芯耀
与非AI
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硅基器件的散热正在成为限制性能与可靠性的瓶颈。工作温度每升高10℃，硅基器件的电学性能下降约5%，使用寿命可减少50%以上；而功率器件、AI处理器等高性能芯片的结温常常超过100℃，功耗接近100 W，局部热流密度超过1 kW/cm²。
硅自身约142 W/(m·K)的热导率，难以把有源区的焦耳热高效导出。相比之下，金刚石具备电绝缘性、低介电常数和约2200 W/(m·K)的热导率，被视为理想的散热材料之一。
问题在于，两者集成之后引入的界面热阻，会在这条散热通路上形成拦截。
近期，来自东南大学、江苏第三代半导体研究院、北京大学以及大阪公立大学的团队采用室温表面活化键合（SAB）完成多晶金刚石（PCD）与硅片的直接键合，界面热导（TBC）达到133 MW/(m²·K)，论文称这是目前文献报道的Si/PCD体系最高值，集成尺寸覆盖1、2、4英寸。相关成果以“Ultra-high thermal boundary conductance in wafer-scale Si/diamond integration via surface-activated bonding”为题，发表于《Applied Surface Science》。
晶圆级PCD键合：从CMP平整化到高温界面完整性
相比单晶金刚石，多晶金刚石（PCD）在成本与尺寸限制上更具可行性，但由不同取向的晶粒竞争生长合并而成，各晶面去除速率存在差异，难以达到键合所要求的原子级平整度。
为此，团队采用采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）制备PCD，随后采用H₂O₂氧化剂配合SiO₂/金刚石磨料的CMP进行平整化。
1英寸PCD的AFM平均粗糙度（Ra）由此从3.46 nm降至0.95 nm；白光干涉仪在530×530 μm²范围内测得1、2、4英寸PCD的Ra分别为1.07、0.63、0.58 nm。值得注意的是沉积速率随尺寸放大而下降，做大尺寸的代价也落在时间成本上。
为了评估键合界面的完整性，作者将1、2、4英寸PCD分别键合到4英寸Si上并进行SAM表征。
图像显示，界面空洞率由1英寸PCD的64.19%降至4英寸PCD的约1%，梯度色区域对应的未完全键合部分随之收窄，这一变化与抛光后粗糙度的下降趋势一致，说明PCD表面形貌直接决定有效键合面积。作者认为，1英寸样品残留的未键合区域来自金刚石衬底厚度不均，晶圆表面清洁度同样是决定键合质量的关键变量。
1000℃退火后，键合到2英寸Si上的1英寸PCD键合面积约80%，而2英寸PCD/4英寸Si和4英寸PCD/4英寸Si均约99%；4英寸PCD/4英寸Si的翘曲为30 ± 5 μm。
作者将其归因于室温键合抑制了硅与金刚石热膨胀系数（CTE）失配带来的热应力，这一水平已满足硅基器件制造的公差要求。剪切测试中，断裂发生在硅片内部而非界面处，表明界面结合强度高于体硅本身的断裂强度。
从非晶混合层到部分再结晶：界面结构演变及其热输运意义
HR-TEM显示，键合态界面存在约18.5 nm厚的非晶层，而Si一侧仍保持完整晶体结构。EDS面扫在界面层中检出氧、氩以及扩散进入的碳原子，说明这是一个化学混合区而非原子级突变的界面——氩来自Ar快原子束（FAB）的表面活化过程，氧来自真空腔内的残余污染。
在1000℃氮气气氛退火后，界面层厚度略降至约16 nm，其中可以辨认出Si纳米晶的晶格条纹，为非晶层发生部分再结晶提供了直接证据。
退火后的EDS结果显示明显的互扩散：氧、碳原子向界面附近的Si衬底一侧扩散，硅原子反向扩散到金刚石一侧，靠近Si一侧出现氧富集。已有研究认为，这类化学梯度较之突变界面能拓宽声子态密度的重叠，减少声子散射与反射。
退火温度依赖的TBC：从非晶散射到纳米晶连续界面
为了量化退火过程中的界面热输运演变，研究采用时域热反射（TDTR）对不同退火温度下的样品进行测量。结果显示，Si/PCD界面的TBC随退火温度升高呈单调上升，1000℃退火后达到133 MW/(m²·K)，接近文献给出的Si/PCD异质界面理论值。
同为表面活化键合路线，单晶金刚石/Si此前只做到10.3×10.3 mm²、105 MW/(m²·K)，本工作在4英寸尺度上达到133MW/(m²·K)。
对于TBC随退火温度上升的原因，论文的解释指向界面层的结构演变。Ar FAB辐照在产生大量高活性原子位点以促进跨界面成键的同时，也形成了一层富缺陷非晶中间层。
其作用是双向的：作为柔性缓冲层可容纳硅与金刚石之间的CTE失配，但无序结构会强烈散射声子、压低TBC。随着退火温度升高，热激活的原子迁移驱动中间层再结晶，界面缺陷与非晶层厚度同步下降，1000℃下形成的Si纳米晶使两相界面变得连续平滑，声子散射被显著抑制。
晶圆级 Si/PCD 键合：最高 TBC、高温完整性与待验证问题
上述结果将室温键合、退火驱动的界面非晶–纳米晶转变，与目前报道最高的 Si/PCD 界面 TBC 关联起来，并同步验证了晶圆级可扩展性（4 英寸、空洞率约 1%、翘曲 30 ± 5 μm）以及 1000℃ 退火后的界面完整性；后者关系到该类结构能否兼容常规硅基器件的高温工艺环节。
尽管如此，仍有两个关键问题值得进一步研究。其一，133 MW/(m²·K) 的 TBC 依赖 1000℃ 退火获得，如何进一步调控界面层在结构稳定性与热输运之间的权衡，该研究已将其列为后续方向。其二，在同样抛光至亚纳米粗糙度的条件下，4 英寸样品实现了近无空洞键合，而 1 英寸样品因金刚石衬底厚度不均，仍残留较大比例的未键合区域；衬底厚度均匀性对键合良率的影响仍需在更大尺寸样品中继续验证。
