硅和石英玻璃是目前微纳制造领域最为常用两种材料,且广泛应用于制作微纳流控芯片。无需中间层的晶圆直接键合是实现三维异质集成的关键技术,其中等离子体低温键合能够减小材料之间热失配而产生的热应力,近年来受到了研究者们的广泛关注。然而传统电容耦合型等离子体易对材料表面带来损伤,等离子体活化后的键合界面也易产生缺陷。为克服上述问题,本文采用电感型氧等离子体活化硅与石英材料表面,不会造成电极溅射污染,同时降低材料表面的损伤。考察了氧等离子体在不同的处理条件下,对晶片表面物理形貌、化学状态及润湿性的影响。结果表明,氧等离子体能够有效清洁材料表面,并导致表面生成大量-OH悬挂键。同时使晶片表面三维形貌平坦化,物理结构细化,增加了键合时上下表面的接触面积。在此基础上,本文对硅/石英、石英/石英低温异、同质键合工艺进行探索及优化。结果表明,经氧等离子体处理90 s,硅/石英、石英/石英均能实现良好室温键合,对硅/石英采用最高保温温度为150°C的台阶式温度曲线进行保温强化后,有效键合面积可达95%以上,键合强度为4.67 MPa;石英/石英经150°C线性保温强化后,有效键合面积也能达到95%,键合强度达到5.52 MPa。两种键合体系的拉伸样品均从基体处开裂。为减小拉伸试验结果的误差,提出了应力校正模型。通过对键合界面的观察发现界面完整连续无缺陷,并具备良好的透光性。此外,石英/石英键合样品能够保证与石英基体一致的介电性质。本研究提出了电感型等离子体活化硅/石英、石英/石英直接键合模型,主要包含三个阶段:第一阶段是经等离子体处理材料表面,产生大量亲水Si-OH基团。第二阶段是两种表面之间依靠范德华力和氢键等分子间相互作用力实现室温连接;第三阶段是通过后续低温强化实现键合表面Si-OH之间的脱水缩合,将分子间相互作用转化为共价键连接,从而获得较高的键合强度。进一步开展了失效加速实验,对键合界面的失效机理进行了研究,分析了经等离子活化的硅基晶片直接键合界面的失效行为,提出了基于共价键原子腐蚀断裂、界面裂纹萌生扩展及界面桥接三分子链增长的界面失效机理。通过利用该机理开发了改进的裂纹扩展法,该方法可以用于实现微纳流控领域石英芯片的回收与再利用。