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无中介层的微观奇迹：直接键合如何实现晶圆的完美融合？
随着科技的不断进步，硅直接键合技术的应用在半导体制造领域逐渐受到重视。直接键合，也称为融合键合，描述的是一种无需任何中介层的晶圆键合过程。该过程基于材料表面之间的化学键结，实现了高效能的结合。这一过程的关键在于晶圆表面的洁净度、平坦度和平滑度，因为任何不符合要求的地方都可能在键合过程中形成缺陷，进而影响产品的质量。
“只有在充分清洁后，晶圆表面才能实现理想的键合效果。”
晶圆直接键合的步骤可分为晶圆预处理、常温预键合和高温退火。尽管直接键合技术几乎涵盖所有材料，但至今为止，硅仍然是最为成熟的应用材料。因此，这一过程常常被称为硅直接键合或硅融合键合。制造硅绝缘体（SOI）晶圆、传感器和致动器等许多应用领域都依赖此技术。
技术背景
硅直接键合基于分子间的相互作用，包括范德瓦耳斯力、氢键和强的共价键。早期的直接键合过程要求高温操作，但随着应用材料的多样化，对低温处理的需求日益增长。研究者们共同努力希望在450 °C以下达成稳定的直接键合，这不仅可以满足制程的需求，还能避免不同材料间的热膨胀系数差异造成的问题。
“降低过程中所需的温度能够大幅提升材料的兼容性，促进更多应用的发展。”
历史回顾
早在1734年，Desaguliers就发现了光滑表面的附着效应，强调了表面光滑度对摩擦力的影响。随着技术的不断进步，1986年出现了有关硅直接键合的初步报告，这一技术开始在业界崭露头角。
传统的直接键合
直接键合过程多数集中在硅材料的处理上，根据表面的化学结构又可分为亲水性和疏水性键合。亲水性表面的接触角小于5 °，而疏水性表面则大于90 °。这一特性使得硅材料在不同的应用中拥有了更高的灵活性和适应性。
亲水硅晶圆的键合
晶圆预处理
在键合前，必须保证晶圆表面洁净，以免杂质影响键合效果。主要的清洗方法包括干洗（如等离子体处理或紫外/臭氧清洗）和湿化学清洗程序。广泛使用的标准清洗程序为RCA的SC清洗法。
常温预键合
一旦晶圆表面处理完成并符合标准，晶圆进行对位后即可开始键合。气相中的水分子会在接触时引发化学反应，形成Silanol（Si-OH）并进行聚合，随后形成结合强度足够的结构。
高温退火
随着退火过程的进行，结合强度将随着温度上升而增强。通过提供足够的热量，使更多的Silanol进行反应，从而形成稳定的Si-O-Si键结。
疏水硅晶圆的键合
晶圆预处理
生成疏水表面需去除膜层，通过等离子体处理或含氟的蚀刻溶液来实现。重要的是，必须防止重新亲水化的发生，以维持疏水性。
高温退火
在高温环境中，随着氢和氟的脱附，硅晶体内部开始出现共价的Si-Si键。这一过程可在700 °C时完成，最终实现和硅本体相同的结合强度。
低温直接键合的研究方向
随着对低温处理的需求不断增加，研究者探讨各种方法以降低所需的退火温度，此过程的困难主要在于水的去除及其对已形成的硅氧键的影响。研究者们正着手于包括等离子体激活及化学机械磨平等多种表面处理技术，力求在低温条件下也能达到理想的键合效果。
“这一技术在微型泵、微型阀和加速器等多晶圆微结构的制造中展现了其广泛的应用潜力。”
在未来，直接键合技术的进一步发展可能改变半导体制造的格局。随着对材料科学的深刻理解和新技术技术的导入，这一技术将为我们带来怎样的惊喜呢？
