用于制造具有黑色表面的微电子器件的工艺和微电子器件的制作方法

本发明涉及一种用于制造具备黑色表面的微电子器件的工艺，并且涉及一种相应的微电子器件。

背景技术：

众所周知，一些类型的电子器件(如mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)器件)具有期望尽可能多地减少光的入射和/或反射的黑色空腔。

这适用于例如在小型化投影仪模块(所谓的微微投影仪)中所使用的mems微反射镜，该mems微反射镜能够在一定距离处投影图像或产生期望的光图案。

mems微反射镜通常包括悬挂在对应空腔上方的一个或多个反射镜元件，并且从将是可移动的半导体材料本体开始制造，所述本体通常具有倾斜或旋转运动，用于以期望的方式引导入射光束。

例如，图1是微微投影仪的示意性表示，其中光源1(诸如激光源)产生光束2(通常由三个单色光束形成，每个基本颜色一个单色光束)，该光束通过仅示意性表示的光学系统3被微反射镜8偏转，此处的微反射镜由一对反射镜元件5、6形成。第一反射镜元件5例如可以是水平反射镜元件，该第一反射镜元件围绕第一轴a旋转并且生成快速水平扫描，并且第二反射镜元件6可以例如是竖直反射镜元件，该第二反射镜元件围绕横向于(特别是垂直于)第一轴线a的第二轴线b旋转，并且生成通常为锯齿型的慢竖直扫描。将这两个mems反射镜元件5、6的运动进行组合使得光束2执行完全的二维扫描运动并且一旦被投影到投影屏幕7上就会在其上生成二维图像。例如在wo2010/067354中对这类系统进行了描述。

图1的系统的变体包括二维类型的单个反射镜元件，该反射镜元件可同时围绕水平轴b和竖直轴a旋转，以便生成与图1相同的扫描图案。

mems微反射镜的另一应用是3d手势识别系统。这些系统通常使用微微投影仪和图像采集装置(如相机)。这里的光束可以在可见范围内、在不可见范围内，或者可以具有任何有用的频率。该微微投影仪可以与图1的微微投影仪相似，并且由微反射镜8偏转的光束2用于在两个方向上将对象进行扫描。例如，该微微投影仪可以在物体上投射小的带区。物体的任何可能的突出区域或凹陷区域(归因于其深度)在由相机检测到的光线中产生变形，这可以由用于检测第三维度的合适的电子设备进行处理。

在这两种情况下，利用所考虑的技术，通过致动系统控制反射镜元件的旋转，该致动系统目前是静电类型、磁性类型或压电类型的。

反射镜元件5、6可以具有图2所示的结构并且使用压电致动系统。这里，半导体材料(诸如硅)的芯片10包括结构层11，该结构层在具有空腔16的衬底13之上延伸(图3)。结构层11形成振荡元件14，该振荡元件布置在空腔16之上并且承载反射表面12。两个支撑臂15在振荡元件14的相对侧上延伸并且界定出振荡元件14的旋转轴线(例如，竖直反射镜元件6的旋转轴线b)。支撑臂15通过扭转弹簧18连接到相对于基底13固定的固定外围部分17。

由于致动组件20扭转弹簧18使得支撑臂15能够围绕轴线b旋转，从而形成静电类型的驱动结构。每个致动组件20因此包括面向固定电极22的移动电极21。

详细地，移动电极21相对于支撑臂15被固定，并且相对于固定电极22成叉指状，以便生成电容耦合。固定电极22由相对于芯片10的衬底13所固定的固定外围部分17承载。给定电极21，22的布置，驱动结构也被定义为“梳式驱动结构”。

以一种已知方式，通过在移动电极21与固定电极22之间施加合适的电压，可以在它们之间生成吸力或斥力，以便引起移动电极21相对于固定电极22的旋转、支撑臂15围绕轴线b的旋转、以及因此振荡元件14的所导致的受控旋转。为此，如图3所示，在固定外围区域17上形成接触区域25用于电连接或偏置这些固定和/或移动区域。

在所示的实施例中，在结构层11中形成：振荡元件14；支撑臂15；扭转弹簧18；移动和固定电极21、22；以及固定外围部分17，并且衬底13在顶部处封闭空腔16。

在反射镜元件5、6中，无论是单向型还是二维型，都可能出现寄生反射率，即由空腔16产生的不期望的光的反射。事实上，考虑到振荡元件14的典型尺寸(例如，具有从1mm至10mm的直径)、空腔16的使能进行空腔振荡的尺寸(例如，具有100μm至350μm的深度)以及光学组件的公差，指向反射镜元件5、6的光的一部分可能会穿透到空腔16中。相对于被反射表面12正确反射的光束(也称为“杂散光”)，这种在一些特性上被延迟或修改的光可能使得投影受到甚至相当大的干扰，从而使其性能恶化。

为了尽可能地防止或降低寄生反射率，已经提出了对空腔16的内表面进行处理，使得当该空腔在光学显微反射镜下观察时表现为黑色空腔。特别地，经常期望具有小于10％的寄生反射率。可以在对衬底13进行蚀刻以形成空腔16之后执行这种处理，以增加其壁的粗糙度。

例如，图4至图7示出了用于形成和黑化空腔16的可能工艺的连续步骤。

图4示出了半导体材料(例如硅)本体20，该本体在顶表面20a上具有顶表面20a以及导电材料的接触点或接触焊盘21，用于例如将本体20接地。本体20(例如，以本领域技术人员已知的方式在切割成单个器件之后被设计用于形成图3的衬底13的晶片)以及触点或接触焊盘21涂覆有绝缘层22，例如热氧化物。将绝缘层22从顶表面20a将要形成空腔的地方移除。介电材料层23(例如沉积的氧化硅或氮化物)在顶表面20a之上以及绝缘层22(在存在的情况下)之上延伸，以便在对硅进行蚀刻期间保护触点或接触焊盘21，并防止在硅中形成裂纹。

图5示出了对电介质层23进行光刻掩模和蚀刻之后的本体20、以及用于形成空腔16的本体20。空腔16通常是使用两种分开的蚀刻来形成的，以便首先去除电介质层23，然后去除本体20。在不同的设备中使用不同的气体进行这两种蚀刻，通常作为干法等离子体蚀刻。由于介电层23具有用于触点或接触焊盘21的保护功能，所以在蚀刻之前，掩模抗蚀剂(未示出)要经历固化步骤。

然后(图6)，对空腔16进行黑化。例如，为此，可以使用湿法蚀刻，该湿法蚀刻使用包括80％的h2so4、10％的hno3以及10％的hf的酸性化学物。以这种方式，空腔16的侧壁16a和底部16b具有不规则结构。蚀刻也会横向地起作用，在电介质层23的边缘下方形成硅的突出部分24。这些突出部分24(也称为“屋顶”)可以具有甚至20-30μm的长度，并且是不利的，因为它们可能具有引起缺陷的裂纹。

最后(图7)，通过毯式干法蚀刻去除介电层23，并且清洁本体20。

然后，执行接合另一本体并可能地对该本体进行薄化以形成结构层11的后续步骤(未示出)，对其进行界定以形成振荡元件14以及以上描述的其它结构，以已知的方式切割晶片等。

所描述的工艺成本高并且复杂，因为该工艺需要用于以下各项的大量步骤：对介电层23进行沉积；对腔体16的壁和底部进行湿法蚀刻；去除电介质层23；以及除了对硅进行蚀刻以便形成空腔16之外还要进行最终清洁。进一步地，这是至关重要的，因为在突出部分24中可能形成裂纹，这可能导致可能脱离并阻碍振荡元件14的运动的部分。

用于不同应用的其它对硅区域的表面进行黑化的工艺也是已知的；例如，论文“blacksiliconformationusingdryetchingforsolarcellsapplications(用于太阳能电池应用的使用干法蚀刻进行的黑硅形成)”，d.murias(d.穆里亚斯)等人，材料科学与工程b177(2012)1509-1513描述了描述了一种用于太阳能电池的基于利用sf6/o2和sf6/o2/ch4通过rie(反应离子蚀刻)对硅表面进行等离子体蚀刻的黑化工艺。这种工艺需要通过形成用作对硅进行蚀刻的微掩模的微氧化硅来对表面进行微氧化，并且生成棱锥硅结构。然而，随着时间推移，这些结构可能会脱离，并且因此该工艺在一些应用中是不利的，例如在微反射镜中，在微反射镜中这些微粒的存在可能危及器件的正常操作。

技术实现要素：

本发明的目标是提供一种克服现有技术的缺点的用于对硅表面进行黑化的工艺。

根据本发明，如在所附权利要求中所限定的，提供了一种产生黑硅表面的工艺以及一种相应的器件。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式、参照附图描述本发明的优选实施例，其中，：

-图1是微微投影仪的示意透视图；

-图2是图1的微反射镜的实施例的示意性表示；

-图3是图2的微反射镜的实施例的纵剖面；

-图4至图7是形成黑化空腔的连续步骤中的穿过半导体材料晶片的横截面；

-图8a和8b是本发明工艺的两个连续步骤中硅体的横截面；

-图9-12是穿过具有空腔的半导体材料晶片的横截面，该空腔在根据本发明的工艺的黑化期间重复经历图8a和8b的制造步骤；

-图13a-13c是在黑化之前穿过用于形成空腔的半导体材料晶片的横截面。

-图14是使用本发明微反射镜器件的微微投影仪的框图；并且

-图15和图16示出了用于耦合图14的微微投影仪和便携式电子设备的不同解决方案。

具体实施方式

本文所描述的黑化工艺基于通过重复包括两个步骤的循环在硅表面上形成粗糙度，这两个步骤为：第一步骤(沉积步骤，图8a)，在该第一步骤中聚合物层31沉积在硅区域30之上，其中聚合物层31包括具有非平面表面结构的有机聚合物；以及第二步骤(蚀刻步骤，图8b)，使得大致在硅区域30中再现聚合物层31的非平面结构。通常，在第二步骤中，没有完全除去聚合物层(在图8b中由31’表示)。然而，该工艺在完全去除的情况下也是起作用的。

事实上，如从图8a和8b可以注意到的，在蚀刻步骤期间，借助于聚合物层31的非平面结构，在聚合物层31具有较小厚度的点处，蚀刻并且去除硅区域30的表面部分。因此，在第二步骤结束时，最初为平面(图8a)的硅区域30的表面30a变得粗糙(图8b的表面30a’)。

例如在icp(感应耦合等离子体)反应器或在tcp(变压器耦合等离子体)反应器中执行所描述的步骤。对聚合物层31进行沉积，这样，可以容易地去除完全有机的层31，该层不与硅区域30的硅相互作用，而是沉积在其上。聚合物层31和硅区域30的表面部分的蚀刻是非常柔和的，研究该蚀刻以便使得硅区域30的表面起皱，而无需在硅中生成深层结构(例如柱或尖峰，所谓的“草”)，这些深层结构在具有黑化表面的成品器件的操作期间可能会脱离。

为了实现这一点，对该工艺的在等离子体中物质的停留时间t进行调节。事实上，众所周知，停留时间t与反应器中的压力p以及其体积v成比例，并与气体q的流量成反比，

t＝pv/q，

从而，通过改变停留时间(即，作用于压力和流量参数)，可以修改沉积的聚合物的量和第二步骤的速率，以便实现对硅的产生所期望的粗糙度的选择性表面去除。

详细地，使用以下参数中的至少一些来执行图8a至图8b所示的表面30a的黑化工艺：

-在第一步骤中，使用c4f8等离子体对聚合物层31进行沉积，并且在第二步骤中，使用c4f8和sf6等离子体进行蚀刻；

-在蚀刻步骤中，也可以存在c和/或o2；

-在第二步骤中，sf6的流量与c4f8的流量之间的比率为1.5±20％；例如，sf6的流量可以是600-700sccm(标准立方厘米每分钟)，并且c4f8的流量可以是400-450sccm；

-在沉积步骤期间c4f8的流量通常略高于在第二步骤期间相同气体的流量的绝对值；例如，用上面指示出的值，该值大约为425sccm；

-第一步骤的持续时间与第二步骤的持续时间之间的比率大约在0.25与0.4之间，例如约0.35，除了可能在第一循环中之外，在第一循环中，为了激活反应器，第一步骤的持续时间可能会更长；例如，第一步骤可以持续1.4s(第一周期为1.5)，并且第二步骤可以持续4s；

-第一步骤中的气体压力与第二步骤中的气体压力的比率大约为1.8±5％，除了可能在第一循环之外，在第一循环中，出于相同的激活原因，该比率可以更低；例如，可以在90毫托(mtorr)(第一循环为80毫托)的压力下进行第一步骤，并且可以在50毫托的压力下进行第二步骤。

使用所指示的参数，蚀刻使得去除聚合物层31的10.5nm的层以及硅区域30下面最多3nm的表面部分掉，其中后者被完全暴露出来。

如下文中所描述，参考图9至图13，可以调节硅区域30的表面的粗糙度，将这两个步骤重复特定次数或循环。

详细地，在图9中，通过深度蚀刻工艺以及本身已知的方式首先对由掩模41(例如光致抗蚀剂)覆盖的单晶或多晶硅的本体40进行蚀刻以便形成空腔42，该空腔42具有侧壁42a和底壁42b。可以如图13a-13c所示通过重复循环执行该步骤：

-沉积钝化层50(例如，经由c4f8等离子体中的沉积，图13a)；

-通过在sf6/o2等离子体中的高度定向离子蚀刻(图13b)将钝化层50从结构的水平表面去除，其中，等离子体(其带正电荷)的活性离子由55表示，氟自由基由56表示；借助于蚀刻的方向性，保护部分50a仅保留在所形成的空腔42的侧表面42a上(图13c)；并且

-随后，作为用于去除几百微米厚度的自由氟自由基56的结果，对硅从空腔42的底部进行蚀刻(图13c)；如图13c中虚线和箭头所示，空腔42因此增大了深度。

重复图13a至图13c的步骤，以已知的方式获得空腔42的所期望深度。例如，在深度蚀刻步骤结束时，空腔42的深度可以为100-500μm。

在达到空腔42的所期望深度并保持相同的掩模41之后，使用参考图8a、8b和图10所描述的两步工艺，对空腔42的表面进行第一次粗糙化或黑化。以这种方式，侧壁42a和底部42b具有第一粗糙度。应该注意的是，由于在空腔42的侧壁42a和底部42b上不存在聚合物保护层，该工艺不是定向的，而是在表层进行操作的，至多去除10nm的厚度，因此基本上不修改空腔42的深度。

在图11中，通过利用参照图8a和8b所描述的两步工艺的第二粗糙化循环，对空腔42的表面进行黑化，即，变得更粗糙。由于在该第二周期开始时，空腔42的表面具有第一粗糙度，所以在第二周期结束时，侧壁42a和底部42b的粗糙度会增加，并且这些具有大于第一粗糙度的第二粗糙度。

在图12中，对空腔42的表面进行第三次粗糙化和黑化，利用参照图8a和8b所描述的两步工艺进行进一步的粗糙化循环。因此，侧壁42a和底部42b的粗糙度会增大，并且它们具有大于第二粗糙度的第三粗糙度。

可以将参考图10至图12所描述的循环重复若干次，甚至20-30次或更多次，直到达到所期望的粗糙度水平，与工业生产工艺相兼容。

本文所描述的工艺具有多种优势。

特别地，该工艺简单并且廉价，因为它不需要薄层上的附加掩模或附加层。它集成了结构限定步骤，特别是用于利用黑化步骤形成空腔，因为它们可以在相同的反应器中进行，并且不会形成可能引起对所完成的器件的操作的干扰的结构和颗粒。该工艺进一步与微加工半导体材料的当前工艺完全兼容。

最后，所描述的工艺特别适合于对图2至图3所示类型的反射镜元件5、6的振荡元件下面的空腔进行黑化，因为所获得的黑化可以实现非常低的寄生反射率指数，这取决于获得的粗糙度，例如低于2％的指数。

所获得的粗糙表面具有以高密度且相当钝的低投影为特征的形态。例如，根据将要获得的粗糙度，所获得的突起可以具有包括在0.5与2μm之间的直径和大约0.5μm的高度，而没有化学键，特别是si-o键，因为在图8a的第一步骤期间所沉积的聚合物(类似于聚四氟乙烯)被简单地沉积在硅上而不与其结合。以这种方式，在申请人所获得的样品中，已经可以实现区域中1％的反射率。

如下文中参考图14至图16所展示的，具有空腔42的反射镜元件5、6可以是微反射镜(诸如图1的微反射镜8)的一部分并且被用在微微投影仪201中，该微微投影仪被设计为功能上耦合到便携式电子设备200。

详细地，图14的微微投影仪201包括：光源202，例如激光型光源，该光源旨在生成光束203；微反射镜器件8，该微反射镜器件旨在接收光束203并使其朝向屏幕或图像捕获模块205(外部并且布置在距微微投影仪201一定距离处)；第一驱动电路206，该第一驱动电路旨在向光源202提供适当的控制信号，用于根据将要投影的图像来生成光束203；第二驱动电路208，该第二驱动电路用于提供驱动信号以使微反射反射镜元件5、6的振荡元件14(图2和图3)进行旋转；以及通信接口209，该通信接口旨在从控制单元210的内部或外部(例如包括在便携式设备200中)接收将要生成的图像的亮度信息(例如以像素阵列的形式)。亮度信息被发送到输入端以驱动光源202。

此外，控制单元210可以包括用于控制微反射镜器件130的反射镜的角位置的单元。为此，控制单元210可以通过接口209接收由光探测器(在图14中未示出)生成的信号，并相应地控制第二驱动电路208。

如图15所示，微微投影仪201可以形成为相对于关联的便携式电子设备200分离且独立的附件，例如蜂窝电话或智能电话。在这种情况下，微微投影仪201通过适当的电气及机械连接元件(未详细展示出)耦合到便携式电子设备200。这里，微微投影仪201具备自身的壳体241，该壳体具有对来自微反射镜器件130的光束203是透明的至少一个部分241’。微微投影仪201的壳体241可拆卸地耦合至便携式电子设备200的对应壳体242。

可选地，如图16所展示的，微微投影仪201可以集成在便携式电子设备200内，并且布置在便携式电子设备200的壳体242内。在这种情况下，便携式电子设备200具有对来自微反射镜8的光束203是透明的对应部分242’。在这种情况下，微微投影仪201例如耦合到便携式电子设备200的壳体242中的印刷电路板。

最后，显然可以对本文所述和所示的工艺及器件做出修改和改变，而不因此偏离在随附权利要求书中定义的本发明的范围。

例如，本文所述的工艺适用于即使在没有空腔或沟槽的情况下也将被粗糙化的任何硅表面。