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矽晶片的神秘接合技術：為何直接鍵合如此關鍵？
在當今科技飛速發展的潮流中，矽晶片的製造工藝不斷演變，而直接鍵合技術作為關鍵技術之一，近年來受到了廣泛關注。這種技術的核心在於，它能在不使用任何中間層的情況下，直接將兩片晶圓結合在一起，利用化學鍵合的原理，因此有時也稱為「融合鍵合」。
直接鍵合的過程中，晶圓表面需要達到足夠的潔淨度、平整性和光滑度，以避免形成空洞或界面氣泡等問題。
直接鍵合的基本過程
直接鍵合的過程可以分為晶圓預處理、室溫下的預鍵合及高溫退火三個主要步驟。儘管此技術對幾乎所有材料均可適用，但迄今為止，矽晶片仍是最成熟且廣泛應用的材料。這一技術的應用場景涵蓋了矽氧化物晶片的製造、各類傳感器及驅動器等。
化學鍵合的基礎
矽的直接鍵合是基於表面之間的分子間相互作用，包括范德瓦爾斯力及氫鍵等。傳統的直接鍵合技術通常需高溫進行，但隨著技術的發展，許多研究者開始試圖降低過程溫度，以適應不同材料的熱膨脹係數。例如，目標是在450°C以下實現穩定且密封的直接鍵合，同時進行表面活化的技術研發，如等離子體處理和化學機械拋光（CMP）。
直接鍵合的歷史
早在1734年，Desaguliers首先提到平滑固體表面的附著效應。他的研究表明，當固體表面更為光滑時，兩者之間的摩擦力會有所降低，當達到一定光滑程度後，摩擦則會再次上升，固體表面會相互附著。1986年，J. B. Lasky等人首次發表有關矽直接鍵合的成功報告，為此技術的進步奠定了基礎。
不同類型的直接鍵合過程
親水性矽晶圓的鍵合
在進行親水性矽晶圓鍵合前，需要先確保表面潔淨，以避免有機和離子污染物的干擾。通常利用等離子體處理或UV/臭氧清洗等方法達到預處理的要求，然後再進行室溫下的鍵合。在接觸之後，通過氫氧分子間的交聯反應，形成強健的Si-O-Si鍵合力，從而達到可操作的強度。
疏水性矽晶圓的鍵合
對於疏水性矽晶圓，其表面經氟化物等化學溶液處理，以避免再親水化。此時鍵合主要依賴氫和氟原子之間的范德瓦爾斯力。在室溫下進行鍵合後，再透過退火過程強化化學鍵合，最終形成穩定的Si-Si鍵合，實現高效的製造工藝。
低溫直接鍵合的前景
除了傳統的直接鍵合方法，低溫直接鍵合的技術也逐步受到重視，尤其是在不同材料之間的熱膨脹係數不匹配的情況下。研究旨在有效降低所需的退火溫度，使其在預先處理的晶圓上，以及複合材料的結合過程中不會導致降解或改變其性能。
應用案例與未來展望
直接鍵合技術在微機電系統（MEMS）的製作中扮演著至關重要的角色，例如加速度計、微型閥門和微型泵等。它的靈活性及高效性，使其成為未來晶圓級製造的重要選擇。
隨著電子設備需求的不斷增加及技術的進步，直接鍵合技術是否能克服目前的挑戰，成為更廣泛應用的解決方案？
