近日，北京大学、北京科技大学及长三角先进材料研究院等团队，在《ACS Applied Materials & Interfaces》发表6英寸4H-SiC/Si晶圆直接键合研究成果。研究人员通过表面活化键合与1000 ℃退火，同时提升了界面的机械强度和热输运能力。
研究亮点
SiC具有宽禁带、高击穿场强和优良导热性能，与成熟硅工艺集成后，有望改善高功率器件的散热与可靠性。然而，SiC/Si晶格差异及键合产生的非晶层，容易使界面成为热传输瓶颈。研究团队采用Ar离子表面活化完成6英寸晶圆键合，并对部分样品进行1000 ℃、1 h真空退火，以验证退火能否有效降低界面热阻。
Pioneer-ONE TDTR系统的关键作用
常规宏观热物性测试难以从SiC和Si基体中得到界面的独立贡献。研究团队采用Autinst（昊远精测）Pioneer-ONE时域热反射系统，对退火前后SiC/Si界面热阻进行定量测量。系统以1 MHz调制的532 nm飞秒泵浦光产生瞬态加热，并通过1064 nm延时探测光记录热反射响应。样品表面沉积约1 μm Al换能层，实验信号结合多层传热模型和小二乘算法拟合。每个样品在至少3个不同位置测量，以降低局部不均匀性和污染的影响。测试结果显示：界面热阻由12.140 m²·K/MW降至5.079 m²·K/MW，降幅约58.2%。
从测量数据到微观机制
原子分辨表征显示，退火使约2 nm的非晶界面层明显减少，并形成厚约1～1.5 nm的非连续3C-SiC岛状过渡层。声子谱与分子动力学模拟进一步表明，该过渡层改善了SiC与Si之间的结构和振动匹配，并在30～40 meV范围形成有利于跨界面传热的振动通道。由此，研究建立了清晰的证据链：Pioneer ONE定量确认界面热阻显著下降，电子显微学观察界面重构，声子谱和模拟解释传热增强机制。
设备应用价值
对于宽禁带半导体、晶圆键合、先进封装和三维异质集成，埋藏其中的界面热阻直接影响器件散热与可靠性。Pioneer-ONE TDTR系统利用非接触泵浦—探测技术和多层热传导模型，定量表征薄膜及界面热输运，为键合条件筛选、退火工艺优化和界面结构设计提供可靠数据支撑。这项研究表明，Pioneer-ONE TDTR系统不仅能够判断工艺是否改善散热，还能把界面热性能与原子结构变化建立定量联系，成为先进半导体热管理研究的重要表征工具。
文章链接：Direct Bonding of 6-in. SiC/Si Wafer with Enhanced Thermal Interface
