الترابط المباشر

قبل ربط شريحتين، يجب أن تكون هاتان الشريحتان خاليتين من الشوائب التي قد تتكون من جسيمات أو مواد عضوية أو أيونات. ولتحقيق النظافة المطلوبة دون التأثير على جودة السطح، تخضع الشريحة لعملية تنظيف جاف، مثل معالجة البلازما أو التنظيف بالأشعة فوق البنفسجية/الأوزون، أو لعملية تنظيف كيميائي رطب. ^{[ 2 ]} يتضمن استخدام المحاليل الكيميائية خطوات متسلسلة. ومن الإجراءات الصناعية القياسية المعتمدة تنقية SC (التنظيف القياسي) بواسطة RCA، والتي تتكون من محلولين.

• SC1 ( _NH4OH (29%) + H2O2 ₍ 30%) + H2O منزوع الأيونات _{[ 1} :1:5]) و
• SC2 (HCl (37٪) + H ₂ O ₂ (30٪) + Deionized H ₂ O [1:1:6]).

تُستخدم SC1 لإزالة الملوثات العضوية والجسيمات عند درجة حرارة تتراوح بين 70  و80  درجة مئوية لمدة تتراوح بين 5 و10  دقائق، بينما تُستخدم SC2 لإزالة أيونات المعادن عند درجة حرارة 80  درجة مئوية لمدة 10  دقائق. ^{[ 9 ]} بعد ذلك، تُشطف الرقاقات أو تُحفظ في ماء منزوع الأيونات. يجب تكييف الإجراء الفعلي مع كل تطبيق وجهاز نظرًا لوجود وصلات بينية وأنظمة تمعدن على الرقاقة عادةً. ^{[ 10 ]}

قبل ملامسة الرقائق، يجب محاذاتها. ^{[ 1 ]} إذا كانت الأسطح ناعمة بدرجة كافية، تبدأ الرقائق بالترابط بمجرد تلامسها الذري كما هو موضح في صورة الأشعة تحت الحمراء لموجة الترابط.

تُغطى الرقاقات بجزيئات الماء، لذا يحدث الترابط بين جزيئات الماء الممتصة كيميائيًا على أسطح الرقاقات المتقابلة. ونتيجةً لذلك، يبدأ جزء كبير من مجموعات Si-OH (السيليانول) بالتبلمر عند درجة حرارة الغرفة، مُكَوِّنًا Si-O-Si والماء، مما يضمن قوة ترابط كافية للتعامل مع رصة الرقاقات. ستنتقل جزيئات الماء المتكونة أو تنتشر على طول السطح البيني أثناء عملية التلدين. ^{[ 8 ]}

${\displaystyle {\ce {{Si-OH}+ OH-Si ->[{\ce {بلمرة}}] {Si-O-Si}+ H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {{Si-OH}+OH-Si->[{\ce {slow~fracture}}]{Si-O-Si}+H2O}}}$

بعد عملية الربط المبدئي في الهواء، أو في جو غازي خاص، أو في فراغ، تخضع الرقاقات لعملية تلدين لزيادة قوة الربط. يوفر التلدين كمية معينة من الطاقة الحرارية التي تحفز المزيد من مجموعات السيلانول على التفاعل فيما بينها، مما يؤدي إلى تكوين روابط كيميائية جديدة عالية الاستقرار. يعتمد نوع الرابطة المتكونة بشكل مباشر على كمية الطاقة المُوَفَّرة أو درجة الحرارة المُطبَّقة. ونتيجة لذلك، تزداد قوة الربط مع ارتفاع درجات حرارة التلدين. ^{[ 2 ]}

بين درجة حرارة الغرفة و110  درجة مئوية، تبقى طاقة السطح البيني منخفضة، وتنتشر جزيئات الماء عند سطح الرابطة، مما يؤدي إلى إعادة ترتيبها وتكوين المزيد من الروابط الهيدروجينية. عند درجات حرارة تتراوح بين 110  و150  درجة مئوية، تتكاثف مجموعات السيلانول لتكوين السيلوكسان والماء، ولكن يحدث أيضًا تكسر بطيء. يُعادل هذا التفاعل حالة توازن ديناميكي حراري، وتؤدي الكثافة الأعلى لمجموعات السيلانول إلى زيادة عدد جزيئات السيلوكسان وزيادة قوة الرابطة.

${\displaystyle {\ce {{Si-OH}+ Si-OH <=> {Si-O-Si}+ HOH}}}$

لا تُلاحظ أي عمليات أخرى عند السطح الفاصل بين 150  درجة مئوية و 800  درجة مئوية حتى يتم بلمرة جميع مجموعات OH وتبقى قوة المركب ثابتة.

عند درجة حرارة أعلى من 800  درجة مئوية، يصبح أكسيد السيليكون الطبيعي لزجًا ويبدأ بالتدفق عند السطح البيني، مما يزيد من مساحة الأسطح المتلامسة. وبالتالي، يتحسن انتشار جزيئات الهيدروجين المحتجزة على طول السطح البيني، وقد تتقلص الفراغات الموجودة عند هذا السطح أو تختفي تمامًا. وتنتهي عملية التلدين بتبريد مجموعة الرقائق. ^{[ 8 ]}

تزداد طاقة السطح البيني إلى أكثر من 2 جول / م² عند 800 درجة مئوية مع وجود طبقة أكسيد طبيعية، أو عند 1000 ^درجة مئوية إذا كانت الرقاقات مغطاة بأكسيد حراري (انظر مخطط طاقة السطح ). في حالة احتواء إحدى الرقاقات على طبقة من الأكسيد الحراري وتغطية الرقاقة الأخرى بأكسيد طبيعي، يكون تطور طاقة السطح مماثلاً لزوج من الرقاقات المغطاة بطبقة أكسيد طبيعية. ^{[ 2 ]}   

تُنتج الأسطح الكارهة للماء عند إزالة طبقة الأكسيد الأصلية إما بمعالجة البلازما أو بمحاليل حفر تحتوي على الفلوريد، مثل فلوريد الهيدروجين (HF) أو فلوريد الأمونيوم (NH₄F ₎ . تُعزز هذه العملية تكوين روابط Si-F لذرات السيليكون المكشوفة. وللحصول على روابط كارهة للماء، من المهم تجنب إعادة تكوين الروابط المحبة للماء، مثلاً عن طريق الشطف والتجفيف بالدوران، لأن روابط Si-F الملامسة للماء تُنتج Si-OH. ^{[ 1 ]}

قبل عملية الربط، يُغطى السطح بذرات الهيدروجين والفلور. ويعتمد الربط عند درجة حرارة الغرفة بشكل أساسي على قوى فان دير فالس بين هذه الذرات. وبالمقارنة مع الربط بالأسطح المحبة للماء، تكون طاقة السطح البيني أقل مباشرةً بعد التلامس. هذه الحقيقة تُبرز الحاجة إلى جودة ونظافة سطح أعلى لمنع وجود مناطق غير مرتبطة، وبالتالي تحقيق تلامس كامل بين الرقاقات (انظر الصورة بالأشعة تحت الحمراء لموجة الربط). ^{[ 1 ]} وكما هو الحال في ربط الأسطح المحبة للماء، تتبع عملية ما قبل الربط عملية تلدين.

من درجة حرارة الغرفة وحتى 150  درجة مئوية، لا تحدث تفاعلات سطحية مهمة، وتبقى طاقة السطح مستقرة. بين 150  و300  درجة مئوية، تتشكل المزيد من روابط Si-FH-Si. فوق 300  درجة مئوية، يؤدي تحرر الهيدروجين والفلوريد من سطح الرقاقة إلى وجود ذرات هيدروجين زائدة تنتشر في الشبكة البلورية للسيليكون أو على طول السطح البيني. ونتيجة لذلك، تبدأ روابط Si-Si التساهمية بالتشكل بين الأسطح المتقابلة. عند 700  درجة مئوية، يكتمل التحول إلى روابط Si-Si. ^{[ 11 ]} تصل طاقة الترابط إلى قوى التماسك للسيليكون الصلب (قارن مخطط طاقة السطح). ^{[ 2 ]}