微机电系统(MEMS)作为近年来增长非常迅速的产业，是继半导体之后的又一新兴高科技领域。传统半导体封装工艺需要先切割晶圆再封装，而MEMS器件较为脆弱，切割过程容易导致部分器件失效，从而影响成品率，晶圆级封装工艺便应运而生。晶圆级封装工艺中最为核心装备是晶圆键合机。其主要功能是提供多物理场（力、热、电等），通过中间介质层或者直接键合的方式，将两同质或异质衬底面对面的结合在一起，形成一个不可被外力轻易分割整体。在MEMS领域之外，该技术也已被用于CMOS图象传感器封装和LED等领域。因此，对晶圆键合机和键合工艺开发研究具有重要的科学和应用价值。　　 本文在充分调研了键合技术的原理、设备国内外发展动态及应用领域的基础上，以多物理场耦合键合系统的设计及其在低温键合工艺中的应用为重点进行了研究。　　 本论文完成的主要工作有:　　 (1)分析和设计了多物理场耦合键合系统的主要组成模块，包括工艺腔室、真空系统、自适应姿态调整装置、复合压头系统、装载传输系统、进气与气路系统、自动控制系统与辅助系统。成功搭建了一台多物理场耦合键合系统，并对系统的各项设计指标进行了测试研究，包括压强均匀性、温度均匀性、真空度等。　　 (2)通过综合考虑纳米晶金属在低温下的晶界扩散蠕变机制以及与晶粒尺度相关的阈值应力效应，基于表面形貌统计模型和金属弹塑性接触理论，建立了一套适用于纳米晶粒尺度的低温金属扩散键合模型。通过模型，分析了真实接触面积，表面形貌，温度，时间，外加压力载荷，金属晶粒尺寸之间的关系。该模型对指导低温金属扩散键合工艺有一定的实用性。　　 (3)在低温Au-Au键合工艺研究中，基于射频等离子体表面活化技术，分别采用了基于Ar等离子体活化和基于O2/Ar+H2等离子体方案的低温Au-Au键合工艺。通过界面检测以及拉伸强度测试，结果表明当采用O2/Ar+H2等离子体方案，得到的键合强度要高于Ar等离子体活化的情况，样品最高平均拉伸强度达到17MPa。针对以上结果，利用AFM表征和XPS表征手段系统研究了等离子体活化工艺参数对Au材料表面形貌以及元素化学状态的影响，建立了活化工艺参数与键合质量间的关系，并给出了O2/Ar+H2等离子体活化方案获得较好键合质量的合理解释。研究了硅-蓝宝石衬底Au-Au键合片在键合退火过程中所引入的残余应力与键合工艺参数的关系，给出了硅-蓝宝石衬底键合温度的上限。　　 (4)设计了一种混合结构的电极，并基于该电极开发了两步键合。分析了不同电极结构对键合界面、键合时间以及强度的影响。基于混合电极结构的阳极键合可以在15min内完成，并且键合界面无气泡，剪切强度高达11 MPa。此外，进行了玻璃-钛阳极键合，结果表明材料表面质量以及厚度对键合成功与否有着至关重要的作用。最后，采用一种阳极键合的衍生技术—静电转移，在HOPG和SiO2/Si衬底间产生的静电力将HOPG表面的松散结合的石墨烯转移到SiO2/Si衬底上。然后，使用He等离子体浸没注入技术对石墨烯进行了减薄，成功将多层石墨烯减薄为寡层甚至单层石墨烯。