CN115836141A - 用于沉积压电材料的系统、用于使用所述系统的方法以及用所述系统沉积的材料 - Google Patents

用于沉积压电材料的系统、用于使用所述系统的方法以及用所述系统沉积的材料 Download PDF

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德雅·德尼兹
菲利普·约翰斯顿
杰伊·赫兰德
约翰·贝尔希克
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Abstract

公开了一种允许倾斜c轴压电材料结构生长的沉积系统。所述系统集成了各种溅射模块以产生高质量膜，并且被设计成优化吞吐量，使其有助于大容量制造环境。所述系统包括两个或更多个工艺模块，所述两个或更多个工艺模块包括被构造成以倾斜c轴沉积材料的离轴模块和被构造成以法线入射沉积材料的纵向模块；中心晶圆转移单元，所述中心晶圆转移单元包括加载锁、真空室和机器人，所述机器人设置在所述真空室内并且被构造成在所述中心晶圆转移单元与所述两个或更多个工艺模块之间转移晶圆衬底；以及可操作地连接到所述机器人的控制单元。

Description

用于沉积压电材料的系统、用于使用所述系统的方法以及用 所述系统沉积的材料
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年6月30日提交的美国临时专利申请第63/045,943号的权益，所述临时专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及用于沉积压电材料的系统。具体而言，本公开涉及用于沉积具有倾斜c轴的压电材料和法线入射压电材料的系统。本公开还涉及用于使用此类系统的方法，以及用此类系统沉积的材料。
背景技术
诸如AlN和ZnO的六边形晶体结构压电材料由于其压电和电声特性而具有商业意义。电声技术的主要用途一直是电信领域(例如，用于振荡器、滤波器、延迟线等)。最近，由于高灵敏度、分辨率和可靠性的潜力，人们越来越希望在高频感测应用中使用电声器件。然而，在某些传感器应用，特别是在液体或粘性介质中操作的传感器(例如，化学和生物化学传感器)中应用电声技术并不是容易的，因为纵向波和表面波表现出进入此类介质中的相当大的声泄漏，从而导致分辨率降低。
在压电晶体谐振器的情况下，声波可以体现为通过压电材料的内部(或“体”)传播的体声波(BAW)，或者在压电材料的表面上传播的表面声波(SAW)。SAW器件涉及沿压电材料的表面利用叉指换能器的声波(通常包括二维瑞利波)的转换，其中波被限制在约一个波长的穿透深度。BAW器件通常涉及使用布置在压电材料的相对的顶表面和底表面上的电极的声波的转换。在BAW器件中，不同的振动模式可以在体材料中传播，包括纵向模式和两种不同的偏振剪切模式，其中纵向模式和剪切体模式以不同的速度传播。纵向模式的特征在于在传播方向上的压缩和伸长，而剪切模式由垂直于传播方向的运动组成，而体积没有局部变化。这些体模式的传播特性取决于材料特性和关于晶体轴线取向的传播方向。因为剪切波表现出很低的进入液体中的穿透深度，所以具有纯剪切模式或主要剪切模式的器件可以在液体中操作，而不产生显著的辐射损失(与可在液体中辐射并且表现出显著的传播损失的纵向波相反)。重述的剪切模式振动对于具有流体的声波器件的操作是有益的，因为剪切波不会向流体赋予显著能量。
某些压电薄膜能够激励纵向模式共振和剪切模式共振。为了使用标准夹层电极配置器件激励包括剪切模式的波，压电薄膜中的偏振轴线通常必须不垂直于膜平面(例如，相对于膜平面倾斜)。六边形晶体结构压电材料，例如(但不限于)氮化铝(AlN)和氧化锌(ZnO)倾向于逐渐形成其垂直于膜平面的偏振轴线(即，c轴)，因为(0001)平面通常具有最低表面密度并且在热力学上是优选的。某些高温工艺可用于生长倾斜c轴膜，但提供与诸如金属电极或迹线的微电子结构的完全兼容性需要低温沉积工艺(例如，通常低于约300℃)。
低温沉积方法，例如反应性射频磁控溅射，已用于制备倾斜AlN膜。然而，这些工艺往往导致沉积角随衬底的区域上的位置而显著变化，这导致沉积的压电材料的c轴方向随靶到源的径向位置而变化。
衬底上的AlN膜结构的c轴倾斜角缺乏均匀性的一种效应是，如果AlN膜覆盖的衬底被切成各个芯片，则各个芯片将表现出c轴倾斜角的显著变化以及声波传播特性的伴随变化。c轴倾斜角的这种变化将使得难以有效地生产大量具有一致且可重复性能的谐振器芯片。
已描述了用于生产具有c轴倾斜的体膜的改进的方法和系统，其中体层的c轴倾斜主要通过控制沉积角度来控制。例如，用于沉积具有倾斜c轴种子层和体层的装置和方法在以下文献中描述：标题为“Deposition System for Growth of Inclined C-AxisPiezoelectric Material Structures(用于生长倾斜c轴压电材料结构的沉积系统)”的美国专利第9,922,809号；标题为“Methods for Fabricating Acoustic Structure withInclined C-Axis Piezoelectric Bulk and Crystalline Seed Layers(用于制造具有倾斜c轴压电体和结晶种子层的声学结构的方法)”的美国专利第10,541,662号；标题为“Acoustic Resonator Structure with Inclined C-Axis Piezoelectric Bulk andCrystalline Seed Layers(具有倾斜c轴压电体和结晶种子层的声学谐振器结构)”的美国专利第10,574,204号；标题为“Multi-Stage Deposition System for Growth ofInclined C-Axis Piezoelectric Material Structures(用于生长倾斜c轴压电材料结构的多级沉积系统)”的美国专利第10,541,663号；标题为“Methods for ProducingPiezoelectric Bulk and Crystalline Seed Layers of Different C-AxisOrientation Distributions(用于生产不同c轴取向分布的压电体和结晶种子层的方法)”的美国专利第10,063,210号。
需要对沉积系统进行进一步改进。
附图说明
图1是根据实施方案的沉积系统的示意性概述。
图2A-2D是根据实施方案的图1的沉积系统的机器人取出并转移晶圆衬底的示意图。
图3A-3D是根据实施方案的机器人将晶圆递送到图2D的沉积系统的离轴模块的示意性横截面侧视图。
图4A-4B是根据实施方案的机器人将晶圆递送到图2D的沉积系统的离轴模块的示意性横截面前视图。
图5是根据实施方案的图1的沉积系统的离轴模块的线性溅射设备的一部分的面向下的横截面图。
图6是根据实施方案的图2D的沉积系统的预溅射/脱气模块的示意性横截面图。
图7是根据实施方案的图2D的沉积系统的纵向模块的示意性横截面图。
图8A-8D是示出了根据本文中所述的实施方案的用于将倾斜c轴种子层和体层沉积在衬底上以实现所需c轴倾斜的工艺的示意图。
图9是包括如本文所公开的倾斜c轴六边形晶体结构压电材料体层的体声波牢固地安装的谐振器器件的一部分的示意性横截面图，其中谐振器器件包括有源区，所述有源区具有布置在顶侧电极与底侧电极的重叠部分之间的压电材料的一部分。
图10是根据一个实施方案的膜体声波谐振器(FBAR)器件的示意性横截面图，所述膜体声波谐振器器件包括布置在如本文所公开的结晶种子层上方的倾斜c轴六边形晶体结构压电材料体层，其中所述FBAR器件包括限定由支撑层覆盖的腔的衬底，并且包括与所述腔配准的有源区，所述有源区具有布置在顶侧电极与底侧电极的重叠部分之间的压电材料的一部分。
发明内容
描述了用于将压电材料沉积到晶圆衬底上的系统和方法。所述系统和方法可用于沉积压电材料，所述压电材料包括倾斜c轴和法线入射压电材料层。本公开的系统适合于连续工艺，并且能够在单个系统中执行该工艺的两个或更多个步骤。
用于将材料沉积到衬底上的系统包括：两个或更多个工艺模块，所述两个或更多个工艺模块包括离轴模块和纵向模块，所述离轴模块被构造成以倾斜c轴沉积材料，所述纵向模块被构造成以法线入射沉积材料；以及中心晶圆转移单元，所述中心晶圆转移单元包括加载锁、真空室和设置在所述真空室内并且被构造成在所述中心晶圆转移单元与所述两个或更多个工艺模块之间转移晶圆衬底的机器人；以及控制单元，所述控制单元可操作地连接到所述机器人。中心壳体单元可包括冷却站，所述冷却站被构造成控制晶圆温度。所述两个或更多个工艺模块可包括预溅射模块，所述预溅射模块被构造成制备用于沉积材料的晶圆衬底。所述系统可包括用于容纳机器人可接近的多个晶圆衬底的盒升降器。所述机器人可被构造成从所述盒升降器取出晶圆衬底并将取出的晶圆衬底转移到所述工艺模块中的一个。
所述离轴模块可包括线性溅射设备，所述线性溅射设备包括被构造成喷射金属原子的靶表面；晶圆卡盘，所述晶圆卡盘包括支撑表面，并且被配置成接收晶圆衬底并将晶圆衬底固定在适当位置；以及准直器，所述准直器包括多个引导构件，所述多个引导构件限定布置在所述线性溅射设备与所述晶圆卡盘之间的多个准直器孔口，所述准直器可在基本上平行于所述靶表面的方向上线性平移，其中所述靶表面布置成不平行于所述支撑表面。所述系统还可包括第二离轴模块。
所述纵向模块可包括圆形溅射设备，所述圆形溅射设备包括被构造成喷射金属原子的靶表面；以及晶圆卡盘，所述晶圆卡盘包括支撑表面并且被配置成接收晶圆衬底并将晶圆衬底固定在适当位置，其中所述靶表面布置成平行于所述支撑表面。
一种将材料沉积到衬底上的方法可包括：将晶圆衬底从加载锁转移到中心晶圆转移单元；将所述晶圆衬底从所述中心晶圆转移单元转移到离轴模块，并且以倾斜c轴将材料沉积到所述晶圆衬底上；以及将所述晶圆衬底从所述中心晶圆转移单元转移到纵向模块，并且以法线入射将材料沉积到所述晶圆衬底上。转移所述晶圆衬底可由机器人臂完成。所述方法可包括将所述晶圆衬底转移到预溅射模块中以及由等离子溅射器来清洁所述晶圆衬底。以倾斜c轴将材料沉积到所述晶圆衬底上可包括沉积种子层。以法线入射将材料沉积到所述晶圆衬底上可包括沉积体层。在将材料沉积到所述晶圆衬底上时，可以将第二晶圆衬底从所述中心晶圆转移单元转移到第二离轴模块，从而以倾斜c轴将材料沉积到所述第二晶圆衬底上。
具体实施方式
本公开涉及用于沉积压电材料的系统。具体而言，本公开涉及用于沉积包括倾斜c轴和法线入射压电材料的压电材料的系统。本公开的系统适合于连续工艺，并且能够在单个系统中执行该工艺的两个或更多个步骤。
公开了一种允许倾斜c轴压电材料结构生长的沉积系统。该系统集成了各种溅射模块以产生高质量膜，并设计成优化吞吐量，使其有助于大容量制造环境。在商购可得的薄膜沉积系统中未发现溅射技术的这种独特组合。通过集成压电材料结构生产中涉及的各种模块，可以避免将工件从一个模块移到外部环境并将其移动到另一个模块，从而避免将工件暴露于潜在污染。使用本公开的系统可以节省时间和能量，并且允许简化工艺。使用所述系统还有助于避免在工艺期间出现空气破裂、暴露于湿气以及工件的潜在污染，从而产生质量更高的最终产品。
术语“c轴”在本文中用于指具有六边形纤锌矿结构的沉积晶体的(002)方向。c轴通常是晶体的纵向轴线。
术语“c轴倾斜”、“c轴取向”和“c轴斜坡”在此可互换使用，以指代c轴相对于沉积衬底的表面平面的法线的角度。
当提及c轴倾斜或c轴取向时，应理解，即使给出单个角度值，沉积的晶体层(例如，种子层或体层)中的晶体也可展现角度分布。角度的分布通常大致遵循法线(例如，高斯)分布，其可以例如作为类似于钟形曲线的二维图或通过柱形图图形地展示。
术语“入射角”在本文中用于指原子沉积到衬底上的角度，测量为沉积路径与衬底的表面平面的法线之间的角度。
术语“衬底”在本文中用于指种子层或体层可沉积到其上的材料。衬底可以是例如晶圆或者可以是谐振器器件复合物或晶圆的一部分，所述谐振器器件复合物或晶圆还可包括其它部件，例如布置在衬底的至少一部分上的电极结构。在本公开的实施方案中，种子层不被视为“衬底”。
当提及“在衬底上”沉积晶体时，在衬底与晶体之间可以存在介入层(例如，种子层)。然而，表述“直接在衬底上”或“在衬底的表面上”旨在排除任何介入层。
术语“种子层”在本文中用于指沉积到衬底上的第一层，并且体材料层可以沉积到其上。
术语“体层”在本文中用于指主要表现出(002)纹理的结晶层。可以在一个或多个步骤中形成体层。在本公开中提及体层是指整个体层，不论体层是在单个步骤、两个步骤还是多于两个步骤中形成。
术语“真空”在本文中用于指低于大气压的压力条件，其中大气压为760托。
如本文所用，术语“基本上”具有与“几乎完全”相同的含义，并且可以理解为以至少约90％、至少约95％或至少约98％修改随后的术语。
关于晶体的术语“平行”和“基本上平行”是指晶体的方向性。基本上平行的晶体不仅具有相同或相似的c轴倾斜，而且还指向相同或相似方向。
术语“约”在本文中与数值结合使用以包括如本领域技术人员所期望的测量的正常变化，并且应理解为具有与“大约”相同的含义，并且涵盖典型的误差裕度，例如所述值的±5％。
除非另外说明，否则本文使用的所有科学和技术术语具有本领域中常用的含义。本文提供的定义是为了便于理解本文经常使用的某些术语，并且并不意图限制本公开的范围。
除非内容另外明确指出，否则如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”涵盖具有复数指称的实施方案。
如本文所用，术语“或”通常在包括“和/或”的含义上使用，除非内容另外明确指出。术语“和/或”意指所列元件中的一者或全部或所列元件中的任何两个或更多个的组合。
如本文所用，“具有(have/having)”、“包括(include/including)”、“包含(comprise/comprising)”等以其开放性意义使用，并且一般意指“包括但不限于”。应理解，“基本上由......组成”、“由......组成”等被归并到“包括”等中。如本文所用，由于其涉及组合物、产品、方法等，因此“基本上由......组成”意指组合物、产品、方法等的组分限于列举的组分和基本上不影响组合物、产品、方法等的基本和新颖特性的任何其他组分。
词语“优选的”和“优选地”是指可以在某些情况下提供某些益处的本发明的实施方案。然而，在相同或其他情况下，其他实施方案也可以是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的叙述并不意味着其他实施方案不是有用的，并且无意将其他实施方案排除在本公开的范围(包括权利要求书)之外。
由端点表示的数值范围包括该范围内包括的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等，或者10或更少包括10、9.4、7、6、5、4.3、2.9、1.62、0.3等)。当值的范围“最多至”特定值时，该值包括在该范围内。
本文提及的任何方向，例如“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“下”以及其他方向和取向在本文中为了清楚而参考附图进行描述，并且不旨在限制实际器件或系统或者器件或系统的使用。如本文所述的器件或系统可以在多个方向和取向上使用。
专用沉积设备可用于沉积倾斜c轴压电材料结构以控制c轴相对于衬底/电极的法线的取向。通过了解膜生长的机制和设置膜结晶结构的能力来实现这种沉积。所进行的工作已开发了与独立沉积系统集成的新颖沉积技术来完成此任务。
现有沉积系统的问题包括多个工艺模型未集成到单个平台上。对于利用晶圆级工艺的商业器件制造，吞吐量也是考虑因素。需要一种包括专业工艺模块并集成整个工作单元的系统。与利用单独的系统沉积压电膜结构相比，这种类型的系统具有优点。优选地，所述系统能够处理任何期望大小的晶圆，例如高达200mm或甚至更大的晶圆。在某些情况下，所述系统被配置成能够处理尺寸高达200mm的晶圆。
根据实施方案，所述系统包括：集中式真空平台，所述集中式真空平台包括真空室和容纳在所述真空室中的机器人；用于以倾斜c轴沉积材料的离轴模块；用于以法线入射沉积材料的纵向模块；以及系统控制架构。根据一些实施方案，所述系统包括以下工艺元件：
用于操纵工艺模块之间的晶圆的集中式真空平台；
用于控制各个工艺序列之间的晶圆温度的冷却站模块；
用于在沉积工艺之前制备晶圆衬底的预溅射/脱气模块；
用于倾斜c轴膜沉积的离轴模块；
用于法线入射膜沉积的纵向模块；以及
系统控制架构。
图1中示出了系统1的示意图，其示出了由具有真空室11的中心晶圆转移单元10限定的集中式真空平台，所述真空室容纳晶圆转移机器人60。系统控制架构包含在系统控制单元14中。系统1包括晶圆存储单元，例如晶圆盒升降器20，所述晶圆存储单元被构造成容纳多个晶圆。系统1还包括预溅射/脱气模块30、一个或多个离轴模块40、纵向模块50和冷却站模块70。各个模块可以由门或阀，例如闸阀或进入端口21、31、41、51与中心晶圆转移单元10分开。
本公开的系统可用于生产具有c轴倾斜的体膜。例如，本公开的系统可用于生产包括倾斜c轴六边形晶体结构压电材料的结构。此类压电材料可包括氮化铝(AlN)和氧化锌(ZnO)。倾斜c轴六边形晶体结构压电材料可以用于例如各种谐振器以及薄膜电声和/或传感器装置中。用倾斜c轴六边形晶体结构压电材料制成的膜可特别适用于在液体/粘性介质中操作的传感器，例如化学和生物化学传感器。
根据实施方案，各种模块被配置成具有特定功能以获得所得器件结构的所需膜特性，并且如下所述优化吞吐量。
根据实施方案，集中式真空平台包括中心晶圆转移单元，所述中心晶圆转移单元包括真空室和设置在真空室内的用于转移晶圆衬底的晶圆转移机器人。中心晶圆转移单元可包括或连接到一个或多个晶圆盒升降器以用于容纳多个晶圆。晶圆盒升降器内部的晶圆衬底可由机器人取出。集中式真空平台还可包括一个或多个(例如，两个)加载锁以及在集中式真空平台与系统的各个模块之间的多个进入端口。机器人可被构造成从盒取出晶圆衬底，并将取出的晶圆衬底转移到工艺模块中的一个。具有多个加载锁可以帮助以连续方式通过系统处理晶圆。中心晶圆转移单元可以居中定位在工艺模块之间。
根据实施方案，集中式真空平台包括：
a.一个或多个(例如，两个)加载锁，以用于以连续方式操纵工具内的晶圆。
b.集中式真空平台与每个模块之间的进入端口。
如图2A-2D中示意性地示出的，机器人60可具有一个或多个机器人臂61，所述一个或多个机器人臂可被配置成在各个模块之间取出和转移晶圆4。在图2A中，机器人臂61在中心晶圆转移单元10内部处于起始位置。机器人臂61可以延伸到延伸位置中，如图2B中所示，以从模块中的一个(例如晶圆盒升降器20)取出晶圆4。如图2C中所示，机器人臂61可以再次缩回，然后旋转并延伸以将晶圆4递送到另一模块(例如离轴模块40)，如图2D中所示。机器人臂61可以通过闸阀或进入端口21、31、41、51接近模块。
根据实施方案，系统1包括冷却站模块70。冷却站模块可用于控制各个工艺序列之间的晶圆温度。例如，冷却站模块可用于在预处理之后(例如，在预溅射模块中)、在离轴沉积之后、在纵向沉积之后或其组合冷却晶圆衬底。冷却站模块可用于将晶圆衬底冷却至室温(例如，至约25℃)。冷却站可包括用于将晶圆衬底固定在适当位置的机构，例如静电或机械夹持系统。冷却站还可包括用于向晶圆衬底(例如，向晶圆衬底的背面)施加气体以改进热接触的系统。
根据实施方案，冷却站模块包括：
a.具有静电或机械夹持的晶圆台。
b.具有用于改善热接触的背面气体能力的晶圆台。
c.控制冷却至室温。
根据实施方案，系统1包括预溅射模块30。图6中示出了示例性预溅射模块30的示意性横截面图。中心晶圆转移单元10的机器人臂61可以通过进入端口31将晶圆4递送到预溅射模块30。预溅射模块可用于在沉积在离轴模块或纵向模块中之前清洁晶圆衬底(例如，以制备电极的表面)。例如，预溅射模块可以用于去除在晶圆衬底的表面上吸收的气体或氧化，和/或影响表面的粗糙度。调整预溅射表面制备的程度可用于影响后续沉积膜的生长。预溅射模块可包括等离子体源和改变等离子体源与晶圆衬底的距离的能力。等离子体源可包括具有低离子能量的ICP/RF线圈32，所述ICP/RF线圈被布置成与晶圆衬底的表面相对。预溅射模块30可包括闸门33，如图6中所示。台控制机构36可包括用于将晶圆衬底固定在适当位置的静电或机械夹持系统。预溅射模块还可包括针对晶圆衬底(例如，针对晶圆衬底的背面)以改善热接触的气体供应器35。预溅射模块30还可包括用于监测和控制模块内部的温度的特征，例如内部屏蔽34以及温度监测器和控件。预溅射模块可包括偏置(例如，RF偏置)晶圆衬底以进行清洁的能力。RF偏置可为例如300W或更小。在一些实施方案中，RF偏置为50W或更大，或100W或更大。RF偏置可为50W至300W或100W至300W。可以将晶圆衬底加热到高达400℃以用于脱气和预热，以便在沉积步骤之前(例如，在离轴模块和纵向模块中)去除表面污染物。
根据实施方案，预溅射/脱气模块包括：
a.用于预溅射清洁的与晶圆台相对的具有低离子能量的等离子体源(ICP/RF线圈-低频率)。
b.改变等离子体源到晶圆台的距离以优化预溅射清洁的能力。
c.具有静电或机械夹持的晶圆台。
d.具有用于改善热接触的背面气体能力的晶圆台。
e.具有RF偏置(300W或更小)以用于预溅射清洁的晶圆台。
f.衬底加热高达400℃以进行脱气和预热的晶圆台。
系统1可包括两个或更多个沉积模块。根据实施方案，两个或更多个沉积模块至少包括离轴模块40和纵向模块50。两个或更多个沉积模块可包括两个(或更多个)离轴模块。离轴沉积往往是该工艺的最慢部分，并且具有两个离轴模块允许通过消除瓶颈来更有效地使用整个系统。
根据实施方案，离轴模块40被配置成用于以倾斜c轴沉积材料。离轴模块包括线性溅射设备，所述线性溅射设备具有被构造成喷射金属原子的磁控管和靶表面、准直器，以及用于保持和平移模块内的晶圆衬底的晶圆卡盘。离轴模块的各个部分可以容纳在腔室内部。所述系统可包括用于抽吸和维持腔室内部的真空的真空泵。所述腔室可由闸阀与所述中心晶圆转移单元分开。准直器组件以及准直器和磁控管相对于衬底的配置在美国专利号9,922,809和10,541,663中描述。
由机器人臂61将晶圆衬底4递送到晶圆卡盘44，以及晶圆卡盘44的操作在图3A-3D以及图4A和4B中示意性地示出，图3A-3D是机器人臂和离轴模块40的横截面侧视图，图4A和4B是离轴模块40的横截面前视图。中心晶圆转移单元10的机器人臂61可以通过进入端口41将晶圆4递送到离轴模块40，如图3A和3B中所示。进入端口41可以例如通过沿着箭头41a移动而打开。晶圆卡盘44可包括接收晶圆衬底4的支撑表面46。晶圆衬底4可以平放在支撑表面46上(例如，平行于支撑表面)。晶圆卡盘44可被构造成在水平位置接收晶圆衬底4，如图3A和3B中所示。也就是说，中心晶圆转移单元10的机器人臂61可以将晶圆4在水平位置(例如，其中晶圆衬底4基本上水平地设置)递送到离轴模块40。晶圆4的水平移动由箭头4a示出。晶圆卡盘44可被构造成将离轴模块40内的晶圆衬底4旋转到非水平位置，例如竖直位置，如图3C中的箭头4b指示并如图3D中所示。支撑表面46以及因此由支撑表面46支撑的晶圆衬底4可沿着竖直平面设置。晶圆卡盘44还可被构造成在离轴模块40内在非水平(例如，竖直)位置平移晶圆衬底4。例如，如箭头4c所示，晶圆卡盘44可以被构造成使晶圆衬底4沿着竖直平面逐渐升高和逐渐降低。晶圆卡盘44还可被构造成沿着竖直平面将晶圆衬底4从一侧平移到另一侧。支撑表面的竖直平面可以不平行于溅射设备的靶表面的平面。根据实施方案，靶166具有沿着水平线定向的纵向轴线。准直器组件170可以布置在靶166与晶圆衬底4之间。准直器组件170可以不与靶166和晶圆衬底4中的每一个平行的角度定向。
图4A和4B是离轴模块40的横截面前视图，其示出了晶圆衬底4在旋转之前(图4A)以及在旋转和移动之后(图4B)递送到晶圆卡盘44。晶圆卡盘44可以与使晶圆卡盘44旋转的臂45联接。臂45还可被配置成在竖直方向(箭头4c)和水平方向(箭头4d)上移动(例如，平移)晶圆卡盘44和晶圆衬底4，如图4B中所示，以定位晶圆衬底4以便沉积。在晶圆4的前方示意性地示出了靶166的位置。靶166可以沿着纵向轴线A延伸。靶166的纵向轴线可以沿着水平线定向。靶166可以倾斜，使得靶表面不平行于晶圆4。
离轴模块可包括线性磁控管，所述线性磁控管具有可操作地联接到靶表面以促进金属原子从靶表面喷射的溅射阴极。线性溅射设备可包括矩形磁控管。磁控管可具有小于5英寸(约12.5厘米)的宽度以模拟单点溅射源。在一个实例中，磁控管具有3.11英寸(约7.9厘米)的宽度。溅射设备的靶表面可以相对于接收在卡盘中的晶圆衬底成角度地布置。例如，靶表面可以被布置成不平行于支撑表面，以用于接收晶圆衬底。根据实施方案，靶具有沿着水平线定向的纵向轴线。可以提供气体入口以将气体(例如，氩气和氮气)供应到溅射装置中。
离轴模块的准直器可包括限定布置在线性溅射设备与晶圆卡盘之间的多个准直器孔口的多个引导构件。准直器可在模块内移动。例如，准直器可在基本上平行于靶表面的方向上线性地平移。在一个实施方案中，准直器可在水平方向上线性地平移。准直器可以布置在靶表面与晶圆衬底之间。准直器可以不平行于靶表面和晶圆衬底中的每一个的角度定向。
在图5中示意性地示出了线性溅射设备、准直器和晶圆衬底的布置，该图是离轴反应器的一部分的面向下的横截面图。如图所示，晶圆衬底4邻近沉积孔口150(部分地由屏蔽面板180和均一性屏蔽件152界定)布置，其中准直器组件170布置在晶圆衬底4与线性溅射设备154之间的中间。在某些实施方案中，沉积孔口150包括范围从约3英寸到约9英寸的宽度。均一性屏蔽件152可以延伸到沉积孔口150中并且具有约2英寸的最大宽度。靶166的喷射表面沿着线性溅射设备154的前表面布置。准直器组件170以不平行于靶166和晶圆衬底4中的每一个的角度布置在靶166与晶圆衬底4之间。准直器组件170包括组合形成网格的多个水平引导构件172和竖直引导构件174。该网格限定允许由靶166的表面喷射的金属原子通过的多个孔口。准直器组件170进一步由管状支撑件176横向界定。线性溅射设备154可包括被配置成使液体循环的液体端口164。准直器组件170可被配置成在竖直方向上移动(例如，平移)。线性溅射设备154可包括通道引导件222，所述通道引导件被布置成接收轴承160并且支撑允许准直器组件170移动的准直器侧托架162。
离轴模块可以具有改变靶与晶圆之间的距离的能力。例如，可以改变靶与晶圆之间的距离以优化沉积膜厚度的均匀性。所得的膜跨越晶圆的均匀性也可以通过在晶圆孔口处使用整形器系统来改进。
离轴模块可包括用于将晶圆衬底固定在适当位置的机构，例如静电或机械夹持系统。离轴模块还可包括用于向晶圆衬底(例如，向晶圆衬底的背面)供应气体以改进热接触的气体供应器。离轴模块可包括偏置(例如，RF偏置)晶圆衬底以进行清洁的能力。RF偏置可为例如300W或更小。在一些实施方案中，RF偏置为50W或更大，或100W或更大。RF偏置可为50W至300W或100W至300W。可在沉积期间将晶圆衬底加热到高达400℃。离轴模块还可包括用于监测和控制模块内部的温度的特征，例如内部屏蔽以及温度监测器和控件，以在沉积期间改进工艺稳定性。
在一些实施方案中，所述系统包括多于一个离轴模块。例如，所述系统可包括两个或三个离轴模块。两个或更多个离轴模块可以具有与本文所述相同或基本上相同的配置。
根据实施方案，离轴模块包括：
a.美国专利号9,922,809和10,541,663中描述的关于以下各项的配置：
1.准直器组件和运动；
2.准直器/磁控管/衬底配置；
3.矩形磁控管；和
4.衬底运动。
b.面向下或竖直以减少与准直器相关联的颗粒物污染的晶圆取向。
c.改变靶到晶圆台距离以优化厚度均匀性的能力。
d.宽度小于5英寸以模拟单点溅射源的矩形磁控管。可使用3.11英寸宽的磁控管确定工艺。
e.具有整形器系统以最小化跨越晶圆的厚度不均匀性的晶圆孔口。
f.具有静电或机械夹持的晶圆台。
g.具有用于改善热接触的背面气体能力的晶圆台。
h.具有RF偏置(300W或更小)以控制作为沉积膜应力的晶圆台。
i.衬底加热高达400℃以在沉积期间进行衬底温度控制的晶圆台。
j.内部屏蔽、温度监测和控制以在沉积期间改善工艺稳定性。
根据实施方案，所述系统还包括纵向模块。在图7中示出了示例性纵向模块50的示意性横截面图。纵向模块50被配置成用于以法线入射(例如，垂直于晶圆衬底表面)沉积材料。纵向模块包括具有磁控管511的圆形溅射设备，所述磁控管具有可操作地联接到靶表面512的溅射阴极，所述靶表面被配置成喷射金属原子以沉积到晶圆衬底上。纵向模块可包括用于保持和平移模块内的晶圆衬底的晶圆卡盘54。中心晶圆转移单元10的机器人臂61可以将晶圆4通过进入端口51递送到纵向模块50的晶圆卡盘54。晶圆衬底4可以平放在(例如，平行于)晶圆卡盘54的支撑表面上。可以提供气体入口513以将气体(例如，氩气和氮气)供应到溅射装置中。电机52可用于旋转磁体。模块还可包括闸门514。纵向模块50的各个部分可以容纳在腔室510内部。所述系统可包括用于抽吸和维持腔室内部的真空的真空泵。腔室可由闸阀51与中心晶圆转移单元分开。根据实施方案，纵向模块不包括准直器。
纵向模块可具有改变靶与晶圆之间的距离的能力。例如，靶与晶圆之间的距离可以变化，例如，台控制机构56，以优化沉积膜厚度的均匀性。所得的膜跨越晶圆的均匀性也可以通过在晶圆孔口处使用整形器系统来改进。
纵向模块可包括台控制机构55，所述台控制机构可包括用于将晶圆衬底固定在适当位置的静电或机械夹持系统。纵向模块还可包括用于向晶圆衬底(例如，向晶圆衬底的背面)施加气体以改进热接触的气体供应器56。纵向模块可包括偏置(例如，RF偏置)晶圆衬底以进行清洁的能力。RF偏置可为例如300W或更大。可在沉积期间将晶圆衬底加热到高达400℃。纵向模块可包括布置在圆形靶附近以控制来自磁控管的等离子体均匀性的DC线圈515。纵向模块还可包括用于监测和控制模块内部的温度的特征，例如内部屏蔽53以及温度监测器和控件，以在沉积期间改进工艺稳定性。
根据实施方案，纵向模块包括：
a.圆形磁控管。
b.改变靶到晶圆台距离以优化厚度均匀性的能力。
c.具有静电或机械夹持的晶圆台。
d.具有背面气体供应以改善热接触的晶圆台。
e.具有RF偏置(300W或更大)以控制作为沉积的膜应力的晶圆台。
f.衬底加热高达400℃以在沉积期间进行衬底温度控制的晶圆台。
g.位于圆形靶附近以控制磁控管等离子体均匀性的DC线圈。
h.内部屏蔽、温度监测和控制以在沉积期间改善工艺稳定性。
所述系统可包括可操作地连接到中心晶圆转移单元和各个模块的任何合适的控制单元。例如，所述系统可以包括处置各个模块的操作的中心计算机和任选地单独的模块计算机，其中中心计算机可操作地连接到每个单独的模块计算机。中心计算机可包括用于处置和控制所述系统和单独的模块计算机的图形用户界面(GUI)。控制单元可被编程以实现集群结构化并提高系统的正常运行时间。
在一个实施方案中，所述系统控制架构包括：
a.用于处置的中心计算机和与单独的模块计算机联接的GUI，其可实现集群结构化并提高正常运行时间。
系统的控制器的准确配置不是限制性的，且基本上可以使用能够提供合适的计算能力和控制能力以实现所述方法的任何装置。鉴于以上内容，将显而易见的是，可以以本领域的技术人员已知的任何方式来实现控制功能。这样，将用于实现本文描述的工艺的计算机语言、控制器或任何其他软件/硬件不应限制本文描述的系统、工艺或程序(例如，由这些工艺或程序提供的功能)的范围。本公开中描述的方法和工艺，包括归因于系统或各种组成部件的那些方法和工艺，可以至少部分地在硬件、软件、固件或其任何组合中实施。例如，所述技术的各种实施方案可以在一个或多个处理器内实施，所述一个或多个处理器包括一个或多个微处理器、DSP、ASIC、FPGA、CPLD、微控制器或任何其他等效的集成或分立逻辑电路，以及此类部件的任何组合。当在软件中实施时，归因于本公开中描述的系统、装置和方法的功能可以体现为计算机可读介质上的指令，所述计算机可读介质是例如RAM、ROM、NVRAM、EEPROM、FLASH存储器、磁数据存储介质、光学数据存储介质等。所述指令可以由一个或多个处理器执行以支持所述功能的一个或多个实施方案。
根据实施方案，所述系统可用于将材料沉积到晶圆衬底上。使用所述系统来沉积材料的方法可包括以下步骤中的一个或多个：将所述晶圆衬底加载到加载锁；从盒升降器取出晶圆衬底；将所述晶圆衬底从所述加载锁转移到中心晶圆转移单元；将所述晶圆衬底从所述中心晶圆转移单元转移到预溅射模块中，并且由等离子溅射器来清洁所述晶圆衬底；将所述晶圆衬底转移到离轴模块，并且以倾斜c轴将材料沉积到所述晶圆衬底上；以及将所述晶圆衬底从所述中心晶圆转移单元转移到纵向模块，并以法线入射将材料沉积到所述晶圆衬底上。转移所述晶圆衬底可由机器人臂完成。机器人臂可以在水平位置转移晶圆衬底。
所述方法可包括在中心晶圆转移单元和诸如预溅射模块、离轴模块和纵向模块的模块中的一个或多个内产生真空。真空可在每个模块内单独地控制，所述模块可通过闸阀与中心晶圆转移单元分开。可以在每个模块内通过冷却、加热或其组合来控制晶圆衬底的温度。加载锁可充当中间转移环境，其中真空低于大气，但略高于中心晶圆转移单元或单独的模块。例如，加载锁可具有在1·10-4托至1·10-8托，或1·10-6托至1·10-7托范围内的压力。中心晶圆转移单元中的压力可以在1·10-7托至1·10-8托的范围内。沉积模块(例如，离轴模块和纵向模块)内的压力可以在5·10-9托至1·10-2托的范围内。溅射可以在单独的模块内控制的氩气和氮气气氛中进行。
机器人臂可以在水平位置将晶圆衬底转移到离轴模块，并将晶圆衬底递送到离轴模块内部的晶圆卡盘。然后，晶圆卡盘可以将晶圆衬底旋转到竖直位置(例如，其中晶圆衬底的主表面沿着竖直平面布置)。晶圆卡盘可以沿着竖直平面或竖直线在竖直位置平移晶圆衬底。
所述方法可包括使用具有溅射阴极的线性磁控管从靶表面喷射金属原子。支撑表面的竖直平面可以不平行于溅射设备的靶表面的平面。在实施方案中，溅射设备的靶表面沿着水平线设置。根据实施方案，所述方法包括以倾斜c轴将材料沉积到晶圆衬底上。以倾斜c轴沉积材料可包括将种子层直接沉积到晶圆衬底上。
所述方法可包括将晶圆衬底从离轴模块转移到纵向模块中，以及在纵向模块的晶圆卡盘中接收晶圆衬底。所述方法还可包括使用纵向模块通过从圆形溅射设备的靶表面喷射金属原子来沉积材料。使用纵向模块沉积材料可包括将体层沉积到离轴模块中沉积的种子层上。材料(例如，体层)可以法线入射沉积。
在所述系统包括两个或更多个离轴模块的实施方案中，纵向模块可以从两个或更多个离轴模块交替地接收晶圆衬底。这可以有助于避免纵向模块的停机时间并简化系统内的生产。例如，当材料沉积到第一离轴模块中的一个晶圆衬底上时，第二晶圆衬底可以从中心晶圆转移单元转移到第二离轴模块以将材料沉积到第二晶圆衬底上。
在一个或多个实施方案中，所述系统可描述为使用在一个或多个可编程处理器上执行的一个或多个计算机程序来实施，所述一个或多个可编程处理器包括处理能力(例如，微控制器或可编程逻辑器件)、数据存储装置(例如，易失性或非易失性存储器或存储元件)、输入装置和输出装置。本文描述的程序代码或逻辑可以施加到输入数据以执行本文描述的功能并生成所需的输出信息。输出信息可以作为输入施加到本文描述的一个或多个其它装置或工艺或如以已知方式施加那样施加。
可以使用任何可编程语言(例如，适合于与计算机系统通信的高级程序或面向对象的编程语言)来提供用于实现本文描述的工艺的计算机程序产品。任何这样的程序产品都可以例如存储在任何合适的装置上，例如，可由通用或专用程序读取的存储介质，用于在读取合适的装置以执行本文描述的程序时配置和操作计算机的控制器设备。换句话说，至少在一个实施方案中，所述系统可以使用配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质来实现，其中如此配置的存储介质使计算机以特定和预定义方式操作以执行本文描述的功能。
本公开的系统和方法可用于制造体声波谐振器结构。所述体声波谐振器结构包括具有倾斜c轴六边形晶体结构材料(例如，压电材料)的体层。六边形晶体结构体层由衬底支撑。体层可以在两步工艺中形成，其中第一步骤在离轴模块中执行，第二步骤在纵向模块中执行。在第一步骤中，层的第一部分(例如，种子层)以非法线入射角沉积以实现期望的c轴倾斜。一旦建立c轴倾斜，层的剩余部分(例如，体层)就以法线入射沉积。尽管以法线入射沉积，但剩余体层倾向于采用先前沉积的晶体层的c轴倾斜。此类工艺可以在不使用传统种子层的情况下执行，所述传统种子层倾向于促进(103)沿(002)方向无平面内对准的纹理。替代地，可以使用传统种子层执行所述工艺。
现在参考图8A-8D，示出了两步体层沉积工艺的示意图。第一生长步骤(图8A中示出)包括从离轴模块中的线性溅射设备的靶166喷射金属原子，以与气体物质反应，从而形成待由衬底4接收的沉积通量100。离轴模块可包括布置在靶与衬底之间的多孔准直器170。沉积通量100可以被引导通过准直器170的孔口180，以帮助控制沉积期间的入射角度。沉积通量100以第一入射角α到达衬底4，从而形成膜400的第一部分410(例如，种子层)(图8B中示出)。膜400的第一部分410的晶体具有c轴倾斜410γ。
在第二生长步骤(图8C中示出)中，金属原子从纵向模块中的靶166喷射以与气体物质反应，并且将由已经沉积在衬底4上的第一部分410接收。在第二生长步骤中，靶166可以定位成使得第二入射角β小于第一入射角α(例如，在法线与第一入射角α之间)。例如，第二入射角β可为约0度(即，垂直于衬底4的表面)。第二生长步骤中的沉积通量100形成膜400的第二部分420(例如，体层)(图8D中示出)。膜400的第二部分420的晶体具有c轴倾斜420γ。可以在没有准直器的情况下完成第二生长步骤。
根据实施方案，第二部分420(例如，体层)的c轴倾斜420γ遵循或基本遵循膜400的第一部分410的c轴倾斜410γ。在一些实施方案中，第一部分410和第二部分420的c轴倾斜410γ、420γ与第一生长步骤期间使用的第一入射角α对准或至少基本上对准。第一部分410和第二部分420的所得体层晶体可以基本上彼此平行并且与期望的c轴倾斜至少基本上对准。第一部分410和第二部分420的所得晶体也可以在每个部分内基本上平行。例如，第一部分410的晶体的至少50％、至少75％或至少90％可以具有在平均c轴倾斜的0度至10度内的c轴倾斜410γ以及在平均晶体方向的0度至45度内或0度至20度内的方向。类似地，第二部分420的晶体的至少50％、至少75％或至少90％可以具有在平均C轴倾斜的0度至10度内的c轴倾斜420γ以及在平均晶体方向的0度至45度内或0度至20度内的方向。
在一些实施方案中，一种结构包括衬底，所述衬底包括晶圆或其一部分；以及压电体材料层，所述压电体材料层具有沉积到所述衬底上的第一部分(例如，种子层)和沉积到所述第一部分上的第二部分(例如，体层)，所述第二部分具有表面粗糙度(Ra)为4.5nm或更小的外表面。压电体材料层可具有约35度至约52度的c轴倾斜。在激励期间，结晶体层可以展现出1.25或更大的剪切压电耦合系数与纵向压电耦合系数的比率(本文称为剪切耦合与纵向耦合的比率)。
所述结构可包括至少部分地设置在体材料层上的凸块。根据实施方案，凸块接触可展现出可抵抗80g或更大、100g或更大、110g或更大、120g或更大、130g或更大，或140g或更大的力的剪切强度。
体材料层可具有约1,000埃至约30,000埃的厚度。该厚度可在体材料层的面积上变化小于2％。
在一些实施方案中，通过包括使用离轴模块在包括5毫托或更小的压力的沉积条件下在第一生长步骤中沉积第一部分的方法制备具有预选角度的c轴倾斜的结晶体层。第一生长步骤以非法线入射执行。优选地，沉积层具有约35度或更大的c轴倾斜。例如，所述层可以约35度至约85度的沉积角沉积。优选地，第一生长步骤中的沉积是在这样的条件下进行的：延迟正沉积材料的表面移动性使得体材料层中的晶体基本上彼此平行并且基本上定向在预选角度的方向上。所述方法还包括使用纵向模块在第二生长步骤中沉积第二部分，包括以较小入射角，例如以大约法线入射沉积体材料层。尽管以大约法线入射沉积，但第二生长步骤中沉积的层的第二部分定向到第一部分的c轴倾斜，例如约35度或更大。在激励期间，体材料可以展现出1.25或更大的剪切耦合与纵向耦合的比率。体层(例如，第二部分)可具有表面粗糙度(Ra)为4.5nm或更小的外表面。
在本文所述的各种实施方案中，制备体层，使得体层中的晶体的c轴取向可在约0度到约90度，例如约30度到约52度，或约35度到约46度的范围内选择。c轴取向分布优选地在大衬底的面积(例如，具有在至少约50mm或更大、约100mm或更大，或约150mm或更大的范围内的直径)上是基本上均匀的，由此使得多个芯片能够从单个衬底得到且具有相同或相似的声波传播特性。
在本文所述的各种实施方案中，使用本公开的系统和方法沉积的体材料层(包括种子层和体层)具有约1,000埃至约30,000埃的厚度。体材料层可以约35度至约85度的沉积角沉积。在激励期间，体材料可以展现出1.25或更大的剪切耦合与纵向耦合的比率。
在本文所述的各种实施方案中，一种使用本公开的系统和方法制备的结构包括衬底，所述衬底包括晶圆和沉积到晶圆的表面上的压电体材料层，其中体材料层具有约32度或更大的c轴倾斜。在激励期间，所述结构可以展现出1.25或更大的剪切耦合与纵向耦合的比率。体层(例如，第二部分)可具有表面粗糙度(Ra)为4.5nm或更小的外表面。
在本文所述的各种实施方案中，一种使用本公开的系统和方法制备的体声波谐振器包括这样的结构，所述结构包括衬底，所述衬底包括晶圆和沉积到晶圆的表面上的压电体材料层，其中体材料层具有约32度或更大的c轴倾斜，其中压电体材料层的至少一部分在第一电极与第二电极之间。体层(例如，第二部分)可具有表面粗糙度(Ra)为4.5nm或更小的外表面。
具有根据本公开的实施方案制造的体层的压电材料膜可用于各种体声波(“BAW”)器件，例如BAW谐振器中。在图9和图10中示出了采用本公开的压电材料膜的示例性BAW谐振器。
图9是如本文所公开的包括含有倾斜c轴六边形晶体结构压电材料(例如，AlN或ZnO)的压电材料体层640的体声波牢固地安装的谐振器器件500的一部分的示意性横截面图。压电材料体层640的c轴(或(002)方向)远离垂直于衬底520的方向倾斜，如叠加在压电材料体层640上的两个箭头所示。谐振器器件500包括衬底520(例如，通常为硅或另一种半导体材料)、布置在衬底520上方的声反射器540、压电材料体层640以及底侧电极600和顶侧电极680。底侧电极600布置在声学反射器540与压电材料体层640之间，并且顶侧电极680沿着压电材料体层640的上表面660的一部分布置。压电材料体层640布置在顶侧电极680和底侧电极600的重叠部分之间的区域被认为是谐振器器件500的有源区700。声学反射器540用于反射声波，并且因此减少或避免声波在衬底520中的耗散。在某些实施方案中，声学反射器540包括沉积在衬底520上方的具有不同声阻抗的材料(例如，SiOC、Si3N4、SiO2、AlN和Mo)的交替薄层560、580，该交替薄层任选地包含在布拉格反射镜中。在某些实施方案中，可以使用其他类型的声反射器。用于形成谐振器器件500的步骤可以包括在衬底520上方沉积声学反射器540，接着沉积底侧电极600，接着(例如，经由溅射或其他适当方法)使压电体材料640生长，接着沉积顶侧电极680。
图10是根据一个实施方案的膜体声波谐振器(FBAR)器件720的示意性横截面图。FBAR器件720包括衬底740(例如，硅或另一种半导体材料)，所述衬底限定由支撑层780(例如，二氧化硅)覆盖的腔760。底侧电极800布置在支撑层780的一部分上，其中所述底侧电极800和所述支撑层780。包含倾斜c轴六边形晶体结构压电材料(例如，AlN或ZnO)的压电材料体层840布置在底侧电极800上方，并且顶侧电极880布置在压电材料体层840的顶表面860的至少一部分上方。布置在顶侧电极880与底侧电极800之间的压电材料体层840的一部分包含FBAR器件720的有源区900。有源区900布置在腔760上方并与该腔配准，所述腔设置在支撑层780下方。腔760用于通过防止声能耗散到衬底740中来限制在有源区900中引起的声波，因为声波不会跨越腔760有效地传播。就此而言，腔760提供图9中所示的声学反射器540的替代方案。尽管图10中所示的腔760从下方由衬底740的变薄部分界定，但在替代实施方案中，腔760的至少一部分延伸穿过衬底740的整个厚度。用于形成FBAR器件720的步骤可包括在衬底740中限定腔760，用牺牲材料(未示出)填充腔760，任选地随后为平坦化牺牲材料，将支撑层780沉积在衬底740和牺牲材料上方，(例如，通过使蚀刻剂流过衬底740或支撑层780或衬底740的侧向边缘中限定的竖直开口)移除牺牲材料，将底侧电极800沉积在支撑层780上方，(例如，通过溅射或其它适当方法)使压电材料体层840生长，以及沉积顶侧电极880。
在某些实施方案中，声学反射器结构布置在衬底与至少一个第一电极结构之间，以提供牢固地安装的体声谐振器器件。可选地，衬底的背侧可以包括被构造成减少或消除背侧声学反射的粗糙化表面。在其它实施方案中，衬底限定凹部，支撑层布置在凹部上方，并且支撑层布置在衬底与至少一个第一电极结构的至少一部分之间，以提供膜体声波谐振器结构。
以下是本公开的示例性实施方案的列表：
实施方案1是一种用于将材料沉积到衬底上的系统，所述系统包括两个或更多个工艺模块，所述两个或更多个工艺模块包括：被构造成以倾斜c轴沉积材料的离轴模块；和被构造成以法线入射沉积材料的纵向模块。所述系统还包括：中心晶圆转移单元，所述中心晶圆转移单元包括加载锁、真空室和设置在真空室内并且被构造成在所述中心晶圆转移单元与所述两个或更多个工艺模块之间转移晶圆衬底的机器人；以及控制单元，所述控制单元可操作地连接到所述机器人。
实施方案2是根据实施方案1所述的系统，其中中心壳体单元包括被构造成控制晶圆温度的冷却站。在一些实施方案中，冷却站模块用于在预处理之后(例如，在预溅射模块中)、在离轴沉积之后、在纵向沉积之后或其组合冷却晶圆衬底。在实施方案中，冷却站模块将晶圆衬底冷却到室温(例如，到约25℃)。在实施方案中，冷却站包括用于将晶圆衬底固定在适当位置的机构，例如静电或机械夹持系统。在实施方案中，冷却站包括用于向晶圆衬底(例如，向晶圆衬底的背面)施加气体以改进热接触的系统。
实施方案3是根据实施方案1或2所述的系统，其中所述两个或更多个工艺模块包括预溅射模块，所述预溅射模块被构造成制备用于沉积材料的晶圆衬底。在实施方案中，预溅射模块被构造成去除在晶圆衬底的表面上吸收的气体或氧化，和/或影响表面的粗糙度。
实施方案4是根据实施方案3所述的系统，其中所述预溅射模块包括等离子溅射装置。在实施方案中，预溅射模块包括具有低离子能量的ICP/RF线圈，所述ICP/RF线圈被布置成与晶圆衬底的表面相对。在实施方案中，预溅射模块包括台控制机构，所述台控制机构任选地具有用于将晶圆衬底固定在适当位置的静电或机械夹持系统。
实施方案5是根据实施方案3或4所述的系统，其中所述预溅射模块包括脱气单元、晶圆加热器或脱气单元和晶圆加热器两者。在实施方案中，预溅射模块包括针对晶圆衬底(例如，针对晶圆衬底的背面)的用于改善热接触的气体供应器。在实施方案中，预溅射模块包括用于监测和控制模块内部的温度的特征，例如内部屏蔽以及温度监测器和控件。在实施方案中，预溅射模块包括偏置(例如，RF偏置)晶圆衬底以进行清洁的能力。RF偏置可为例如300W或更小。在一些实施方案中，RF偏置为50W或更大，或100W或更大。RF偏置可为50W至300W或100W至300W。在实施方案中，预溅射模块被构造成将晶圆衬底加热到高达400℃以进行脱气和预热。
实施方案6是根据实施方案1至5中任一项所述的系统，其中所述中心晶圆转移单元居中定位在所述两个或更多个工艺模块之间。
实施方案7是根据实施方案1至6中任一项所述的系统，其中所述两个或更多个工艺模块中的每一个包括与所述中心晶圆转移单元分开控制的内部环境。
实施方案8是根据实施方案1至7中任一项所述的系统，其中所述两个或更多个工艺模块中的每一个由阀与所述中心壳体单元分开。
实施方案9是根据实施方案1至8中任一项所述的系统，其中所述机器人被构造成在水平位置转移所述晶圆衬底。
实施方案10是根据实施方案1至9中任一项所述的系统，其中所述离轴模块包括被构造成接收所述晶圆衬底的晶圆卡盘。
实施方案11是根据实施方案10所述的系统，其中所述晶圆卡盘被构造成在水平位置接收所述晶圆衬底并且将所述晶圆衬底旋转到竖直位置。
实施方案12是根据实施方案11所述的系统，其中所述晶圆卡盘被构造成在所述竖直位置平移所述晶圆衬底。在实施方案中，晶圆卡盘被构造成以水平方向平移晶圆衬底。在实施方案中，晶圆卡盘被构造成在竖直方向平移晶圆衬底。
实施方案13是根据实施方案1至12中任一项所述的系统，还包括用于容纳所述机器人可接近的多个晶圆衬底的盒升降器。
实施方案14是根据实施方案13所述的系统，其中所述机器人被构造成从所述盒升降器取出晶圆衬底并将取出的晶圆衬底转移到所述工艺模块中的一个。
实施方案15是根据实施方案1至14中任一项所述的系统，其中所述离轴模块包括腔室、被构造成在所述腔室中产生真空的真空泵和容纳在所述腔室内的线性溅射设备，其中所述腔室由闸阀与所述中心壳体单元分开。
实施方案16是根据实施方案1至15中任一项所述的系统，其中所述离轴模块包括：线性溅射设备，所述线性溅射设备包括：靶表面，所述靶表面被构造成喷射金属原子；晶圆卡盘，所述晶圆卡盘包括支撑表面并且被配置成接收晶圆衬底并将晶圆衬底固定在适当位置；以及准直器，所述准直器包括多个引导构件，所述多个引导构件限定布置在所述线性溅射设备与所述晶圆卡盘之间的多个准直器孔口。在实施方案中，所述准直器可在基本上平行于所述靶表面的方向上线性地平移。在实施方案中，所述靶表面被布置成不平行于所述支撑表面。
实施方案17是根据实施方案16所述的系统，其中所述线性溅射设备包括线性磁控管，所述线性磁控管具有可操作地联接到所述靶表面以促进金属原子从所述靶表面喷射的溅射阴极。在实施方案中，线性溅射设备包括矩形磁控管。在实施方案中，磁控管具有小于5英寸(约12.5cm)的宽度以模拟单点溅射源。在实施方案中，磁控管具有3.11英寸(约7.9cm)的宽度。
实施方案18是根据实施方案17所述的系统，其中所述支撑表面沿着不平行于所述靶表面的竖直平面设置。
实施方案19是根据实施方案18所述的系统，其中所述靶表面具有沿着水平线定向的纵向轴线。
实施方案20是根据实施方案19所述的系统，其中所述支撑表面被构造成沿着其竖直平面逐渐升高和逐渐降低。
实施方案21是根据实施方案1至20中任一项所述的系统，还包括第二离轴模块。在实施方案中，所述系统包括第三离轴模块。
实施方案22是根据实施方案1至21中任一项所述的系统，其中所述纵向模块包括腔室、被构造成在所述腔室中产生真空的真空泵和容纳在所述腔室内的圆形溅射设备，其中所述腔室由闸阀与所述中心壳体单元分开。
实施方案23是根据实施方案1至22中任一项所述的系统，其中所述纵向模块包括：圆形溅射设备，所述圆形溅射设备包括被构造成喷射金属原子的靶表面；以及晶圆卡盘，所述晶圆卡盘包括支撑表面并且被配置成接收晶圆衬底并将晶圆衬底固定在适当位置，其中所述靶表面平行于所述支撑表面布置。
实施方案24是一种将材料沉积到衬底上的方法，所述方法包括：将晶圆衬底从加载锁转移至中心晶圆转移单元；将所述晶圆衬底从所述中心晶圆转移单元转移到离轴模块，并且以倾斜c轴将材料沉积到所述晶圆衬底上；以及将所述晶圆衬底从所述中心晶圆转移单元转移到纵向模块，并且以法线入射将材料沉积到所述晶圆衬底上。
实施方案25是根据实施方案24所述的方法，其中转移所述晶圆衬底由机器人臂完成。
实施方案26是根据实施方案24或25中任一项所述的方法，还包括将所述晶圆衬底转移到预溅射模块中以及由等离子溅射器清洁所述晶圆衬底。在实施方案中，清洁包括去除晶圆衬底的表面上吸收的气体或氧化，和/或改变表面的粗糙度。
实施方案27是根据实施方案24至26中任一项所述的方法，还包括通过冷却、加热或其组合来控制晶圆温度。
实施方案28是根据实施方案24至27中任一项所述的方法，还包括在所述中心晶圆转移单元、所述离轴模块和所述纵向模块内产生真空。
实施方案29是根据实施方案24至28中任一项所述的方法，还包括在水平位置转移所述晶圆衬底。
实施方案30是根据实施方案29所述的方法，还包括在离轴模块中的晶圆卡盘上接收所述晶圆衬底且将所述晶圆衬底旋转到竖直位置。
实施方案31是根据实施方案30所述的方法，还包括在竖直位置平移所述晶圆衬底。在实施方案中，所述方法包括以水平方向平移所述晶圆衬底。在实施方案中，所述方法包括在竖直方向平移所述晶圆衬底。
实施方案32是根据实施方案24至31中任一项所述的方法，还包括将所述晶圆衬底从盒升降器加载到所述加载锁，其中所述盒升降器容纳多个晶圆衬底。
实施方案33是根据实施方案24至32中任一项所述的方法，其中所述离轴模块包括：线性溅射设备，所述线性溅射设备包括被构造成喷射金属原子的靶表面；晶圆卡盘，所述晶圆卡盘包括支撑表面并且被配置成接收晶圆衬底并将所述晶圆衬底固定在适当位置；和准直器，所述准直器包括多个引导构件，所述多个引导构件限定布置在所述线性溅射设备与所述晶圆卡盘之间的多个准直器孔口，所述准直器可在基本上平行于所述靶表面的方向上线性地平移，其中所述靶表面被布置成不平行于所述支撑表面。
实施方案34是根据实施方案33所述的方法，还包括使用具有溅射阴极的线性磁控管来促进金属原子从所述靶表面喷射。在实施方案中，线性溅射设备包括矩形磁控管。在实施方案中，磁控管具有小于5英寸(约12.5cm)的宽度以模拟单点溅射源。在实施方案中，磁控管具有3.11英寸(约7.9cm)的宽度。
实施方案35是根据实施方案34所述的方法，其中所述支撑表面沿着不平行于所述靶表面的竖直平面设置。
实施方案36是根据实施方案35所述的方法，其中所述靶表面具有沿着水平线定向的纵向轴线。
实施方案37是根据实施方案36所述的方法，还包括使所述支撑表面沿着其竖直平面逐渐升高和逐渐降低。
实施方案38是根据实施方案24至37中任一项所述的方法，其中以倾斜c轴将材料沉积到所述晶圆衬底上包括沉积种子层。
实施方案39是根据实施方案24至38中任一项所述的方法，其中所述纵向模块包括：圆形溅射设备，所述圆形溅射设备包括被构造成喷射金属原子的靶表面；以及晶圆卡盘，所述晶圆卡盘包括支撑表面并且被配置成接收晶圆衬底并将所述晶圆衬底固定在适当位置，其中所述靶表面平行于所述支撑表面布置。
实施方案40是根据实施方案24至39中任一项所述的方法，其中以法线入射将材料沉积到所述晶圆衬底上包括沉积体层。
实施方案41是根据实施方案40所述的方法，其中所述体层沉积到所述离轴模块中沉积的倾斜C轴种子层上。
实施方案42是根据实施方案24至41中任一项所述的方法，包括在将材料沉积到所述晶圆衬底上时，将第二晶圆衬底从所述中心晶圆转移单元转移到第二离轴模块，并且以倾斜c轴将材料沉积到所述第二晶圆衬底上。
实施方案43是根据实施方案24至42中任一项所述的方法，其中所述加载锁具有在1·10-4托至1·10-8托或1·10-6托至1·10-7托的范围内的压力。
实施方案44是根据实施方案24至43中任一项所述的方法，其中所述中心晶圆转移单元中的压力可以在1·10-7托至1·10-8托的范围内。
实施方案45是根据实施方案24至44中任一项所述的方法，其中所述沉积模块(例如，离轴模块和纵向模块)内的压力可以在5·10-9托至1·10-2托的范围内。
实施方案46是根据实施方案24至45中任一项所述的方法，其中所述方法包括使用离轴模块在包括5毫托或更小的压力的沉积条件下在第一生长步骤中沉积第一部分。在实施方案中，第一生长步骤以非法线入射执行。优选地，沉积层具有约35度或更大的c轴倾斜。在实施方案中，所述层可以约35度至约85度的沉积角沉积。优选地，第一生长步骤中的沉积是在这样的条件下进行的：延迟正沉积材料的表面移动性使得体材料层中的晶体基本上彼此平行并且基本上定向在预选角度的方向上。
实施方案47是根据实施方案24至46中任一项所述的方法，其中所述方法还包括使用纵向模块在第二生长步骤中沉积第二部分，包括以较小入射角，例如以大约法线入射沉积体材料层。在实施方案中，第二生长步骤中沉积的层的第二部分定向到第一部分的c轴倾斜，例如约35度或更大。在实施方案中，在激励期间，体材料展现出1.25或更大的剪切耦合与纵向耦合的比率。在实施方案中，体层(例如，第二部分)具有表面粗糙度(Ra)为4.5nm或更小的外表面。
实施方案48是根据实施方案24至47中任一项所述的方法，其中所述体层被制备成使得所述体层中的晶体的c轴取向可在约0度至约90度，例如约30度至约52度，或约35度至约46度的范围内选择。c轴取向分布优选地在大衬底的面积(例如，具有在至少约50mm或更大、约100mm或更大，或约150mm或更大的范围内的直径)上是基本上均匀的，由此使得多个芯片能够从单个衬底得到且具有相同或相似的声波传播特性。
实施方案49是根据实施方案24至48中任一项所述的方法，其中使用本公开的系统和方法沉积的体材料层(包括种子层和体层)具有约1,000埃至约30,000埃的厚度。体材料层可以约35度至约85度的沉积角沉积。在激励期间，体材料可以展现出1.25或更大的剪切耦合与纵向耦合的比率。
实施方案50是一种体声波(“BAW”)器件，其包括根据实施方案24至49中任一项所述的方法制备的体材料层。
本文引用的所有参考文献和出版物在此以全文引用的方式明确并入本公开中，除非它们可能直接与本公开相矛盾。尽管本文已说明和描述来具体实施方案，但本领域的普通技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以用各种替代和/或等同实施方式替代所示和描述的特定实施方案。应理解，本公开不旨在被本文中阐述的示例性实施方案和实例不适当地限制，且此类实例和实施方案仅以举例的方式呈现，而本公开的范围旨在仅受本文中阐述的权利要求限制。

Claims (42)

1.一种用于将材料沉积到衬底上的系统，所述系统包括：
两个或更多个工艺模块，所述两个或更多个工艺模块包括：
离轴模块，所述离轴模块被构造成以倾斜c轴沉积材料；和
纵向模块，所述纵向模块被构造成以法线入射沉积材料；
中心晶圆转移单元，所述中心晶圆转移单元包括加载锁、真空室和设置在所述真空室内并且被构造成在所述中心晶圆转移单元与所述两个或更多个工艺模块之间转移晶圆衬底的机器人；以及
控制单元，所述控制单元可操作地连接到所述机器人。
2.根据权利要求1所述的系统，其中中心壳体单元包括冷却站，所述冷却站被构造成控制晶圆温度。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述两个或更多个工艺模块包括预溅射模块，所述预溅射模块被构造成制备用于沉积材料的晶圆衬底。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述预溅射模块包括等离子溅射装置。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其中所述预溅射模块包括脱气单元、晶圆加热器，或脱气单元和晶圆加热器两者。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述中心晶圆转移单元居中定位在所述两个或更多个工艺模块之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中所述两个或更多个工艺模块中的每一个包括与所述中心晶圆转移单元分开控制的内部环境。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中所述两个或更多个工艺模块中的每一个由阀与所述中心壳体单元分开。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中所述机器人被构造成在水平位置转移所述晶圆衬底。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中所述离轴模块包括被构造成接收所述晶圆衬底的晶圆卡盘。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述晶圆卡盘被构造成在水平位置接收所述晶圆衬底并且将所述晶圆衬底旋转到竖直位置。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述晶圆卡盘被构造成在所述竖直位置平移所述晶圆衬底。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，还包括用于容纳所述机器人可接近的多个晶圆衬底的盒升降器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述机器人被构造成从所述盒升降器取出晶圆衬底并且将取出的晶圆衬底转移到所述工艺模块中的一个。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的系统，其中所述离轴模块包括腔室、被构造成在所述腔室中产生真空的真空泵和容纳在所述腔室内的线性溅射设备，其中所述腔室由闸阀与所述中心壳体单元分开。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的系统，其中所述离轴模块包括：
线性溅射设备，所述线性溅射设备包括被构造成喷射金属原子的靶表面；
晶圆卡盘，所述晶圆卡盘包括支撑表面并且被配置成接收晶圆衬底并且将所述晶圆衬底固定在适当位置；以及
准直器，所述准直器包括多个引导构件，所述多个引导构件限定布置在所述线性溅射设备与所述晶圆卡盘之间的多个准直器孔口，所述准直器可在基本上平行于所述靶表面的方向上线性平移，
其中所述靶表面被布置成不平行于所述支撑表面。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述线性溅射设备包括线性磁控管，所述线性磁控管具有可操作地联接到所述靶表面以促进金属原子从所述靶表面喷射的溅射阴极。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述支撑表面沿着不平行于所述靶表面的竖直平面设置。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述靶表面具有沿着水平线定向的纵向轴线。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述支撑表面被构造成沿着其竖直平面逐渐升高和逐渐下降。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的系统，还包括第二离轴模块。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的系统，其中所述纵向模块包括腔室、被构造成在所述腔室中产生真空的真空泵和容纳在所述腔室内的圆形溅射设备，其中所述腔室由闸阀与所述中心壳体单元分开。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的系统，其中所述纵向模块包括：
圆形溅射设备，所述圆形溅射设备包括被构造成喷射金属原子的靶表面；以及
晶圆卡盘，所述晶圆卡盘包括支撑表面并且被配置成接收晶圆衬底并且将所述晶圆衬底固定在适当位置，
其中所述靶表面平行于所述支撑表面布置。
24.一种将材料沉积到衬底上的方法，所述方法包括：
将晶圆衬底从加载锁转移至中心晶圆转移单元；
将所述晶圆衬底从所述中心晶圆转移单元转移至离轴模块，并且以倾斜c轴将材料沉积到所述晶圆衬底上；以及
将所述晶圆衬底从所述中心晶圆转移单元转移至纵向模块，并且以法线入射将材料沉积到所述晶圆衬底上。
25.根据权利要求24所述的方法，其中转移所述晶圆衬底由机器人臂完成。
26.根据权利要求24或25中任一项所述的方法，还包括将所述晶圆衬底转移到预溅射模块中以及由等离子溅射器来清洁所述晶圆衬底。
27.根据权利要求24至26中任一项所述的方法，还包括通过冷却、加热或其组合来控制晶圆温度。
28.根据权利要求24至27中任一项所述的方法，还包括在所述中心晶圆转移单元、所述离轴模块和所述纵向模块内产生真空。
29.根据权利要求24至28中任一项所述的方法，还包括在水平位置转移所述晶圆衬底。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括在所述离轴模块中的晶圆卡盘上接收所述晶圆衬底并且将所述晶圆衬底旋转到竖直位置。
31.根据权利要求30所述的方法，还包括在所述竖直位置平移所述晶圆衬底。
32.根据权利要求24至31中任一项所述的方法，还包括将所述晶圆衬底从盒升降器加载到所述加载锁，其中所述盒升降器容纳多个晶圆衬底。
33.根据权利要求24至32中任一项所述的方法，其中所述离轴模块包括：
线性溅射设备，所述线性溅射设备包括被构造成喷射金属原子的靶表面；
晶圆卡盘，所述晶圆卡盘包括支撑表面并且被配置成接收晶圆衬底并且将所述晶圆衬底固定在适当位置；以及
准直器，所述准直器包括多个引导构件，所述多个引导构件限定布置在所述线性溅射设备与所述晶圆卡盘之间的多个准直器孔口，所述准直器可在基本上平行于所述靶表面的方向上线性平移，
其中所述靶表面被布置成不平行于所述支撑表面。
34.根据权利要求33所述的方法，还包括使用具有溅射阴极的线性磁控管来促进从所述靶表面喷射金属原子。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述支撑表面沿着不平行于所述靶表面的竖直平面设置。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述靶表面具有沿着水平线定向的纵向轴线。
37.根据权利要求36所述的方法，还包括使所述支撑表面沿着其竖直平面逐渐升高和逐渐降低。
38.根据权利要求24至37中任一项所述的方法，其中以倾斜c轴将材料沉积到所述晶圆衬底上包括沉积种子层。
39.根据权利要求24至38中任一项所述的方法，其中所述纵向模块包括：
圆形溅射设备，所述圆形溅射设备包括被构造成喷射金属原子的靶表面；以及
晶圆卡盘，所述晶圆卡盘包括支撑表面并且被配置成接收晶圆衬底并且将所述晶圆衬底固定在适当位置，
其中所述靶表面平行于所述支撑表面布置。
40.根据权利要求24至39中任一项所述的方法，其中以法线入射将材料沉积到所述晶圆衬底上包括沉积体层。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述体层沉积到所述离轴模块中沉积的倾斜c轴种子层上。
42.根据权利要求24至41中任一项所述的方法，包括在将材料沉积到所述晶圆衬底上时，将第二晶圆衬底从所述中心晶圆转移单元转移到第二离轴模块，并且以倾斜c轴将材料沉积到所述第二晶圆衬底上。
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