中大以熱能取代電能　研究降銅矽鍵合成本

林昕璿

【記者林昕璿綜合報導】晶圓鍵合為使兩片晶圓相互接合的應用技術，傳統是以高溫處理方式，透過熱能使材料接面結合。國立中央大學機械工程學系教授李天錫與研究團隊，發現銅與矽的表面鍵合關鍵來自電子轉移，而非退火溫度，可望進一步縮短製程、降低元件製作成本。此研究成果刊載於金屬頂尖期刊《材料學報》（Acta Materialia）。

團隊透過電能取代熱能，使銅與矽不受限於溫度直接鍵結，增加鍵合強度與穩定性。此外，由於過程不需於高溫下進行，除減少能量耗損之外，因在短時間就能達成，也可縮短製程並降低生產成本。另一方面，亦避免原先高溫狀態下可能造成的元件毀損，「因物質的熱膨脹係數（註）不同，當兩相異物質在高溫狀態接合，膨脹係數大的一方會向外拉扯，反之則會收縮，在這過程中容易導致元件破裂。」李天錫補充說。

註：指物質在熱漲冷縮效應下，物體體積隨溫度變化成比例改變。熱膨脹係數不同，意及在相同溫度變化幅度下，不同物質的體積變化不一。

此為電化學實驗中，銅與矽鍵合的概念圖，圖中紅色圓球代表銅原子，橘色圓球則為與矽鍵結的銅離子。此圖刊載於2021年《材料學報》第204卷。　圖／李天錫提供

晶圓鍵合技術為製作半導體材料的關鍵技術之一，不用膠黏合而是透過材料接觸表面形成鍵結，傳統是在高溫下進行，而製成的半導體元件則可應用於手機、電腦等電子設備。然因矽屬共價鍵，銅屬金屬鍵，兩者鍵結方式不同，不易結合，故現有銅矽鍵合技術是應用壓縮鍵合法，需先於矽晶圓表面鍍上一層黏著層，再將此黏著層與隨後鍍上的銅薄膜相黏，最後經熱處理與另一銅材質表面結合。團隊成員中大機械系學生簡伯諺表示，此製程較為耗時與耗能。

團隊所運用的「電化學」方式，可透過銅片表面游離化的原子與矽的懸掛鍵相互接合，「就像魔鬼氈上的鉤子一樣，讓矽勾住銅離子。」李天錫解釋。此外，實驗在攝氏負70度下的低溫進行，更證實銅與矽的鍵合與熱能並無太大關聯，是應用電子轉移產生離子直接鍵合。簡伯諺說明，因為銅是金屬鍵，在電場下會失去電子、形成帶正電的離子，進而受到矽表層未配對的電子吸引並產生鍵結。