武汉大学刘胜团队:金刚石直接键合取得新进展

随着AI芯片、3D封装和高功率器件的发展，芯片间互连和热管理问题正变得越来越关键。相比传统材料，金刚石因具有超宽禁带、高热导率、高载流子迁移率以及优异的化学稳定性，被认为是下一代半导体与热管理的重要候选材料。尤其在高功率电子器件、量子器件以及先进散热领域，金刚石的应用潜力受到广泛关注。

不过，要真正将金刚石应用于先进封装与异质集成，一个核心问题始终存在：如何实现高质量的金刚石界面直接键合。

近期，来自武汉大学刘胜研究团队在论文《Overcoming Nanoscale Roughness: Achieving Near-Bulk Strength in Direct Diamond Interface Bonding》中，通过分子动力学模拟系统研究了粗糙金刚石表面的直接键合机制。论文发表于期刊《Surfaces and Interfaces》。

研究指出，当前先进封装技术正在逐渐突破传统摩尔定律限制，3D-IC与异质集成成为重要发展方向，而直接键合技术由于无需中间层、界面热阻低、残余应力小，已成为高端微纳制造的重要方案。 但对于金刚石这种硬脆材料而言，其表面粗糙度对界面接触和共价键形成影响极大，原子尺度下的键合过程此前仍缺乏深入理解。

为此，研究团队构建了不同粗糙度的金刚石(001)表面模型，并利用LAMMPS平台开展分子动力学模拟。研究设置了Ra=0、0.2、0.4、0.6和0.8 nm等多种表面粗糙度，同时考察温度与外部压力对界面键合的影响。

研究发现，金刚石直接键合并非简单接触，而是经历了一个典型的“有序—无序—再有序”结构演化过程。界面在机械载荷和热作用耦合作用下，局部结构先发生无序化，随后逐渐形成稳定的C-C共价键，并最终重新趋于稳定有序结构。 这一过程伴随着系统能量持续下降，意味着界面稳定性不断提升。

其中，表面粗糙度被证明是决定键合效果的核心因素。模拟结果显示，当粗糙度从0.6 nm降低至0.4 nm时，界面形成能骤增275%，界面键合强度出现明显跃迁。 研究认为，0.4 nm是一个关键临界值：低于该值后，界面接触显著改善，共价键形成效率快速提升；而更高粗糙度则会导致大量空隙和局部应力集中，限制界面完整接触。

在工艺参数方面，研究进一步比较了温度和压力对键合的促进作用。结果表明，升高退火温度虽然能够提高界面键形成比例，但整体提升有限。即使退火温度从600 K提高至1500 K，键形成比例也仅提升约7.38%。 相比之下，机械压力的促进作用更加明显。当外加载荷由5 MPa提升至50 MPa时，界面键形成比例显著增加。 这意味着，在低温甚至室温键合需求越来越强的背景下，压力辅助可能比高温退火更适合未来金刚石直接键合工艺。

研究还对不同粗糙度界面的力学性能进行了拉伸模拟。结果显示，原子级平滑界面（Ra=0 nm）的断裂模式已经接近体金刚石，其断裂发生在(111)解理面，而非界面本身，说明界面强度已接近体材料理论强度。 相反，粗糙界面则普遍在键合界面处失效，且粗糙度越大，界面中的空隙越多，力学性能下降越明显。

总体来看，这项工作从原子尺度揭示了金刚石直接键合的基础机制，并首次明确提出约0.4 nm的界面粗糙度临界阈值，为未来金刚石晶圆键合、GaN-on-Diamond散热结构、3D异质集成以及高功率器件封装提供了重要理论依据。研究也表明，实现接近体材料强度的金刚石界面，关键并不只是提高温度，而在于获得足够平滑的界面以及合理的压力调控。

图文导读

图1. 粗糙金刚石界面的结合模型。(a) 通过随机移除原子来初始化粗糙度Ra。压力沿z方向（001）施加。该界面由三层组成：固定层、等温层和牛顿层。(b1)-(b5) 展示了五种Ra值下表面形态的瞬态图像。

图2. 粗糙金刚石界面的键合过程：(a) 势能变化；(b) 预键合阶段C-C键形成比的变化；(c) 退火键合过程中C-C键形成比的变化。