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中国建投成员企业建投投资/建投华文
作者：徐少昆
本文3947字，阅读时间约10分钟
SiC是目前最具潜力的第三代半导体，但因其生产难度大、良率低，生产过程中会形成大量废片，导致SiC普及率相对较低。
而直接键合技术可以通过键合将SiC的良片与废片键合形成复合SiC衬底，显著提升SiC衬底片的可用率，解决行业中SiC的生产效率和成本的问题。
本文将对直接键合技术和室温键合技术在复合衬底材料中的应用进行介绍，并对复合衬底材料的商用未来进行展望。
01
什么是键合
“键合”是一种具有前瞻性的、潜在应用广泛的高端界面连接技术，可以实现不同界面的物理和电气连接。
键合技术主要通过物理和化学方法将两块已经镜面抛光的界面紧密的结合起来，并使接合界面达成一定程度的键合强度，是半导体制造过程中不可缺少的重要技术。
目前，键合在半导体领域已经被用作CIS、存储等产品生产的中间工艺环节，而且以键合技术为中间工艺的先进封装和Chiplet设备也已经实现初步商业化。
在半导体材料领域，以键合方式生产的SOI（绝缘体上硅）衬底已经得到广泛应用，此外，键合技术还被用于生产SiC复合衬底及POI衬底等材料，为第三代半导体及滤波器产品的降本增效提出了全新的技术解决方案。
键合技术的应用示意图
资料来源：建投投资/建投华文整理
02
直接键合技术
晶圆直接键合是将经过抛光的半导体晶圆，在不使用粘结剂的情况下结合在一起。
根据实现温度和条件的不同，晶圆直接键合主要分为熔融键合、表面活化室温键合和低真空下低温键合三种方式。
熔融键合：把两片镜面抛光晶圆片经表面清洗，在室温下直接贴合，再经过退火处理提高键合强度，将两片晶圆结合成为一个整体的技术。
为获得足够高的晶圆键合强度，往往需要施加较高的退火温度(800 - 1000℃)。
在熔融键合中，根据晶圆清洗后所呈现的状态不同，又分为亲水键合和疏水键合。
以硅材料为例，亲水键合先对材料表面进行清洗及亲水性处理，在大气环境中的水分子极易吸附于该亲水表面，之后在室温条件下，将具有亲水表面的两片晶圆贴合到一起，待材料贴合后再进行高温退火，高温退火过程中界面之间较弱的分子间作用力会转化为较强的Si-O-Si共价键，从而获得牢固的键合界面。
对于疏水键合，利用氢氟酸去除硅片表面的自然氧化膜后，硅片表面布满具有疏水特性的硅氢键(Si-H)。处理过的硅片先在室温下进行直接贴合，在经过加热退火后，于界面形成Si-Si共价键。
熔融键合流程图
资料来源：晶圆直接键合及室温键合技术研究进展
美国IBM公司已经利用硅熔键合与离子注入技术相结合，成功制备了SOI晶圆，但由于高温退火过程会诱发内部元件的热应力，导致掺杂元素的有害扩散，损坏温度敏感元件，很大程度上限制了该键合技术在半导体领域的进一步应用。
为降低高温对半导体元器件的影响，近年来，退火温度更低的表面活化室温键合技术和低真空度下低温键合技术作为键合领域的新起之秀受到重点关注。
低真空度下低温键合：把两片镜面抛光硅晶圆片经表面清洗后利用离子束照射晶圆表面，而后将两片晶圆在室温下预键合到一起，经过200 - 400 ℃的低温退火后达到足够高的键合强度。
由于等离子体的产生和全部的键合过程都在低真空度环境下进行，所以该技术需要保持低真空环境，但相比熔融键合，该技术需要的退火温度也更低。
然而该技术存在的问题是，在低温退火过程中晶圆的键合界面中间可能出现孔洞，这些退火孔洞降低了器件的成品率和可靠性。
低真空度下低温键合流程图
资料来源：晶圆直接键合及室温键合技术研究进展
表面活化室温键合：表面活化室温键合的基本原理是原子级清洁的表面具有极高的活性，可以在室温下形成原子级别的成键结合。
相比于其他键合方式，表面活化室温键合直接通过原子间的作用力成键而非化学反应的方式，无论是键合的强度还是质量均有较大程度的提升。
表面活化室温键合的操作步骤为在超高真空的清洁环境中先利用离子束除去表面污染物和氧化层，然后施加一定压力，使两个表面紧密接触，依靠化学键的作用实现键合，在室温条件下即能达良好的键合强度。
整个表面活化室温键合流程无需高温操作及反复升降温流程，消除了热膨胀系数不匹配而造成的热应力的问题。
表面活化室温键合流程图
资料来源：建投投资/建投华文整理
03
室温键合技术在复合衬底材料中的应用
区别于单晶衬底材料，复合衬底通常是为了满足特定的结构或特定的目的而设计的具有多层结构的衬底，典型的应用为：
POI衬底：声表面波射频滤波器（Surface acoustic wave filter，SAW滤波器）中的下一代衬底材料。
SiC复合衬底：通过较薄的高成本的单晶碳化硅与较厚的低成本多晶碳化硅进行键合，形成成本低廉的复合衬底。
POI衬底及SiC复合衬底结构示意图
资料来源：Soitec公司研究
在POI衬底方面，POI衬底能很好地解决表面声波滤波器的温度敏感性问题且保证了能量利用效率。
但是POI衬底涉及多层结构，传统的制备流程中需要进行高温退火增加键合力，而多层结构中的压电材料与硅衬底的热膨胀系数差异较大，退火过程中会出现严重的形变与碎片问题，影响产品质量与良率。
表面活化室温键合技术作为一种制备POI衬底的新技术，在室温下可以实现POI衬底的键合制备，无需退火即可达到较大的键合力，工序简洁、产品质量更高、成本较低。
所以相较于传统的POI制备方法，利用室温键合技术制备POI衬底无论从产品质量、生产效率还是综合成本的角度都是更优的选择。
在SiC方面，SiC作为第三代半导体材料，具备更高的热导率，高击穿场强、较高的电子迁移率等优点，在国防、新能源汽车、光伏储能等领域具备非常可观的应用前景。
SiC产业链中，SiC衬底材料成本占SiC器件成本的47%，是产业链中价值量的集中环节。
但是SiC衬底的制作难度大、操作过程不可控，这导致SiC衬底的成本较高，进而推高了SiC器件的成本。
相比于传统Si衬底，SiC衬底晶格结构复杂、易产生错位、长晶过程难以观测控制，且SiC材料脆性较高，切割难度较大，进一步推高了衬底的生产难度。
传统的SiC衬底生产商多以长晶的方式生产SiC衬底，但基于以上难点，SiC衬底生产时的长晶难度大、良率低。
据了解，对于六英寸SiC衬底，国内衬底企业生产的六英寸SiC衬底综合良率集中在30%左右；对于八英寸SiC衬底，国外龙头衬底厂商生产八英寸SiC衬底仅长晶步骤的良率就低至30%左右，叠加后续切片加工步骤的损失，八英寸SiC衬底的综合良率更低、成本更高。
基于此，目前碳化硅器件的成本是硅器件的约4倍左右，这一定程度上限制了SiC器件的大规模应用。
由于以长晶的方式生产合格的单晶SiC衬底的良率低，生产过程中会形成大量多晶SiC废料片，当前这些SiC废料除了用作莫桑钻和测试片以外，没有其他回收或销售路径。
而复合SiC衬底借由室温键合技术将合格的单晶SiC衬底与多晶SiC废料片键合，可以充分利用生产过程中的废料，降低SiC衬底的生产成本、提高SiC衬底的综合生产效率。
经验证，SiC复合衬底在后续长晶阶段所长出的SiC晶体性能与合格的单晶SiC衬底片长出的晶体一致。
从成本的角度来看，复合SiC衬底的材料成本相较于单晶SiC衬底片可以下降2/3以上，如果考虑过程中的生产加工费用，复合SiC衬底的综合成本相较于一片单晶SiC衬底片下降幅度也可达50%以上。
在复合SiC衬底的市场应用方面，截至2022年底，复合SiC衬底鉴于其仍然属于全新技术，主要产能均处于建设之中，故尚未在出货角度崭露头角。
就复合SiC衬底产品，国际市场上法国的Soitec公司和日本的住友公司已经率先开始相关产品的验证及生产。
2022年3月11日，Soitec宣布投资23亿人民币，在法国伯宁总部建设目标年产50万/片的复合SiC衬底厂，预计2024年量产。
客户认证/订单方面，2022年12月1日，全球最大碳化硅器件厂商意法半导体宣布了与Soitec签署备忘录，在签署日18个月内，对其8英寸产品进行全面验证及导入，首期验证款约1,000万美元已经于2023年3月23日由意法半导体进行支付。
关于日本住友公司，住友于2017年收购日本Sicoxs公司，Sicoxs致力于多晶衬底SiC （3C-SiC）技术的研发，并将其技术命名为“SiCkrest”，同年4月，住友公司在其鹿儿岛工厂建设第一条SiC复合衬底量产线，年产能约为2–3万片。
2020年，住友公司在其青梅工厂扩建第二条量产线，并在2021年宣布这项技术将进一步扩产。
2022年7月，Sicoxs开建新的SiC 8寸衬底产线，预计2024年3月完工。预计2025年加上现有的6寸产线，月产能将达到1万片。
在国内市场，青禾晶元是表面活化室温键合技术的创新领军企业，目前已经成功将该技术应用于SiC复合衬底以及POI衬底，尤其在SiC衬底领域，已与国内知名科研院所及半导体企业完成产品验证并签署订单，公司SiC早期产线已经搭建完成并在筹划扩产相关事宜。
综合来看，目前国内和国际SiC复合衬底生产商都处于起步阶段， 但未来随着自主可控、国产替代和供应链安全性的要求，以青禾晶元为代表的国内企业有望逐渐成为国内复合衬底市场的主要玩家。
键合技术作为一种高端界面连接技术被广泛应用，传统的熔融键合技术由于操作过程中需要升至高温所引起的热应力等问题，已经很难满足高精度半导体的生产需求。
经过多年的技术积累，室温键合技术逐渐趋于成熟，室温键合技术拥有无需升降温、无热应力等优势，在对温度敏感的半导体材料键合中发挥了重要作用。
在复合衬底材料领域，配合下游半导体材料的降本增效需求，室温键合技术在SiC等复合衬底材料领域保障产品质量的前提下降本增效效果十分明显。
从市场来看，国际市场在复合衬底材料领域也处于起步阶段，同时国内企业已经开始崭露头角。
我们相信，在可预见的未来，室温键合技术将广泛应用于复合衬底材料并为其发展带来明显的加速效果，在技术的商用尚处于早期的市场背景下，国内企业有望完成对海外领先企业的弯道超车。
资料来源：
1.JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING，晶圆直接键合及室温键合技术研究进展
2.华安证券：第三代半导体行业报告
3.公开文章：融资2亿，10亿建SiC产线！中国“Soitec”诞生
4.Soitec公司官网、公告、研报及其他公开信息
5.Sicoxs公司公告
图片来源：unsplash.com/pexels.com
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