硅基材料是MEMS器件制造的重要材料,为了避免封装过程中高温工艺对器件的不利影响,该类材料的低温连接方法受到科研工作者的广泛关注。硅基玻璃材料的连接,特别是高纯度光学紫外石英玻璃的低温连接在微流控芯片制造上的应用是业界的重大难题。此外,随着MEMS技术及电子元器件3D封装技术的发展,为了进一步提高器件封装密度,单晶硅基片的低温直接键合技术更是备受瞩目。本文以石英玻璃和单晶硅两种氧化硅表面材料为对象,在控制玻璃材料基体和表面网络结构的基础上,分别研究无铅低熔点玻璃浆料和湿化学表面活化低温键合硅基材料基片的连接机理。通过设计铋系铋硼硅三元体系的无铅低熔点玻璃浆料,论文研究了氧化铋和氧化硼两种氧化物含量对玻璃网络结构及其热性能的影响规律。通过调整氧化物含量配比控制玻璃网络结构及其热性能,制备了一种玻璃化转变温度较低的铋硼硅无铅低熔点玻璃。然而,该铋硼硅玻璃虽能达到较低的玻璃化转变温度,但软化温度仍较含铅玻璃高。为进一步降低无铅玻璃浆料的烧结温度,论文以铋硼锌三元玻璃为主体,微量添加氧化硅和氧化钛两种氧化物对玻璃基体网络结构进行控制,进而调整玻璃浆料的化学稳定性及热膨胀系数。基于铋锌硼体系开发出的低熔点玻璃浆料最低烧结温度低至400℃。以玻璃料的DSC及CTE曲线为指导,优化工艺参数,在烧结温度440℃,保温时间为30分钟时,石英玻璃低熔点玻璃浆料接头最高连接强度可达2.5MPa。论文采用湿化学表面活化法,在无需超高真空设备和超净间的常规实验室环境下,实现了石英玻璃基片的低温直接键合,提出了一种低温直接键合法制备石英玻璃毛细管的方法,并对石英玻璃直接键合界面的微观形貌进行了分析。该键合方法不仅保证了键合界面的良好透光性,且相比等离子体活化键合法降低了键合工艺对实验条件的要求。研究确定了获得良好石英玻璃直接键合接头的键合工艺,该工艺条件下接头键合强度最高可达4.5MPa,满足微流控芯片应用要求。研究经活化液活化处理后玻璃基片表面的化学状态发现,所用活化液能改变石英玻璃玻璃表面附近的网络结构,增加表面活性硅羟基的浓度。低温直接键合接头截面样品的EELS分析发现键合层玻璃网络结构和玻璃基体的网络结构一致,界面结合稳定可靠。论文采用湿化学表面活化法,实现了商用单晶硅片的低温直接键合及良好电性能同质p-n结的制备。该方法降低了活化键合条件对设备及样品表面的要求,能够在无需超高真空设备和超净间的常规实验室进行,可进一步节约半导体器件制造的成本。通过调整键合温度、键合压力和键合时间等参数,研究确定了获得良好接头的键合工艺,该工艺条件下单晶硅直接键合接头强度最高可达4.2MPa。研究经活化液活化处理后单晶硅片表面的化学状态发现,所用活化液能改变硅片氧化层表面附近的玻璃网络结构,增加氧化硅表面活性硅羟基的浓度。对比单晶硅低温直接键合和经高温处理样品的微观界面及界面处EELS原子分布的定量计算结果,发现在低温键合条件下键合界面处的氧硅原子比虽较经高温老化处理后界面处的低,但其强度仍可满足电子器件应用要求。基于玻璃网络结构控制,论文发展了硅基材料表面湿化学活化低温直接键合的原理模型。模型主要包括三个方面,首先是氧化硅层表面附近玻璃网络中部分硅氧键断裂,硅羟基浓度增加,水化层形成;紧接着在预键合过程中键合界面附近玻璃网络重组,部分硅羟基脱水缩合,界面初步形成,但由于键角的几何限制存在许多的微细空洞;最后在压力辅助低温退火过程中,残留的硅羟基完全脱水缩合,界面处玻璃网络结构重组完成,形成可靠接头。