日益重要的先进半导体技术CowoS、晶背供电、HBM、3DNAND等有什么共同特点？根据油管上一位博主Asianometry的观点，新兴的半导体技术的共同点是这些技术都依赖某种形式的晶圆键合。Asianometry在油管上拥有众多粉丝，他专注于分析关于亚洲的历史、经济和半导体行业发展状况等。在他发布的视频为何晶圆键合是半导体的未来中，详细介绍了晶圆键合这一看似简单但发挥着重要作用的技术。本篇文章将和读者们一起了解博主Asianometry在视频里介绍的晶圆键合技术。
晶圆键合可以分为几种：
矽晶圆键合 矽晶圆键合是指两个干净、高度抛光的矽晶圆的结合，在真空室温下将两个备好的晶圆压在一起，它们就会黏住。这背后离不开毛细管力、氢键等等的支持，但其中最重要的是范德华力（Van der Waals force）。范德华力是指不带电原子或分子之间的弱点吸引力，力的强度取决于晶圆的距离、表面粗糙度等，所以相对作用较弱。为了防止晶圆意外剥离，几乎所有的晶圆键合技术都添加了高温退火步骤。此外，简单的用胶水将两个晶圆黏起来也可以称为晶圆键合，但这种方式并非大多数人提起晶圆键合时所联想到的那种方式，也不含太高的科技含量。
冷焊 冷焊粘合方式早已为人所知，在真空中将两块金属压在一起，这两块金属就会融合。从1700年开始，人们就在用冷焊技术联合物体，当时有人证明将两块铅冷焊在一起后将其分开所需的力与将一颗铅球分开所需的力相同。这种现象在欧洲的光学工作坊更有名，光学工作坊的工作人员发现抛光玻璃表面压在一起时会融合，起初这被认为是种麻烦，但后来人们发现当玻璃零件冷焊在一起时因为没有反射所以看不到两者之间的边界。当今，冷焊技术仍然值得我们关注。
阳极处理键合 那么冷焊技术是如何进入半导体产业的呢？1969年，Wallis和Pomerantz发表了将矽晶圆键合到纳玻璃的研究成果，发现仅用相对较低的热量（500摄氏度），加上电场，而不使用中间层。这项技术被称为阳极键合或静电键合。这项技术最常用来链接矽和硼矽酸盐玻璃晶圆，直接将它们放在热板上并施加高直流电压。但阳极键合市场规模非常小，除了MEMS或微流体产业外，市场应用并不多，每年预计2000万美元左右。
绝缘层上覆矽（Silicon-on-Insulator, SOI）晶圆键合首次在业界斩露头角是在1980年代，当时正在开发名为绝缘层上覆矽、简称SOI的新技术。SOI是将载有电晶体的薄矽晶圆放置在绝缘体上，绝缘体通常是二氧化矽。自1960年代初以来，大家就一直在研究SOI，以增加电晶体密度。大多数矽晶圆的厚度约为500微米，而电晶体层仅占其中的一微米左右。因此诸如寄生电容、短通道效应等造成漏电之类的现象是由于薄薄的电晶体层和下方的基板之间相互作用所致的。将承载元件的晶圆打薄然后把绝缘层放到电晶体下方可以减少短通道效应，从而节省功耗。
图：绝缘层上覆矽
直接晶圆键合 直接晶圆键合又称熔融键合，这是最普通的一种键合方式，将两个晶圆压在一起，没有中间层材料，然后进行退火步骤加强晶圆之间的黏合。根据晶圆表面的性质，直接键合分为三个子类别，一是亲水表面，在键合之前有一个氧化层和水层。二是疏水表面，通过氢氟酸去除氢和矽。最后是超洁净矽表面，在超真空条件下进行键合。如今直接键合用于结合非常薄的层，比如绝缘层上覆矽。这些层通常无法自我支撑，因此将它们直接键合到机械基板上，保持稳定性。类似情况在晶背供电网络上也会出现。晶背供电是把为电晶体提供电力的铜线网路移到电晶体下方，而直接键合是将电晶体元件晶圆键合到载体晶圆上，以方便在后续薄化步骤中保持机械稳定性。
影响键合产量的因素
制造商们都希望晶圆键合能够有好的产量，那如何确保有良好的键合呢？以下有几个因素：一、在键合之前，必须把晶圆弄得平坦、干净，如果不够平坦，晶圆上会有区域无法黏合从而产生气泡。
二、表面的清洁度也很重要，如果清洁度不够，夹在两片晶圆间的小颗粒会导致严重缺陷，会产生空隙和气泡从而减弱粘合力。即使只有1微米宽的颗粒也可能会产生数毫米宽的气泡，因此必须尽可能情节晶圆表面并在无尘室内进行键合。
三、对齐。如果没有对齐，两片晶圆就不会连接在一起。
几年前，英特尔从计算IC上重新定义了摩尔定律，电晶体的数量改为计算封装内电晶体的数量是封装行业中日益重要的迹象。IC上的微缩仍可以继续缩小，但微缩速度和成本与以前不同。今后，有效避免短通道效应和泄露将会更加困难，因此，提升先进封装技术有利晶圆键合及其他相关技术。期待未来几年能够看到更多突破。
除文章中列举的几种晶圆键合方式之外，Asianometry在视频中还提到了混合键合、金属界面层键合及HBM等技术，感兴趣的读者朋友们可以点击链接了解更多：https://www.youtube.com/watch?v=2ACiuKgYUkI&t=4s
