随着摩尔定律走向极限和电子产品小型化、智能化及多功能化发展浪潮的掀起,芯片封装维度从二维（2D）扩展至三维（3D）被微电子产业公认为是有效缩短互连长度、提高芯片功能密度的理想方案。Cu/SiO₂混合键合技术能兼容CuCu、SiO₂-SiO₂和Cu-SiO₂的混合互连,无需微凸点与底充胶即可完成芯片堆叠,是实现高密度3D Si集成的关键技术。然而目前混合键合技术仍受美国专利保护,工艺细节尚未公开。现有的Cu/SiO₂键合往往需要近400°C的高温加热,难与半导体工艺兼容,亟待开发出具有独立自主知识产权的低温混合键合技术。本文利用Ar和N₂等离子体对Cu及SiO₂晶片进行表面处理。结果表明两种等离子体均能够快速去除晶片表面有机污染物,平整表面以增加键合接触面积,并有效提高SiO₂表面的羟基（-OH）官能团密度。但因等离子体活化氛围中含有少量氧气,Ar/O2等离子体在Cu表面上易产生少量氧化,而N₂/O2则会对Cu表面造成大量氧化及氮化,阻碍后续低温连接。为了克服氧化物生成问题,本研究利用甲酸溶液去除Cu表面氧化膜,进一步提出甲酸与Ar/O2等离子体两步协同表面活化工艺,考察了单一甲酸和不同顺序两步协同活化对Cu及SiO₂晶片表面的影响。结果表明先经甲酸后经Ar/O2等离子体（简称甲酸→Ar/O2）活化后,Cu和SiO₂表面微观形貌均匀化且均覆盖-OH基团,从而明显提高了表面能并最大程度降低了SiO₂亲电腐蚀的影响。而后对两步活化后的晶片实施热压键合,在200°C条件下保温30 min后获得Cu-Cu、SiO₂-SiO₂键合强度分别为5.35 MPa和4.28 MPa,且在200°C下继续进行2 h低温强化以进一步改善界面性能。基于两步协同表面活化低温键合工艺,获得了牢固且过渡层元素分布连续均匀的Cu-Cu、SiO₂-SiO₂、Cu-SiO₂的同质/异质及Cu/SiO₂混合键合界面。结合分子动力学模拟仿真,进一步阐明低温条件下界面形成机理,包括:在压力作用下依靠氢键与范德华力率先实现SiO₂-SiO₂之间的预键合,同时Cu表面间发生充分接触;随着温度升高SiO₂间发生脱水聚合形成部分Si-O-Si共价键,Cu-Cu界面同样缩合实现Cu-O-Cu连接。退火过程中Cu-O-Cu中O元素向Cu基体扩散的同时促进晶粒生长与再结晶,并受吉布斯自由能驱动闭合纳米孔洞,且保证Si-O-Si共价键充分形成,从而获得了可靠的电学连接与机械支撑。