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什么是直接键合？如何在没有中介层的情况下完美融合晶圆？
直接键合，亦即融合键合，是一种无需额外中介层的晶圆键合技术。它基于任何材料的两个表面之间的化学键合，并需要满足特定要求。这些要求包括晶圆表面必须够干净、平坦和平滑，否则会出现未键合区域，这些区域称为「空洞」。
矽材料是目前最为成熟的直接键合材料，该技术在矽片制造、传感器和致动器等领域得到了广泛应用。直接键合的过程可以划分为三个步骤：晶圆预处理、室温下的预键合和高温下的退火。
技术概述
矽直接键合基于分子间的相互作用，包括范德瓦耳斯力、氢键和强共价键。最初的直接键合过程依赖于较高的工艺温度，但随着应用材料的多样化，需求降低工艺温度。研究目标是在450℃以下实现稳定且密封的直接键合，这也是当前许多研究的重点。
历史沿革
光滑且抛光的固体表面之间的黏附效果最早由 Desaguliers 在1734年提出。他的实验表明，固体表面光滑度越好，表面之间的摩擦力就越小。直至1986年，关于矽直接键合的成功报告逐渐增多，开启了这项技术的发展之路。
传统直接键合
虽然直接键合可以应用于多种材料，但大多是针对矽进行的。根据表面的化学结构，键合过程可分为亲水性和疏水性。亲水性表面的接触角小于5度，而疏水性表面的接触角则大于90度。
亲水性矽晶圆的键合
在进行键合之前，两个晶圆必须经过充分的清洁，以去除有机和离子污染。通常采用的工业标准是 SC（Standard Clean）清洗程序，这能有效去除晶圆表面的污染物。
室温下的预键合
当晶圆表面达到足够的光滑度后，便可在接触时开始键合。键合过程中，水分子在两个表面之间形成的化学键促成了聚合反应，从而获得了一定的键合强度。
高温下的退火过程
随着温度的升高，将导致更多的硅醇基团进行反应，这使得键合强度逐渐增强。根据不同的加热温度，形成的键合强度亦会差异显著。
疏水性矽晶圆的键合
对于疏水性晶圆，首先需要移除原生氧化层，以增强 Si-F 键的形成。在室温下，键合主要是依赖于范德瓦耳斯力。高达 700 ℃ 时，斯兹基与斯兹基间的共价键开始稳定地形成，最终达到大量的键合能量。
低温直接键合的挑战
尽管直接键合技术能灵活处理多种材料，但不同材料间的热膨胀系数不匹配仍是晶圆级键合的一大挑战。当前研究的重点在于降低退火温度以避免不必要的材料变化，发展出如等离子体激活键合等新技术。
应用范例
该技术可广泛应用于制造微机电结构，如加速度计、微阀和微泵等，其潜力仍有待发掘。
在追求微小化和高效能的科技世界中，直接键合技术是否会成为下一代电子产品的关键技术呢？
