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共晶键合的奥秘：如何在低温下实现高强度连接？
在当今科技迅速发展的时代，如何在低温下实现高强度的连接成为了一个关键的挑战。共晶键合，亦被称为共晶焊接，是一种利用中间金属层形成共晶系统的晶圆键合技术。这种技术的特点在于，能够在特定的成分和温度下，实现从固体到液体或从液体到固体的直接转变，而不需经过两相平衡的过程，大大降低了温度的需求，这为晶圆的强固连接打开了一扇新的大门。
共晶合金的熔化温度通常可低于两种纯元素的熔点，这对于共晶键合至关重要。
根据研究，这一技术自1992年由Venkatasubramanian等人报导以来，已成功应用于将外延材料如GaAs-AlGaAs转移到硅基板上，并在1994年进一步验证了其在太阳能电池中的应用性能。共晶键合的优势在于能够在一次性过程中实现密封包装和电气互连，尤其是在低温环境中进行的过程，最终装配中引起的应力较小，这使其成为电子学领域的理想解决方案。
要实现有效的共晶键合，几个关键参数必须考虑，包括键合温度、持续时间和工具压力，这些因素各自对最终的键合强度和可靠性都有影响。
共晶键合的概要
共晶键合的基本原理在于矽（Si）与多种金属能够合金化并形成共晶系统。硅-金（Si-Au）和硅-铝（Si-Al）是最常见的共晶形成方式。这一键合程序通常应用于涂有Au/Al膜的硅或玻璃晶圆。
正确的合金选择取决于加工温度和所用材料的相容性。
此外，共晶键合与直接键合相比，对基板的粗糙度和平整度有较少的限制，这使得其在实际应用中更为灵活。与阳极键合相比，无需高电压，这对于静电微机电系统（MEMS）尤其重要。更具优势的是，与有机中间层的键合过程相比，共晶键合能更有效地促进气体释放和密封性能的提升。
操作程序
预处理
共晶键合成功的关键步骤是表面准备。在准备之前，硅表面上的氧化物层会作为扩散屏障，因此必须去除这些氧化层以促进稳固结合。常见的去除方法包括湿化学蚀刻（如氢氟酸清洁）、干化学蚀刻及化学气相沉积等。某些应用中，还需要使用氢等离子体或CF4等氟化气来预处理表面。
另一种确保共晶金属与硅晶圆良好附着的方法是使用黏附层。这些薄的中间金属层能够有效地附着在氧化层上并与共晶金属互动，进而促进与底层的结合。
键合过程
当基材的预处理完成后，接触会立即进行，以防氧化层再次生成。在键合过程中，基材通常在极性氢及惰性气体流动的减少氛围中进行，这有助于促进金属的接触。
设备的热量和压力均匀性对锚合的成功至关重要。当掺杂物在原子层面接触后，加热到共晶温度，这会促进金属间的反应，并使用适当的机械压力进行支持。
冷却过程
当温度下降并低于共晶点时，材料混合物开始固化，通常会在硅基板上形成一层薄膜。关键在于正确的过程参数以防止在冷却过程中出现应力导致的裂缝。
潜在用途
凭借其卓越的键合强度，共晶键合特别适用于制造压力传感器或流体设备。微机械传感器和驱动器的制造，能够在多晶圆之间展开电子或机械功能，开启了新的应用场景。
随着技术的进步，共晶键合正成为电子元件制造领域中不可或缺的一环。而在未来，我们是否能够真正掌握这一技术，推动更多创新的发展呢？
