CN118125370A - 用于生产机械顺应纳米纤维环境屏障膜的方法 - Google Patents

用于生产机械顺应纳米纤维环境屏障膜的方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及用于生产机械顺应纳米纤维环境屏障膜的方法。本文描述了一种用于生产微结构透气环境屏障膜(110)的方法，该方法包括以下步骤：提供衬底(120)，并且将通孔(130)结构化到所述衬底(120)中，通孔(130)在衬底(120)的两个相对的表面(121、122)之间完全延伸穿过衬底(120)，保持通孔(130)未被覆盖，并且通过应用电纺丝或吹纺丝方法中的至少一种方法将一个或多个纳米纤维(111)沉积到两个相对的衬底表面(121、122)中的至少一个衬底表面上，使得经纺丝的纳米纤维(111)组合为纳米纤维网络，纳米纤维网络形成覆盖先前未被覆盖的通孔(130)的独立且机械顺应的纳米纤维膜(110)。

Description

用于生产机械顺应纳米纤维环境屏障膜的方法
本申请要求欧洲专利申请EP 22 210 912.6和欧洲专利申请号EP 22 210 899.5的优先权，其内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开的实施例涉及一种微机械环境屏障膜，其用于为基于微机电系统(MEMS)的声音和/或压力设备提供保护，防止环境固体、气体和/或潮湿颗粒进入。其他实施例涉及其制造方法。
背景技术
基于下一代硅微机电系统(MEMS)的麦克风以及可能的其他传感器预计在其封装构造中具有环境屏障(environmental barrier，EB)，以能够承受恶劣的环境条件，包括撞击固体物体(例如灰尘颗粒和毛发)和高水分进入。如今，环境屏障结构在应用系统级(例如声道中的某个位置)上被集成也是相当常见的。
环境屏障结构应该尽可能少地影响MEMS设备的功能，即，环境屏障结构的提供不应该对MEMS设备的声学性能(例如信噪比(SNR))产生负面影响。因此，当设计环境屏障结构时，期望提供环境屏障结构的高机械顺应性(compliance)/柔性，同时提供通过环境屏障结构的高气流。换言之，环境屏障结构应该同时包括低声阻/气流阻力和高机械顺应性。然而，这是一种折衷，因为低声阻通常意味着通过材料的气流增加(较大的孔隙或较大的开放区域)，并且因此减少了对灰尘和水分进入的保护。另一方面，较高的声阻通常意味着通过材料的气流减少(由于较少的穿孔或开放区域)，因此以SNR为代价改进了对灰尘和水分进入的保护。
一些环境屏障结构可以包括由膨体聚四氟乙烯(ePTFE)制成的高度顺应/柔性环境屏障膜。ePTFE膜可以被附接至载体框架以支撑该结构，并且能够将环境屏障结构接合和安装到封装件内部或外部的印刷电路板(PCB)上。这种环境屏障结构可以在后端封装过程期间被集成在封装件中，或者在组装过程期间在系统级上被集成。这些环境屏障结构的问题主要是它们与每个环境屏障结构的个体单个单元生产相关的高成本。
因此，期望提供一种用于基于MEMS的声学和/或压力设备的环境屏障结构，所述环境屏障结构同时包括低声阻/气流阻力和高机械顺应性，同时将制造成本保持在中等水平。
发明内容
这些目标可以利用根据本文描述的创新概念的用于生产微结构透气(air-permeable)环境屏障膜的方法以及利用由所述方法制造的包括微结构透气环境屏障膜的环境屏障芯片来实现。
根据第一方面，该创新方法包括以下步骤：提供衬底并且将通孔(through hole)结构化到衬底中，该通孔在衬底的两个相对的表面之间完全延伸穿过衬底。该方法还包括以下步骤：保持通孔未被覆盖，并且通过应用电纺丝(electrospinning)方法或吹纺丝(blowspinning)方法中的至少一种方法将纳米纤维沉积到两个相对的衬底表面中的至少一个衬底表面上，使得经纺丝的纳米纤维组合为纳米纤维网络，该纳米纤维网络形成独立(free-standing)且机械顺应的纳米纤维膜，该纳米纤维膜覆盖先前未被覆盖的通孔。
根据第二替代方面，一种用于生产透气环境屏障膜的替代方法包括以下步骤：提供具有第一衬底表面和相对的第二衬底表面的衬底，并且将牺牲层沉积到两个相对的衬底表面中的至少一个衬底表面上。该方法还包括以下步骤：将通孔结构化到衬底中，该通孔在两个相对的衬底表面之间完全延伸穿过衬底，其中牺牲层保留且覆盖通孔。又一步骤包括通过应用电纺丝或吹纺丝方法中的至少一种方法将纳米纤维沉积到牺牲层上，使得经纺丝的纳米纤维组合为形成纳米纤维膜的纳米纤维网络。又一方法步骤包括去除牺牲层以释放纳米纤维膜，其中被释放的纳米纤维膜形成覆盖通孔的、独立且机械顺应的纳米纤维膜。
此外，建议提供一种具有透气环境屏障膜的环境屏障芯片，该环境屏障芯片包括衬底，该衬底包括在两个相对的衬底表面之间完全延伸穿过衬底的通孔。独立且机械顺应的纳米纤维膜被布置在衬底的两个相对的表面中的至少一个表面上，使得纳米纤维膜覆盖通孔。根据本文描述的创新概念，纳米纤维膜由布置在衬底的两个相对的表面中的至少一个表面上的经纺丝的纳米纤维网络形成。
附图说明
在下文中，相对于附图更详细地描述本公开的实施例，其中：
图1A示出了根据一个实施例的环境屏障芯片的侧视图，该环境屏障芯片包括独立的机械顺应环境屏障膜，
图1B示出了根据一个实施例的环境屏障芯片的顶视图，该环境屏障芯片包括独立的机械顺应环境屏障膜，
图1C示出了根据一个实施例的环境屏障芯片的透视图，该环境屏障芯片包括独立的机械顺应环境屏障膜，
图2A示出了根据一个实施例的环境屏障芯片的分解透视图，该环境屏障芯片包括独立的机械顺应环境屏障膜，
图2B示出了根据一个实施例的环境屏障芯片的侧视图，该环境屏障芯片包括独立的机械顺应环境屏障膜，
图3A示出了根据一个实施例的环境屏障芯片的分解透视图，该环境屏障芯片包括由替代方法制造的独立的机械顺应环境屏障膜，
图3B示出了根据一个实施例的环境屏障芯片的侧视图，该环境屏障芯片包括由替代方法制造的独立的机械顺应环境屏障膜，
图4A至4D示出了在继续施加时间期间被沉积的纳米纤维的密度分布，
图5A至5B示出了根据一个实施例的环境屏障芯片的侧视图，该环境屏障芯片包括独立的机械顺应环境屏障膜，
图6A至6D示出了根据一个实施例的用于制造环境屏障芯片的第一方法的工艺流程，该环境屏障芯片具有独立的机械顺应环境屏障膜，
图7A至7E示出了根据一个实施例的用于制造环境屏障芯片的替代的第二方法的工艺流程，该环境屏障芯片具有独立的机械顺应环境屏障膜，
图8A示出了环境屏障芯片的分解透视图，该环境屏障芯片包括由被配置为机械顺应穿孔膜的环境屏障结构支撑的机械顺应环境屏障膜，
图8B示出了在其上施加环境屏障结构的环境屏障芯片上的顶视图，
图8C示出了具有附加的纳米纤维环境屏障膜的图8B的环境屏障芯片上的顶视图，
图9A至9B示出了根据图8A至8C的环境屏障芯片的侧视图，其中具有和没有力被施加到环境屏障结构，以及
图10A至10D示出了用于制造具有机械顺应环境屏障膜的根据图8A至8C的环境屏障芯片的方法的工艺流程。
具体实施方式
相同或等效的元素或具有相同或等效功能性的元素在以下描述中由相同或等效的附图标记表示。
借助于框图描绘并且参照所述框图描述的方法步骤也可以以与所描绘和/或描述的顺序不同的顺序执行。此外，涉及设备的特定特征的方法步骤可以与所述设备的所述特征是可替换的，反之亦然。
本文描述的创新的纳米纤维透气环境屏障膜以及包括所述纳米纤维透气环境屏障膜的环境屏障芯片可以被用于保护MEMS设备一般免受有害的环境影响。纳米纤维透气环境屏障膜对于保护MEMS压力换能器(诸如MEMS压力传感器、MEMS麦克风和MEMS扬声器)可以特别有用。在附图的以下描述中，MEMS麦克风和MEMS扬声器通常被用作MEMS设备的非限制性示例。
在为MEMS设备(诸如MEMS麦克风或MEMS扬声器)设计环境屏障结构时，期望提供具有高栅格(grid)/网格(mesh)密度的栅格/网格，以便提高环境保护水平(能够例如在特定压力/深度下承受水分进入)。此外，出于稳定性的考虑，期望提供刚性网格。然而，与此同时，需要维持良好的声学性能。理想情况下，这可以利用独立的柔性膜来实现，其中声能可以经由膜振荡(机械顺应性)来转移。
因此，在用于提供具有高稳健性的高保护水平的致密和刚性环境屏障结构与用于尽可能无损地转移声能的机械顺应/柔性膜之间存在折衷。
例如，理想的膜可以具有顺应/柔性的行为，但是具有低气流。理想的网格反过来可能具有高气流，但具有刚性/硬性结构。然而，由于现实生活中的设备通常不包括理想的行为，因此现实生活中的网格和膜可能导致某种不可避免程度的SNR损失。
本文描述的创新概念通过提供由经纺丝的纳米纤维制成的微结构透气环境屏障膜来组合膜和网格的积极特性，该经纺丝的纳米纤维组合为纳米纤维网络，该纳米纤维网络形成独立且机械顺应的纳米纤维膜。以下将描述其示例和实施例。
为了便于理解创新的机械顺应纳米纤维膜，应该首先给出对机械顺应性的简要介绍。在机械工程制造中，顺应机构(compliant mechanism)是一种通过弹性体变形来实现力和运动传递的柔性机构。它的一些或全部运动来自其构件的相对柔性，而不是仅来自刚体连接部(joint)。这些结构可以是单片(单件)或无缝结构。
顺应结构通常被创建为使用多个部件的类似机构的替代方案。使用顺应机构存在两个主要优点。首先，顺应机构通常可以被制作为单个结构，这简化了所需部件的数量，从而导致低制造成本。其次，顺应机构具有更好的效率，因为它们不会受到影响多体机构(multi-bodied mechanism)的一些问题的影响，诸如齿隙或表面磨损。由于使用了柔性元件，顺应机构可以很容易地存储能量，以便在稍后释放或转换为其他形式的能量。
因此，机械顺应膜可以被归入上述顺应系统之下。机械顺应膜是柔性膜，它能够响应于施加的声能而振荡，并且当所述声能不再被施加时，它返回到其初始状态。
图1A、1B和1C示出了根据一个实施例的单个环境屏障芯片100的侧视图、顶视图和透视图，该环境屏障芯片100包括透气环境屏障膜110。环境屏障芯片100包括衬底120，该衬底120具有在衬底120的两个相对的表面121、122之间完全延伸穿过衬底120的通孔130。衬底120可以包括半导体材料、玻璃、聚合物或任何其他合适的材料，或者由其组成。
通孔130可以包括任何种类的几何形状，例如圆形、矩形、三角形、椭圆形、五边形、六边形、八边形。此外，通孔130可以笔直地延伸穿过衬底120或者以弯曲/曲线形状延伸穿过衬底120。通孔130可以竖直地延伸穿过衬底120，即，正交于两个相对的衬底表面121、122，或者它可以在第一衬底表面121和第二衬底表面122之间以任何斜角(不同于正交的90°角)延伸。
在衬底120的两个相对的表面121、122中的至少一个表面上布置独立且机械顺应的纳米纤维膜110，使得纳米纤维膜110覆盖通孔130。在该非限制性示例中，膜110可以被布置在第一衬底表面121上。
在图1A、1B和1C所示的实施例中，纳米纤维膜110恰好被布置在衬底120的两个相对的表面121、122中的一个表面上。然而，也可能的是，所描绘的纳米纤维膜110可以被布置在相对衬底表面122上，或者可以提供附加的第二纳米纤维膜，其中第一纳米纤维膜100可以被布置在第一衬底表面121上，并且第二纳米纤维膜110可以被布置在相对的第二衬底表面122上。
根据本文描述的创新概念，纳米纤维膜110由沉积/纺丝到衬底120的两个相对的表面121、122中的至少一个表面上的经纺丝的纳米纤维的网络形成。在被布置在衬底120上之后，纳米纤维膜110形成透气环境屏障膜。换言之，创新的独立纳米纤维膜110充当透气且机械顺应的环境屏障膜。
图2A和2B示出了用于制造/生产微结构的独立的透气纳米纤维环境屏障膜110的方法的第一实施例。图3A和3B示出了用于制造/生产微结构的独立透气纳米纤维环境屏障膜110的替代的第二方法。因此，建议了用于制造相同设备110的两种替代方法。因此，本文描述了针对相同技术问题的两种替代解决方案。
根据第一替代方案，如图2A和2B所描绘的，该方法包括提供衬底120并且将通孔130结构化到衬底120中的步骤，该通孔130在两个相对的衬底表面121、122之间完全延伸穿过衬底120。通孔130可以通过蚀刻而被创建，例如通过深反应离子蚀刻(DRIE)而被创建。可选地，蚀刻停止层(未示出)因此可以被沉积到两个衬底表面121、122中的所述一个表面上。
根据该第一替代方案，通孔130是开放的或未被覆盖的。然后，一个或多个单个纳米纤维111通过应用电纺丝或吹纺丝方法被沉积到两个相对的衬底表面121、122中的所述至少一个表面上。这借助于图2B中的工具140示意性地象征。
为了获得经纺丝的纳米纤维111在相应的衬底表面121、122处的增强的粘附性，可以将粘附促进层(未示出)沉积到相应的衬底表面121、122上。然后可以将纳米纤维111沉积/纺丝到所述粘附促进层上。
当然，在将纳米纤维110沉积/纺丝到相应的衬底表面121、122上时，经纺丝的纳米纤维111也可以在通孔130之上延伸。通孔130可以包括足够小的尺寸(例如直径)，使得经纺丝的纳米纤维111不落入通孔130中。
然后可以将经纺丝的纳米纤维111组合为纳米纤维网络，该纳米纤维网络形成覆盖通孔130的独立且机械顺应的纳米纤维膜110，该纳米纤维膜110覆盖之前故意未被覆盖的通孔130。在该星座(constellation)中，纳米纤维膜110充当纳米纤维和机械顺应的透气环境屏障膜。因此，可以获得配备有独立且机械顺应的纳米纤维膜110的环境屏障芯片100，如上面参照图1A、1B和1C描述的。
图3A和3B示出了用于生产具有纳米纤维透气且机械顺应的环境屏障膜110的环境屏障芯片100的方法的第二替代方案。根据该第二替代方案，通孔130不是未被覆盖的。相反，在将通孔130结构化到衬底120中之前，将临时牺牲层150沉积到两个相对的衬底表面121、122中的至少一个表面上。然后，通孔130被结构化到衬底120中，使得通孔130在两个相对的衬底表面121、122之间完全延伸穿过衬底120，同时在相应的衬底表面121上留下临时牺牲层150。因此，牺牲层150覆盖通孔130，即，衬底120包括被临时牺牲层150所覆盖的通孔130。
通孔130可以通过蚀刻产生，例如通过深反应离子蚀刻(DRIE)产生。通孔130可以从一个衬底表面122开始被结构化到衬底120中，该衬底表面122与其上被布置临时牺牲层150的另一衬底表面121相对。通孔130可以被结构化，例如被蚀刻，直到到达临时牺牲层150。在这种情况下，临时牺牲层150可以充当结构化停止层，例如充当蚀刻停止层。备选地，可以在临时牺牲层150和相应的衬底表面121之间沉积附加的蚀刻停止层(未示出)。
在下一步骤中，可以通过应用电纺丝或吹纺丝方法将一个或多个单个纳米纤维111沉积到临时牺牲层150上。同样，这借助于图3B中的工具140示意性地象征。经纺丝的纳米纤维111组合为形成纳米纤维膜110的纳米纤维网络。在该阶段，纳米纤维膜110由临时牺牲层150支撑。
为了获得经纺丝的纳米纤维111在临时牺牲层150处的增强的粘附性，可以将粘附促进层(未示出)沉积到临时牺牲层150上。然后可以将纳米纤维111沉积/纺丝到所述粘附促进层上。
在下一步骤中，去除临时牺牲层150以释放纳米纤维膜110，此后被释放的纳米纤维膜110形成覆盖通孔130的独立且机械顺应的纳米纤维膜110。在该星座中，纳米纤维膜110充当纳米纤维和机械顺应的透气环境屏障膜。
在去除牺牲层150之后，可以获得配备有独立且机械顺应的纳米纤维膜110的环境屏障芯片100，如上面参照图1A、1B和1C描述的。如下面将要解释的，牺牲层150可以用不同的替代方法去除。
根据第一替代方案，去除牺牲层150的步骤可以通过应用化学湿法蚀刻工艺来执行。在这种情况下，牺牲层150可以是氧化硅层。例如，氧化硅可以被沉积到两个衬底表面121、122中的至少一个表面上。然后可以借助于化学湿法蚀刻，例如通过分别施加氟化氢(HF)或氢氟酸来去除该氧化硅层150。
在这种情况下，形成纳米纤维膜110的纳米纤维111可以包括抵耐(resistant)化学湿法蚀刻工艺中使用的蚀刻剂(例如氢氟酸)的材料或可以由其制成。因此，当应用湿法化学蚀刻工艺时，选择性地去除蚀刻剂敏感的牺牲层150，使得保留耐蚀刻剂的纳米纤维膜110。
例如，根据替代的第二方法，去除牺牲层150的步骤可以通过应用高温灰化工艺来执行，诸如等离子体灰化。在这种情况下，牺牲层150可以包括用于通过高温灰化工艺去除的碳基材料，或者可以由其制成。例如，牺牲层150可以包括热解碳或石墨烯，或者可以由其制成。
纳米纤维111继而可以包括用于承受高温灰化工艺的至少一种高温稳定材料，或可以由其制成。例如，纳米纤维111可以包括高温稳定聚合物材料(例如聚四氟乙烯(PTFE)和聚酰亚胺(PI))或陶瓷/金属氧化物基材料(例如氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化锡(SnO2)和氧化铜(CuO))或复合材料中的至少一种，或可以由其制成。
在陶瓷的情况下，纳米纤维111可以在电纺丝或吹纺丝之后被进一步处理。例如，可以对纳米纤维111进行所谓的煅烧(calcination)。纳米纤维111可以以混合或复合的方式生产，即，聚合物类型中的一种聚合物类型可以与其他类型(另一聚合物或氧化物或碳或其他纳米材料)组合。
因此，创新方法的可选步骤可以包括沉积彼此之间包括不同材料和/或不同直径的纳米纤维111，即，可以生产包括具有不同直径和材料类型(混合物)的纳米纤维111的纳米纤维膜110。例如，在执行电纺丝或吹纺丝时，可以使用不同尺寸的纺丝材料涂料器(例如针)。备选地，可以使用两个相同的涂料器(例如针)，但在纺丝过程期间使用不同的材料配方或参数。关于纳米纤维111的材料，可以使用多于一种材料类型(混合物)。因此，具有多于一个直径尺寸分布和/或具有多于一种材料源的纳米纤维111可以通过后续的或同时的纺丝工艺生产，其中不同纳米纤维111的协同作用然后可以提高纳米纤维膜110的稳健性。
作为又一可选步骤，本文描述的创新方法可以包括通过应用溶剂蒸发和/或热处理来对经纺丝的纳米纤维111进行后处理以产生交联的纳米纤维111的步骤。通过这样做，单纺的(single spun)纳米纤维111可以在它们之间接合并且产生交联结构。这可以显著提高纳米纤维膜110的机械稳健性。因此，代替施加一个或多个分离的纳米纤维111，可以在交联结构中产生经纺丝的纳米纤维111。
图4A至4D示出了由纺丝纳米纤维111制成的创新纳米纤维膜110的一部分的SEM图像。在该非限制性示例中，纳米纤维111被纺丝到衬底上，诸如图2A所示的衬底120，直接覆盖通孔130。
图4A示出了分辨率为100μm的纺丝/沉积的纳米纤维111。图4B示出了与图4A相同的SEM图像，但分辨率更高为20μm。可以看出，纳米纤维膜110可以包括低纤维密度。
图4C示出了相同的衬底，但与图4A和4B相比，处于旋转/沉积时间增加的状态。可以看出，纤维密度可以通过增加纺丝/沉积时间来增加。图4D示出了与图4C相同的SEM图像，但分辨率更高为20μm。
在任何情况下，由经纺丝的纳米纤维111制成的环境屏障膜110示出允许在结构上将它们与非由经纺丝的纳米纤维111制成的其他环境屏障膜(诸如ePTFE膜)区分开来的独特结构。例如，纳米纤维膜110可以包括不出现在ePTFE膜中的结构特征，反之亦然。
图5A和5B示出了生产具有纳米纤维透气且机械顺应的环境屏障膜110的环境屏障芯片100的第三替代方法。根据该第三替代方案，可以在通孔130内部设置附加的微结构化的载体结构170。载体结构170可以被配置为包括衬底171的芯片。衬底171可以包括半导体材料、玻璃或聚合物，或者可以由其制成。可选地，衬底171可以包括膜172。载体结构170可以借助于一个或多个可断裂梁(breakable beam)173而被悬挂在通孔130内。
在这种情况下，沉积纳米纤维111的步骤可以包括将纳米纤维111沉积到载体结构170上，例如沉积到衬底171和/或膜172上。因此，载体结构170可以充当在沉积/纺丝期间支撑经纺丝的纳米纤维111的支撑件。
在已经施加纳米纤维111之后，该方法还可以包括使可断裂梁173断裂并且从通孔130去除(如箭头174所指示的)载体结构170以释放由沉积的纳米纤维111制成的纳米纤维膜110的步骤。
到目前为止，已经在芯片级上示例性地讨论了该创新方法，即，参照单个环境屏障芯片100。然而，本创新的若干优点中的一个优点是可以在晶圆级上执行该方法，以使制造工艺并行化，从而提高产量并且节省生产成本。
图6A至6D示出了用于在晶圆级上生产多个环境屏障芯片100的创新方法的工艺流程，即，上面讨论的衬底120可以作为晶圆提供。该实施例可以对应于图2A和2B所示的先前讨论的实施例，其中纳米纤维111在没有临时牺牲层150的情况下直接被纺丝到衬底120上。
在图6A至6D中的每个附图中，相应的上方图示出了晶圆120的顶视图，而下方图示出了晶圆120的透视图。图6A示出了未处理的裸晶圆120。晶圆120可以是例如硅晶圆。如图6B中可以看到，多个上面讨论的通孔130可以被结构化到晶圆120中，其中每个通孔130可以在晶圆120的两个相对侧121、122之间竖直延伸穿过晶圆120。通孔130可以通过蚀刻产生，例如借助于DRIE/Bosch蚀刻。
图6C示出了又一方法步骤，其中纳米纤维111被沉积到两个相对的晶圆表面121、122中的至少一个晶圆表面上，用于覆盖晶圆120中提供的所述多个通孔130。纳米纤维111可以例如通过吹纺丝或电纺丝被沉积，如工具140所象征的。在施加纳米纤维111之前，可选的粘附促进层(未示出)可以被沉积在相应的晶圆表面121、122上。经纺丝的纳米纤维111组合为纳米纤维网络，该纳米纤维网络形成覆盖多个先前未被覆盖的通孔130的独立且机械顺应的纳米纤维膜110。
图6D示出了又一方法步骤，其中可以例如借助于划片(dicing)、锯切(sawing)等从晶圆120单个化(singulate)出各个环境屏障芯片100。因此，可以产生多个环境屏障芯片100，其中每个环境屏障芯片100包括其自己的独立且机械顺应的纳米纤维膜110。
图7A至7E示出了用于在晶圆级上生产多个环境屏障芯片100的替代工艺流程，即，上面讨论的衬底120可以再次作为晶圆提供。该实施例可以对应于图3A和3B所示的先前讨论的实施例，其中纳米纤维111被纺丝到衬底120上沉积的临时牺牲层150上。
在图7A至7E中的每个附图中，相应的上方图示出了晶圆120的顶视图，而下方图示出了晶圆120的透视图。图7A示出了未处理的裸晶圆120。晶圆120可以是例如硅晶圆。如图7B中可以看到的，可以在两个相对的晶圆表面121、122中的至少一个晶圆表面上沉积临时牺牲层150。在又一方法步骤中，上面讨论的多个通孔130可以被结构化到晶圆120中。它们可以从相对的第二晶圆表面122开始(即，从沉积的临时牺牲层150的相对侧开始)被结构化到晶圆120中。因此，通孔130在图7B中不可见。
图7C示出了又一方法步骤，其中纳米纤维111被沉积在临时牺牲层150上，例如通过工具140所象征的吹纺丝或电纺丝。在施加纳米纤维111之前，可选的粘附促进层(未示出)可以被沉积在临时牺牲层150上。经纺丝的纳米纤维111组合为纳米纤维网络，该纳米纤维网络形成由临时牺牲层150支撑的机械顺应纳米纤维膜110。
图7D示出了又一方法步骤，其中临时牺牲层150被去除。如上面讨论的，可以去除临时牺牲层150，例如通过借助于支撑结构170的蚀刻、灰化或机械去除。通过去除牺牲层150，通孔130变得未被覆盖并且因此可见。然而，纳米纤维111没有被去除，即，它们保留在之前放置临时牺牲层150的至少一个晶圆表面121、122上。由于纳米纤维膜110现在被直接布置在晶圆120上，因此纳米纤维膜100现在覆盖多个通孔130。
图7E示出了又一方法步骤，其中可以例如借助于划片、锯切等从晶圆120单个化出各个环境屏障芯片100。因此，可以产生多个环境屏障芯片100，其中每个环境屏障芯片100包括其自己的独立且机械顺应的纳米纤维膜110。
图8A至8C示出了在芯片级上生产多个环境屏障芯片100的创新方法的又一示例。该环境屏障芯片100可以基本上对应于上面讨论的环境屏障芯片100。因此，针对图8A至8C的环境屏障芯片100，相对于先前附图提及的一切也适用。
与先前讨论的实施例相比，差异在于提供了被布置在衬底120和纳米纤维膜110之间的永久性环境屏障结构180，如图8A中的分解图所描绘的。该环境屏障结构180可以对应于EP 22 210 912.6和EP 22210 899.5中描述的环境屏障结构，它们通过引用并入本文。
如图8B所示，永久性环境屏障结构180可以被布置在两个衬底表面121、122中的至少一个衬底表面上。环境屏障结构180可以被配置为包括用于允许流体交换的穿孔的机械顺应/柔性膜。如图8C所示，一个或多个纳米纤维111可以被沉积/纺丝到环境屏障结构180上，其中经纺丝的纳米纤维111组合为形成纳米纤维膜110的纳米纤维网络。
图9A和9B示出了环境屏障芯片100的侧视图，该环境屏障芯片100包括在其上形成有纳米纤维膜110的上述永久性环境屏障结构180。图9A示出了没有外力被施加到环境屏障结构180的情况。环境屏障结构180处于其初始状态，在该初始状态下环境屏障结构180不偏转。图9B示出了具有外力(例如压力)被施加到环境屏障结构180的场景。由于环境屏障结构180可以被配置为机械顺应/柔性结构，因此环境屏障结构180可以响应于所施加的力而偏转。纳米纤维膜100也可以与环境屏障结构180一起偏转。
图10A至10D示出了用于在晶圆级上生产多个环境屏障芯片100的方法的工艺流程，即，上面讨论的衬底120可以再次作为晶圆提供。该实施例可以对应于图8A至8C所示的先前讨论的实施例，其中纳米纤维111被纺丝到衬底120上布置的永久性环境屏障结构180上。
在图10A至10D中的每个附图中，相应的上方图示出了晶圆120的顶视图，而下方图示出了晶圆120的透视图。图10A示出了未处理的裸晶圆120。晶圆120可以是例如硅晶圆。如图10B中可以看到的，永久性环境屏障结构180可以被布置在两个相对的晶圆表面121、122中的至少一个晶圆表面上。永久性环境屏障结构180可以被配置为被穿孔的机械顺应膜。在又一方法步骤中，上面讨论的多个通孔130可以被结构化到晶圆120中。它们可以从相对的第二晶圆表面122开始(即，从永久性环境屏障结构180的相对侧开始)被结构化到晶圆120中。因此，通孔130仅在穿孔下方的图10B中被指示。
图10C示出了又一方法步骤，其中纳米纤维111被沉积在永久性环境屏障结构180上，例如通过工具140所象征的吹纺丝或电纺丝。经纺丝的纳米纤维111组合为纳米纤维网络，该纳米纤维网络形成由永久性环境屏障结构180支撑的机械顺应纳米纤维膜110。
图10D示出了又一方法步骤，其中可以例如借助于划片、锯切等从晶圆120单个化出各个环境屏障芯片100。因此，可以产生多个环境屏障芯片100，其中每个环境屏障芯片100包括其自己的机械顺应的纳米纤维膜110，其由机械顺应的永久性环境屏障结构180支撑。
总之，本文描述的创新概念提供了用于制造环境屏障芯片110的不同替代方法，该环境屏障芯片110包括纳米纤维和机械顺应的透气环境屏障膜110。一些实施例提供了(半导体)晶圆级处理的环境屏障模块100的设备和制作方法，该环境屏障模块100包括独立或者软(顺应)支撑的纳米纤维膜110。
建议提供若干可能的实施例和制造方法，以使用与经纺丝的纳米纤维材料组合的晶圆级处理方法来生产顺应的纳米纤维环境屏障膜111。由于可以应用来自半导体行业的制作技术，诸如晶圆级处理，因此可以显著降低制造成本。
感兴趣的结构可以包括衬底120(单芯片或晶圆)，该衬底120具有例如深反应离子蚀刻通孔130。通孔130的至少一侧可以被纳米纤维网络111覆盖，该纳米纤维网络111形成顺应且透气的环境屏障膜110。
在一种替代方法中(图7至7E)，纳米纤维膜110可以被沉积在随后被去除的牺牲载体层150上。根据该方法，纳米纤维111可以被沉积(例如通过应用电纺丝或吹纺丝方法)在覆盖环境屏障芯片100的通孔130的牺牲载体层150上。通过去除牺牲层150(经由例如蚀刻、灰化或机械去除)，可以释放独立的纳米纤维膜110。
如图7A至7E所描绘的，示例性生产方法从裸硅晶圆100开始。接下来，可以在晶圆120上沉积氧化硅(例如TEOS或其他类型的氧化物)，其可以充当DRIE(Bosch)蚀刻的蚀刻停止层和纳米纤维111的牺牲载体层150。随后，可以经由Bosch蚀刻通过晶圆衬底120蚀刻通孔130。纳米纤维111(例如PTFE)然后可以经由电纺丝或吹纺丝方法被沉积在氧化硅层150上。然后可以经由例如蒸汽(vapor)或液体HF蚀刻来去除氧化硅层150，从而释放独立的纳米纤维环境屏障膜110。考虑到晶圆级生产，各个芯片100最终可以经由划片方法被单个化。例如，可以经由划片方法对各个环境屏障芯片100进行单个化，以形成芯片100，每个芯片100包含纳米纤维和机械顺应的独立式环境屏障膜110。
在通过蚀刻去除临时牺牲层150的情况下，氧化硅可以被用作载体层150，并且耐HF材料可以被用于纳米纤维111。耐HF纳米纤维材料可以包括例如改性聚苯醚(noryl)、聚乙烯、聚丙烯(均聚物(homopolymer))、PTFE。
在通过灰化(在250℃及以上的温度下)去除临时牺牲层150的情况下，可以使用可以在灰化工艺期间去除的碳基载体层150。纳米纤维材料可以包括例如金属氧化物或陶瓷基纳米纤维(例如Al2O3、SiO2、SnO2、CuO)和高温稳定聚合物纳米纤维(例如PTFE和聚酰亚胺(PI)可以被选择为纤维材料)。
又一替代方法建议经由例如断裂设备(breaking device)或所谓的芯片中芯片(chip-in-chip)方法来机械去除载体的方法。如图5A和5B示例性所示，内部芯片170可以借助于细梁173而被悬挂在通孔130内部，其中外部芯片表面可以被纳米纤维网络覆盖。使梁悬挂的内部芯片170断裂开(通过使梁173断裂)可以释放独立的纳米纤维膜110。在机械去除的情况下，可以使用上述芯片中芯片的概念(取出内部设备170)，其中纳米纤维111的低粘附性可能是期望的。
根据又一替代方法，纳米纤维111可以被直接沉积/纺丝到衬底120上，例如预结构化的Si晶圆上。在这种情况下，省略了上述临时牺牲层150。由于不需要附加的牺牲载体层150，纳米纤维111可以被直接沉积/纺丝到预结构化的Si晶圆120上。示例性工艺流程如图6A至6D所示。裸晶圆120可以被预结构化为包含竖直通孔130。随后，纳米纤维网络可以被沉积在整个晶圆120之上。此处，通孔130的直径可能影响膜110稳定地锚定在衬底框架120上的可行性。直径过大的通孔可能导致纳米纤维111落入或陷入其中。因此，本文描述的通孔130可以包括尺寸(例如直径)，使得经纺丝的纳米纤维111预计不会落入通孔130中，但仍在整个晶圆120的顶部上形成纳米纤维膜110。在最后的步骤中，可以经由划片方法对各个环境屏障芯片100进行单个化以形成芯片100，每个芯片100包含纳米纤维和机械顺应的独立环境屏障膜110。
本文描述的环境屏障芯片100中的每个环境屏障芯片100可以利用后续的芯片单个化而在晶圆级上生产，或者利用在已经单个化的芯片100上对纳米纤维111进行单芯片处理而在芯片级上生产。
由于制作流程并且为了增加纳米纤维111与下层衬底120的粘附性，可以并入附加的层，例如可以在晶圆上保留氧化硅层(优选用于Bosch蚀刻并且不需要去除)，或者可以施加粘附促进层以提高衬底120上的纳米纤维111的稳定性(例如粗糙表面、粘附促进材料)。
根据再一方法，可以施加纳米纤维111，它由永久性环境屏障结构180(诸如非常薄的顺应载体膜)支撑。在这种情况下，纳米纤维膜110不是独立的，而是由环境屏障结构180支撑。如图10A至10D示例性所示，纳米纤维111可以被沉积在非常顺应(例如非常薄)的载体层180上，该载体层180在最终的环境屏障芯片100中永久地保持为支撑结构。
如图10A至10D所示，示例性制作方法可以在Si晶圆120上开始，其中沉积和结构化稍后的载体材料层180。载体层180的独立膜可以经由背面DRIE过程形成，其中可以在晶圆衬底120中产生通孔130。随后，可以在预结构化晶圆120上沉积/纺丝纳米纤维111，随后将晶圆120单个化为各个环境屏障芯片100。
同样在这种情况下，理论上可以进行具有后续芯片单个化的晶圆级生产和已经被单个化的芯片100上的纳米纤维111的单芯片处理。
永久性载体层180可以提供一些有利的性质(即，高顺应性、高穿孔/孔隙率、高温稳定性和良好的耐化学性)，以实现具有低SNR损失的环境屏障膜模块100，该环境屏障膜模块100可以稍后与麦克风封装集成。为该载体层180选择的材料在回流焊接过程期间可以是稳定的(例如260℃的峰值温度)。而且，一方面，所得到的载体层膜180的机械顺应性理想地应该大于随后沉积的纳米纤维111的机械顺应性，以便与其他替代方法中的纯纳米纤维膜相比不降低环境屏障膜堆叠(包括载体层180和纳米纤维膜110)的机械顺应性。高度顺应的载体层180可以通过沉积非常低的本征拉伸应力材料(理想地无应力)或沉积非常薄的(理想地2D的)材料来实现。在先前的研究中，100nm的单晶硅层示出高度顺应性。而且，诸如石墨烯、石墨烯碳和热解碳等碳基材料可能会引起人们的兴趣。根据产生的膜的几何形状(例如膜厚度和直径)，可以调整其机械稳健性和顺应性。
薄材料可以包括示出极高机械顺应性的单晶硅。薄材料还可以包括多晶硅，它在150nm及以下的厚度下示出非常高的机械顺应性。薄材料还可以包括碳基材料(例如石墨烯、石墨烯碳、热解碳)。热解碳可以表现出极高的机械顺应性，约为2至20μm/Pa，具有较高的稳健性水平。
另一方面，与其他替代方法中的裸纳米纤维膜相比，载体层180不应显著更改环境屏障膜堆叠体(载体层膜180和纳米纤维膜110)的透气性。因此，它需要高度穿孔或本质上是纳米/介孔的。
设想根据本文描述的方法中的一种方法制造的环境屏障芯片100可以允许产生具有集成环境保护的MEMS麦克风。具有集成环境保护的MEMS麦克风将简化制造商的系统实施方式，因为他们将不必处理寻找良好的环境屏障组件及其在声道或系统中的适当位置的问题。
尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，但是显而易见的是，这些方面还表示对应方法的描述，其中框或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应框或项目或者对应装置的特征的描述。
虽然本公开已经参照说明性实施例描述，但是该描述并不旨在以限制意义来解释。在参照描述时，说明性实施例的各种修改和组合以及本公开的其他实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这种修改或实施例。

Claims (14)

1.一种用于生产微结构透气环境屏障膜(110)的方法，所述方法至少包括以下步骤：
提供衬底(120)，并且将通孔(130)结构化到所述衬底(120)中，所述通孔(130)在所述衬底(120)的两个相对的表面(121、122)之间完全延伸穿过所述衬底(120)，
保持所述通孔(130)未被覆盖，并且通过应用电纺丝或吹纺丝方法中的至少一种方法将一个或多个纳米纤维(111)沉积到所述两个相对的衬底表面(121、122)中的至少一个衬底表面上，使得经纺丝的纳米纤维(111)组合为纳米纤维网络，所述纳米纤维网络形成独立且机械顺应的纳米纤维膜(110)，所述纳米纤维膜(110)覆盖先前未被覆盖的通孔(130)。
2.一种用于生产微结构透气环境屏障膜(110)的方法，所述方法至少包括以下步骤：
提供衬底(120)，所述衬底(120)具有第一衬底表面(121)和相对的第二衬底表面(122)，
将牺牲层(150)沉积到两个相对的衬底表面(121、122)中的至少一个衬底表面上，
将通孔(130)结构化到所述衬底(120)中，所述通孔在所述两个相对的衬底表面(121、122)之间完全延伸穿过所述衬底(120)，其中所述牺牲层(150)保留且覆盖所述通孔(130)，
通过应用电纺丝或吹纺丝方法中的至少一种方法来将一个或多个纳米纤维(111)沉积到所述牺牲层(150)上，使得经纺丝的纳米纤维(111)组合为纳米纤维网络，所述纳米纤维网络形成纳米纤维膜(110)，以及
去除所述牺牲层(150)以释放所述纳米纤维膜(110)，其中被释放的所述纳米纤维膜(110)形成覆盖所述通孔(130)的独立且机械顺应的纳米纤维膜(110)。
3.根据权利要求2所述的方法，
其中沉积所述牺牲层(150)的所述步骤包括沉积氧化硅层，并且
其中去除所述牺牲层(150)的所述步骤通过应用化学湿法蚀刻工艺来执行。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中沉积所述纳米纤维(111)的所述步骤包括沉积纳米纤维(111)，所述纳米纤维(111)包括耐所述化学湿法蚀刻工艺中使用的蚀刻剂的材料或者由该材料制成。
5.根据权利要求2所述的方法，
其中去除所述牺牲层(150)的所述步骤通过应用高温灰化工艺而被执行。
6.根据权利要求5所述的方法，
其中沉积所述牺牲层(150)的所述步骤包括沉积牺牲层(150)，所述牺牲层(150)包括用于通过所述高温灰化工艺去除的碳基材料或者由该碳基材料制成。
7.根据权利要求5或6所述的方法，
其中沉积所述纳米纤维(111)的所述步骤包括沉积纳米纤维(111)，所述纳米纤维(111)包括用于承受所述高温灰化工艺的高温稳定聚合物材料或者陶瓷基材料或者金属氧化物材料中的至少一种材料或者由该材料制成。
8.根据权利要求1或2所述的方法，
还包括在所述通孔(130)内提供微结构化的载体结构(170)的步骤，所述载体结构(170)借助于可断裂梁(173)而被悬挂，
其中沉积所述纳米纤维(111)的所述步骤包括将所述纳米纤维(111)沉积到所述载体结构(170)上，并且
其中所述方法还包括使所述可断裂梁(173)断裂并且从所述通孔(130)去除所述载体结构(170)以释放由所述沉积的纳米纤维(111)制成的所述纳米纤维膜(110)的步骤。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
还包括将粘附促进层沉积到所述两个相对的衬底表面(121、122)中的所述至少一个衬底表面上的步骤，并且
其中沉积所述纳米纤维(111)的所述步骤包括将所述纳米纤维(111)沉积到所述粘附促进层上。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
所述方法在晶圆级上被执行，
其中所述衬底(120)被提供为包括多个所述通孔(130)的晶圆，并且
其中沉积所述纳米纤维(111)的所述步骤包括：将所述纳米纤维(111)沉积到所述晶圆(120)的所述两个相对的衬底表面(121、122)中的所述至少一个衬底表面上，以覆盖所述晶圆(120)中的所述多个通孔(130)。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，
所述方法在芯片级上被执行，
其中所述衬底(120)被提供为具有单个通孔(130)的单个芯片，并且
其中沉积所述纳米纤维(111)的所述步骤包括：将所述纳米纤维(111)沉积到所述单个芯片(120)的所述两个相对的衬底表面(121、122)中的所述至少一个衬底表面上，以覆盖所述芯片(120)中的所述单个通孔(130)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
还包括通过应用溶剂蒸发和/或热处理来对所述经纺丝的纳米纤维(111)进行后处理以生产交联的纳米纤维(111)的步骤。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其中沉积所述纳米纤维(111)的所述步骤包括：沉积彼此之间包括不同材料和/或不同直径的纳米纤维(111)。
14.一种具有透气环境屏障膜(110)的环境屏障芯片(100)，所述环境屏障芯片(100)包括：
衬底(120)，包括完全延伸穿过所述衬底(120)的两个相对的表面(121、122)的通孔(130)，
其中独立且机械顺应的纳米纤维膜(110)被布置在所述衬底(120)的所述两个相对的表面(121、122)中的至少一个表面上，使得所述纳米纤维膜(110)覆盖所述通孔(130)，
其中所述纳米纤维膜(110)由布置在所述衬底(120)的所述两个相对的表面(121、122)中的所述至少一个表面上的经纺丝的纳米纤维(111)的网络形成。
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