶來哪些改變？

• 徹底避免熱損傷：全程常溫工藝，從根本上消除熱應力對敏感結構與異質材料的影響。

• 獲得超高界面質量：超高真空活化工藝保障界面潔凈，可實現>2 J/m2的鍵合強度。

• 突破材料兼容性限制：已成功驗證對Si、Ge、SiC、GaN、LiNbO?、玻璃乃至金屬等多種材料的直接鍵合能力，為異質器件設計提供了前所未有的材料組合自由。

• 具備量產級工藝可控性：全自動化操作，結合±1 μm級的對準精度與±1%的控壓精度，保障了工藝的一致性與高良率，為規模化生產奠定了基礎。

高溫鍵合、常溫鍵合晶圓翹曲對比圖

應用實證：

從GeOI到5G濾波器的成功實踐

常溫鍵合技術已成為多個前沿領域產業化的破局關鍵，解決了長期存在的工程難題。青禾晶元的成熟解決方案，已在以下領域取得顯著成效：

1.

攻克GeOI產業化瓶頸，散熱與成本雙優化

在光電子與高速器件領域，GeOI（絕緣體上鍺）襯底備受期待，但受限于鍺材料熱導率低、界面氧化層不穩定及成本高昂，遲遲無法進行產業化應用。采用常溫鍵合技術后：

• 熱管理：避免了高溫熱應力，將鍺薄膜直接鍵合于高阻硅襯底，實測散熱效率提升40%。

• 界面強度：在超高真空中活化去除自然氧化層，實現Ge/Si原子級直接鍵合，鍵合有效面積提升至95%以上。

• 成本控制：設備支持混線生產并集成回收模塊，使8英寸GeOI襯底單片生產成本從200美元降至75美元，為規模化應用奠定基礎。

2.

實現SiC基鈮酸鋰薄膜，

推動SAW濾波器邁入5G高頻時代

為滿足5G/6G高頻濾波器對高性能、低成本襯底的迫切需求，常溫鍵合技術成功實現了碳化硅（SiC）與鈮酸鋰（LiNbO?）的異質集成：

• 性能突破：制備的SiC/LN復合襯底完美結合了SiC的高頻散熱優勢和LN的高機電耦合特性，基于此，諧振器在5GHz下實現了 Qmax > 700，K2 > 20% 的卓越性能。

• 技術關鍵：常溫工藝徹底避免了SiC（4.0×10??/K）與LiNbO?（15×10??/K）的熱膨脹系數差異帶來熱失配問題。

• 產業進展：已實現6英寸晶圓規模化制備，良率穩定在95%以上，為5G N77/N78等頻段提供了高性能、高可靠性的濾波器解決方案。

行業意義：

推動集成技術走向更多可能

常溫鍵合技術的成熟與設備化，正逐步在國內外先進研發與產線中得到驗證。上述從GeOI到SiC-LN的成功案例表明，該技術已成為一種可復用的平臺化解決方案，能夠針對不同材料體系的特性，解決其異質集成中的核心痛點。 這不僅適用于第三代半導體的異質集成，也為MEMS、先進封裝、光電集成等領域提供了新的工藝選項，有望持續拓展半導體器件在功率、射頻、傳感及光子學等場景下的性能邊界。

隨著異質集成與系統級封裝需求的持續增長，能夠徹底避免熱影響的鍵合技術，其戰略價值將日益凸顯，成為不可或缺的關鍵技術儲備。行業觀察認為，該類技術若能持續提升效率、擴大襯底尺寸適配能力，并進一步降低成本，將在未來3-5年內進入更廣泛的產業化應用階段。

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第4271期內容，歡迎關注。

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