TWI856885B

TWI856885B - 用於電漿蝕刻系統之邊緣組件及用於操作電漿蝕刻系統的方法

Info

Publication number: TWI856885B
Application number: TW112145420A
Authority: TW
Inventors: 陳家瑋; 詹朝壹; 陳佑宣; 郭政佑; 陳彥羽
Original assignee: 台灣積體電路製造股份有限公司
Priority date: 2023-05-19
Filing date: 2023-11-23
Publication date: 2024-09-21
Also published as: US20240387150A1; CN222394768U; TW202447689A

Abstract

一種用於電漿蝕刻系統的邊緣組件。邊緣組件包含：聚焦環，環繞安裝於電漿蝕刻系統內之安裝平台的邊緣部分。聚焦環包含：下台階部分，鄰近安裝平台的邊緣部分，從聚焦環的底部表面垂直延伸至下台階頂部表面；上台階部分，遠離安裝平台之邊緣部分，從聚焦環的底部表面垂直延伸至上台階頂部表面，並從上台階內側徑向延伸至上台階外側。聚焦環的特徵在於，空隙位於上台階部分中，並沿聚焦環之周邊外圍地延伸。

Description

用於電漿蝕刻系統之邊緣組件及用於操作電漿蝕刻系統的方法

本揭露是關於一種電漿蝕刻系統，且特別是一種具有改良之聚焦環的電漿蝕刻系統。

由於各種電子元件(例如，電晶體、二極體、電阻、電容等)的積體密度持續改良，半導體工業迎來了飛速成長。在大多數情況下，積體密度的改良是透過最小特徵尺寸的迭代減少來達成，使得更多元件可以整合進特定的區域中。

雖然一些積體裝置製造商(integrated device manufacturers，IDMs)自己設計和製造積體電路(integrated circuits，ICs)，但無晶圓廠之半導體公司將半導體製造外包給半導體製造廠或代工廠。半導體製造由一系列過程所組成，其中裝置結構是透過在基板上加上一系列結構層來製造。這一系列過程涉及了各種介電質、半導體和金屬層的沉積和去除。透過微影製程控制要沉積或去除之金屬層的區域。每個沉積和去除過程完成後通常接著進行清潔和檢查步驟。因此，積體裝置製造商和代工廠都依賴大量通常由供應商提供的半導體設備和半導體製造材料。客製化或改良此些半導體設備和半導體製造材料往往是必要的，進而提高機動性、可靠性和成本效益。

本揭露之一方面是指一種邊緣組件，用於一電漿蝕刻系統。邊緣組件包含聚焦環，環繞安裝於電漿蝕刻系統內之安裝平台之邊緣部分。聚焦環包含下台階部分，鄰近安裝平台之邊緣部分，下台階部分從聚焦環之底部表面垂直延伸至下台階頂部表面。聚焦環更包含上台階部分，遠離安裝平台之邊緣部分，上台階部分從聚焦環之底部表面垂直延伸至上台階頂部表面，又上台階部分從上台階內側徑向延伸至上台階外側，其中下台階部分與上台階部分於上台階內側相連接。聚焦環的特徵在於，空隙位於上台階部分中，且空隙沿聚焦環之周邊外圍地延伸。

本揭露之另一方面是指一種邊緣組件，用於電漿蝕刻系統。邊緣組件包含聚焦環，環繞安裝於電漿蝕刻系統內之安裝平台之邊緣部分。聚焦環包含上台階部分，其中上台階部分為環狀並從聚焦環之底部表面垂直延伸至上台階頂部表面，且其中上台階部分的特徵在於具有沿上台階部分之周圍延伸的空腔，且空腔的特徵在於具有與聚焦環之底部表面呈共平面之空腔底部表面。

本揭露之又一方面是指一種用於操作電漿蝕刻系統的方法，包含定位半導體晶圓至位於電漿蝕刻系統之腔室內的安裝平台之上，其中電漿蝕刻系統包含安裝平台及邊緣組件，其中邊緣組件包含聚焦環，環繞於安裝平台之邊緣部分，且其中聚焦環的特徵在於具有沿聚焦環之周圍延伸的空腔，且其中空腔的特徵在於具有與聚焦環之底部表面呈共平面之空腔底部表面。此種用於操作電漿蝕刻系統的方法更包含進行一電漿相關製程。

10:半導體晶圓

22:蝕刻劑輸送系統

24:蝕刻腔室

26:蝕刻劑控制器

28:歧管

30:控制器

32:蝕刻劑供應器

34:載氣供應器

36:蝕刻劑供應管線

38:蝕刻劑供應閥

40:載氣供應管線

42:載氣供應閥

44:蝕刻劑腔室外殼

46:間隔物

48:噴頭

50:安裝平台

52:下電極

54:下射頻產生器

55:安裝表面

56:上電極

58:上射頻產生器

62:真空泵

70:聚焦環

80:支撐環

90:作動器

92:封閉環

94:覆蓋環

96:空隙

100:電漿蝕刻系統

102:區域

104:邊緣組件

201:下台階頂部表面

202:空隙內側

203:上台階內側

204:空隙外側

205:上台階外側

206:空隙頂部表面

207:底部表面

208:支撐環頂部表面

209:下台階內側

210:上台階頂部表面

211:頂部表面

214:斜角部分

216:覆蓋環頂部表面

218:傾斜表面

220:覆蓋環外側

292:空隙底部表面

402:塊體電漿區域

404:電漿殼層區域

406:塊體-殼層界面

408:電漿殼層

500:等效電路

502:第一電阻

504:第一電容

512:第二電阻

514:第二電容

600:方法

602:步驟

604:步驟

C_sheath,C_ring:電容值

R_sheath,R_ring:電阻值

V_gap,V_ring:電位差

Z_sheath,Z_ring:阻抗

當配合隨附圖式閱讀時，自以下詳細描述是最好理解本揭示的態樣。應注意的是，根據工業標準實務，多個特徵並非按比例繪製。實際上，基於論述的清晰此些特徵的尺寸可能會任意地增加或縮減。

圖1係繪示依據一些實施例之示例電漿蝕刻系統的剖面示意圖。

圖2係繪示依據一些實施例之示例邊緣組件的剖面示意圖。

圖3係繪示依據一些實施例之示例邊緣組件的俯視圖。

圖4係繪示依據一些實施例之聚焦環上方之示例電漿殼層區域的示意圖。

圖5係繪示依據一些實施例之聚焦環及電漿殼層之示例等效電路的示意圖。

圖6係繪示依據一些實施例之用於操作電漿蝕刻系統之示例方法的流程圖。

以下揭露內容提供用於實施所提供的主題的不同特徵的許多不同的實施例或示例。以下描述組件及配置的特定實例以簡化本揭露。當然，此等僅僅為實例，而無意於進行限制。舉例而言，在以下描述中，在第二特徵上方或上的第一特徵的形成可包含第一特徵與第二特徵直接接觸地形成的實施例，且亦可包含在第一特徵與第二特徵之間形成額外特徵以使得第一特徵與第二特徵可能不直接接觸的實施例。另外，本揭露可在各個示例中重複參考數字和/或字母。此重複係出於簡單及清楚的目的，且其本身並不指示所論述的各種實施例和/或組態之間的關係。

另外，為了便於描述，本文中可能使用諸如「在...之下」、「在...下方」、「下部」、「在...上方」、「上部」等空間相對術語，以描述一個元件或特徵與另一(或另一些)元件或特徵的關係，如圖中所繪示。除了在圖中描述的定向之外，空間相對術語亦意欲涵蓋裝置在使用或操作中的不同定向。可以其他方式定向(旋轉90度或其他定向)設備，且在本文中使用的空間相對描述語亦可對應地進行解釋。另外，除非另有明確說明，否則假設具有相同參考數字和/或字母之每個元件皆具有相同的材料組成並且具有相同厚度範圍內的厚度。

此外，源極/汲極區可以單獨或共同地指源極或汲極，取決於上下文。例如，裝置可以包含第一源極/汲極區和第二源極/汲極區，以及其他元件。第一源極/汲極區可以是源極區，而第二源極/汲極區可以是汲極區，反之亦然。本領域之通常知識者會認識到許多變化、修改和替代。

本揭露描述了一些實施例。可以在此些實施例中描述的階段之前、期間和/或之後提供額外的操作。對於不同的實施例，所描述的一些階段可以被替換或去除。以下描述的一些特徵可以被替換或去除，且可以為不同的實施例添加額外的特徵。儘管一些實施例討論了以特定順序執行的操作，但此些操作也可以以另一邏輯順序進行。

概述

電漿相關製程廣泛應用於半導體製造。例如，電漿蝕刻製程在快速發展的半導體裝置製造技術中很頻繁地被使用。反應性離子蝕刻(reactive ion etching，RIE)製程或其他電漿蝕刻製程用於蝕刻形成在半導體裝置上的材料，通常在半導體基板上形成的材料層中創建圖案。如另一示例，電漿清潔製程亦常用於半導體裝置製造中。電漿清潔製程可以是例如包含用於從半導體裝置去除材料之覆蓋膜的剝離操作。此外，電漿相關製程還包含電漿處理製程。儘管本揭露中以用於電漿蝕刻製程的電漿蝕刻系統作為示例，但應當理解的是，本文揭露的技術通常適用於電漿相關製程的其他電漿相關系統。

在傳統電漿蝕刻系統中，聚焦環用於水平或徑向地向腔室的外圍區域延展或牽引電漿來提高腔室中產生之電漿的均勻性。然而，一般用於聚焦環的材料容易受到電漿蝕刻製程中常用之氟基化學物質的侵蝕和降解。此類容易受到侵蝕和降解的材料包含石英、矽、鋁等。因此，聚焦環的使用壽命一般相對較短，又需要頻繁且漫長的更換過程，其進一步導致產能損失。

另一方面，半導體晶圓(有時也稱為「晶圓」)在多個電漿蝕刻製程期間產生的熱應力量和電應力量快速累積。半導體晶圓通常由靜電吸盤(有時也稱為「e-吸盤」)夾持，使得半導體晶圓在電漿蝕刻製程期間「貼附」至晶圓載具(holder)。一般來說將對靜電吸盤的電極施加高電壓。由於高電壓而產生的靜電場將隨之在半導體晶圓和靜電吸盤之間產生吸引力。然而，在電漿蝕刻製程期間，電漿撞擊半導體晶圓後，半導體晶圓的電位通常在例如數十個射頻(radio frequency，RF)循環內相對於腔室壁被下拉至負值。結果，高電位差可能產生電弧，此高電位差變得高於例如介電層的崩潰電壓。電弧放電可能損壞或毀壞製造於半導體晶圓上的半導體裝置，甚至可能導致半導體晶圓無法使用。

根據本揭露的一些方面，提供了一種新穎的電漿蝕刻系統。電漿蝕刻系統包含邊緣組件，此邊緣組件環繞配置於半導體晶圓的邊緣，並在電漿蝕刻製程中進行處理。邊緣組件包含以空隙為特徵的聚焦環。空隙沿聚焦環周邊外圍地延伸且含有空氣。由於位於聚焦環內之空隙的相對介電常數較低，因此此聚焦環相較於無空隙的傳統聚焦環具有顯著更低的電容。因此，在電漿蝕刻製程中，聚焦環與電漿殼層之間產生的電位差因聚焦環阻抗的增加而顯著減小。據此，根據Child-Langmuir定律(有時也稱為「Child定律」)，聚焦環上方之電漿殼層的厚度變得更小，從而減少了電漿對聚焦環的侵蝕，並提高了聚焦環的耐用性，使得聚焦環的使用壽命得以延長。此外，作為不利因素的晶圓電弧亦可因更加均勻的電漿以及聚焦環與晶圓上方之電漿殼層之間更低的電位差而顯著減少。

參考圖1-6之電漿蝕刻系統、邊緣組件及聚焦環的描述如下。

具有新穎邊緣組件之電漿蝕刻系統的示例

圖1係繪示根據一些實施例之示例電漿蝕刻系統100的剖面示意圖。在圖1所示的示例中，除了其他元件之外，電漿蝕刻系統100還包含蝕刻劑輸送系統22、蝕刻腔室24、蝕刻劑控制器26、歧管28、控制器30、多個蝕刻劑供應器32、載氣供應器34、多條蝕刻劑供應管線36、多個蝕刻劑供應閥38、載氣供應管線40、載氣供應閥42、蝕刻劑腔室外殼44、間隔物46、噴頭48、安裝平台50、下電極52、下射頻產生器54、上電極56、上射頻產生器58、真空泵62和作動器90。應當理解的是，在其他實施例中，電漿蝕刻系統100可以包含其他元件。

電漿蝕刻系統100還包含位於區域102中的邊緣組件104(如圖1中虛線內所示)。在圖1所示的示例中，邊緣組件104環繞安裝於安裝平台50上之半導體晶圓10 的邊緣或外圍部分。除了其他元件外，邊緣組件104包含封閉環92、覆蓋環94、支撐環80和聚焦環70。參照圖2-3詳細討論如下，聚焦環70具有以空隙96為特徵的設計，從而延長聚焦環70的壽命。

蝕刻劑輸送系統22可操作以將一或多種氣態蝕刻劑輸送到蝕刻腔室24。蝕刻劑輸送系統22透過蝕刻劑控制器26和歧管28將各種所需的蝕刻劑供應至蝕刻腔室24。蝕刻劑輸送系統22還可透過控制通過蝕刻劑輸送系統22之載氣的流量和壓力來協助控制進入蝕刻腔室24之蝕刻劑的流量。蝕刻劑輸送系統22和蝕刻腔室24由控制器30控制，其控制和調節進入蝕刻腔室24的各種蝕刻劑和載氣。在一些實施例中，由電漿蝕刻系統100進行之電漿蝕刻製程是反應性離子蝕刻(reactive-ion etching，RIE)製程或深反應性離子蝕刻(deep reactive-ion etching，DRIE)製程。

在圖1所示的示例中，蝕刻劑輸送系統22包含蝕刻劑供應器32和載氣供應器34。雖然圖1中僅繪示兩個蝕刻劑供應器32，但應當理解的是，蝕刻劑輸送系統22可包含任意合適數量的蝕刻劑供應器32，例如電漿蝕刻系統100中所需使用之各種蝕刻劑的蝕刻劑供應器。舉例而言，在需利用五種不同蝕刻劑的實施例中，蝕刻劑輸送系統22可包含五個蝕刻劑供應器32。

每個蝕刻劑供應器32可以是一個容器，例如氣體儲存罐，其可位於蝕刻腔室24附近或遠離蝕刻腔室24。在另一實施例中，蝕刻劑供應器32可以是獨立製備和輸送所需蝕刻劑之設施的一部分。任意合適的蝕刻劑來源皆可作為蝕刻劑供應器32使用，且所有此類來源皆涵蓋於本揭露的範圍內。各蝕刻劑供應器32均可透過具有蝕刻劑供應閥38的蝕刻劑供應管線36將蝕刻劑供應至蝕刻劑控制器26。蝕刻劑供應閥38由控制器30所控制。

載氣供應器34可操作以供應所需載氣或稀釋氣體，其可用於協助將各種所需蝕刻劑推進或「攜帶」至蝕刻腔室24中。載氣可以是惰性氣體，或是不與蝕刻劑本身或蝕刻劑反應之副產物反應的其他氣體。例如，載氣可以是氮氣(N₂)、氦氣(He)、氬氣(Ar)或上述氣體的組合等，但在其他實施例中可使用其他合適的載氣。

載氣供應器34可以是一個容器，例如氣體儲存罐，其可位於蝕刻腔室24附近或遠離蝕刻腔室24。在另一實施例中，載氣供應器34可以是獨立製備和輸送載氣的設施。任意合適的載氣來源皆可作為載氣供應器34使用，且所有此類來源皆涵蓋於本揭露的範圍內。載氣供應源34可透過載氣供應管線40將所需載氣供應至蝕刻劑控制器26，其中載氣供應閥42將載氣供應器34連接至載氣供應管線40。載氣供應閥42亦由控制器30所控制，控制器30控制和調節進入蝕刻腔室24的各種蝕刻劑和載氣。一旦載氣和蝕刻劑結合後可被導入蝕刻劑控制器26，並接著通過歧管28進入蝕刻腔室24中。

蝕刻腔室24可以是適用於散佈蝕刻劑的任意所需形狀。在圖1所示的示例中，蝕刻腔室24具有圓柱形的側壁和底部。然而，蝕刻腔室24不限於圓柱形，且在其他實施例中可採用任意其他合適的形狀，例如中空方管、八邊形等。此外，蝕刻劑腔室外殼44可環繞於蝕刻腔室24，且蝕刻劑腔室外殼44由對各種處理材料呈惰性的材料所製成。如此一來，蝕刻劑腔室外殼44可由能承受蝕刻製程中涉及之化學物質和壓力的任意合適的材料所製成。在一些實施例中，蝕刻劑腔室外殼44可由鋼、不銹鋼、鎳、鋁、上述材料的合金或上述材料的組合等所製成。在一些實施例中，間隔物46可嵌入蝕刻劑腔室外殼44的側壁或從蝕刻劑腔室外殼44的側壁移除，以控制蝕刻腔室24的高度。

在圖1所示的示例中，蝕刻腔室24包含噴頭48。在一實施例中，噴頭48從歧管28接收各種蝕刻劑，並協助將各種蝕刻劑散佈到蝕刻腔室24中。噴頭48可設計為均勻地散佈蝕刻劑，以最小化可能因不均勻散佈蝕刻劑而產生之非預期的製程條件。在一實施例中，噴頭48可具有圓形設計，其具有環繞噴頭48均勻散佈的開口，以允許所需蝕刻劑散佈至蝕刻腔室24中。然而，導入所需蝕刻劑之任意合適的方法，例如入口埠，可用於將所需蝕刻劑導入蝕刻腔室24。

安裝平台50位於蝕刻腔室24內，以在蝕刻製程期間定位和控制半導體晶圓10。在一些情況下，半導體晶圓10可安裝於安裝平台50的安裝表面55上。在圖1所示的示例中，安裝平台50藉由靜電力、夾具、真空壓力或上述的組合等來固定半導體晶圓10，其還可包含加熱和冷卻機構，用以在電漿蝕刻製程期間控制半導體晶圓10的溫度。在一實施例中，安裝平台50為靜電吸盤平台。

在圖1所示的示例中，蝕刻腔室24還包含耦合至下射頻產生器54的下電極52。在蝕刻製程期間，下電極52可以由下射頻產生器54(例如，在控制器30的控制下)在射頻電壓下偏置電壓。透過偏置電壓，下電極52用於對導入的蝕刻劑提供偏壓並協助將其點燃成電漿。下電極52亦用於在電漿蝕刻製程期間透過維持偏壓來維持電漿，且下電極52還用於協助加速離子從電漿流向半導體晶圓10。

在圖1所示的示例中，蝕刻腔室24還包含耦合至上射頻產生器58的上電極56，以用作電漿產生器。上射頻產生器58對上電極56提供電力(例如，在控制器30的控制下)，以在導入反應蝕刻劑期間點燃電漿。儘管上電極56在上文被描述為電容耦合電漿產生器，但實施例並非旨在侷限於電容耦合電漿產生器。相反地，可利用任意合適之產生電漿的方法，例如感應耦合(inductively coupled)電漿系統、磁性增強型(magnetically enhanced)反應性離子蝕刻、電子迴旋共振(electron cyclotron resonance)、遠端電漿產生器等。所有此類方法完全旨在包含於本揭露的範圍內。

在圖1所示的示例中，蝕刻腔室24還與真空泵 62相連接。在一實施例中，真空泵62在控制器30的控制下可用於將蝕刻腔室24內的壓力控制在所需的壓力下。另外，一旦完成電漿蝕刻製程，可利用真空泵62來抽空蝕刻腔室24以準備去除半導體晶圓10。

在圖1所示的示例中，作動器90貼附於支撐環80並可透過操作作動器90以垂直地移動支撐環80和聚焦環70。在一些實施例中，作動器90可以是支撐環80或安裝平台50的一部分，也可與支撐環80或安裝平台50分離。在一些實施例中，作動器90可在蝕刻劑腔室外殼44的內部或外部。為了移動聚焦環70，作動器90可包含例如步進馬達、其他類型的馬達或液壓系統。在一些實施例中，作動器90可直接移動支撐環80的可移動部分，或可透過聯動裝置、傳動裝置、纜線、液壓裝置或其他合適的技術或技術組合連接至支撐環80。在一些實施例中，作動器90由控制器30控制。

儘管上述已描述了電漿蝕刻系統100的多個特定元件，但也可包含其他合適的元件。例如，還可包含端點安裝元件、襯墊以及可助於操作或控制電漿蝕刻製程的任意其他元件。所有此類元件完全旨在包含在本揭露的範圍內。

具有新穎聚焦環之邊緣組件的示例

圖2係繪示根據一些實施例之圖1之示例邊緣組件104的剖面示意圖。圖3係繪示根據一些實施例之示例邊緣組件104的俯視圖。如上所述，位於區域102中的邊緣組件104除了其他元件外還包含封閉環92、覆蓋環94、支撐環80和聚焦環70。聚焦環70的特徵在於空隙96，從而延長聚焦環70的使用壽命。

在圖2和圖3所示的示例中，聚焦環70環繞於半導體晶圓10外圍並具有與半導體晶圓10呈同心的大體上環形形狀。聚焦環70可具有矩形剖面形狀、不規則剖面形狀或不同形狀的剖面。在圖式的示例中，聚焦環70包含下台階部分72和貼附於下台階部分72的上台階部分74。下台階部分72鄰近半導體晶圓10的邊緣，而上台階部分74遠離半導體晶圓10的邊緣。上台階部分74相對於下台階部分72在垂直方向(即圖2所示的Z方向)上提高，且上台階部分74的尺寸大於下台階部分72的尺寸。

如圖2所示，上台階部分74從聚焦環70的底部表面207垂直延伸至上台階頂部表面210。上台階部分74在水平面(即X-Y平面)上從上台階內側203徑向延伸至上台階外側205。下台階部分72從聚焦環70的底部表面207垂直延伸至下台階頂部表面201，並從下台階部分72的下台階內側209徑向延伸到上台階內側203。下台階部分72和上台階部分74在上台階部分74的上台階內側203相連接。下台階頂部表面201在垂直方向上位於上台階頂部表面210下方。下台階頂部表面201和上台階頂部表面210之間的距離可以根據設計要求而變化。

如圖2所示，下台階內側209鄰近安裝平台50。在一些實施例中，下台階部分72的下台階頂部表面201 與安裝表面55呈共平面或實質共平面。在一些實施例中，半導體晶圓10的邊緣部分或外圍部分在垂直方向上位於下部台階部分72的上方。在替代的實施例中，下台階頂部表面201可與半導體晶圓10的頂部表面211呈共平面或實質共平面。上台階頂部表面210位於半導體晶圓10的頂部表面211的上方。

上台階部分74可具有在上台階內側203和上台階外側205之間測量的第一寬度(W₁)以及在上台階頂部表面210和底部表面207之間測量的第一厚度(T₁)。在一些實施例中，第一寬度(W₁)介於約17mm與約37mm之間、介於約20mm與約30mm之間或介於約26mm與約28mm之間。在一實施例中，第一寬度(W₁)約為27mm。在一些實施例中，第一厚度(T₁)介於約5mm與約10mm之間、介於約6mm與約9mm之間或介於約7mm與約8mm之間。在一實施例中，第一厚度(T₁)約為7.2mm。

在一些實施例中，下台階部分72可具有從下台階內側209到上台階內側203測量的第二寬度(W₂)以及在下台階頂部表面201和底部表面207之間測量的第二厚度(T₂)。在一些實施例中，第二寬度(W₂)介於約3mm與約6mm之間或介於約4mm至約5mm。在一實施例中，第二寬度(W₂)約為4.45mm。在一些實施例中，第二厚度(T₂)介於約2mm與約4mm之間或介於約2.5mm與約3.5mm之間。在一實施例中，第二厚度(T₂)約為2.8mm。

在圖2所示的示例中，聚焦環70安裝於支撐環80。支撐環80可環繞聚焦環70的整個圓周支撐或固定聚焦環70，或在一或多個分散的位置支撐或固定聚焦環70。支撐環80部分設置於安裝平台50上並且部分設置於封閉環92上。支撐環80具有支撐環頂部表面208。在一些實施例中，聚焦環70的下台階部分72和上台階部分74設置於支撐環頂部表面208上並與其相接觸。

聚焦環70貼附於覆蓋環94。在圖2所示的示例中，覆蓋環94設置於上台階部分74的上台階外側205上且外圍地環繞聚焦環70。覆蓋環94具有覆蓋環頂部表面216和覆蓋環外側220。在一些實施例中，覆蓋環頂部表面216與上台階部分74的上台階頂部表面210呈共平面或實質共平面。在圖2所示的示例中，覆蓋環94包含具有傾斜表面218的斜角部分214。傾斜表面218可分別與覆蓋環頂部表面216和覆蓋環外側220形成平滑邊緣。覆蓋環94的平滑邊緣可降低角部的銳度並防止操作期間的損壞。

覆蓋環94安裝在位於覆蓋環94下方的封閉環92。封閉環92配置以支撐並固定支撐環80和覆蓋環94。如圖2所示，封閉環92外圍地環繞安裝平台50並可在電漿蝕刻製程期間保護安裝平台50。

如上所述，聚焦環70的特徵在於空隙96。應注意的是，本揭露中所使用的術語「空隙」並不旨在限制，且可指其中填充或不填充氣體的任意空間。諸如「空腔」、「中空」、「孔」、「通道」和「凹槽”等其他術語皆等同於「空隙」並可在本揭露中與「空隙」互換使用。例如，如下文所討論之，「空隙底部表面」亦可稱為「空腔底部表面」；「空隙內側」亦可稱為「空腔內側」；「空隙外側」亦可稱為「空腔外側」。所屬技術領域中具有通常知識者將理解此些術語可與其他變體互換使用。

在一實施例中，空隙96的特徵在於空腔和填充在空腔中的空氣。空氣的相對介電常數為1.00058986±0.00000050，非常接近真空的介電常數1。如下文所解釋之，相較於無空隙的傳統聚焦環，空隙96中空氣的低相對介電常數導致聚焦環70的電容顯著降低。據此，聚焦環70上之電漿殼層的厚度變薄，電漿對聚焦環70的侵蝕減少。

應注意的是，圖1-3所示的空隙96僅為一示例，並不旨在限制，且其他間隙，例如真空腔或填充不同於空氣之另一種氣體的空腔，在本揭露之替代實施例中也是可行的。填充在間隙中的氣體通常具有較低的相對介電常數。在一實施方式中，位於聚焦環70的底部表面207(即空隙底部表面292)並與其共平面的底蓋用於封閉填充在空腔或腔室中的氣體，氣體的填充和釋放可透過例如進出開口來實現，且此進出開口在氣體填滿後關閉。相似地，上述真空腔也可透過位於聚焦環70之底部表面207的底蓋來實現，且此真空泵(例如渦輪分子泵)透過底蓋上的進出開口連接至真空腔。

如圖3所示，空隙96在聚焦環70的上台階部分74內外圍地延伸，且具有與聚焦環70呈同心或實質同心的環形形狀。在一些實施例中，空隙96沿其周圍是連續的。在替代實施例中，空隙96是分段的，例如包含沿聚焦環70的周圍彼此分離的多個分離空隙部分。

空隙96可具有矩形剖面形狀或在徑向平面中具有不同形狀的剖面。在圖2所示的示例中，空隙96從空隙內側202徑向延伸至空隙外側204。空隙96的特徵在於與聚焦環70的底部表面207共平面的空隙底部表面292。空隙內側202和空隙外側204垂直於聚焦環70的底部表面207(即垂直於空隙底部表面292)。空隙內側202鄰近上台階部分74的上台階內側203，且空隙外側204鄰近上台階部分74的上台階外側205。空隙96從空隙頂部表面206垂直延伸到聚焦環70的底部表面207。然而，在替代實施例中，空隙96可完全封閉在上台階部分74中且不會經由底部表面207洩露。應注意的是，在替代實施例中，空隙96亦可能具有其他剖面形狀，例如圓形、正方形、橢圓形和具有圓角的矩形。

空隙96具有徑向尺寸(D)和垂直尺寸(H)。徑向尺寸(D)係根據空隙內側202和空隙外側204之間的距離來測量，垂直尺寸(H)係根據空隙頂部表面206和底部表面207之間的距離來測量。空隙96的剖面尺寸可根據設計需求而變化。

在一些實施例中，空隙96的徑向尺寸(D)介於約5mm與約30mm之間、介於約10mm與約25mm之間或介於約15與約25mm之間。在一些實施例中，空隙96的徑向尺寸(D)介於聚焦環70之上台階部分74的第一寬度(W₁)的約30%與約90%之間、約40%與約80%之間或約50%與約70%之間。

在一些實施例中，空隙96的垂直尺寸(H)介於聚焦環70之上台階部分74的第一厚度(T₁)的約20%與約70%之間、約30%與約60%之間或約40%與約50%之間。

在一實施例中，上台階部分74的第一寬度(W₁)約為27mm；上台階部分74的第一厚度(T₁)約為7.2mm。空隙96的徑向尺寸(D)為10mm；空隙96的垂直尺寸(H)約為2mm。

在另一實施例中，上台階部分74的第一寬度(W₁)約為27mm；上台階部分74的第一厚度(T₁)約為7.2mm。空隙96的徑向尺寸(D)為15mm，空隙96的垂直尺寸(H)約為3mm。

在又一實施例中，上台階部分74的第一寬度(W₁)約為27mm；上台階部分74的第一厚度(T₁)約為7.2mm。空隙96的徑向尺寸(D)為20mm，空隙96的垂直尺寸(H)約為4mm。

空隙96具有第一總容積(V₁)，聚焦環70的上台階部分74具有第二總容積(V₂)。在一些實施例中，V₁是V₂的介於約5%與約90%之間、介於約20%與約 70%之間或介於約40%與約50%之間。

聚焦環70可由導電材料、半導體材料、介電材料或其他材料所製成。在一些實施例中，聚焦環70可由摻雜或未摻雜的矽所製成。在一些實施例中，聚焦環70可由石英、碳化矽(SiC)或鋁(Al)所製成。在一些實施例中，聚焦環70可包含其外部表面上的塗層(即下台階頂部表面201、上台階頂部表面210、上台階內側203的外部表面及上台階外側205的外部表面)。此塗層可以是例如氧化釔(Y₂O₃)的金屬氧化物、例如氟化釔(YF₃)的金屬氟化物、或者例如氟氧化釔(YOF)的金屬氟氧化物。塗層可使用合適的沉積技術形成，例如化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)或物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)。在一些實施例中，塗層可抵抗在半導體製程中的蝕刻、剝離和清潔操作中使用的氟蝕刻化學物質的降解。因此，塗層可為聚焦環70提供額外的保護以防止在例如電漿蝕刻製程期間的侵蝕。

聚焦環性能改良

圖4係繪示根據一些實施例說明聚焦環上方之示例電漿殼層區域的示意圖。在圖4所示的示例中，塊體電漿區域402位於電漿殼層區域404上方，電漿殼層區域404位於聚焦環70上方。塊體電漿區域402和等離電漿殼層區域404具有在水平面中延伸的塊體-殼層界面406(即如圖4所示的X-Y平面)。

電漿是一種物質狀態，其中電離物質變為導電致使長程電場和磁場主導其行為。電漿通常是未結合之正負粒子的電準中性介質(即電漿的總電荷大致為零)。電漿包含離子和電子，且平均而言為電中和。

在電漿的邊緣區域，電子先於離子離開電漿並對聚焦環70(以及如圖2所示之半導體晶圓10)充電。因此，在Z方向的邊緣建立電場(在圖4中標記為「E」)。隨著電子對聚焦環70的充電愈多，電場隨之變得愈強。由於電場指向聚焦環70，因此電場將減緩電子移動。也就是說，電場將阻止更多的電子對聚焦環70充電。換言之，最終達到平衡，並在聚焦環70附近形成電漿殼層408。電漿殼層408是在多個德拜長度(Debye length)上建立之帶正電離子的薄層。換言之，電漿殼層408的厚度(即電漿殼層區域404的厚度，其在圖4中標記為「d_sheath」)約為多個德拜長度。在一實施例中，電漿殼層408的厚度約為0.15mm。另一方面，塊體電漿區域402為準中性(即電子密度和離子密度實質相同)。

另一方面，留在電漿殼層區域404中帶正電的離子被電場加速並轟擊聚焦環70。轟擊能量與電漿殼層區域404上的電位差(V_gap)成比例(即在圖4所示的示例中，在聚焦環70和塊體-殼層界面406以及聚焦環70的上台階頂部表面210之間)。

圖5係繪示根據一些實施例之聚焦環70和電漿殼層408之示例等效電路500的示意圖。聚焦環70的等效電路包含並聯在節點B和節點C之間的第一電阻502(特徵為電阻值R_ring)和第一電容504(特徵為電容值C_ring)。聚焦環70的阻抗Z_ring可由以下式(1)計算：

其中ω是RF訊號的角頻率。

同樣地，電漿殼層408的等效電路包含並聯在節點A和節點B之間的第二電阻512(特徵為電阻值R_sheath為)和第二電容514(特徵為電容值C_sheath)。電漿殼層408的阻抗Z_sheath可由以下式(2)計算：

其中ω是RF訊號的角頻率。

由於聚焦環70之空隙96中的空氣具有低相對介電常數，因此相較於無空隙的傳統聚焦環，聚焦環70具有明顯較低的電容值(C_ring)。在一實施例中，相較於無空隙的傳統聚焦環，電容值(C_ring)減少至約84%(即減少了約16%)。根據上述式(1)，聚焦環70的阻抗增大。因此，電漿殼層408上的電位差(V_gap)和聚焦環70上的電位差(V_ring)被重新分佈，且電漿殼層408上的電位差(V_gap)減小。

此外，根據Child-Langmuir定律，電漿殼層408的厚度(d_sheath)與電漿殼層408上之電位差(V_gap) 的3/4指數成比例。由於電漿殼層408是上的電位差(V_gap)減小，因此電漿殼層408的厚度(d_sheath)隨之減小。根據平行板電容公式，電漿殼層408的厚度(d_sheath)減小導致第二電容514的電容值C_sheath增大。根據上述式(2)，增大的電容值C_sheath進一步導致電漿殼層408的阻抗Z_sheath減小。減小的阻抗Z_sheath和增加的阻抗Z_ring加強了聚焦環70上和電漿殼層408上之電位的重新分佈。

據此，如上文所解釋，由於轟擊能量與電漿殼層408上的電位差(V_gap)成比例，故而電漿殼層408上減小的電位差(V_gap)導致較低的侵蝕率。聚焦環70的耐用性提高；聚焦環70的使用壽命得以延長。另一方面，電漿殼層408上減小的電位差(V_gap)也減少了不利的晶圓電弧發生。

在一些實施例中，相較於無空隙96的傳統聚焦環，聚焦環70與聚焦環70上方的電漿之間的電位差減小幅度介於約17%與約47%之間。相較於無空隙96的傳統聚焦環，聚焦環70的損耗率降低了約23.2%(即降低至約76.8%)，且具有空隙96的聚焦環70的使用壽命可提高至少90%。在一些實施例中，相較於無空隙的傳統聚焦環，具有空隙96之聚焦環70的侵蝕率可降低至少20%。在一些實施例中，相較於無空隙的傳統聚焦環(其電弧放電率通常高於2000ppm)，電弧放電率可降低至介於約50ppm與約100ppm之間，或降低超過95%。

操作電漿蝕刻系統的示例方法

圖6係繪示根據一些實施例之操作電漿蝕刻系統之示例方法600的流程圖。在圖6所示的示例中，方法600包含操作步驟602和604，也可執行額外操作步驟。

在操作步驟602中，將半導體晶圓(例如，圖2中所示的半導體晶圓10)定位至位於電漿蝕刻系統(例如，圖1所示的電漿蝕刻系統100)之腔室(例如，圖1中所示的蝕刻腔室24)中的安裝平台(例如，圖2中所示的安裝平台50)上。電漿蝕刻系統包含安裝平台和邊緣組件(例如，圖2中所示的邊緣組件104)。

邊緣組件包含外圍地環繞於安裝平台的邊緣部分的聚焦環(例如，圖2所示的聚焦環70)。聚焦環的特徵在於沿聚焦環之周邊外圍地延伸的空腔(例如，圖2所示的空隙96)。此空腔的特徵在於，空腔底部表面(例如，圖2所示的空隙底部表面292)與聚焦環的底部表面(例如，圖2所示的底表面207)呈共平面。

如上所述，由於位於腔體中的材料(例如空氣、真空等)具有低相對介電常數，因此相較於無空隙的傳統聚焦環，聚焦環具有明顯較低的電容。因此，在電漿蝕刻製程中，聚焦環與電漿殼層之間產生的電位差將由於聚焦環的阻抗增加而顯著減小，從而減少電漿對聚焦環的侵蝕，並提高聚焦環的耐用性，使得聚焦環的使用壽命得以延長。此外，由於更加均勻的電漿以及聚焦環與晶圓上方之電漿殼層之間更低的電位差，作為不利因素的晶圓電弧也得以顯著減少。

在操作步驟604中，執行電漿相關製程。在一實施例中，電漿相關製程是電漿蝕刻製程。在另一實施例中，電漿相關製程是電漿清潔製程。在又一實施例中，電漿相關製程是電漿處理製程。應理解的是，在其他實施例中可執行其他類型的電漿相關製程。

總結

根據本揭露的一些方面，提供了一種用於電漿蝕刻系統的邊緣組件。邊緣組件包含：聚焦環，環繞安裝於電漿蝕刻系統內的安裝平台的邊緣部分。聚焦環包含：下台階部分，鄰近安裝平台的邊緣部分，此下台階部分從聚焦環的底部表面垂直延伸至下台階頂部表面；上台階部分，遠離安裝平台的邊緣部分，此上台階部分從聚焦環的底部表面垂直延伸至上台階頂部表面，並從上台階內側徑向延伸至上台階外側，其中，下台階部分和上台階部分於上台階內側相連接。聚焦環的特徵在於，空隙位於上台階部分中，且此空隙沿聚焦環周邊外圍地延伸。在一實施例中，空隙的特徵在於具有空隙底部表面，且空隙底部表面與聚焦環之底部表面呈共平面。在一實施例中，空隙從空隙內側徑向延伸至空隙外側。在一實施例中，空隙內側及空隙外側垂直於空隙底部表面。在一實施例中，空隙的特徵在於在徑向平面中具有矩形剖面。在一實施例中，空隙充滿氣體。在一實施例中，氣體為空氣。在一實施例中，聚焦環更包含與聚焦環之底部表面呈共平面並封閉空隙之底蓋。在一實施例中，空隙被封閉以形成真空腔。在一實施例中，空隙的特徵在於具有徑向尺寸，此徑向尺寸在空隙內側與空隙外側之間，且介於聚焦環之上台階部分之第一寬度的30%與90%之間。在一實施例中，空隙的特徵在於具有垂直尺寸，此垂直尺寸在空隙底部表面與空隙頂部表面之間，且介於聚焦環之上台階部分之第一厚度的20%與70%之間。在一實施例中，邊緣組件更包含支撐環和封閉環，其中支撐環位於聚焦環下方，聚焦環貼附於支撐環，而封閉環位於支撐環下方且環繞於安裝平台。在一實施例中，邊緣組件更包含覆蓋環，其位於封閉環上方且外圍地環繞聚焦環。

根據本揭露的一些方面，提供了一種用於電漿蝕刻系統的邊緣組件。邊緣組件包含：聚焦環，環繞安裝於電漿蝕刻系統內的安裝平台的邊緣部分。聚焦環包含：上台階部分，此上台階部分為環狀並從聚焦環的底部表面垂直延伸至上台階頂部表面。上台階部分的特徵在於具有沿上台階部分之周圍延伸的空腔，且其中空腔的特徵在於具有與聚焦環的底部表面呈共平面之空腔底部表面。在一實施例中，空腔從垂直於空腔底部表面之空腔內側徑向延伸至垂直於空腔底部表面之空腔外側。在一實施例中，聚焦環更包含與聚焦環之底部表面呈共平面並封閉空腔之底蓋。在一實施例中，聚焦環更包含下台階部分，其環繞於鄰近安裝平台之邊緣部分、從聚焦環之底部表面垂直延伸至下台階頂部表面、且貼附於上台階部分。在一實施例中，聚焦環包含矽。

根據本揭露的一些方面，提供了一種用於操作電漿蝕刻系統的方法。此方法包含以下步驟：將半導體晶圓定位至位於電漿蝕刻系統的腔室中的安裝平台上，其中電漿蝕刻系統包含：安裝平台；邊緣組件，包含聚焦環，此聚焦環環繞於安裝平台之邊緣部分，且其中聚焦環的特徵在於具有沿聚焦環之周圍延伸的空腔，且其中空腔的特徵在於具有與聚焦環之底部表面呈共平面之空腔底部表面；以及執行電漿相關製程。在一實施例中，電漿相關製程為電漿蝕刻製程。

前文概述了若干實施例或示例之特徵，使得熟習此項技藝者可較佳理解本揭露的態樣。熟習此項技藝者應瞭解其可容易地使用本揭露作為設計或修改用於實現相同目的及/或達成本文中所介紹的實施例或實例的相同優勢的其他製程及結構之基礎。熟習此項技藝者亦應認識到此些等效構造不脫離本揭露的精神及範疇，且其可在不脫離本揭露的精神及範疇的情況下在本文中進行各種改變、代替及替換。