隨著集成電路制造技術進入45nm及以下技術代，為了克服特征尺寸縮小所帶來的技術挑戰，業界普遍采用了一些新技術，如應變硅工程、高介電常數介質/金屬柵極、多重曝光技術等，相應的設計成本和研發成本顯著升高，同時提高了技術競爭的門檻。因此，眾多芯片制造商和封裝廠商都不約而同地關注三維集成技術，其優勢在于高性能、低功耗、小的物理尺寸、高的集成密度。其中，如何實現垂直互連是三維集成的關鍵，其核心技術就是堆疊鍵合（Stacked Bonding）和硅通孔（TSV）。

經過多年的研究，硅通孔技術已經趨于成熟，但工藝成本問題是最大的瓶頸，只要有合適的產品需求，就能迅速進入大規模量產。而對于堆疊鍵合技術而言，主要有三種方式，即芯片-芯片鍵合、芯片-硅片鍵合、硅片-硅片鍵合，如圖1所示。其中，硅片-硅片鍵合是最具潛力的技術趨勢，它能夠最大化生產效率、簡化工藝流程、最小化成本，適用于高良率的同類產品間的三維集成。

在硅片-硅片鍵合技術中，硅直接鍵合技術結合硅通孔技術是一種代表性的工藝制程。其中，硅直接鍵合技術可以在Si-Si、Si-SiO₂、Si-Si₃N₄、SiO₂-SiO₂、Si₃N₄-Si₃N₄等多種介質表面進行，采用了等離子體表面激活的低溫介質鍵合技術，如圖2所示的SiO₂-SiO₂鍵合工藝。首先，采用O₂等離子體轟擊SiO₂表面，以此激活介質表面的Si-O鍵，使其具有親水性。其次，采用去離子水清洗介質表面，處于亞穩態的Si-O鍵很容易與H₂O結合形成OH^—懸掛鍵，以此在介質表面形成一層水分子膜。接著，采用夾具將兩枚完成表面激活處理的硅片相互正面對準，并將硅片表面接近到亞毫米級的距離，先后從硅片中心到邊緣進行介質表面鍵合，以此排出空氣，獲得理想的鍵合效果。由于SiO₂介質表面存在OH^—懸掛鍵，氫鍵的范德華力會使兩枚硅片的介質表面相互粘合在一起，獲得一定強度的臨時鍵合。最后，采用400℃退火溫度處理兩小時，將鍵合面的OH^—鍵還原成水分子，形成鍵合力更強的Si-O-Si鍵合面，并排出水氣。

ICRD進行了硅直接鍵合工藝開發，分別對裸硅片和熱氧化SiO₂硅片先后進行了上述的等離子體表面激活工藝和去離子水清洗工藝處理，接著進行了Si-SiO₂對準臨時鍵合，然后進行退火處理，最后分別進行了C-SAM檢測和鍵合強度檢測，如圖3和圖4所示。

在12英寸硅片的有效檢測范圍內，僅在硅片邊緣出現白色的空洞，而有效Die區域均未發現大于25um的空洞，Si-SiO₂鍵合的無空洞率達到99.97%。

在硅片三個不同方位插入刀片，并采用紅外成像方式穿透鍵合疊片，觀察刀片引起的裂紋區域，并測量裂紋的半徑方向長度，進而計算得到Si-SiO₂鍵合工藝的鍵合強度達到2.04 J/m²。