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無中介層的微觀奇蹟：直接鍵合如何實現晶圓的完美融合？
隨著科技的不斷進步，硅直接鍵合技術的應用在半導體製造領域逐漸受到重視。直接鍵合，也稱為融合鍵合，描述的是一種無需任何中介層的晶圓鍵合過程。該過程基於材料表面之間的化學鍵結，實現了高效能的結合。這一過程的關鍵在於晶圓表面的潔淨度、平坦度和平滑度，因為任何不符合要求的地方都可能在鍵合過程中形成缺陷，進而影響產品的質量。
“只有在充分清潔後，晶圓表面才能實現理想的鍵合效果。”
晶圓直接鍵合的步驟可分為晶圓預處理、常溫預鍵合和高溫退火。儘管直接鍵合技術幾乎涵蓋所有材料，但至今為止，硅仍然是最為成熟的應用材料。因此，這一過程常常被稱為硅直接鍵合或硅融合鍵合。製造硅絕緣體（SOI）晶圓、傳感器和致動器等許多應用領域都依賴此技術。
技術背景
硅直接鍵合基於分子間的相互作用，包括范德瓦耳斯力、氫鍵和強的共價鍵。早期的直接鍵合過程要求高溫操作，但隨著應用材料的多樣化，對低溫處理的需求日益增長。研究者們共同努力希望在450 °C以下達成穩定的直接鍵合，這不僅可以滿足製程的需求，還能避免不同材料間的熱膨脹系數差異造成的問題。
“降低過程中所需的溫度能夠大幅提升材料的兼容性，促進更多應用的發展。”
歷史回顧
早在1734年，Desaguliers就發現了光滑表面的附著效應，強調了表面光滑度對摩擦力的影響。隨著技術的不斷進步，1986年出現了有關硅直接鍵合的初步報告，這一技術開始在業界嶄露頭角。
傳統的直接鍵合
直接鍵合過程多數集中在硅材料的處理上，根據表面的化學結構又可分為親水性和疏水性鍵合。親水性表面的接觸角小於5 °，而疏水性表面則大於90 °。這一特性使得硅材料在不同的應用中擁有了更高的靈活性和適應性。
親水硅晶圓的鍵合
晶圓預處理
在鍵合前，必須保證晶圓表面潔淨，以免雜質影響鍵合效果。主要的清洗方法包括乾洗（如等離子體處理或紫外/臭氧清洗）和濕化學清洗程序。廣泛使用的標準清洗程序為RCA的SC清洗法。
常溫預鍵合
一旦晶圓表面處理完成並符合標準，晶圓進行對位後即可開始鍵合。氣相中的水分子會在接觸時引發化學反應，形成Silanol（Si-OH）並進行聚合，隨後形成結合強度足夠的結構。
高溫退火
隨著退火過程的進行，結合強度將隨著溫度上升而增強。通過提供足夠的熱量，使更多的Silanol進行反應，從而形成穩定的Si-O-Si鍵結。
疏水硅晶圓的鍵合
晶圓預處理
生成疏水表面需去除膜層，通過等離子體處理或含氟的蝕刻溶液來實現。重要的是，必須防止重新親水化的發生，以維持疏水性。
高溫退火
在高溫環境中，隨著氫和氟的脫附，硅晶體內部開始出現共價的Si-Si鍵。這一過程可在700 °C時完成，最終實現和硅本體相同的結合強度。
低溫直接鍵合的研究方向
隨著對低溫處理的需求不斷增加，研究者探討各種方法以降低所需的退火溫度，此過程的困難主要在於水的去除及其對已形成的硅氧鍵的影響。研究者們正著手於包括等離子體激活及化學機械磨平等多種表面處理技術，力求在低溫條件下也能達到理想的鍵合效果。
“這一技術在微型泵、微型閥和加速器等多晶圓微結構的製造中展現了其廣泛的應用潛力。”
在未來，直接鍵合技術的進一步發展可能改變半導體製造的格局。隨著對材料科學的深刻理解和新技術技術的導入，這一技術將為我們帶來怎樣的驚喜呢？
