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什麼是直接鍵合？如何在沒有中介層的情況下完美融合晶圓？
直接鍵合，亦即融合鍵合，是一種無需額外中介層的晶圓鍵合技術。它基於任何材料的兩個表面之間的化學鍵合，並需要滿足特定要求。這些要求包括晶圓表面必須夠乾淨、平坦和平滑，否則會出現未鍵合區域，這些區域稱為「空洞」。
矽材料是目前最為成熟的直接鍵合材料，該技術在矽片製造、傳感器和致動器等領域得到了廣泛應用。直接鍵合的過程可以劃分為三個步驟：晶圓預處理、室溫下的預鍵合和高溫下的退火。
技術概述
矽直接鍵合基於分子間的相互作用，包括范德瓦耳斯力、氫鍵和強共價鍵。最初的直接鍵合過程依賴於較高的工藝溫度，但隨著應用材料的多樣化，需求降低工藝溫度。研究目標是在450℃以下實現穩定且密封的直接鍵合，這也是當前許多研究的重點。
歷史沿革
光滑且拋光的固體表面之間的黏附效果最早由 Desaguliers 在1734年提出。他的實驗表明，固體表面光滑度越好，表面之間的摩擦力就越小。直至1986年，關於矽直接鍵合的成功報告逐漸增多，開啟了這項技術的發展之路。
傳統直接鍵合
雖然直接鍵合可以應用於多種材料，但大多是針對矽進行的。根據表面的化學結構，鍵合過程可分為親水性和疏水性。親水性表面的接觸角小於5度，而疏水性表面的接觸角則大於90度。
親水性矽晶圓的鍵合
在進行鍵合之前，兩個晶圓必須經過充分的清潔，以去除有機和離子污染。通常採用的工業標準是 SC（Standard Clean）清洗程序，這能有效去除晶圓表面的污染物。
室溫下的預鍵合
當晶圓表面達到足夠的光滑度後，便可在接觸時開始鍵合。鍵合過程中，水分子在兩個表面之間形成的化學鍵促成了聚合反應，從而獲得了一定的鍵合強度。
高溫下的退火過程
隨著溫度的升高，將導致更多的硅醇基團進行反應，這使得鍵合強度逐漸增強。根據不同的加熱溫度，形成的鍵合強度亦會差異顯著。
疏水性矽晶圓的鍵合
對於疏水性晶圓，首先需要移除原生氧化層，以增強 Si-F 鍵的形成。在室溫下，鍵合主要是依賴於范德瓦耳斯力。高達 700 ℃ 時，斯兹基與斯兹基間的共價鍵開始穩定地形成，最終達到大量的鍵合能量。
低溫直接鍵合的挑戰
儘管直接鍵合技術能靈活處理多種材料，但不同材料間的熱膨脹系數不匹配仍是晶圓級鍵合的一大挑戰。當前研究的重點在於降低退火溫度以避免不必要的材料變化，發展出如等離子體激活鍵合等新技術。
應用範例
該技術可廣泛應用於製造微機電結構，如加速度計、微閥和微泵等，其潛力仍有待發掘。
在追求微小化和高效能的科技世界中，直接鍵合技術是否會成為下一代電子產品的關鍵技術呢？
