从原子级制造到键合集成，国产半导体设备的 “高端局”

电子发烧友网报道（文 / 吴子鹏）在半导体产业向 “超越摩尔定律” 迈进的关键阶段，键合技术作为实现芯片多维集成的核心支撑，正从后端封装环节走向产业创新前沿。在第十三届半导体设备与核心部件及材料展（CSEAC 2025）主论坛暨第十三届中国电子专用设备工业协会半导体设备年会上，拓荆科技股份有限公司董事长吕光泉与青禾晶元半导体科技（集团）有限责任公司创始人兼董事长母凤文，分别从原子级制造与键合集成两大核心维度，分享了半导体技术突破路径与产业应用实践，为中国半导体设备产业向多维创新发展提供了关键思路。

破解集成电路 “密度与带宽” 双重瓶颈的核心路径

在集成电路产业发展历程中，“摩尔定律” 驱动的制程微缩已逐步接近物理极限，而芯片性能提升与应用需求之间的差距却在持续扩大。吕光泉董事长指出，当前半导体产业面临的核心矛盾，在于器件密度提升与 I/O 带宽不足的错配：逻辑芯片算力 20 年增长 9 万倍，存储密度同步提升，但芯片间通讯带宽仅增长 30 倍，“存储墙” 已成为制约人工智能（AI）、高性能计算等场景的关键瓶颈。

要突破这一困境，需从 “平面集成” 转向 “多维集成”—— 前道制造通过原子级精度工艺提升器件密度，后道封装通过键合技术突破互联带宽限制，二者共同构成集成电路多维创新的核心框架。原子层沉积（ALD）技术凭借其精准的薄膜控制能力，成为前道工艺中实现复杂三维结构的核心支撑。吕光泉介绍，ALD 具有三大关键优势：一是沉积速率可控性极强，可实现原子级精度的薄膜生长；二是均匀性与保形性优异，对高深宽比结构（如 3D NAND 的存储孔洞）的覆盖能力远超传统工艺；三是材料兼容性广，可适配高介电常数（High-K）材料、金属栅极等新型材料体系。

在具体应用中，ALD 已成为先进器件结构的 “刚需技术”。以全环绕栅极（GAA）与互补场效应晶体管（CFET）为例，其立体栅极结构需通过 ALD 依次沉积 High-K 层、金属功函数层、钨层等关键薄膜，每层厚度控制需精准到纳米级，且需保证不同区域的一致性，若缺少 ALD 技术，此类复杂结构的量产将无从谈起。而在动态随机存取存储器（DRAM）领域，垂直结构（V-DRAM）的制备更是依赖 ALD 与原子层刻蚀（ALE）的协同 —— 通过 ALD 实现各向同性薄膜沉积，再借助 ALE 的自控性刻蚀能力，解决高深宽比结构的刻蚀难题，同时避免表面损伤，最终形成高密度存储单元。

与 ALD 相辅相成的 ALE 技术，是原子级制造的另一核心支柱。吕光泉强调，ALE 的 “自控性” 特性颠覆了传统刻蚀逻辑：其通过 “沉积 - 刻蚀” 的循环过程，可实现原子级别的刻蚀深度控制，尤其适用于 3D NAND、高带宽存储器（HBM）等需要超高精度的场景。例如，在 3D NAND 的通道孔刻蚀中，ALE 能有效解决传统干法刻蚀易导致的孔壁粗糙、尺寸不均问题，将刻蚀均匀性控制在纳米级，直接提升存储芯片的良率与可靠性。

键合集成：打通集成电路后道工艺的带宽瓶颈

青禾晶元母凤文董事长则聚焦后道工艺，提出键合技术是解决芯片互联带宽、突破平面集成限制的关键平台性技术。当前半导体产业正从 “平面集成” 向 “三维异构集成” 转型，键合技术不仅能实现不同芯片、不同材料的融合，更能将芯片间互联密度从传统封装的数百个节点提升至百万级，为 AI、高性能计算等场景提供核心支撑。

永久性键合：从材料融合到系统性能跃升

永久性键合技术主要包括超高真空室温键合、亲水性键合与混合键合，分别适用于不同应用场景：

超高真空室温键合：作为青禾晶元的特色技术，其核心优势在于 “无热应力” 与 “原子级界面”。该技术在超高真空环境下，通过离子束轰击去除材料表面氧化层与污染物，获得高活性表面，随后在室温下实现原子间直接键合。在碳化硅（SiC）复合衬底制造中，通过该技术可将高质量 SiC 薄膜转移至低质量 SiC 衬底上，使高质量衬底重复利用，大幅降低 SiC 器件成本；在高端声表面波（SAW）器件的压电 - on - 绝缘体（POI）衬底制造中，可实现铌酸锂（LT）与硅、蓝宝石等材料的无应力键合，避免传统高温键合导致的材料翘曲、性能衰减问题。
亲水性键合：通过等离子体处理使材料表面形成羟基，借助羟基间的范德华力实现预键合，再经热处理形成共价键。该技术是绝缘体上硅（SOI）衬底制造的核心工艺，广泛应用于国防、航空、汽车电子等对器件稳定性要求极高的领域，可有效提升芯片的抗辐射、耐高温性能。
混合键合：融合介质层亲水性键合与金属热扩散键合，是先进封装的 “核心引擎”。母凤文指出，混合键合主要分为晶圆到晶圆（W2W）与芯片到晶圆（C2W）两种模式：W2W 适合小芯片批量键合，颗粒控制难度低；C2W 支持已知良好芯片（KGD）筛选，可实现不同工艺节点、不同材料芯片的异构集成，是 HBM、芯粒（Chiplet）技术的关键支撑。例如，在 HBM 封装中，混合键合无需凸点（Bump），可将 DRAM 堆叠高度降低 30% 以上，同时提升热排放效率；在 Chiplet 架构中，通过 C2W 混合键合可将 3nm 逻辑芯片与 28nm I/O 芯片、射频芯片等异构集成，兼顾性能与成本。

临时键合：支撑先进制程的 “过渡性核心技术”

临时键合技术主要用于晶圆减薄、背面处理等工艺，分为有机物与无机物两类。其中，无机物临时键合是新兴技术方向，相较于传统有机物临时键合，其优势显著：无需有机物涂层，材料成本降低 50% 以上；无机物层厚度仅数十纳米，可实现低应力；兼容高温制程（部分技术可耐受 1000℃），与先进晶圆厂（Fab）工艺适配性更高。目前，该技术已应用于存储器、图像传感器（CIS）、功率器件等领域，为晶圆背面电路制备、超薄晶圆加工提供关键支撑。

国产设备迈向 “全球竞争” 新征程

从先进制程的刻蚀、薄膜沉积设备突破，到先进封装的键合、量测设备领跑，国产设备已不再是 “低端替代” 的代名词，而是在 “高端局” 中逐步掌握话语权。当前，全球半导体产业正经历 “技术重构、生态重塑” 的关键阶段，国产设备企业需持续深化技术创新，强化产业链协同，抓住 AI、汽车电子、高性能计算等新兴需求机遇，从 “突破高端” 向 “引领标准” 迈进，为中国半导体产业实现高水平科技自立自强提供核心支撑。正如无锡市人民政府副市长孙玮所言：“半导体装备是集成电路产业的‘基石’，国产设备的高端突破，将为我国构建开放协同的产业生态、实现自主可控作出更大贡献。”

资讯配图