1、技术特点
硅-硅直接键合（SBD）是指在不需要任何粘结剂和外加电场情况下，将两个表面经过亲水处理的硅片面对面贴合，通过高温处理直接键合在一起，形成一个具有一定强度的键合片。SDB 技术自1985年J. B. Lasky 首次报道以来，得到了快速发展，目前广泛地应用于电力半导体器件、SOI 衬底制备及微机械加工（MEMS）等领域。由于该工艺简单，两键合片的晶向、电阻率、导电类型、厚度、掺杂浓度等可自由选择，克服了常规外延的自掺杂效应，避免了高温深扩散产生的热诱生缺陷，且与半导体工艺完全兼容。
2、键合的机理与方法
2.1工艺流程
键合前，先对经氧化（或未氧化）的抛光硅片进行亲水处理，即选用H2O2 - H2SO4混合液清洗，然后用HF液浸泡，最后放入稀H2SO4液使表面形成一层亲水层。键合时，在室温下将两个经亲水处理硅片的抛光面贴合在一起，然后放在氧气或氮气环境中经数小时的高温处理，就形成了良好的键合片。键合后，对表面再进行研磨、减薄，以达到所需的厚度要求。
关键指标是晶片的最小厚度和晶片的均匀性。硅片平整度也是其主要技术指标，SDB技术要求硅片表面的起伏不超过1nm。
2.2键合机理
硅片经亲水液处理后，当温度从室温升高到200℃，两硅片表面吸附OH-团，形成硅烷醇（Si - OH）结构。硅烷醇键之间发生如下聚合反应，形成硅氧烷（Si -O- Si）结构，并产生硅氧键及水。在温度达到400℃时，聚合反应基本完成。
当温度达到500～800℃ 时，形成硅氧键时产生的水向SiO2中的扩散不明显，而OH- 团可以破坏桥联氧原子一个键使其转变为非桥联氧原子。
当温度高于800℃后，水向SiO2中扩散变得显著。键合界面处的空洞和间隙处的水分子可在高温下扩散进入四周SiO2中，从而产生局部真空，硅片会发生塑性变形使空洞消除。同时，在此温度下的SiO2黏度降低，会发生黏滞流动，从而消除了微间隙。所以，键合前两硅片间有较大空洞，在室温下键合时空洞减小，在高温下键合时空洞会消失。当温度超过 1000℃时，界面处的氢原子很容易扩散出来，邻近原子间相互反应产生共价键，使键合得以完成。
2.3键合条件
（1）温度键合最终是靠加热来实现的，因此温度在键合过程中起关键作用。键合强度随温度升高而增加，提高键合温度，可以改善键合界面的质量。
（2）硅片表面平整度抛光硅片或热氧化硅片表面并不是理想的镜面，总是有一定的起伏和表面粗糙度。如果硅片的表面粗糙度较小，在键合过程中由于硅片的弹性形变或者高温下的黏滞回流，使两键合片完全结合在一起，界面不存在空洞。若表面粗糙度很大，键合后就会使界面产生空洞。
（3）表面清洁度键合需在100级的超净环境中进行，才能实现较好的键合质量。否则，硅片表面的尘埃颗粒会使键合硅片产生空洞。此外，室温下贴合时，陷入界面的气体也会引起空洞。
2.4键合过程存在的问题及解决方法
（1）键合片表面对于热氧化的抛光片而言，热生长的SiO2具有无定型的网络结构。在SiO2膜的表面和体内，一些氧原子处于不稳定状态。在一定条件下，这些氧原子得到能量会离开硅原子，使表面产生悬挂键。对于原始抛光硅片，纯净的硅片表面是疏水性的，若将其浸入在含有氧化剂的溶液中，瞬间会在硅片表面吸附一层单氧层。随溶液温度的提高（75～110）℃，单氧层会向一氧化物、二氧化物过渡。所以，键合前对硅片进行表面处理，使其表面吸附OH -至关重要。由化学溶液形成的硅氧化物表面有非桥键的羟基存在，有利于硅片在室温下的键合。
（2）界面空洞当键合界面存在空洞时，会影响键合强度。界面空洞源于硅片表面不平整、外来粒子玷污及陷入的气体。硅片表面不平整可用化学机械抛光来保证，陷入的气体可通过横向间隙扩散或在氧气中完成键合来消除。
（3）界面应力键合时产生的界面应力对键合片的性能会产生很大的影响。键合过程中引入的界面应力主要源于室温下两硅片贴合时表面起伏引起的弹性应力，高温退火时因两硅片的热膨胀系数不同引起的热应力，或由界面氧化层键合时发生粘滞流动引起的粘滞应力。另外，键合界面的气泡、微粒和带图形的硅片键合时都会引入附加的应力。通过应力和界面能的研究，可确定键合所需的硅片平整度及热膨胀系数，进而减小或消除界面应力。
2.5新技术
（1）低温键合是指利用激光可实现常温下的硅-硅直接键合。由于硅材料对激光的吸收很少，故采用激光可以在较低的温度甚至常温下进行键合。与常规的键合方法比较，激光键合可大大改善常规硅-硅直接键合的不良影响。
（2）快速键合是指利用电磁感应加热（Electromagnetic Induction Heating，EMIH）技术实现硅-硅直接键合。电磁辐照范围为几兆赫～几十吉赫，在几秒内就可将硅片加热到 1000℃，直径为75～100mm的硅片加热功率仅为900～1300W，并且采用电磁感应加热可以同时进行多个芯片键合，提高键合效率（4对硅片/ 5min）。所以，采用电磁感应加热实现硅-硅直接键合，速度快，生产效率高，有很大的发展潜力。
3、应用举例
一是代替传统的三重扩散工艺或高阻厚外延工艺提供衬底材料或者制作SOI，如用 SDB技术制作功率双极型晶体管和IGBT；
二是将复杂的器件结构分解，通过具有不同掺杂浓度分布的芯片键合，使复杂结构的器件工艺简化，降低了工艺难度和成本，如用SDB技术制作静电感应晶闸管（Static Induction Thyristor，SITH）、IGBT及IGCT 等器件；
三是通过不同器件结构的键合，实现新器件的集成，以简化或取消外部驱动电路，如 MOSFET芯片和pnp结构的键合可以制作MTO，或将两个MOSFET背对背键合来制作双向IGBT芯片等；
四是用于薄片工艺加工，如临时键合技术。
3.1衬底材料制备
（1）制作Si衬底
高温（1150℃）、长时间（数十甚至上百小时）热扩散，会引起硅中大量再生缺陷；采用高阻厚外延工艺，当外延层厚度达到100μm、电阻率为100Ω·cm 以上时，所得外延层缺陷多、成品率低、电阻率一致性差，且自掺杂严重影响，这些缺点严重影响器件制备的成本及性能。采用SDB技术，可以克服上述缺点，为功率器件的衬底制备提供一种全新的工艺技术。
（2）制作SOI衬底
智能剥离技术是离子注入与键合技术的结合，也称单键合SOI，利用H+ （或He + +）注入在硅中形成起泡层，将注氢片（硅片1）与另一个表面带SiO2支撑片（硅片2）键合，经退火使注氢片从起泡层处完整裂开，形成SOI结构，如图1所示。智能剥离技术是利用注氢后退火时起泡剥离来减薄。其中H+（或He++）注入深度由SOI顶层硅膜的厚度来决定；硅片2上热氧化层厚度由埋氧层（BOX）厚度来决定。
图1用智能剥离技术制备SOI材料
采用SDB技术制备的SOI衬底材料，因二氧化硅层是由热氧化生成的，厚度和质量好，不会出现针孔现象；顶硅层是原单晶硅片的一部分，缺陷密度小，质量高，厚度由减薄和抛光工艺决定，可以根据要求进行；该工艺简单，不需要大型的复杂设备，价格便宜，适合大规模生产和应用。
利用SDB技术制作SOI基PIC的高压n阱和p阱。如图2a所示，在常规工艺中，硅片氧化后与另一个硅片进行键合，然后通过磨片与抛光进行减薄，最后通过离子注入制作高压阱，也就是说，高压阱是在SOI衬底制作好之后注入的。如图2b所示，在新工艺中，先通过注入形成高压阱，然后将注入过高压阱的硅片1与另一个硅片2进行反向键合。相比较而言，采用常规工艺形成的高压阱区表面浓度比底部高，采用新工艺形成的高压阱区表面浓度比底部低，即所谓倒置阱，有利于提高器件的可靠性。
图2用SDB技术实现SOI基PIC的制作
3.2器件制备
图3 SDB技术制作PT-IGBT的工艺流程
如图3所示，采用SDB技术制作平面栅PT-IGBT的工艺过程如下：首先，在n-区熔硅片1上利用磷离子注入形成n掺杂区；然后，将含有n掺杂区的区熔硅片1的n侧与p型直拉单晶硅片2相贴进行键合，可形成掺杂浓度和厚度均满足要求的n缓冲层。接着，将键合片经退火、磨片、化学机械抛光（CMP）后形成约为100μm的n-漂移区，再在n-区上面形成元胞结构及其金属化层，然后减薄背面p衬底，并制作金属化电极。
图4用SDB技术同时实现正斜角终端和缓冲层的工艺示意图及PT-IGBT芯片结构
SDB技术也可用于实现具有正斜角终端结构的IGBT，如图4a所示。先在p+衬底与 n-衬底片上分别进行B+和P+注入，形成相应的缓冲层。接着，对n/n-片进行终端正斜角腐蚀，使p++ /p+硅片的p++注入层与带腐蚀槽的n-/ n硅片的n缓冲层相贴进行键合，然后通过CMP减薄n-衬底，于是形成带有正斜角（45°～85°）和n缓冲层的硅衬底。最后在含有正斜角的硅衬底上，采用大面积的高质量栅氧化、多晶硅栅淀积、自对准进行离子注入等工艺，实现图4b所示的IGBT结构。可见，在结终端元胞处自然形成了一个正、反向均带有正斜角为θ的终端结构。
图5用SDB技术实现双向IGBT结构剖面
图6用SDB形成A-GCT和RC-GCT及DG-GCT的示意图
3.3薄片加工
采用SDB技术可实现薄片工艺加工。在 FRD、IGBT等器件的制作中，由于芯片太薄，且较脆，在传输和加工过程中容易发生碎片。除了采用真空吸笔、改造芯片夹具及承片台等措施外，还可以采用一种临时SDB技术。它是在硅片正面工序或大部分工序完成后，把硅片减薄，再把薄硅片和一个支撑托片粘接在一起，形成一个“厚”片，继续进行后面的加工工序。等加工完成或部分完成后，再设法把支撑托片拿走或把支撑片磨掉，继续完成后面的工艺。
图7用SDB技术辅助制作FS-IGBT的工艺流程
如图7所示，采用SDB技术辅助制作平面栅FS-IGBT的工艺过程：首先，在硅片1上通过离子注入依次形成nFS层和p+透明集电区，由于没有热条件限制，FS层和p+透明集电区的掺杂浓度和深度可以自由调节。然后，利用化学气相淀积工艺在硅片1、硅片2（支撑片）上分别生长CVD氧化层；接着，将两个硅片的氧化层相贴进行键合，并对硅片1正面进行减薄，厚度和表面质量应符合器件要求；然后在键合片的正面形成元胞结构，不受温度和片厚的限制，可完成正面器件的金属化层及钝化层；之后，利用CVD氧化层作为研磨的阻挡层，磨去背面支撑的硅片2，并保持器件厚度；最后进行背面金属化。可见，采用SDB技术可精确控制n-漂移区及n缓冲层的厚度和掺杂浓度，并降低工艺难度和成本。
3.4 SBD工艺特点
采用SDB技术制作电力半导体器件，使硅片经历的高温时间缩短，温度相对较低，并可灵活地选择硅片的晶向、掺杂浓度和电阻率，并且能显著简化器件的制作工艺，提高其成品率。当然，SDB技术本身也存在一些缺点，如SDB技术同时需要两个硅片，当芯片厚度较薄时，碎片率增加，都会导致材料成本和工艺成本增加。
用SDB技术制作电力半导体器件是基于成熟的SDB工艺以及比常规工艺更低的工艺成本。当芯片很厚或结构比较复杂时，SDB技术的优越性才会发挥出来。所以，用SDB技术替代传统工艺用来制作超大功率器件或结构复杂的电力半导体器件，可以更好地改善器件的性能、简化其制作工艺，有广泛的应用前景。