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共晶鍵合的奧秘：如何在低溫下實現高強度連接？
在當今科技迅速發展的時代，如何在低溫下實現高強度的連接成為了一個關鍵的挑戰。共晶鍵合，亦被稱為共晶焊接，是一種利用中間金屬層形成共晶系統的晶圓鍵合技術。這種技術的特點在於，能夠在特定的成分和溫度下，實現從固體到液體或從液體到固體的直接轉變，而不需經過兩相平衡的過程，大大降低了溫度的需求，這為晶圓的強固連接打開了一扇新的大門。
共晶合金的熔化溫度通常可低於兩種純元素的熔點，這對於共晶鍵合至關重要。
根據研究，這一技術自1992年由Venkatasubramanian等人報導以來，已成功應用於將外延材料如GaAs-AlGaAs轉移到硅基板上，並在1994年進一步驗證了其在太陽能電池中的應用性能。共晶鍵合的優勢在於能夠在一次性過程中實現密封包裝和電氣互連，尤其是在低溫環境中進行的過程，最終裝配中引起的應力較小，這使其成為電子學領域的理想解決方案。
要實現有效的共晶鍵合，幾個關鍵參數必須考慮，包括鍵合溫度、持續時間和工具壓力，這些因素各自對最終的鍵合強度和可靠性都有影響。
共晶鍵合的概要
共晶鍵合的基本原理在於矽（Si）與多種金屬能夠合金化並形成共晶系統。硅-金（Si-Au）和硅-鋁（Si-Al）是最常見的共晶形成方式。這一鍵合程序通常應用於塗有Au/Al膜的硅或玻璃晶圓。
正確的合金選擇取決於加工溫度和所用材料的相容性。
此外，共晶鍵合與直接鍵合相比，對基板的粗糙度和平整度有較少的限制，這使得其在實際應用中更為靈活。與陽極鍵合相比，無需高電壓，這對於靜電微機電系統（MEMS）尤其重要。更具優勢的是，與有機中間層的鍵合過程相比，共晶鍵合能更有效地促進氣體釋放和密封性能的提升。
操作程序
預處理
共晶鍵合成功的關鍵步驟是表面準備。在準備之前，硅表面上的氧化物層會作為擴散屏障，因此必須去除這些氧化層以促進穩固結合。常見的去除方法包括濕化學蝕刻（如氫氟酸清潔）、乾化學蝕刻及化學氣相沉積等。某些應用中，還需要使用氫等離子體或CF4等氟化氣來預處理表面。
另一種確保共晶金屬與硅晶圓良好附著的方法是使用黏附層。這些薄的中間金屬層能夠有效地附著在氧化層上並與共晶金屬互動，進而促進與底層的結合。
鍵合過程
當基材的預處理完成後，接觸會立即進行，以防氧化層再次生成。在鍵合過程中，基材通常在極性氫及惰性氣體流動的減少氛圍中進行，這有助於促進金屬的接觸。
設備的熱量和壓力均勻性對錨合的成功至關重要。當摻雜物在原子層面接觸後，加熱到共晶溫度，這會促進金屬間的反應，並使用適當的機械壓力進行支持。
冷卻過程
當溫度下降並低於共晶點時，材料混合物開始固化，通常會在硅基板上形成一層薄膜。關鍵在於正確的過程參數以防止在冷卻過程中出現應力導致的裂縫。
潛在用途
憑藉其卓越的鍵合強度，共晶鍵合特別適用於製造壓力傳感器或流體設備。微機械傳感器和驅動器的製造，能夠在多晶圓之間展開電子或機械功能，開啟了新的應用場景。
隨著技術的進步，共晶鍵合正成為電子元件製造領域中不可或缺的一環。而在未來，我們是否能夠真正掌握這一技術，推動更多創新的發展呢？
