CN112888980B - 用于气密的晶片级密封的焊接保护 - Google Patents

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Abstract

描述了一种多层堆叠(101)。其包括表面(104)，其中，预定区域(103)被限定用于封闭提供在多层堆叠(101)上的装置(301)，区域(103)被限定在表面(104)上的焊接区(105)围绕，焊接区(105)适合于通过焊接辐射光束(L)焊接至帽结构(202)。它还包括嵌入在多层堆叠(101)内的第一层(110)，第一层(110)包括至少一个嵌入部件(111、112)，该嵌入部件(111、112)适合于功能性地连接至提供在多层堆叠(101)上的装置(301)。它还包括在第一层(110)上的至少一个第二层(120)，第二层(120)包括位于第一层(110)的至少一个部件(111、112)与限定在表面(104)上的焊接区(105)之间的屏蔽结构(121)，屏蔽结构(121)被适配成限制提供在焊接区(105)上的焊接辐射光束(L)的焊接深度。

Description

用于气密的晶片级密封的焊接保护
技术领域
本发明涉及晶片级系统领域。更具体地，本发明涉及用于气密地密封的晶片级系统和微系统的焊接保护，诸如例如用于可植入和微机械(MEMS)装置等。
背景技术
从汽车到医疗技术的广泛应用需要装置(尤其是包括在微系统中的装置)的环境保护。这些应用可以涉及感测、信号处理等。通常，保护是通过在基板上提供装置并将该装置封闭在气密地密封空腔或外壳等中而建立的。虽然微系统的其他部分可与环境接触(例如，用于测量其特性)，但系统的精致装置可被保护免受潜在的损害条件，例如在恶劣或腐蚀性环境中。
装置的密封应当是牢固的并且足以抵抗这些损坏条件，理想地是长时间周期。通常，微系统制造技术实现结合技术以气密地保护系统的这些特定装置或结构抵抗环境影响。焊接、阳极结合、晶片结合或共晶密封(例如AuSi共晶结合)是这些结合方法的示例。
包括可植入传感器的光学组件是已知的，可植入传感器可提供与恶劣环境的光学相互作用，该光学组件提供暴露于例如体液的光学相互作用区域，并且该光学组件包括与流体密封隔离的部件，以便具有可靠且安全的组件以及安全的使用。将部件放置在基板上并且盖帽将其封闭，并且提供晶片到晶片的结合以将帽抵靠基板气密地密封。该组件还提供光学馈通，该光学馈通在基板表面下方从密封空腔延伸到基板上的光学相互作用区域，而不突出帽。为了提供良好的密封，密封工艺通常需要升高的工艺温度并且还潜在地需要高电压与结合区中的特定化学表面成分组合，以允许材料转移和离子扩散横跨帽-基板界面并且产生气密密封。温度敏感部件不能用这种方法密封。
用于提供有效且可靠的密封(包括有效的气密密封)的解决方案是提供激光焊接。能量足够高以熔合材料，例如通过提供分子结合、材料转移等，并且该密封耐恶劣或腐蚀性环境。熔合工艺是高度局部化的，因此在离焊接区安全距离处横向分布的附近装置和区域不受影响。然而，鉴于晶片级工艺中的层堆叠的厚度，如果这些结构位于比焊接深度浅的深度处，则涉及激光的加帽技术可以破坏在接缝的层级处的任何下层结构(例如，水平馈通)。
在实现激光焊接的同时组合在封闭区域与外部区域之间的信号交换的解决方案是穿过基板的竖直馈通的使用，并且避免将功能结构放置在焊接区域下方的基板中。然而，这增加了系统的尺寸，并且竖直馈通通常不太可靠，并且在一些类型的系统中与标准制造技术不兼容。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种多层堆叠和包括该堆叠的系统以及制造它们的方法，多层堆叠和包括该堆叠的系统通过激光焊接技术允许可靠的气密密封，甚至对于恶劣的环境也是如此，并且通过允许部件在该装置的密封区下方延伸而改进轮廓和/或可靠性和/或紧凑性，同时降低由于激光焊接造成的损坏或有害的修改或损坏的风险。
本发明涉及一种多层堆叠，该堆叠包括
表面，在该表面中限定预定区域，预定区域用于封闭提供在多层堆叠上的至少一个装置，该区域由限定在表面上的焊接区围绕，焊接区适合于通过焊接辐射光束焊接至帽结构，
第一层，该第一层嵌入在多层堆叠内，该第一层包括至少一个嵌入部件，该至少一个嵌入部件适合于功能性地连接至提供在多层堆叠上的装置，
至少一个第二层，该至少一个第二层在第一层之上并且包括屏蔽结构，屏蔽结构被定位在第一层的至少一个部件与限定在表面上的焊接区域之间，该屏蔽结构被适配成限制提供在焊接区上的焊接辐射光束的焊接深度。
本发明的实施例的优点在于，可执行激光焊接以将帽结构结合至基板，其中屏蔽层限制焊接的深度。本发明的一些实施例的附加优点是标准工艺流程可以用于为光子学平台提供适合于提供气密性密封空腔的水平馈通。
嵌入部件可以包括水平馈通，水平馈通用于在焊接区外部的区域与焊接区内的区域之间交换信号。本发明的实施例的优点在于，可使用传统的制造与沉积技术来提供多层堆叠。
屏蔽层可以形成与嵌入部件的至少一部分重叠的带，该带具有平行于堆叠表面延伸的宽度，使得在横向和深度上延伸的焊缝也可以被限制到达下面的第一层。该带可以具有在50μm与5mm之间、例如在100μm与1mm之间的宽度。激光束影响区域的宽度(例如，当使用单发射或线时)可以在5和30μm之间。通常由所使用的多个平行焊接线引起的焊接宽度可以在20和500μm之间。本发明的实施例的优点在于沿着基板向下扩展的激光焊接点将不会影响馈通。
屏蔽结构可包括散热和/或辐射吸收或热和/或辐射偏转或反射材料。
堆叠可包括在第一层与第二层之间的另外的层，该另外的层进一步包括附加的屏蔽结构。本发明的实施例的优点在于其允许薄的堆叠以及仍然为嵌入部件提供保护。它还允许适配焊接区处的堆叠的机械性质，诸如例如残余应力、热膨胀系数或散热等。
附加的屏蔽结构可包括金属。本发明的实施例的优点在于易于提供附加的屏蔽。
嵌入部件与堆叠的表面之间的距离可以低于0.002mm。在一些实施例中，嵌入部件与堆叠的表面之间的距离可以低于100μm，例如可以低于20μm或例如低于10μm。本发明的实施例的优点是其提供具有低轮廓的堆叠。
预定区域可以是光学交换区域。嵌入部件可以是光学馈通，光学馈通为基板中的嵌入波导体。
本发明还涉及一种密封系统，该密封系统包括如上所述的多层堆叠，
提供在预定区域内的装置，该装置功能性地连接到第一层的嵌入部件，
帽结构，该帽结构对用于将帽结构焊接到多层堆叠的辐射光束(L)是基本上透明的，并且帽结构通过在焊接区上的激光焊接而被附接到多层堆叠的表面，并且帽结构气密地密封该装置，焊接深度在多层堆叠中被多层堆叠的屏蔽结构限制。
帽可以是玻璃、陶瓷、硅或金属帽，并且辐射光束(L)是焊接激光辐射。
本发明的实施例的优点在于，可穿过玻璃、陶瓷或硅帽直接在焊接区上提供激光。然而，要注意的是，也可以使用侧激光焊接，使得激光不需要穿过帽材料。
该系统可以是可植入光学系统或光电系统，可植入光学系统或光电系统包括光子集成电路，光子集成电路包括光学微结构，嵌入结构是用于在基板中传递光学辐射信号的嵌入波导体。
本发明还涉及一种提供多层堆叠的方法，该方法包括
提供嵌入在多层堆叠内的第一层，第一层包括至少一个嵌入部件，至少一个嵌入部件适合于功能性地连接到提供在多层堆叠上的装置，
在第一层上方提供至少第二层，至少第二层包括屏蔽结构，
提供表面，其中，预定区域被限定用于封闭提供在多层堆叠上的至少一个装置，该区域由限定在表面上的焊接区围绕，焊接区适合于通过焊接辐射光束焊接至帽结构，
其中，屏蔽结构被提供在第一层的至少一个部件与被限定在表面上的焊接区之间，屏蔽结构被适配成限制被提供在焊接区上的焊接辐射光束的焊接深度。本发明的实施例的优点在于，可以提供在其中嵌入有高密度且均匀分布的部件的多层堆叠。另一个优点是可以通过标准化的制造方法来提供堆叠。
该至少一个嵌入部件可以平行于表面横向地延伸，适合于承载来自表面上预定的区域的信号。本发明的实施例的优点在于，可使用标准方式提供可靠连接(诸如水平馈通等)，且在进一步工艺中无损坏风险。
本发明此外还涉及一种提供密封装置的方法，包括：
根据如上所述的方法提供多层堆叠，
在堆叠的表面的预定区域上提供装置，
通过使帽结构与多层堆叠接触来提供帽结构，该接触是在焊接区处或周围进行的，由此用该装置封闭(803)该区域，以及
通过在焊接区上提供用于将帽结构焊接至多层堆叠的辐射光束来将猫结构焊接至堆叠，从而将帽结构附接到堆叠的表面，其中提供焊接区使得屏蔽层定位在焊接区与第一层的嵌入部件之间。本发明的实施例的优点在于，可通过保护堆叠上的嵌入结构来可靠地密封装置。密封可以是气密密封。
本发明的实施例的优点在于，激光焊接工艺与提供气密密封兼容，因此可以获得气密密封并且嵌入有不被焊接工艺损坏部件的装置。
提供帽结构可包括提供帽结构，该帽结构包括具有对辐射光束基本上透明的材料的区，并且其中提供辐射光束包括提供穿过所述区的辐射光束。本发明的实施例的优点在于，辐射光束(例如，激光)可精确地定位在焊接区上。可替代地，可以应用侧向焊接，由此激光束不穿过帽材料。
本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例变得明显，并且参考下文描述的实施例进行阐述。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的适合于提供密封装置的多层堆叠的横截面。
图2示出了图1的多层堆叠的俯视图，示出了焊接区、屏蔽结构以及被保护的嵌入部件，它们被投影在彼此的顶部。
图3示出了根据本发明的实施例的包括密封装置的系统的横截面。它还示出了激光焊接的过程。
图4示出了根据本发明的实施例的包括密封装置的系统的横截面，其中屏蔽结构是堆叠表面的一部分。
图5示出了根据本发明的实施例的包括密封装置的系统的横截面，其中，屏蔽结构是板，并且其中，屏蔽结构是堆叠表面的一部分。
图6示出了包括密封装置的系统的横截面，密封装置包括多个屏蔽结构，多个屏蔽结构包括在多层堆叠的不同层中。
图7是根据本发明的实施例的制造多层堆叠的方法的流程图。
图8是根据本发明的实施例的制造包括密封装置的系统的方法的流程图。
附图仅是示意性的并且是非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且不是按比例绘制的。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的元件。
具体实施例
将关于特定实施例并参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求来限定。尺寸和相对尺寸不对应于实施本发明的实际缩减。
此外，在说明书和权利要求书中的术语第一、第二等用于在类似元件之间进行区分，并且不一定用于描述时间上、空间上、排序上或任何其他方式的序列。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能够以不同于本文描述或示出的其他序列操作。
此外，在说明书和权利要求书中的术语顶部、下方等用于描述性目的，并且不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能够以不同于本文描述或示出的其他取向进行操作。
应注意的是，在权利要求书中使用的术语“包括”不应被解释为限于此后列出的设备；它不排除其他元件或步骤。因此，它应被解释为指定如所提及的所陈述的特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤或部件或其组的存在或附加。因此，表述“包括部件A和B的设备”的范围不应限于仅由部件A和B组成的设备。这意味着就本发明而言，该设备的唯一相关部件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例所描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定全部是指相同的实施例，而是可以指相同的实施例。此外，在一个或更多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合，如本领域普通技术人员从本公开中将清楚的。
类似地，应当理解，在本发明的示范性实施例的描述中，为了使本公开流畅并帮助理解各个发明方面中的一个或更多个方面，本发明的各个特征有时被一起分组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开方法不应被解释为反映以下意图：所要求保护的发明需要比在每个权利要求中明确叙述的特征更多的特征。
此外，虽然本文描述的一些实施例包括一些但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合意欲在本发明的范围内，并且形成不同实施例，如本领域技术人员将理解的。
在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他示例中，没有详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本描述的理解。
在本发明的实施例中，提及的“馈通”是指侵入外壳的部件、信号载体等，例如可以与外壳(诸如气密密封的空腔或屏障等)交换信号的信号载体。该术语不仅指用于承载电信号的公共电导体，而且指用于承载光学信号的光子学载体，诸如嵌入在包括这种外壳的基板上的波导体等。
为了提供装置的低温气密密封，可以在密封帽结构(例如，帽)与下层的表面之间的区域(焊接区)上使用高功率辐射光束(诸如激光光束等)，在该下层处提供待保护的装置。激光光束提供足够的能量局部化以将帽结构的部分和接触表面的部分结合并熔合在一起。辐射光束在围绕待结合的表面的材料体积中引起结构变化。该结合是通过横跨表面与帽结构之间的界面沿着其接触区扩散和材料转移形成的，因此可靠地密封由帽结构封闭的区域。
由辐射光束(例如，激光)提供的能量可以是非常局部的，并且因此它可以避免在堆叠中或在装置中由其他类型的附接(诸如钎焊、热结合等)引起的热效应，该附接在装置上具有温度上升的总体影响。例如，激光焊侧面的区和装置基本上不会加热。这使得激光焊接适合于密封精致和/或温度敏感装置，诸如微型电池、传感器等。激光在待连接的本体中引起材料体积的结构变化。具有这些结构变化的体积被称为焊接，并且它包括材料之间的结合，而且还包括不直接参与该结合的材料体积的改变的部分，并且本发明旨在对其进行限制。
具体地，激光焊接技术中的焊接深度(在激光的方向中延伸的材料的体积)通常是可比较的或大于在基板上形成的薄层的总厚度。焊接点下层的任何结构或部件将被破坏。在现有装置中，为了与密封外壳中的装置交换信号，通常提供竖直贯穿基板的馈通。在光子学的特定领域中，由于竖直馈通不与标准制造技术兼容，所以没有横跨激光焊接的气密密封空腔的光子学(光)馈通的使用的报道，因为密封技术破坏了下层结构以至于丢失光传输的程度。
本发明提供了多层堆叠和包括这种堆叠的系统，例如微系统，其允许结构和馈通铺设在帽结构与堆叠的表面之间的结合部的下面。屏蔽层提供在嵌入部件与发生焊接的区域之间，因此焊接深度受到屏蔽层的限制。屏蔽层具有光学特性，使得辐射光束(例如，激光)的能量在深度上被吸收、偏转或以其他方式限制(深度被定义为在垂直于堆叠的表面的方向上、朝堆叠内部取向的距离)。本发明还提供了制造这种堆叠和系统的方法。
本发明的实施例使得能够使用水平馈通，该水平馈通通过常见微系统制造技术(诸如层沉积和移除等)可获得，与激光焊接的实施相组合，改善了对温度敏感部件(诸如电池、电子部件、激光器、焊接接头等)的保护。
在第一方面，本发明提供了一种多层堆叠，该多层堆叠包括第一层，第一层具有嵌入在堆叠中的部件，并且多层堆叠通过激光焊接可以用于对装置提供密封。嵌入堆叠中的部件可定位在表面区的下面(可选地在下面延伸穿过)，该表面区域将接触并焊接到帽结构，以用于气密地密封装置。
这种区被限定为堆叠的焊接区，并且它限制了应当在其内提供需要气密性环境保护的装置的区域。换言之，堆叠的表面包括装置可以装配的区域，并且该区域由帽将接触堆叠处的周界界定。焊接被提供在帽与堆叠之间的这个接触区内。
该堆叠包括在第二层中的屏蔽结构，该第二层夹在焊接区与嵌入部件之间，从而保护这些部件免受辐射光束(激光)的焊接能量的损坏或不希望的改变。
在一些实施例中，堆叠包括光学组件或是光学组件的一部分，并且堆叠适合于制造可植入光电装置(诸如可植入光学传感器等)或适合于在堆叠中装置受益于在密封保护环境中的其他应用。在这种光学组件中，提供信号馈通的嵌入部件可以是嵌入波导体，嵌入波导体在帽在堆叠上的焊接(即，接合)期间需要被保护。
图1示出了根据本发明的一些实施例的示范性堆叠系统100的横截面，示范性堆叠系统100包括多层堆叠101(或简称为“堆叠”)。该图示出基板102，多层堆叠101设置在基板102上。基板102是半导体晶片载体，但是本发明不限于此，并且它可以是玻璃晶片载体或者适合于在其顶部提供层堆叠的任何其他类型的基板，优选地用于微系统。
至少一个第一层110设置在堆叠中，包括嵌入在堆叠中(例如埋入堆叠中)的部件111、112。该部件可以包括一个或更多个水平光学或电气的馈通111、或光学或电气轨道(tracks)、或诸如作为集成半导体部件(如二极管、晶体管等)的一部分的掺杂区域等的装置的部分、或光子装置的部分(例如，环形谐振器、分离器、阵列波导光栅(AWG’s)等)，一个或更多个水平光学或电气的馈通111横向地侵入焊接区，光学或电气轨道在焊接区下方延伸并且是嵌入光学或电气电路的一部分。这些馈通111可用于将提供在堆叠表面104的区域103上的任何装置(密封腔或外壳)以及其中的任何装置与允许电气或光学相互作用(例如，与感测区)的外部环境连接(例如，将信号带入和/或将信号带出)，本发明不限于此。外壳被界定到堆叠101的表面104的区域103(或下文解释的堆叠表面)。更确切地说，区域103至少被焊接区105界定或围绕。
在本发明的一些实施例中，这些部件111、112是嵌入光子学结构。提供这些部件有利地提高了堆叠的紧凑性，因为通过所包括的嵌入部件可以利用多层堆叠的更多体积。此外，为了易于制造和可靠性问题，诸如水平馈通等的部件是优选的，因为它们与光子学和电子学中的标准技术兼容，并且它们通常比竖直馈通更可靠。
至少一个第二层120被提供在堆叠中，包括与第一层110的结构至少部分重叠的屏蔽结构121。第二层可以被认为是保护层，保护层限制了焊接深度并且不允许激光的焊接能量到达下面的部件。特别地，屏蔽结构121提供在第一层中待保护的嵌入结构112和馈通111与焊接区105之间，焊接区105将用于将堆叠密封到帽结构。在一些实施例中，它们包括光阱，该光阱可以偏转来自辐射(例如，激光)光束的光学功率。形成屏蔽结构121的光阱可以是例如具有根据要使用的辐射光束的类型而选择的特性的材料带，因此光阱可以用于大量吸收该类型的辐射的光。可以使用的材料的示例是金属(例如，Cu、Au、Pt、Al、Cr、……)、硅、碳化硅、氮化硅和其他半导体材料等。厚度可以例如在例如50nm与2000nm之间、例如在100nm与1500nm之间的范围内，但实施例不限于此，并且还可以使用其他厚度。
例如，该材料可以被选择用于吸收在焊接激光中使用的其特定波长或范围的辐射。
屏蔽结构不限于光阱，并且它们可以包括吸收、衍射、偏转或反射辐射等的任何材料，以便限制焊接深度。屏蔽结构通常可以在结合部本身的外部，即，它们可以不是结合部本身的一部分。
第一层和第二层可以包括另外的材料，例如半导体材料，诸如硅等。
多层堆叠包括堆叠表面104，在堆叠表面104处可以限定区域103，在区域103处，装置应当被放置并被帽结构封闭，该帽结构应当被结合或熔合至堆叠表面104，用于提供气密密封。区域103具有由预定区界定的周边，预定区待由帽结构接触，堆叠的预定区或接触区包括焊接区105。
本发明不限于第一层和第二层。附加层可被包括在基板102与第一层110之间、和/或第一层110与第二层120之间、和/或第二层120与堆叠101的堆叠表面104之间。附加层的数量和它们的厚度还限定基板、第一层和第二层与堆叠的表面之间的相对距离。这些附加层可以包括均质材料并且例如不含部件，或者可以包括其他部件和/或屏蔽结构，如其将参见图6解释的。
在本发明的实施例中，多层堆叠的表面与待屏蔽的一个或多个嵌入部件(例如，通过包括附加层)分离至少2μm。该厚度与屏蔽结构相结合，对于大范围的材料和辐射光束，进一步提高了对下层部件的保护。它还允许通过标准工艺提供屏蔽层，从而避免沉积金属屏蔽的需要。
例如，附加层和第一层和第二层的附加材料可以包括半导体材料或者由半导体材料制成，从而形成半导体多层堆叠101，尽管本发明不限于此，并且若干不同的导体、半导体、非导体(玻璃，例如SiO2或陶瓷，例如SiC)或金属可以被使用或其组合。该材料典型地对于所使用的波长可以是不透明的。
图2示出了图1的堆叠的示例性俯视图。带有箭头的线I-I示出了限定在图1中所示的横截面的截面线。第一层的结构112和馈通111以点划线示出，而第二层的屏蔽结构121以虚线示出。屏蔽结构121是用于吸收、偏转、折射或反射光的材料带，其宽度使得确保对下层部件的保护，从而允许焊接区105的示出为指出区域的定位误差量。屏蔽结构121在焊接区域105与部件112、111之间的布置允许降低或没有到达和损坏这些部件111、112的风险来施加焊接激光。
在第二方面，本发明提供了一种系统，例如晶片级系统或微系统，包括密封的装置，例如气密密封的装置，该密封的装置包括根据本发明的第一方面的实施例的多层堆叠，还包括附接并激光焊接至堆叠的表面的帽结构、堆叠和帽结构密封(例如，气密密封)装置。该系统包括在焊接区域下方的部件，该焊接区域被限定在堆叠的表面的接触区内。这有利地增加了装置的紧凑性和密度，因为屏蔽层保护这些部件，否则这些部件将必须远离焊接区放置。该系统可以是光电装置或光学装置，也可以是任何基于半导体技术的或金属部件。待屏蔽的部件可以是嵌入波导体、金属线、或在微系统内具有功能的材料的任何其他组合。
此外，屏蔽层的存在通过允许使用水平馈通的可能性而提高装置的可靠性，水平馈通在气密性和产率方面通常比竖直(例如，穿过基板)馈通更可靠。此外，其允许使用公知的和标准化的制造技术，特别是在竖直馈通与标准工艺流程不兼容的光子学系统领域中。
图3示出了密封系统300、尤其是微系统(晶片级)的实施例，该密封系统300包括激光密封的气密外壳200(enclosure)，气密外壳200由多层堆叠101的堆叠表面104和焊接至堆叠101的帽202的内壁201界定，在焊接区105下面实施水平馈通111和其他结构112。本发明允许使用水平馈通，这改进了轮廓，因为没有结构需要从基板或从帽突出以用于信号交换。
更详细地，图3的微系统300包括根据在图1中所示的实施例的堆叠101，并且还包括帽202，帽202用作焊接到堆叠101的帽结构，以形成封闭、密封并且优选地气密密封装置301的外壳200，装置301可以是处理单元、传感器(诸如光学传感器等)。焊接区105被限定在接触区的界面内，该接触区被限定在堆叠的表面和帽中的表面上。帽202可以包括其中形成有空腔的材料块，该空腔通过面向堆叠的平坦表面的孔口打开。该空腔可以有利地用众所周知的技术形成。帽的孔口与帽的外壁之间的表面可以包括帽与堆叠表面104之间的接触区203。然而，本发明不受帽结构或多层堆叠的形状的限制，并且帽结构可以包括例如材料片，并且多层堆叠可以包括空腔，待保护的装置搁置在该空腔中。
在图中，还示出了通过激光L焊接的过程，其中屏蔽结构121能够限制焊缝106的深度。激光具有能量使得其改变结构并且提供材料扩散以产生必要的结合，但是仅达到一定深度不会到达第一层的部件111、112。还示出了由焊接辐射光束产生的焊接107的深度的示例，例如，还示出了堆叠的未屏蔽部分上的相同激光L(或相同类型的激光)。在此特定情况下，焊接深度甚至大于多层堆叠的厚度，因此其到达基板102。
帽202可以包括任何种类的合适的材料，但是在一些实施例中，优选的是，帽包括对用于焊接的辐射光束基本上透明的材料或者由对用于焊接的辐射光束基本上透明的材料制成，因此可以为焊接提供精确的定位。例如，可以提供玻璃、陶瓷或半导体(例如，硅)帽，因此大多数类型的焊接激光可以穿过帽被引导至焊接区，如图3中所示，从而提高焊接准确度。多层堆叠的表面可包含玻璃或半导体(诸如硅等)，虽然可使用易于焊接到帽的任何合适材料。
附接至多层堆叠的帽结构可以为装置301或待保护的装置提供气密保护的环境或外壳200。这种气密性密封环境可维持恒定压力，例如高于或低于大气压力。该密封帽可以呈现对恶劣环境(诸如腐蚀性流体或气体等)的高耐受性，从而保护该装置免受这些。
图4至图6示出了密封系统的不同实施例，其中，第一方面的多层堆叠的不同实施例与焊接帽一起被示出，从而形成用于诸如激活部件、传感器、处理器等的装置的保护环境(例如，气密密封的保护环境)。
图4示出了提供在堆叠上并且是多层堆叠401的表面404的一部分的屏蔽结构421。该系统可以与图3中的系统进行比较，其中该多层堆叠包括在表面与屏蔽层之间的附加层，因此屏蔽层被埋入在多层堆叠101中。图3的实施例中的焊接主要提供在附加层和帽之间。另一方面，在图4的情况下，膜被直接提供作为堆叠401的表面404(例如，通过沉积)的一部分。帽202被直接焊接在屏蔽层421上，因此限制了焊接406的深度并且移除了多余的能量，因此它不会到达下层部件411、412的层级，该层级可能对这些部件是破坏性的或有害的。
图5示出了是多层堆叠501的表面504的一部分的屏蔽结构521，与图4相同，但是代替具有如图2所示的形成框架的带的形状，屏蔽结构521是连续的板或片，形成多层堆叠的表面504的一部分，帽202焊接在其上。如果需要，可通过屏蔽层局部地提供连接特征508，诸如通孔或窗口等，以将密封外壳内的任何装置功能性地连接到嵌入在多层堆叠501中的任何合适的部件。与不提供屏蔽结构521的情况相比，焊接506的深度也减小。
图4和图5所示的实施例具有以下优点：屏蔽结构421、521易于提供，而不需要进一步嵌入它们。
在本发明的一些实施例中，该系统包括堆叠，其中表面与下层部件之间的距离是至少2μm，从而如参照第一方面的实施例所解释的改进了保护。然而，对于一些应用，这是不可能的，因为该系统要求比2μm更薄的多层堆叠。在这样的情况下，系统的多层堆叠可以包括第三层，也包括保护层，第三层包括额外屏蔽结构。
图6示出类似于图3实施例的实施例，不同之处在于图6的实施例的堆叠601在其第一层610与其第二层620之间包括一个额外屏蔽结构631。例如，额外屏蔽结构631可提供在堆叠的第三层630中。它可以包括例如嵌入在光阱621与第一层的部件611、612之间的金属板或带。其他屏蔽结构的示例包括诸如Al、Cu、Cr、Pt、Au、W-Ti、Ti、金属合金等的金属，该金属具有例如从50nm至2000nm的范围，例如从50nm至500nm的范围的厚度。
这种堆叠可以被制成比2μm更薄，它可以提供堆叠601与帽202之间的气密地密封附接，并且仍然限制焊接深度和/或对下层部件(诸如馈通611等)提供良好保护，从而允许具有非常低轮廓的微系统。
另外，可以通过包括多个屏蔽层来适配焊接区处的堆叠的机械特性。在一个示例中，一些层可以初始地引起预应力，以用于补偿在焊接期间引起的应力。
在第三方面和第四方面中，本发明提供了制造多层堆叠的工艺以及相应地制造包括密封装置的系统的工艺。多层堆叠的制造方法可以有利地避免提供竖直(例如，穿过基板)通孔或竖直馈通，从而允许与光子学技术兼容的标准化工艺流程。
根据第三方面的实施例的方法包括以下步骤：提供嵌入多层堆叠中的部件，提供具有待焊接到帽结构的区的表面，以及在嵌入部件与待焊接到帽结构的区之间提供屏蔽结构。
图7是包括第三方面的示例性实施例的步骤以及虚线框中的可选步骤的示例性工艺流程。在第一步骤中，该方法可以包括提供基板的步骤701，例如半导体或玻璃基板。进一步的步骤702包括提供(例如，在第一层中的)至少一个嵌入部件。它可以是激活部件，它可以是用于与容纳在密封外壳内的装置(诸如水平馈通等)交换信号的信号载体等。它可以是平行于堆叠的表面延伸的电子或光学部件，诸如嵌入波导体等。
进一步的步骤703可以包括提供(例如在第二层中的)至少一个屏蔽结构。例如，该步骤703可以包括提供封闭区域的带的步骤713，或提供板的步骤723。该带或板可以例如具有在50nm与2000nm之间的厚度，例如具有在100nm与1500nm之间的厚度。屏蔽结构可包括参照本发明的第一方面的实施例讨论的任何材料。
在本发明的一些实施例中，该方法包括嵌入屏蔽结构的步骤704。这可允许增加厚度并选择用于焊接到帽结构的合适材料。
该方法可以可选地包括在步骤705中提供至少第三层或另外的层，该至少第三层或另外的层包括另外的屏蔽结构，例如，金属层，该另外的屏蔽结构可以通过例如沉积(例如，金属沉积、溅射沉积、化学气相沉积等)来提供。还可以应用附加的镀覆步骤以得到更厚的层。在步骤706中这些进一步的结构和层也可以被嵌入。
所述方法因此在步骤707中获得具有表面的堆叠，在该表面处可限定区域以用于包括待保护的装置。在步骤717中，应在嵌入部件与待焊接至帽结构或焊接区的区域之间提供第二层的一个或多个屏蔽结构，帽结构或焊接区包围其中应包括装置的区域。或者换言之，在步骤717中，应当完成提供包括由焊接区围绕的区域的表面，使得焊接区和嵌入部件将屏蔽结构夹在预定区上。
在本发明的一些实施例中，在步骤704中，第二层被嵌入在多层堆叠内，并且在其顶部上提供另外的附加层，从而在步骤707中获得具有表面的堆叠。在其他实施例中，在步骤707中获得具有表面的堆叠包括在步骤703中在第二层上提供屏蔽结构，因此屏蔽结构形成多层堆叠的表面。可替代地，该方法在步骤704中可包含嵌入屏蔽结构，在步骤705中提供具有另一屏蔽结构的层，且在步骤707中直接获得堆叠(其中堆叠的表面包括屏蔽结构)，或在步骤706中嵌入另外的屏蔽结构，从而在步骤707中获得堆叠。
在步骤702、703、705中，在层中提供不同的部件(例如，水平馈通)、屏蔽结构等，并且在步骤704、706中，用中间层嵌入这些层可通过控制层的厚度来完成，从而控制堆叠的厚度。例如，获得堆叠可以包括在步骤727中获得在嵌入部件与堆叠的表面之间具有预定距离(例如，2μm)的堆叠。
该方法具有以下优点：其实施通常用于制造薄膜晶片级结构的层沉积方法(物理和化学气相沉积和光刻技术)。例如，第一层、第二层和另外的层和/或任何另外的附加层可以通过沉积(例如作为标准的CVD、PVD、光刻技术等)来提供。该方法有利地提供具有普通技术的多层堆叠，该多层堆叠适合于通过激光焊接提供装置的气密密封，并且没有损坏嵌入在层中的部件的风险。具体地，本发明的方法允许通过标准制造技术提供光子学多层堆叠，包括提供水平馈通，并且提供馈通的保护，从而允许用于气密密封的激光焊接。
在第四方面，本发明提供了一种用于制造包括气密密封装置的系统(例如，微系统)的方法，该方法可以是紧凑的并且遵循标准的晶片级工艺路径。根据第四方面的实施例的方法包括以下步骤：根据第三方面的方法提供多层堆叠，在多层堆叠的表面上提供装置，在多层堆叠的接触区域中提供帽结构，在接触区域内的焊接区上提供辐射光束，并且将帽结构熔合至多层堆叠，从而将装置密封在外壳内，例如气密地密封装置。嵌入部件与焊接区之间的屏蔽结构限制了焊接深度，从而保护了嵌入部件。
图8是具有根据第四方面实施例的示例性方法的步骤以及可选步骤的工艺流程。在第一步骤中，该方法包括在步骤707中获得根据第三方面的实施例的堆叠，并且之后在步骤801中提供，例如，将装置安装在多层堆叠的预定区域上。这可包括提供用于允许装置与任何合适的嵌入部件之间的功能接触的结构(光栅、窗口、通孔等)。
该方法进一步包括在步骤802中提供帽结构，诸如帽等，在步骤812中该帽结构可以对待用于焊接的辐射光束是透明的；例如，它可以包括对待用于焊接的辐射光束透明的材料或由其制成。例如，帽结构可包括玻璃或陶瓷、硅或金属帽，一些玻璃或陶瓷、硅或金属帽允许大多数焊接激光通过。在一些实施例中，帽的材料对所施加的波长是透明的并且具有与基板的机械性质相匹配的机械性质。否则，可以对该材料进行焊接，从而实施与该焊接区成角度进入的激光辐射。这允许对该辐射光束进行精确地定位和定向，因此该焊接区被完全投射在屏蔽层上，并且该焊接没有到达这些嵌入装置的未受保护的区段。
本发明不限于此，激光加工可提供在帽结构外部，倾斜于帽和堆叠之间的接触表面。
该方法包括通过以下方式在步骤803中用帽结构封闭装置：通过将帽结构放置成与多层堆叠紧密接触，通过在多层堆叠中限定的接触区与帽结构中限定的接触区之间提供接触，由此限定相互接触区。在一些实施例中，焊接区严格地限定在相互接触区内。
在本发明的一些实施例中，在步骤707中获得堆叠包括获得没有用于提供外壳的柱或空腔的平面多层堆叠，并且在步骤802中提供帽结构包括获得具有空腔的帽结构。因此，在步骤803中封闭装置包括通过帽中的空腔(其可以通过例如蚀刻来提供)的内壁和通过堆叠的平坦表面来封闭装置。此类元件的制造有利地遵循标准晶片加工技术，而不需要在多层堆叠中提供空腔。
该方法还包括在步骤804中用辐射光束将帽结构焊接到堆叠。该光束可以是高能量焊接光束，其中能量被局部化并且减少了向附近区域的热传递。有利的是，堆叠和其中的装置不需要经受如此高的温度以使得装置可能被损坏。
提供光束可以包括在步骤814中提供激光焊接。有利地，可以实施激光焊接以在室温下密封玻璃到硅或密封玻璃到玻璃(“室温激光焊接工艺”)，而不使温度敏感部件处于危险中。堆叠的屏蔽结构(在本发明的第三方面中提供)具有光学性质，使得其俘获光束的辐射(且因此俘获能量)，例如其可为光阱，从而获得有限的焊接深度。
在一些实施例中，在步骤814中提供激光焊接可以使用皮秒或飞秒激光来执行。皮秒和飞秒激光焊接的物理特性具有避免在一些系统中由纳秒激光焊接或由恒定波焊接方法引起的热效应的优点。
该方法因此在步骤805中获得包括密封装置的系统。这可以在适合的条件下进行，从而允许在步骤815中获得气密密封的装置。该工艺可以有利地是晶片级工艺。
气密密封装置的方法可包括其他已知步骤，诸如在焊接之前将帽结构预先夹紧到基板，提供高压或真空以分别提供压力高于、低于大气压的封闭等。
总之，在本发明的实施例中，将帽焊接到具有表面的多层堆叠，并且限制了在帽结构的顶部表面与表面之间产生的焊接的深度。由于屏蔽层，焊接区被局部化以避免损坏或改变下层部件和结构。

Claims (15)

1.一种多层堆叠(101)，所述堆叠包括：
-表面(104)，在所述表面(104)中限定预定区域(103)，所述预定区域(103)用于封闭设置在所述多层堆叠(101)上的至少一个装置(301)，所述预定区域(103)由限定在所述表面(104)上的焊接区(105)围绕，所述焊接区(105)适合于通过焊接辐射光束(L)焊接到帽结构(202)，
-第一层(110)，所述第一层(110)嵌入在所述多层堆叠(101)内，所述第一层(110)包括至少一个嵌入部件(111、112)，所述至少一个嵌入部件(111、112)适合于功能性地连接至设置在所述多层堆叠(101)上的装置(301)，
-至少第二层(120)，所述第二层(120)在所述第一层(110)之上并且包括屏蔽结构(121)，所述屏蔽结构(121)被定位在所述第一层(110)的至少一个部件(111，112)与限定在所述表面(104)上的焊接区(105)之间，所述屏蔽结构(121)被适配成限制设置在所述焊接区(105)上的焊接辐射光束(L)的焊接深度。
2.根据权利要求1所述的多层堆叠(101)，其中，所述嵌入部件包括水平馈通，所述水平馈通用于在所述焊接区(105)外部的区域与所述焊接区(105)内的所述预定区域(103)之间交换信号。
3.根据权利要求1所述的多层堆叠(101)，其中，所述屏蔽结构(121)形成与所述嵌入部件(111、112)的至少一区段重叠的带，所述带具有平行于所述堆叠表面(104)延伸的宽度，使得也能够限制在横向和深度上延伸的焊缝(106)到达下方的第一层(110)。
4.根据权利要求1所述的多层堆叠(101)，其中，所述屏蔽结构(121)包括散热和/或辐射吸收或热和/或辐射反射材料。
5.根据权利要求1所述的多层堆叠(101)，所述堆叠包括在所述第一层(110)与所述第二层(120)之间的另外的层(630)，所述另外的层(630)还包括附加的屏蔽结构(631)。
6.根据权利要求5所述的多层堆叠(101)，其中，所述附加的屏蔽结构(631)包括金属。
7.根据权利要求1所述的多层堆叠(101)，其中，所述嵌入部件(111、112)与所述堆叠(101)的表面(104)之间的距离在0.002mm以下。
8.根据权利要求1所述的多层堆叠(101)，其中，所述预定区域(103)是光学交换区域，并且其中，所述嵌入部件(111、112)是光学馈通，所述光学馈通是所述第一层(110)中的嵌入波导体。
9.一种密封系统(300)，包括：
-根据权利要求1-8中任一项所述的多层堆叠(101)，
-提供在所述预定区域(103)内的装置(301)，所述装置(301)功能性地连接至所述第一层(110)的嵌入部件(111、112)，
-帽结构(202)，所述帽结构(202)对用于将帽结构焊接到所述多层堆叠(101)的辐射光束(L)是透明的，并且所述帽结构通过在所述焊接区(105)上的激光焊接被附接到所述多层堆叠(101)的表面，并且所述帽结构气密地密封所述装置(301)，通过所述多层堆叠(101)的屏蔽结构(121)限制在所述多层堆叠(101)中的焊接深度。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述帽结构(202)是玻璃、陶瓷或硅、或金属帽，并且所述辐射光束(L)是焊接激光辐射。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的系统，所述系统是可植入光学系统或光电系统，所述可植入光学系统或光电系统包括光子集成电路，所述光子集成电路包括光学微结构，所述嵌入部件是用于在基板中传递光学辐射信号的嵌入波导体。
12.一种提供多层堆叠的方法，包括：
-提供嵌入在所述多层堆叠内的第一层，所述第一层包括至少一个嵌入部件，所述至少一个嵌入部件适合于功能性地连接至设置在所述多层堆叠上的装置，
-在所述第一层上方提供至少第二层，并且所述至少第二层包括屏蔽结构，
-提供表面，在该表面上限定预定区域用于封闭设置在所述多层堆叠上的装置，所述预定区域由限定在所述表面上的焊接区围绕，所述焊接区适合于通过焊接辐射光束焊接至帽结构，
其中，所述屏蔽结构被提供在所述第一层的至少一个部件与被限定在所述表面上的焊接区之间，所述屏蔽结构被适配成限制设置在所述焊接区上的焊接辐射光束的焊接深度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述至少一个嵌入部件平行于所述表面横向地延伸，适合于承载来自所述表面上预定区域的信号。
14.一种提供密封装置的方法，包括：
-根据权利要求12或13中任一项所述的方法提供多层堆叠，
-在所述堆叠的表面的预定区域上提供装置，
-通过使所述帽结构与所述多层堆叠接触来提供所述帽结构，所述接触是在所述焊接区处或周围进行的，由此用所述装置封闭所述预定区域，以及
-通过在用于将所述帽结构焊接至所述多层堆叠的焊接区上提供辐射光束来将所述帽结构焊接至所述堆叠，从而将所述帽结构附接到所述堆叠的表面，其中，提供所述焊接区使得所述屏蔽结构定位在所述焊接区与所述第一层的嵌入部件之间。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，提供帽结构包括提供帽结构，所述帽结构包括具有对所述辐射光束透明的材料的区，并且其中，提供辐射光束包括提供穿过所述区的所述辐射光束。
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