CN211142151U - 一种氮化物和金属薄膜沉积与修整设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种氮化物和金属薄膜沉积与修整设备，包括载片装置、修膜装置、金属溅射装置、氮化物溅射装置、传送装置；传送腔分别与载片腔、修膜腔、金属溅射腔、氮化物溅射腔的晶片传送口连通；在每个晶片传送口处均安装有阀门，每个阀门都能够实现独立打开或关闭；所述传送腔中设有机械手，所述机械手用于从载片盒取出晶片，并且能够在修膜腔、金属溅射腔及氮化物溅射腔之间进行传片操作。采用本实用新型在沉积薄膜的过程中，采用直流与射频磁控溅射相结合的方法，可以避免沉积的薄膜中间厚边缘薄的问题，结合等离子体刻蚀修膜技术，可以使4‑8英寸晶片上的薄膜厚度均匀性≤0.1％。

Description

一种氮化物和金属薄膜沉积与修整设备

技术领域

本实用新型涉及一种氮化物和金属薄膜沉积与修整设备，属于微电子加工技术领域。

背景技术

无线通讯终端的多功能化发展对射频器件提出了微型化、高频率、高性能、低功耗、低成本等高技术要求。传统的声表面波滤波器(SAW) 在2.4GHz以上的高频段插入损耗大，介质滤波器有很好的性能但是体积太大。薄膜体声波谐振器(FBAR)技术是近年来随着加工工艺技术水平的提高和现代无线通信技术，尤其是个人无线通信技术的快速发展而出现的一种新的射频器件技术。它具有极高的品质因数Q值 (1000以上)和可集成于IC芯片上的优点，并能与互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS)工艺兼容，同时有效地避免了声表面波谐振器和介质谐振器无法与CMOS工艺兼容的缺点。

FBAR是制作在衬底材料上的电极--压电膜--电极的三明治结构的薄膜器件。FBAR的压电材料通常采用PZT、ZnO和AlN。其中 AlN声速最高，因此应用于更高的频率，符合现在无线通信往高频化发展的要求。并且AlN具有相对另外两种材料温度系数低、热导率高、固有损耗小、化学稳定性好、制备工艺相对简单的优点。此外，锌、铅、锆等材料相对于CMOS工艺来说是很危险的材料，因为它们会严重降低半导体中载流子的寿命，而AlN不存在这个问题。因此，AlN是FBAR兼容在CMOS器件中的理想材料。

目前，国际上用于制备FBAR相对比较理想的AlN材料主要是用磁控溅射的方法制备的，随着国际上半导体器件加工朝着大尺寸(6、 8、12英寸)衬底方向发展，FBAR滤波器芯片也不例外，衬底尺寸的增大，衬底上各位置应力、粗糙度等性质差异性也会随之增大，因此运用传统的PVD磁控溅射系统想保证大尺寸衬底上薄膜厚度均匀性差异在1nm以下相当困难，而FBAR滤波器频率跟厚度紧密相关， 1nm的厚度差频率就会偏移MHz级别，因此，设计一款可以制备高厚度均匀性薄膜的PVD设备对FBAR滤波器的生产至关重要。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种氮化物和金属薄膜沉积与修整设备，采用该设备，在沉积薄膜的过程中，采用直流与射频磁控溅射相结合的方法，可以避免沉积的薄膜中间厚边缘薄的问题，结合等离子体刻蚀修膜技术，可以使4-8英寸晶片上的薄膜厚度均匀性≤0.1％。

本实用新型的目的采用如下技术方案实现：

一种氮化物和金属薄膜沉积与修整设备，包括载片装置、修膜装置、金属溅射装置、氮化物溅射装置、传送装置；

所述载片装置包括具有载片腔的第一壳体，所述第一壳体上设有晶片传送口；所述载片腔中设有用于容置晶片的载片器，以及用来将载片器输送至晶片传送口处的输送机构；

所述修膜装置包括具有修膜腔的第二壳体，所述第二壳体上设有晶片传送口；所述修膜腔中分别设有用于承托晶片的修膜载片台、用于驱动载片台移动的驱动机构、以及用于对晶片表面进行清理和修平处理的聚焦离子束装置；

所述金属溅射装置包括具有金属溅射腔的第三壳体，所述第三壳体上设有晶片传送口；所述金属溅射腔中分别设有用于承托晶片的金属溅射载片台、用于溅射金属的靶材；

所述氮化物溅射装置包括具有氮化物溅射腔的第四壳体，所述第四壳体上设有晶片传送口；所述氮化物溅射腔中分别设有用于承托晶片的氮化物溅射载片台、用于溅射氮化物的靶材；

所述传送装置包括具有传送腔的第五壳体，所述传送腔分别与载片腔、修膜腔、金属溅射腔、氮化物溅射腔的晶片传送口连通；在每个晶片传送口处均安装有阀门，每个阀门都能够实现独立打开或关闭；所述传送腔中设有机械手，所述机械手用于从载片盒取出晶片，并且能够在修膜腔、金属溅射腔及氮化物溅射腔之间进行传片操作。

进一步地，所述载片腔、修膜腔、金属溅射腔及氮化物溅射腔中均设有机械真空泵和分子泵；所述修膜腔的数量为一个、两个、三个或更多个；所述金属溅射腔的数量为一个、两个、三个或更多个；所述氮化物溅射腔的数量为一个、两个、三个或更多个。

进一步地，所述载片器为能够放置4-8英寸晶片的卡塞，卡塞能够放置多片晶片。

进一步地，所述传送腔的形状为长方形、正方形、正五边形、正六边形或圆形。

进一步地，所述第一壳体、第二壳体均为耐高压合金钢或耐低压合金钢。

特别地，本实用新型的使用方法如下：

氮化物和金属薄膜沉积与修整设备在衬底上溅射GaN薄膜、AlN 薄膜或金属薄膜。

氮化物和金属薄膜沉积与修整设备在蓝宝石衬底、Si衬底、SiC 衬底、金属衬底或玻璃衬底上溅射AlN、金属Mo，用于制备FBAR。

氮化物与金属薄膜沉积与修整设备对氮化物薄膜以及金属薄膜进行片内厚度均匀性修整，修膜控制系统根据导入的云图结合目标厚度自动计算加载电压大小，进而控制离子束强度，对晶片的表面进行扫描刻蚀，刻蚀达到目标厚度，修整后片内厚度均匀性可≤0.1％。

氮化物与金属薄膜沉积与修整设备进行高均匀性薄膜生长，具体实现过程如下：

在修膜腔中对衬底进行干法清洗，用聚焦等离子束轰击衬底表面，除去表面难清洗掉的赃污；将衬底传送至金属溅射腔中，设定工艺条件，根据所需金属薄膜厚度确定溅射时间，溅射生长金属薄膜，金属薄膜为Mo、Pt或Al；将溅射完的晶片利用四点探针测出金属薄膜层的厚度，导出厚度云图，将厚度云图导入修膜腔的控制系统中，系统根据导入的厚度云图结合目标厚度自动计算得出加载电压大小，进而控制离子束强度，对金属薄膜进行修平处理，获得片内均匀性≤0.1％的金属薄膜。

氮化物与金属薄膜沉积与修整设备进行高均匀性薄膜生长，具体实现过程如下：

将清洗干净的晶片传送至修膜腔中对衬底进行预清理，然后传送至氮化物溅射腔中，设定具体工艺条件，进行氮化物溅射生长；将氮化物薄膜溅射完成的晶片取出，用膜厚仪测量薄膜的厚度，获得厚度云图，然后将厚度云图导入氮化物和金属薄膜沉积与修整设备的修膜系统中，修膜系统根据导入的厚度云图结合目标厚度自动计算得出加载电压大小，进而控制离子束强度，刻蚀达到目标厚度，得到片内均匀性≤0.1％的氮化物薄膜。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型包括载片装置、修膜装置、金属溅射装置、氮化物溅射装置、传送装置；传送腔分别与载片腔、修膜腔、金属溅射腔、氮化物溅射腔的晶片传送口连通；在每个晶片传送口处均安装有阀门，每个阀门都能够实现独立打开或关闭；所述传送腔中设有机械手，所述机械手用于从载片盒取出晶片，并且能够在修膜腔、金属溅射腔及氮化物溅射腔之间进行传片操作。采用该设备，在沉积薄膜的过程中，采用直流与射频磁控溅射相结合的方法，可以避免沉积的薄膜中间厚边缘薄的问题，结合等离子体刻蚀修膜技术，可以使4-8英寸晶片上的薄膜厚度的均匀性≤0.1％，这对于FBAR滤波器的频率稳定性至关重要；可用于薄膜的溅射生长和薄膜器件的制造，特别是薄膜体声波谐振器、滤波器的制备。与现有技术相比，本实用新型还具有溅射工艺简单，薄膜厚度均匀性控制精确，制备成本低廉的优点。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为修膜装置的结构示意图；

图3为载片装置的结构示意图；

图4为传送装置的结构示意图；

图5为金属溅射装置的结构示意图；

图6为修膜腔中聚焦离子束照片；

图7为修膜示意图；

图8为1um的AlN修膜前(a)与修模后(b)对比图；

图9为修膜前后监控数据结果。

图1-5中，1、载片装置；11、第一壳体；12、载片器；2、传送装置；21、第五壳体；22、机械手；3、金属溅射装置；31、第三壳体；32、金属溅射载片台；33、用于溅射金属的靶材；4、氮化物溅射装置；5、修膜装置；51、第二壳体；52、修膜载片台；53、聚焦离子束装置；100、晶片。

具体实施方式

下面，结合具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

参照图1-5，一种氮化物和金属薄膜沉积与修整设备，包括载片装置1、修膜装置5、金属溅射装置3、氮化物溅射装置4、传送装置 2；

所述载片装置1包括具有载片腔的第一壳体11，所述第一壳体 11上设有晶片传送口；所述载片腔中设有用于容置晶片100的载片器12，以及用来将载片器输送至晶片传送口处的输送机构；

所述修膜装置5包括具有修膜腔的第二壳体51，所述第二壳体 51上设有晶片传送口；所述修膜腔中分别设有用于承托晶片的修膜载片台52、用于驱动载片台移动的驱动机构、以及用于对晶片表面进行清理和修平处理的聚焦离子束装置53；

所述金属溅射装置3包括具有金属溅射腔的第三壳体31，所述第三壳体上设有晶片传送口；所述金属溅射腔中分别设有用于承托晶片的金属溅射载片台32、用于溅射金属的靶材33；

所述氮化物溅射装置包括具有氮化物溅射腔的第四壳体，所述第四壳体上设有晶片传送口；所述氮化物溅射腔中分别设有用于承托晶片的氮化物溅射载片台、用于溅射氮化物的靶材；具体结构可参照图 5。

所述传送装置2包括具有传送腔的第五壳体21，所述传送腔分别与载片腔、修膜腔、金属溅射腔、氮化物溅射腔的晶片传送口连通；在每个晶片传送口处均安装有阀门，每个阀门都能够实现独立打开或关闭；所述传送腔中设有机械手22，所述机械手用于从载片盒取出晶片，并且能够在修膜腔、金属溅射腔及氮化物溅射腔之间进行传片操作。

传片操作具体是指机械手将晶片送入相应的工作腔(如修膜腔) 内并放置于载片台上，完成相关工作后(如：表面清理和修平)，机械手将晶片从载片台上取出，回到传送腔中，进行下一步操作。

作为优选的实施方式，所述载片腔、修膜腔、金属溅射腔及氮化物溅射腔中均设有机械真空泵和分子泵，确保所述载片腔、修膜腔、金属溅射腔及氮化物溅射腔中都能达到高真空度10E-7Torr。

作为优选的实施方式，所述修膜腔的数量为一个、两个、三个或更多个；所述金属溅射腔的数量为一个、两个、三个或更多个；所述氮化物溅射腔的数量为一个、两个、三个或更多个。

作为优选的实施方式，所述载片器为能够放置4-8英寸晶片的卡塞，卡塞能够放置25片晶片。

作为优选的实施方式，所述传送腔的形状为长方形、正方形、正五边形、正六边形或圆形，可以实现在传送腔周围增加更多个功能腔，不限于4个，可以为5、6、7、8个或更多个腔。

作为优选的实施方式，所述第一壳体、第二壳体均为耐高压合金钢或耐低压合金钢。

采用所述氮化物和金属薄膜沉积与修整设备在衬底上溅射GaN 薄膜、AlN薄膜或金属薄膜。

氮化物和金属薄膜沉积与修整设备在蓝宝石衬底、Si衬底、SiC 衬底、金属衬底或玻璃衬底上溅射AlN、金属Mo，用于制备FBAR。

氮化物与金属薄膜沉积与修整设备对氮化物薄膜以及金属薄膜进行片内厚度均匀性修整，修膜控制系统根据导入的云图结合目标厚度自动计算加载电压大小，进而控制离子束强度，对晶片的表面进行扫描刻蚀，刻蚀达到目标厚度，修整后片内厚度均匀性可≤0.1％。

氮化物与金属薄膜沉积与修整设备进行高均匀性薄膜生长，具体实现过程如下：

在修膜腔中对衬底进行干法清洗，用聚焦等离子束轰击衬底表面，除去表面难清洗掉的赃污；将衬底传送至金属溅射腔中，设定工艺条件，根据所需金属薄膜厚度确定溅射时间，溅射生长金属薄膜，金属薄膜为Mo、Pt或Al；将溅射完的晶片利用四点探针测出金属薄膜层的厚度，导出厚度云图，将厚度云图导入修膜腔的控制系统中，系统根据导入的厚度云图结合目标厚度自动计算得出加载电压大小，进而控制离子束强度，对金属薄膜进行修平处理，获得片内均匀性≤0.1％的金属薄膜。

氮化物与金属薄膜沉积与修整设备进行高均匀性薄膜生长，具体实现过程如下：

将清洗干净的晶片传送至修膜腔中对衬底进行预清理，然后传送至氮化物溅射腔中，设定具体工艺条件，进行氮化物溅射生长；将氮化物薄膜溅射完成的晶片取出，用膜厚仪测量薄膜的厚度，获得厚度云图，然后将厚度云图导入氮化物和金属薄膜沉积与修整设备的修膜系统中，修膜系统根据导入的厚度云图结合目标厚度自动计算得出加载电压大小，进而控制离子束强度，刻蚀达到目标厚度，得到片内均匀性≤0.1％的氮化物薄膜。

以下是本实用新型具体的实施例，在下述实施例中所采用的原材料、设备等除特殊限定外均可以通过购买方式获得。

实施例1：

采用本实用新型所述的氮化物与金属薄膜沉积与修整设备在衬底上溅射生长1微米厚度的高均匀性AlN薄膜，具体通过以下方法制备：

1、对硅(100或111晶向)衬底进行标准的RCA清洗并烘干；

2、将清洗完的硅片整齐放入卡塞中，将卡塞放进载片腔中，关闭腔门，进行抽真空，当真空度达到10^-2Torr，方可进行下一步操作；

3、打开载片腔与传送腔之间的阀门，操作机械手从载片腔中抽取硅衬底，传送进修膜腔中对硅片进行表面清理，参照图6、图7，工艺条件为:首先进行腔体预热，直流电源预热，校准载片台坐标，校准直流最低最大电压值，校准步进电压大小，设置刻蚀清洗速度为30-60mm/s，通入Ar气，加载直流电压100-200W不等，确定刻蚀扫描次数大于0即可。

4、清理完硅片，操作机械手将硅片传送至氮化物溅射腔中进行 AlN溅射生长，生长工艺条件为：首先加载30-50W的射频功率并通入Ar气10-30sccm，随后加载交流电源功率3-7kW，加载直流电压 10-20V，同时通入15-120sccm高纯氩气以及40-120sccm高纯氮气，反应室压力为3-7×10^-3Torr，设置AlN厚度为1040nm，溅射生长AlN；

5、溅射完1微米AlN薄膜，操作机械手将晶片传送至载片腔，破真空将晶片取出，运用膜厚仪测量AlN厚度，多点连续测量，获得整片晶片AlN薄膜厚度均匀性的云图，厚度均匀性测试结果如图8(a)，将均匀性云图导出为文件，导入到氮化物与金属薄膜沉积与修整设备中，设置需要刻蚀休整达到的目标厚度为1000nm，同时将晶片放回载片腔中，通过机械手将晶片传送至修膜腔中，修膜工艺条件为：首先进行腔体预热，直流电源预热，校准载片台坐标，校准直流最低和最大电压值，校准步进电压大小，设置修整刻蚀速度为30-60mm/s，通入Ar气，加载直流电压100-200W不等，确定刻蚀扫描次数大于3 即可。系统根据导入的云图结合目标厚度自动计算加载电压大小，进而控制离子束强度，刻蚀达到目标厚度，修平后的厚度均匀性测试结果如图8(b)，修平前后厚度均匀性数据对比图如图9所示。

对金属薄膜的修膜原理及步骤与AlN修膜相似，在此不再赘述。

上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种氮化物和金属薄膜沉积与修整设备，其特征在于，包括载片装置、修膜装置、金属溅射装置、氮化物溅射装置、传送装置；

所述载片装置包括具有载片腔的第一壳体，所述第一壳体上设有晶片传送口；所述载片腔中设有用于容置晶片的载片器，以及用来将载片器输送至晶片传送口处的输送机构；

所述修膜装置包括具有修膜腔的第二壳体，所述第二壳体上设有晶片传送口；所述修膜腔中分别设有用于承托晶片的修膜载片台、用于驱动载片台移动的驱动机构、以及用于对晶片表面进行清理和修平处理的聚焦离子束装置；

所述金属溅射装置包括具有金属溅射腔的第三壳体，所述第三壳体上设有晶片传送口；所述金属溅射腔中分别设有用于承托晶片的金属溅射载片台、用于溅射金属的靶材；

所述氮化物溅射装置包括具有氮化物溅射腔的第四壳体，所述第四壳体上设有晶片传送口；所述氮化物溅射腔中分别设有用于承托晶片的氮化物溅射载片台、用于溅射氮化物的靶材；

所述传送装置包括具有传送腔的第五壳体，所述传送腔分别与载片腔、修膜腔、金属溅射腔、氮化物溅射腔的晶片传送口连通；在每个晶片传送口处均安装有阀门，每个阀门都能够实现独立打开或关闭；所述传送腔中设有机械手，所述机械手用于从载片盒取出晶片，并且能够在修膜腔、金属溅射腔及氮化物溅射腔之间进行传片操作。

2.如权利要求1所述的氮化物和金属薄膜沉积与修整设备，其特征在于，所述载片腔、修膜腔、金属溅射腔及氮化物溅射腔中均设有机械真空泵和分子泵；所述修膜腔的数量为一个、两个、三个或更多个；所述金属溅射腔的数量为一个、两个、三个或更多个；所述氮化物溅射腔的数量为一个、两个、三个或更多个。

3.如权利要求1所述的氮化物和金属薄膜沉积与修整设备，其特征在于，所述载片器为能够放置4-8英寸晶片的卡塞，卡塞能够放置多片晶片。

4.如权利要求1所述的氮化物和金属薄膜沉积与修整设备，其特征在于，所述传送腔的形状为长方形、正方形、正五边形、正六边形或圆形。

5.如权利要求1所述的氮化物和金属薄膜沉积与修整设备，其特征在于，所述第一壳体、第二壳体均为耐高压合金钢或耐低压合金钢。

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