晶圆键合是半导体制造核心工艺，在前道制程与后道封装中均至关重要，常易与 SMT 表面贴装的共晶贴片、引线键合（Wire Bonding）混淆，二者工艺原理、应用场景差异显著。

晶圆键合核心定义：将两片及以上同质 / 异质晶圆，依托物理或化学机制实现界面结合，形成共价键、金属键等稳定键合，最终提升器件性能与可靠性，广泛用于异质结、共晶、阳极、胶键合等场景，覆盖 CIS、MEMS、NAND、DRAM、先进逻辑及先进封装等领域。

其分类可从两大维度划分：按键合持久性分为永久键合、临时键合与解键合；按界面材料分为直接键合、带中间层键合，以下重点解析界面材料分类体系。

一、直接键合（Direct Bonding/Fusion Bonding）

无中间层的纯界面键合，依赖晶圆自身表面特性实现结合，对表面精度要求严苛。核心是通过室温对准预键合 + 高温退火，让界面形成稳定共价键，键合强度最高可达 2J/m²，具备键合强度高、热稳定性优、界面电学性能优异（SiO₂绝缘性好）等优势，需亚纳米级表面平整度与洁净度。

主要应用于 SOI 晶圆制造、CMOS 图像传感器（CIS）键合、3D 集成晶圆级堆叠。

1. 熔融键合（Fusion Bonding）

无介质层、纯晶圆表面直接接触的键合工艺，是直接键合的核心技术。

1.1 标准工艺流程

1. 表面清洗

   ：彻底去除晶圆表面有机物、金属离子等杂质，保障界面洁净；

2. 表面活化

   ：分湿法、干法两类，提升表面反应活性
• 湿法活化：RCA 溶液处理增加表面 - OH 基团，打造亲水性表面；HF 溶液去除自然氧化层，形成 Si-H 疏水表面；
• 干法活化：等离子体活化，同步去除污染物、大幅提升 - OH 密度，其形成的表面多孔结构利于水分子扩散，强化键合强度；

3. 预键合

   ：施加轻微压力使晶圆贴合，排除界面空气膜，通过弹性形变消除表面不平整，完成范德华力初步结合；

4. 热处理

   ：高温退火改变界面化学特性，将分子间作用力转化为共价键，消除气泡 / 空洞，最终强化键合强度。

1.2 核心键合机制

• 亲水键合

  ：经碱性 / 氧化性溶液处理，形成高 - OH 密度亲水表面，室温贴合后高温退火，转化为 Si-O-Si 稳定共价键；

• 疏水键合

  ：HF 酸去除氧化层形成 Si-H 疏水表面，室温直接贴合，退火后形成 Si-Si 共价键。

技术趋势：为降低高温引发的热膨胀与热应力，低温 / 室温键合成主流方向，等离子体活化可显著提升室温键合能量，实现低温退火。

2. 阳极键合（Anodic Bonding）

专用于硅 - 玻璃体系的键合技术，需辅助电场与加热。

2.1 核心工艺

将晶圆与玻璃加热至 300-400℃，同时对玻璃施加高压，高温驱动玻璃中钠离子迁移，在硅 - 玻璃界面形成耗尽层，产生强静电场促使界面紧密接触，最终生成 Si-O-Si 共价键。

2.2 工艺特点与应用

优势：工艺简单、设备成本低、键合强度高、气密性优异，温度相对直接键合更低； 局限：仅适配硅 + 含碱玻璃特定组合，高电场易损伤敏感电路； 应用：MEMS 封装、压力传感器、微流体芯片制造。

2.3 标准工艺流程

1. 表面处理

   ：将抛光硅片与玻璃片叠放，完成初步贴合；

2. 电场退火

   ：玻璃接负极、硅接正极，施加 500~1500V 高压，升温至 200~500℃，钠离子迁移形成耗尽层，静电引力驱动共价键生成。

二、带中间层键合（Intermediate Layer Bonding）

依托晶圆间添加粘合剂、聚合物、焊料、金属、玻璃粉等中间层实现键合，对表面精度容忍度更高，工艺灵活性强。

通用工艺流程

1. 表面清洗

   ：去除表面杂质，保障中间层结合力；

2. 晶圆对准

   ：按精度需求选择对准方式 —— 机械对准（±50μm）、光学对准（±2μm~±0.1μm），最高可达 EVG 专利 ±50nm 极限精度，为键合做前置准备。

1. 共晶键合（Eutectic Bonding）

基于金属共晶合金特性的键合技术。

• 工艺原理：利用 Au-Si、Sn-In 等双金属体系，加热至共晶点（如 Au-Si 共晶点 363℃）以上，界面金属熔化形成液态共晶合金，冷却凝固后形成牢固键合；
• 核心优势：工艺温度适中、键合速度快，金属界面兼具良好导电 / 导热性，可同步实现电学互联；
• 局限：材料成分波动易影响键合稳定性；
• 应用：MEMS 封装、光电器件封装。

2. 粘合剂键合（Adhesive Bonding）

以聚合物为中间层的低温键合技术。

• 工艺原理：旋涂 BCB、聚酰亚胺、光刻胶等聚合物薄膜，低温（＜400℃）、低压下实现晶圆粘合；
• 核心优势：键合温度最低，对表面平整度 / 粗糙度容忍度最高，工艺简单、成本低；
• 局限：键合强度、热稳定性、气密性较差，易释气，无法实现电学互联；
• 应用：MEMS 封装、临时键合、3D 集成绝缘层 / 应力缓冲层、异质集成。

3. 混合键合（Hybrid Bonding）

当前最前沿、最高端的键合技术，融合直接键合与金属热压键合优势。

• 工艺原理：同一工艺中同步实现介电层（SiO₂）直接键合与金属互连垫（Cu）键合；
• 核心优势：实现微米级高密度垂直互连，是 3D IC 性能提升的核心技术；
• 技术难点：对表面平整度、洁净度、Cu 与 SiO₂共面性要求达原子级，工艺难度极高；
• 应用：高端 CMOS 图像传感器、下一代 3D NAND 闪存、逻辑芯片 3D 堆叠。