布局芯片的未來
這兩日，華爲申請公布的一項專利引發關注。該專利由哈爾濱工業大學與華爲技術有限公司聯合申請，内容是 " 一種基于矽和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法 "。自此公布至昨日，培育鑽石概念漲超 16%。
許多人不禁疑惑，這項專利究竟指代的是什麽？事實上，可以把這項專利關鍵詞拆解，即 " 矽基與金剛石基襯底材料 "" 三維集成芯片 "" 混合鍵合 "。
鑽石芯片，怎麽造
比起鑽石，更準确的說法應該是金剛石，據企查查專利查詢顯示，該專利主要應用在 " 矽基與金剛石基襯底材料 " 上，這一句的關鍵在于 " 襯底 "。
芯片是從晶圓上切下的來，晶圓的英文是 Wafer，與 " 威化 " 是同一單詞，顧名思義，就像威化一樣，是一層層組成的。晶圓可粗略地分爲抛光片、外延片、SOI 片三大類，無論做成什麽樣的晶圓，其原點都是抛光片。
簡單解釋起來，抛光片是從矽柱切成薄薄一片，再抛光成質地平整的圓片，此時抛光片既可以直接經過光刻刻蝕制造芯片，也可以充當外延片和 SOI 片的 " 襯底 "；外延片就是在抛光片 " 外延 " 上再生長出一層的圓片；SOI 片就是在頂層和襯底之間引入氧化物絕緣埋層。
金剛石既可以用在襯底上，也可以用在外延上，也可以與其它材料混合使用，比如矽和金剛石。用人話解釋就是把芯片的底層換掉，可能其中一兩層材料是金剛石，也可能整個芯片大部分構成都是金剛石。
爲什麽要用金剛石造芯片？
這是因爲金剛石就是個六邊形戰士，甚至可以稱之爲 " 終極半導體材料 "，造出來的芯片也天生更優秀。可以說，金剛石就是材料中的 " 天才 "，國内業界會稱其爲 " 第四代半導體 "，國外則主要用 " 超寬禁帶半導體 " 的名字。具體來說，不同參數對應金剛石不同應用：
帶隙達 5.5eV，使其更适合應用于高溫、高輻射、高電壓等極端環境下；
熱導率達 22 W · cm-1 · K-1，可應用于高功率器件；
空穴遷移率爲 4500cm2 · V-1 · s-1，電子遷移率爲 3800cm2 · V-1 · s-1，高的載流子遷移率使其可應用于高速開關器件；
擊穿場強爲 13MV/cm，可應用于高壓器件等；
金剛石激子束縛能達到 80meV，使其在室溫下可實現高強度的自由激子發射（發光波長約 235nm），在制備大功率深紫外發光二極管和極紫外、深紫外、高能粒子探測器研制方面具有很大的潛力。
華爲申請公開的專利文獻中解釋，金剛石是寬禁帶半導體，具備擊穿場強高、載流子遷移率高、抗輻照等優點，在熱沉、大功率、高頻器件、光學窗口、量子信息等領域具有極大應用潛力。
當然，需要注意的是，金剛石芯片雖然看起來美好，但目前還未形成大規模産業化，難點在于：
第一，并非所有金剛石都能造芯片，而是純度極高的金剛石。金剛石分爲量子級、電子級、光學級、熱學級、力學級幾個主要等級，主要參考位錯密度和含氮量兩個參數，用于芯片的金剛石需要在電子級以上。
第二，金剛石芯片摻雜存在瓶頸。純淨的金剛石本身是一種絕緣體，隻有摻雜才能變成半導體。目前，金剛石芯片 p 型摻雜較爲成熟，主要以硼（B）摻雜爲主，而 n 型摻雜則是産業化的難題，n 型摻雜元素在金剛石中具有高電離能，很難找到合适的施主元素，目前學界和工業界衆說紛纭，當然也逐漸有了進展。
第三，把金剛石做成芯片，再到器件本身已經研究了幾十年，過程中産生了很多問題，也随着研究進程逐一解決。但目前，很多問題僅限研究領域，實際應用到業界必然會擁有更多問題，比如金剛石 FET 的設計和制造不同于标準器件、光掩模工藝存在諸多不便，都會是限制它大規模生産的問題。
第四，人造金剛石還很貴。碳化矽（SiC）價格是矽 30~40 倍，氮化镓（GaN）價格是矽的 650~1300 倍，而能造芯片的金剛石材料價格幾乎是矽的 10000 倍。碳化矽和氮化镓之所以能大規模應用，是因爲提升的效率與材料成本相抵消，甚至是更便宜了，金剛石芯片成本差距過大，應用到業界有點難。
不過，目前，美國和日本一直在推進金剛石芯片的産業化，包括美國阿克漢（Akhan）公司、英國元素六（Element Six）公司、日本 NTT 公司、日本産業技術綜合研究所（AIST）、日本物質材料研究所（NIMS）、美國地球物理實驗室卡耐基研究院、美國阿貢國家實驗室，其中 Akhan 曾計劃成爲首個真正實現金剛石半導體産業化的公司。
可以說，誰先搶占先機，誰就是領先那個，所以全世界都在不遺餘力發展。從過往專利來看，華爲也非常關注金剛石發展，可見對于未來技術的關注。
芯片的升緯打擊
" 三維集成芯片 "" 混合鍵合 " 其實對應着芯片行業的 "3D 封裝和互連 "。
三維集成是什麽？就像在三維空間上蓋高樓，未來的芯片不會隻局限在平面發展，而是會逐漸升高 " 緯度 "，就像做漢堡一樣，不斷疊高高，以增強性能。未來芯片也不會像現在一樣，隻是一顆單 CPU/MCU 芯片，而是集成加速器、内存、存儲。
此前，英特爾研究院副總裁、英特爾中國研究院院長宋繼強就曾在 2021 年的 WAIC 表示，異構封裝是一個更小型的系統，将不同的計算能力整合在一起。由不同的 Die 整合起來的，所以能夠利用不同架構芯片，在處理不同的數據、不同的任務的時候有獨特的性能和功耗優勢。
混合鍵合又是什麽？我們把芯片拆成很多小芯片（Chiplet），那麽把每個芯片封裝到一起，粘合在一起就是是巨大的難題，如果粘起來間距很大，那必然影響最終芯片性能。而混合鍵合和 3D 封裝是一對好搭檔，它能夠進一步縮小封裝時裸片之間的凸點間距和功耗，這樣封裝技術可以讓很多新的芯片很好地進行互連。
晶圓鍵合（Wafer Bonding）是近十幾年快速發展起來的新興半導體加工技術，在 MEMS，CIS 和存儲芯片等領域有着重要的應用，通過界面材料，它分爲帶中間層的膠鍵合、共晶鍵合、金屬熱壓鍵、無中間層的熔融鍵合和陽極鍵合等。而混合鍵合其英文是 Hybrid Bonding，顧名思義，是同時包含了熔融鍵合和金屬鍵合的特點而得名。
從概念上來看，混合鍵合是指在一個鍵合步驟中同時鍵合電介質和金屬鍵合焊盤。混合鍵合包括 wafer-to-wafer（W2W，晶圓到晶圓鍵合）和 die-to-wafer（D2W，芯片到晶圓鍵合）兩種，前者更成熟，後者擁有更多工藝。
這兩項技術都是未來突破芯片性能的關鍵，尤其在 1nm 以後進入 CFET 時代後，混合鍵合會是關鍵中的關鍵。
當然，概念遠不止如此，混合鍵合工藝（包括電介質 PECVD、銅 ECD、CMP、等離子體激活、對準和鍵合以及分割）涉及嚴格的薄膜質量規範、高水平的清潔度及高測試覆蓋率，實現難度極高，目前全世界的玩家少之又少，且工藝還未完全成熟，還在不斷尋求進入産業的方法。更何況是用在金剛石芯片之中。
那麽，在華爲這項專利中， 三維集成和混合鍵合的重點在哪裏？
專利文獻顯示，通過 Cu/SiO2 混合鍵合技術将矽基與金剛石基襯底材料進行三維集成能夠融合矽基半導體器件成熟的工藝及産線、生産效率高、成本較低的優勢及金剛石極高的發展潛力，爲三維集成的矽基器件提供散熱通道以提高器件的可靠性。然而，現有的 Cu/SiO2 混合鍵合技術多以矽爲襯底進行集成，其集成工藝不完全适用于金剛石，存在以下問題：
（1）現有的 Cu/SiO2 混合鍵合樣品的制備多采用标準大馬士革工藝，即通過光刻‑顯影‑刻蝕‑清洗‑種子層沉積‑電鍍‑化學機械抛光 ( CMP ) 來完成樣品制備，在此過程中 CMP 步驟必不可少，且是樣品制備的關鍵。該步驟受抛光設備、抛光劑等硬件條件影響較大，且抛光完成後需專業設備進行後清洗，以防止因抛光劑殘留導緻鍵合強度下降。同時 CMP 過程中由于 Cu 與 SiO2 硬度差異較大，材料去除率不同導緻 Cu 與 SiO2 間存在一定的高度差。過大的高度差會降低鍵合質量，影響上下芯片間電信号傳播。而嚴格控制 Cu 與 SiO2 間高度差面臨很大困難。标準大馬士革工藝不适用于金剛石晶片表面 Cu/SiO2 混合鍵合樣品的制備，同時 CMP 設備多針對 4 英寸以上晶圓級樣品抛光，而大面積金剛石生産困難、成本極高。
（2）相比于矽基底，金剛石基底硬度大，金剛石晶片的表面抛光非常困難，将金剛石表面粗糙度抛光降低至 1nm 以内耗時極長且成本高，故而金剛石表面 Cu/SiO2 分布的表面粗糙度将随之上升，現有 Cu/SiO2 混合鍵合工藝，難以實現粗糙表面的金剛石三維集成，對于具備粗糙表面的矽 / 金剛石三維集成适用性較差。
（3）由于矽、金剛石材質差異大，高溫鍵合工藝容易增大芯片間熱失配，緻使熱應力增加，從而影響鍵合強度，不适用于矽 / 金剛石的三維異質集成。
而利用這項專利，就能夠在矽基底及金剛石基底表面成功制備 Cu/SiO2 混合分布表面，且能夠将制備的矽基和金剛石基 Cu/SiO2 樣品進行混合鍵合，獲得了良好的鍵合面積。
寫在最後
縱觀整個專利，華爲将 " 未來 " 拉滿，不僅包含終極半導體金剛石，也包括 3D 封裝和混合鍵合，單獨拿出哪一項技術，都還未産業化，但也都離大規模産業化隻差一公裏。
通過華爲申請的曆史專利也不難看出，華爲非常關注這幾個方向，或許這也是一種技術風向标，預示着未來，芯片技術的發展行徑。
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