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从实验室到工厂：为何矽晶片直接键合成为制程的关键突破？
随着科技的快速发展，矽晶片制造工艺也迎来了新的挑战与机遇。在这个过程中，矽晶片直接键合技术作为一种重要的制程突破，正在逐步显现其潜在价值。
什么是直接键合？
直接键合，又称为融合键合，是一种不依赖任何中间层的晶片键合工艺。该技术基于相互之间的化学键，要求两个材料的表面必须足够干净、平整和光滑。若表面处理不当，可能会出现未键合区域，即所谓的「空洞」或界面气泡。
直接键合过程包括晶片的预处理、室温下的预键合以及高温下的退火处理。
矽晶片直接键合的历史
关于平滑固体表面的附着效果，早在1734年就由德萨古利耶（Desaguliers）首次提出。经过长时间的实验和研究，1986年首次报导了成功的矽晶片直接键合技术，使整个过程更为成熟。
常规的直接键合技术
直接键合主要是指矽材料的键合流程，并根据表面化学结构分为亲水性和疏水性两类。矽晶片的表面状态可以通过测量水滴接触角来确定。亲水性表面接触角小于 5°，而疏水性表面则大于 90°。
亲水性矽晶片的键合需要在连续的清洗后进行，确保表面不含任何杂质。
亲水性矽晶片的键合过程
晶片预处理
在进行键合之前，必须确保两片晶片没有任何颗粒、有机物或离子污染。常用的清洁过程包括干燥清洗（如等离子体处理）或使用化学湿处理。工业标准的清洗程序如SC清洗法，能够有效去除有机物和金属离子。
室温预键合
在实际接触之前，晶片必须对齐。在原子接触的瞬间，如果表面足够光滑，键合将会立即开始。这一过程中水分子覆盖在表面上，促使化学反应的发生。
高温退火
经过室温预键合后，晶片需要进行退火处理以提高键合强度。这一过程中施加的热能促使更多的化学键相互反应，形成更稳定的键合结构，从而增强键合强度。
退火温度的选择至关重要，太高或太低都可能影响到晶片的整体性能。
疏水性矽晶片的键合过程
晶片预处理
疏水性表面通常需要去除原生氧化层，以增强碳氟键的形成。因此，须避免表面重新亲水化，以确保键合的成功。
室温预键合与高温退火
疏水性晶片在室温下的键合依赖于范德华力，并且在高温下逐渐形成更为稳定的共价键。这一过程同样需要控制适当的气氛和温度，以避免水分的干扰。
低温直接键合研究的前景
尽管直接键合技术在多种材料的处理上具有良好的灵活性，但高退火温度导致的热膨胀系数不匹配仍是一大挑战。为了改善这一问题，研究者正着重于开发低温键合技术。
低温键合技术在多晶片微结构的制造上，将展现出更多的潜力，应用范围包括加速度计和微型泵。
随着矽晶片直接键合技术的进步，我们不禁思考：这项技术未来将如何更广泛地应用于不同的电子制造领域和新材料的开发中呢？
