在各类异质集成技术中，晶圆键合作为构建可靠异质界面的基础工艺，具有承上启下的关键作用。目前主流键合技术包括直接键合、表面活化键合、热压键合、共晶键合、粘合剂键合及阳极键合等。其中，直接键合技术自1985年由Lasky等人提出以来，已在绝缘体上半导体、硅基CMOS、III-V族光电器件及功率电子等领域实现广泛应用。该技术具备键合强度高、界面质量好、工艺步骤简洁、材料适配性强等优势，展现出重要的研究价值。

    直接键合的核心机理基于半导体表面的高能态特性。经预处理后，晶圆表面形成具有悬挂键的高能表面，当两表面紧密接触时，界面原子通过化学键合实现高强度连接，无需中间层即可达到或超过材料本体的断裂强度。键合成功率和质量高度依赖于预处理工艺的优化，针对不同材料需采用相应的预处理技术以实现高结合强度与低缺陷率。为此，本文系统归纳并总结了异质晶圆直接键合中预处理关键技术的研究进展。

悬挂键示意图

1 .湿法-干法协同处理

     湿法-干法协同预处理技术结合了湿法清洗的彻底性和干法活化的高效性，是提升晶圆键合界面质量的重要工艺路径。典型的协同工艺序列通常以湿法化学清洗作为起始步骤，通过RCA标准清洗或改进型溶液配方（如添加表面活性剂的SC1/SC2溶液）去除颗粒污染物、有机残留及金属离子，实现表面的本征清洁。随后采用干法活化处理，如氧等离子体或氮氢混合等离子体轰击，在已清洁表面引入高密度活性基团（如‑OH、‑NH₂）。研究表明，该协同工艺可使硅晶圆表面接触角从初始的30°以上降至5°以下，表面能从40 mJ/m²提升至72 mJ/m²以上，界面键合能在后续退火后达到2.5 J/m²以上，较单一处理方法提升约30%。这种协同效应归因于湿法处理形成的薄层水合表面为干法活化提供了理想的反应基底，而等离子体处理则在纳米尺度进一步调控表面化学态，形成具有高反应活性的悬挂键网络。在SOI晶圆制备中，该工艺使界面空洞密度降低至10 cm⁻²以下，显著提高了器件层的转移质量。

2. 多重能量场辅助处理

    多重能量场辅助预处理通过耦合不同物理场效应，实现对键合表面的深层改性与均匀化处理。紫外光-微波等离子体协同系统是典型代表：紫外光（通常为172 nm或222 nm波长）照射可分解表面碳氢污染物，并通过光致亲水效应提高表面润湿性；同步施加的微波等离子体（2.45 GHz）则在表面产生高密度活性粒子，通过物理溅射与化学反应双重机制进一步清洁表面并引入功能基团。实验表明，在300 mm晶圆上采用该技术，表面氧化层厚度均匀性可达±0.2 nm（传统方法为±0.5 nm），表面活性位点密度提升2-3倍。另一类创新方法是激光-等离子体复合处理，其中脉冲激光（如KrF准分子激光）选择性去除表面污染层，而惰性气体等离子体同步进行表面纳米结构调控。这种多场协同处理不仅增强了表面改性的深度与均匀性，还通过能量场的时空调制避免了热损伤，特别适用于热敏感材料（如锗、化合物半导体）的键合预处理，在光子集成器件制造中展现出独特优势。

3. 选择性区域预处理

     选择性区域预处理技术基于图形化掩膜实现对键合界面的空间选择性改性，为异质集成中的功能区域提供差异化键合特性。该技术核心在于通过光刻或纳米压印工艺在晶圆表面定义预处理区域，再结合定向能量束（如聚焦离子束、激光束）或局部气氛控制实现区域特异性处理。典型应用包括：在微流道芯片键合中，对流体通道区域进行超疏水处理（接触角>150°）以减少液体残留，同时对密封区域进行超亲水处理（接触角<10°）以增强键合强度；在三维集成中，对TSV阵列区域进行等离子体深度活化以降低接触电阻，而对周边区域保持钝化状态以避免不必要的界面反应。最新进展显示，采用扫描探针显微镜（SPM）辅助的局部电化学处理，可在纳米尺度实现羟基密度的梯度分布，使特定区域的键合能调控精度达到±0.1 J/m²。这种空间选择性预处理技术不仅优化了不同功能区域的界面特性，还通过应力工程设计缓解了异质材料热失配问题，在MEMS封装、生物芯片集成等新兴领域具有重要应用前景。

1. 蒸汽清洗   

    在晶圆直接键合工艺中，酸蒸汽清洗是Cu-Cu键合的关键预处理步骤。Cu-Cu键合依赖金属原子间的相互扩散，扩散系数越高，晶粒生长越快，界面结合也越牢固。若未经预处理，铜表面氧化会导致其自扩散速率下降数个数量级，严重影响键合质量。

     Koyama等人比较了甲酸（HCOOH）与柠檬酸（C6H8O7）沸腾蒸汽清洗铜晶圆的效果。研究发现，甲酸在较低温度下即可实现更高的键合强度，而经柠檬酸处理的键合界面则表现出更优异的抗氧化性，即使放置168小时后其键合强度仍基本保持不变。另一项研究对比了盐酸、硫酸、氢氟酸等无机酸与甲酸、乙酸、柠檬酸等有机酸的清洗效果，发现在温度低于250℃时均可实现Cu-Cu晶圆级键合，其中甲酸处理获得的键合质量最佳。在此基础上，Yang等人开发出一种基于甲酸蒸汽的低温Cu-Cu原位直接键合工艺：晶圆在200℃甲酸蒸汽环境中预处理20分钟后进行热压键合，成功实现了高强度Cu-Cu直接连接，其设备示意如图所示。

粘合设备示意图

随后的几年，研究人员进一步设置甲酸蒸汽与甲酸溶液对Cu 表面预处理的对比实验，结果显示：在相同表面氧化物去除标准的要求下，相比于甲酸溶液清洗，甲酸蒸汽处理的表面粗糙度增加更少，表面形貌更加光滑，更有利于Cu-Cu 晶圆键合强度的提升，如图所示。

酸蒸与酸洗后Cu 晶圆键合强度对比

此外，酸蒸清洗表面处理可以规避将整个晶圆浸没在溶液中的缺点，防止试剂清洗完晶圆表面污染物后对叠层晶圆上的钝化层、键合层、绝缘层产生蚀刻影响，从而减轻半导体器件的功能损伤。

1.等离子体表面处理

    虽然快速原子轰击（FAB）表面处理方法能有效缓解高温退火带来的热应力及掺杂元素扩散问题，但其对超高真空环境的严苛要求导致设备成本高昂、工艺复杂，在实际生产中推广应用受到较大限制。因此，研究重点转向可在低温、低真空甚至大气环境下实现的晶圆直接键合技术。其中，等离子体表面处理（Plasma Activated Bonding, PAB）方法因其操作简便、成本较低，已成为大气低温晶圆直接键合的关键技术，受到学界与工业界的广泛关注。

      与主要依赖物理轰击的FAB技术不同，PAB处理更侧重于化学作用去除表面杂质。其原理是通过激发无机气体形成等离子态，使气相高能物质作用于待处理表面，固体表面分子与高能基团发生反应并分解为气相产物脱离，从而在表面产生自由基并暴露出高能活性位点，其过程示意图如图所示。

2. 紫外光活化