碳化硅衬底低温键合的奠基性工艺-改性SAB法

碳化硅衬底是第三代半导体功率器件、射频器件的核心基材，衬底的平整度、晶格完整性、界面应力、结合稳定性直接决定器件良率与使用寿命。某大学发布的改性SAB（表面活化键合）技术，针对性解决了碳化硅衬底传统键合高温损伤、衬底形变、界面劣化等行业难题，成为高品质SiC衬底复合制备、衬底三维堆叠的奠基性工艺，至今仍是碳化硅衬底精密加工的核心参考方案。

一、传统工艺对碳化硅衬底的核心损伤痛点

在该技术问世之前，行业制备复合碳化硅衬底、堆叠衬底普遍采用亲水键合、高温真空键合工艺，整套流程需要573K–1523K高温长时间热处理。而碳化硅衬底虽耐高温，但高温梯度会引发严重的衬底热应力、晶格畸变、翘曲变形，直接破坏衬底原生优异电学与热学性能。

对于精密4H-SiC衬底而言，传统工艺极易造成衬底表面微缺陷增加、微管密度上升，大幅降低外延生长良率；同时高温工艺能耗高、衬底报废率高，小尺寸高品质碳化硅衬底的加工成本居高不下。行业亟需一种零热损伤、保护衬底晶格、适配精密衬底加工的低温键合技术，改性SAB衬底键合工艺应运而生。

二、适配3英寸碳化硅衬底的低温键合体系

本次经典研究核心围绕商用量产级4H-SiC碳化硅衬底展开，实验采用晶沐光电3英寸衬底，4°偏轴、n型掺杂，选取化学机械抛光（CMP）后的Si面作为键合面，衬底表面粗糙度仅0.2nm，是外延级高品质碳化硅衬底的标准表面状态。整套工艺全程室温完成，无需对碳化硅衬底进行化学清洗、高温预热处理，最大程度保留衬底原生性能。

【图片1】：4H-SiC碳化硅衬底CMP抛光后AFM表面形貌图。

整套衬底键合工艺在超高真空（＜10⁻⁵Pa）环境下完成，全程保护碳化硅衬底洁净度，核心流程专为衬底精密贴合设计：

1. 衬底表面原子级活化：采用氩离子束精准轰击碳化硅衬底表面，彻底清除衬底存储、转运过程产生的氧化层与微量污染物，不损伤衬底晶格结构，实现原子级洁净表面；

2. 衬底界面过渡层构建：在活化后的碳化硅衬底表面，依次溅射1nm铁粘附层、10nm硅中间层，二次活化镀膜，形成适配SiC衬底贴合的柔性过渡界面，规避衬底刚性贴合产生的空隙与应力；

3. 室温恒压衬底键合：室温环境下对两片碳化硅衬底施加5kN恒定压力，保压300s完成精密贴合，全程无温度变化，彻底杜绝衬底热变形。

【图片2】：改性SAB法碳化硅衬底键合完整工艺流程图

三、碳化硅衬底键合质量与稳定性核心测试数据

本次实验所有测试指标均围绕碳化硅衬底实用性能展开，验证该工艺制备复合SiC衬底的可靠性，为后续衬底产业化应用提供数据基准。

1. 衬底键合结合强度极高，适配器件制程

五组碳化硅衬底样品测试结果显示，衬底键合拉伸强度稳定在32.1MPa–35.7MPa，所有样品断裂位置均为外部粘接层，而非衬底键合界面。这证明两片碳化硅衬底的结合强度远超测试数值，界面贴合牢固，可耐受后续外延生长、刻蚀、镀膜等全制程加工，不会出现衬底分层、脱层问题。

【图片3】：五组碳化硅衬底键合强度测试数据统计表。

2. 衬底全域贴合度优异，缺陷可控

SAM扫描表征结果显示，碳化硅衬底仅边缘极小区域存在轻微未贴合区，衬底有效功能区域几乎100%完美键合。少量空隙缺陷仅出现在衬底边缘，不影响核心外延区域与器件制备，可通过后续衬底裁边、工艺优化完全消除。

3. 高温退火后衬底界面性能不衰减

将键合后的碳化硅复合衬底在1273K真空环境下退火1小时，模拟器件高温制程工况，衬底键合强度仍稳定在32.7MPa以上，无明显衰减。证明该工艺加工的碳化硅衬底，具备优异的高温制程耐受性，适配高温功率器件制备需求。

四、碳化硅衬底键合界面微观机理

通过HR-TEM、EDX表征可明确碳化硅衬底键合的微观机理：未退火状态下，两片SiC衬底贴合界面存在约16nm可控非晶中间层，成分以Si、C为主，无破坏性杂质，不会影响衬底核心性能。经过高温退火后，衬底界面非晶层厚度减半至8nm，金属杂质、氩气残留完全扩散排出，界面进一步致密化、洁净化，衬底界面热阻与缺陷率大幅降低，这也是衬底长期稳定性优异的核心原因。

【图片4】：退火前后碳化硅衬底键合界面HR-TEM对比图

五、经典工艺对碳化硅衬底产业的价值与原生局限

改性SAB工艺的核心突破，是首次实现无热损伤、无化学腐蚀、高稳定性的碳化硅衬底同质键合，完美保护了SiC衬底的晶格完整性、低缺陷率、高热导率等原生优势，为复合碳化硅衬底、多层堆叠衬底的研发制备奠定了技术基础。

从衬底产业化角度来看，该经典工艺存在明显局限：仅适配3英寸小尺寸碳化硅衬底，无法适配大尺寸量产衬底；衬底界面存在非晶层，对超高导热、超高精度器件衬底仍有制约；仅实现同质SiC衬底键合，无法制备高端异质复合衬底，且衬底边缘缺陷无法完全消除，量产良率有待提升，成为后续十年衬底工艺迭代的核心方向。