芯片级原子钟原子腔体积小、采用MEMS硅-玻璃键合工艺制造，其气密性是决定原子钟寿命的关键因素。而其制造关键工艺阳极键合技术具有气密性不高、全局高温高电场、析出杂质等缺点。因此本文研究了一种新型激光局部键合技术，可望解决该器件的关键键合步骤，并且为MEMS器件的制造和封装提出了一种新型键合工艺。并提出了一种“多层缓冲原子腔”结构改善原子腔的气密性能。　　 论文建立了激光键合传热解析模型，在此模型上应用ANSYS有限元方法数值仿真了Si/Pyrex玻璃和Si/石英玻璃激光键合的温度场及残余应力等，计算了不同激光功率下键合界面的熔融深度变化，并预测键合阈值功率。为激光键合系统的设计及工艺实验提供理论指导。　　 根据仿真结果及调研设计并实现了一套Nd:YAG激光键合系统，功率10～50W连续激光，光斑直径150～300μm，激光行走速率0.1～50mm/s，不同参数组合可获得不同激光功率密度。开发了基于该系统的CAD激光键合自动加工流程。解决了实验中的关键步骤如对焦及定位。所设计激光键合系统具有成本合理，加工迅速，操作灵活，扩展性强等优点。　　 基于激光键合系统实现了Si/Pyrex玻璃的有效激光局部键合:采用表面活化工艺预键合后的直接键合，结果显示其键合强度最高为阳极键合的5.2倍，键合腔体气密性泄漏率平均值约9.29×10-9Pa.m3/s，与阳极键合处于同一数量级。采用EDS线扫描Si/Pyrex键合界面材料成分，键合过渡层厚度与仿真结果吻合。获得了Si/石英玻璃的有效激光键合:类似的工艺步骤下，发现激光功率较小键合痕迹较“平滑”时残余应力可有效减小且气密性有明显提高，泄漏率平均值约6.02×10-9Pa.m3/s。键合强度测试可靠。热膨胀系数不匹配的Si/石英玻璃激光局部键合为异质材料的键合提供了原型。实现了激光键合用于Si/Glass的气密性加固，通过在键合Si片表面制作微小沟道的方式模拟键合界面的气密性缺陷，阳极键合后用较大功率的激光熔融键合并封堵沟道。结果表明激光键合加固工艺有效可行，加固后的平均归一化漏率达到1.29×10-9Pa.m3/s，而未激光加固的阳极键合片则无法通过漏率测试。激光键合气密性加固工艺的研究为阳极键合密封器件出现气密性问题时提供了解决方法。　　 除了激光键合工艺的研究以外，本文还提出了“多层缓冲原子腔”结构以改善芯片级原子钟键合腔体气密性，根据“毛细管等效气流模型”基于Matlab实现了泄漏率计算GUI界面，计算结果显示该结构使器件气密性得到大大加强。以封装气室压强改变10％为失效条件为例，增加单层缓冲腔可使器件寿命提高30000倍。权衡键合层数和器件的体积之间的关系，本文提出三层键合带缓冲罩的芯片级原子钟碱金属腔封装结构，不仅能够有效改进气密性，且器件体积及工艺难度合理。