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從實驗室到工廠：為何矽晶片直接鍵合成為製程的關鍵突破？
隨著科技的快速發展，矽晶片製造工藝也迎來了新的挑戰與機遇。在這個過程中，矽晶片直接鍵合技術作為一種重要的製程突破，正在逐步顯現其潛在價值。
什麼是直接鍵合？
直接鍵合，又稱為融合鍵合，是一種不依賴任何中間層的晶片鍵合工藝。該技術基於相互之間的化學鍵，要求兩個材料的表面必須足夠乾淨、平整和光滑。若表面處理不當，可能會出現未鍵合區域，即所謂的「空洞」或界面氣泡。
直接鍵合過程包括晶片的預處理、室溫下的預鍵合以及高溫下的退火處理。
矽晶片直接鍵合的歷史
關於平滑固體表面的附著效果，早在1734年就由德薩古利耶（Desaguliers）首次提出。經過長時間的實驗和研究，1986年首次報導了成功的矽晶片直接鍵合技術，使整個過程更為成熟。
常規的直接鍵合技術
直接鍵合主要是指矽材料的鍵合流程，並根據表面化學結構分為親水性和疏水性兩類。矽晶片的表面狀態可以通過測量水滴接觸角來確定。親水性表面接觸角小於 5°，而疏水性表面則大於 90°。
親水性矽晶片的鍵合需要在連續的清洗後進行，確保表面不含任何雜質。
親水性矽晶片的鍵合過程
晶片預處理
在進行鍵合之前，必須確保兩片晶片沒有任何顆粒、有機物或離子污染。常用的清潔過程包括乾燥清洗（如等離子體處理）或使用化學濕處理。工業標準的清洗程序如SC清洗法，能夠有效去除有機物和金屬離子。
室溫預鍵合
在實際接觸之前，晶片必須對齊。在原子接觸的瞬間，如果表面足夠光滑，鍵合將會立即開始。這一過程中水分子覆蓋在表面上，促使化學反應的發生。
高溫退火
經過室溫預鍵合後，晶片需要進行退火處理以提高鍵合強度。這一過程中施加的熱能促使更多的化學鍵相互反應，形成更穩定的鍵合結構，從而增強鍵合強度。
退火溫度的選擇至關重要，太高或太低都可能影響到晶片的整體性能。
疏水性矽晶片的鍵合過程
晶片預處理
疏水性表面通常需要去除原生氧化層，以增強碳氟鍵的形成。因此，須避免表面重新親水化，以確保鍵合的成功。
室溫預鍵合與高溫退火
疏水性晶片在室溫下的鍵合依賴於范德華力，並且在高溫下逐漸形成更為穩定的共價鍵。這一過程同樣需要控制適當的氣氛和溫度，以避免水分的干擾。
低溫直接鍵合研究的前景
儘管直接鍵合技術在多種材料的處理上具有良好的靈活性，但高退火溫度導致的熱膨脹係數不匹配仍是一大挑戰。為了改善這一問題，研究者正著重於開發低溫鍵合技術。
低溫鍵合技術在多晶片微結構的製造上，將展現出更多的潛力，應用範圍包括加速度計和微型泵。
隨著矽晶片直接鍵合技術的進步，我們不禁思考：這項技術未來將如何更廣泛地應用於不同的電子製造領域和新材料的開發中呢？
