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Hintergrund
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Mit jeder folgenden Halbleitertechnologiegeneration tendieren Waferdurchmesser zur Zunahme und Transistorabmessungen zur Abnahme, was dazu führt, dass bei einer Substratverarbeitung ein ständig höherer Grad an Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erforderlich ist. Halbleitersubstratmaterialien, wie z. B. Siliciumwafer, werden unter Verwendung von Plasmaverarbeitungskammern routinemäßig verarbeitet. Plasmaverarbeitungstechniken umfassen Sputterablagerung, plasmaunterstützte chemische Abscheidung aus der Gasphase (PECVD), Resiststripping und Plasmaätzen. Ein Plasma kann erzeugt werden, indem geeignete Prozessgase in einer Plasmaverarbeitungskammer einer Radiofrequenz(RF)-Leistung ausgesetzt werden. Ein RF-Stromfluss in der Plasmaverarbeitungskammer kann das Verarbeiten beeinflussen.
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Eine Plasmaverarbeitungskammer kann auf die verschiedensten Mechanismen zurückgreifen, um ein Plasma zu erzeugen, wie z. B. induktive Kopplung (Transformatorkopplung), Helicon-, Elektronencyclotronresonanz-, kapazitive Kopplung (Parallelplatte). Z. B. kann ein hochdichtes Plasma in einer transformatorgekoppelten Plasma(TCP
TM)-Verarbeitungskammer oder in einer Elektronencyclotronresonanz(ECR)-Verarbeitungskammer erzeugt werden. Transformatorgekoppelte Plasmaverarbeitungskammern, bei denen RF-Energie induktiv in die Kammern eingekoppelt wird, sind von der Lam Research Corporation, Fremont, Kalifornien, erhältlich. Ein Beispiel für eine Plasmaverarbeitungskammer mit hohem Fluss, die ein hochdichtes Plasma liefern kann, ist in dem in unserem Besitz befindlichen
US-Patent No. 5,948,704 offenbart, dessen Offenbarung durch Bezug hierdurch aufgenommen wird. Parallelplatten-Plasmaverarbeitungskammern, Elektronencyclotronresonanz(ECR)-Plasmaverarbeitungskammern und transformatorgekoppelte Plasma(TCP
TM)-Verarbeitungskammern sind in den in unserem Besitz befindlichen
US-Patenten Nos. 4,340,462 ;
4,948,458 ;
5,200,232 und
5,820,723 offenbart, deren Offenbarungen durch Bezug hierdurch aufgenommen werden.
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Beispielsweise kann ein Plasma in einer Parallelplatten-Verarbeitungskammer erzeugt werden, wie z. B. der Zweifrequenz-Plasmaätzkammer, die in dem in unserem Besitz befindlichen
US-Patent No. 6,090,304 beschrieben ist, dessen Offenbarung durch Bezug hierdurch aufgenommen wird. Eine bevorzugte Parallelplatten-Plasmaverarbeitungskammer ist eine kapazitivgekoppelte Zweifrequenz-Plasmaverarbeitungskammer, die eine obere Gasverteilungselektrode und eine Substratauflage enthält. Zwecks Veranschaulichung werden hierin Ausführungsformen mit Bezug auf eine Plasmaverarbeitungskammer vom Parallelplattentyp beschrieben.
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Eine Parallelplatten-Plasmaverarbeitungskammer zum Plasmaätzen ist in
1 veranschaulicht. Die Plasmaverarbeitungskammer
100 umfasst eine Kammer
110, eine Einlassladeschleuse
112 und eine fakultative Auslassladeschleuse
114, deren weitere Einzelheiten in dem in unserem Besitz befindlichen
US-Patent No. 6,824,627 beschrieben sind, das durch Bezug hierdurch in seiner Gesamtheit aufgenommen wird.
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Die Ladeschleusen 112 und 114 (wenn vorgesehen) umfassen Übergabevorrichtungen, um Substrate, wie z. B. Wafer, von einem Wafervorrat 162 durch die Kammer 110 und heraus zu einem Waferbehältnis 164 zu fördern. Eine Ladeschleusenpumpe 176 kann für einen gewünschten Vakuumdruck in den Ladeschleusen 112 und 114 sorgen.
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Eine Vakuumpumpe 172, wie z. B. eine Turbopumpe, ist so angepasst, dass ein gewünschter Druck in der Kammer 110 aufrechterhalten wird. Während eines Plasmaätzens wird der Kammerdruck gesteuert und vorzugsweise bei einem Niveau gehalten, das ausreicht, um ein Plasma zu unterhalten. Ein zu hoher Kammerdruck kann als Nachteil zu einem Ätzstopp beitragen, während ein zu niedriger Kammerdruck zu einer Plasmalöschung führen kann. In einer Plasmaverarbeitungskammer mittlerer Dichte, wie z. B. einer Parallelplatten-Plasmaverarbeitungskammer, wird der Kammerdruck vorzugsweise bei einem Druck unter etwa 200 mTorr gehalten (z. B. weniger als 100 mTorr, wie z. B. 20 bis 50 mTorr) (”etwa”, wie hierin verwendet, bedeutet ±10%).
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Die Vakuumpumpe 172 kann mit einem Auslass in einer Wand der Kammer 110 verbunden sein und kann durch ein Ventil 173 gedrosselt werden, um den Druck in der Kammer zu steuern. Vorzugsweise kann die Vakuumpumpe einen Druck in der Kammer 110 von weniger als 200 mTorr aufrechterhalten, während Ätzgase in die Kammer 110 eingelassen werden.
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Die Kammer 110 enthält eine obere Elektrodenanordnung 120 einschließlich einer oberen Elektrode 125 (z. B. Gasverteilungselektrode) und eine Substratauflage 150. Die obere Elektrodenanordnung 120 ist in einem oberen Gehäuse 130 montiert. Das obere Gehäuse 130 kann durch einen Mechanismus 132 vertikal bewegt werden, um den Zwischenraum zwischen der oberen Elektrode 125 und der Substratauflage 150 einzustellen.
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Eine Prozessgasquelle
170 kann mit dem Gehäuse
130 verbunden sein, um Prozessgas, das ein oder mehrere Gase umfasst, zur oberen Elektrodenanordnung
120 zu liefern. In einer bevorzugten Plasmaverarbeitungskammer umfasst die obere Elektrodenanordnung ein Gasverteilungssystem, das verwendet werden kann, um Prozessgas zu einem zur Oberfläche eines Substrats in naher Nachbarschaft befindlichen Gebiet zu liefern. Gasverteilungssysteme, die einen oder mehrere Gasringe, Einspritzvorrichtungen und/oder Gasverteilungen (z. B. Gasverteilungselektroden) enthalten können, sind in den in unserem Besitz befindlichen
US-Patenten Nos. 6,333,272 ;
6,230,651 ;
6,013,155 und
5,824,605 offenbart, deren Offenbarungen durch Bezug hierdurch aufgenommen werden.
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Die obere Elektrode 125 umfasst vorzugsweise eine Gasverteilungselektrode, die Gaslöcher (nicht dargestellt) enthält, durch die Prozessgas verteilt wird. Die Gaslöcher können einen Durchmesser von 0,508 bis 5,08 mm (0,02 bis 0,2 Inch) aufweisen. Die Gasverteilungselektrode kann ein oder mehrere vertikal beabstandete Stoßbleche umfassen, die die gewünschte Verteilung von Prozessgas unterstützen können. Die obere Elektrode und die Substratauflage können aus einem beliebigen geeigneten Material, wie z. B. Graphit, Silicium, Siliciumcarbid, Aluminium (z. B. eloxiertes Aluminium) oder Kombinationen davon, gebildet sein. Eine Wärmeübertragungsflüssigkeitsquelle 174 kann mit der oberen Elektrodenanordnung 120 verbunden sein, und eine andere Wärmeübertragungsflüssigkeitsquelle kann mit der Substratauflage 150 verbunden sein.
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Die Substratauflage
150 kann eine oder mehrere eingebaute Festklemmelektroden enthalten, um ein Substrat auf einer oberen Oberfläche
155 (Auflageoberfläche) der Substratauflage
150 elektrostatisch festzuklemmen. Die Substratauflage
150 kann durch eine RF-Quelle und dazugehörige Schaltungsanordnung (nicht dargestellt), wie z. B. eine RF-Anpassungsschaltungsanordnung, mit Energie versorgt werden. Die Substratauflage
150 ist vorzugsweise temperaturgesteuert und kann fakultativ eine Heizeinrichtung (nicht dargestellt) enthalten. Beispiele für Heizeinrichtungen sind in den gemeinsam übertragenen
US-Patenten Nos. 6,847,014 und
7,161,121 offenbart, die durch Bezug hierdurch aufgenommen werden. Die Substratauflage
150 kann ein Halbleitersubstrat, wie z. B. einen Flachbildschirm oder einen 200 mm- oder 300 mm-Wafer, auf der Auflageoberfläche
155 tragen.
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In der Substratauflage
150 sind vorzugsweise Durchlässe zur Zuführung eines Wärmeübertragungsgases, wie z. B. Helium, unter das auf der Auflageoberfläche
155 getragene Substrat enthalten, um die Substrattemperatur während seiner Plasmaverarbeitung zu steuern. Z. B. kann eine Heliumkühlung von der Rückseite her eine Wafertemperatur niedrig genug halten, um ein Brennen von Fotoresist auf dem Substrat zu verhindern. Ein Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Substrats durch Einleitung eines Druckgases in einen Raum zwischen dem Substrat und der Substratauflageoberfläche ist in dem in unserem Besitz befindlichen
US-Patent No. 6,140,612 offenbart, dessen Offenbarung durch Bezug hierdurch aufgenommen wird.
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Die Substratauflage
150 kann Hubstiftlöcher (nicht dargestellt) enthalten, durch welche Löcher Hubstifte durch geeignete Mechanismen vertikal betätigt werden können und das Substrat von der Auflageoberfläche
155 anheben können, um es in die und aus der Kammer
110 heraus zu transportieren. Die Hubstiftlöcher können einen Durchmesser von etwa 2,032 mm (0,08 Inch) aufweisen. Einzelheiten von Hubstiftlöchern sind in den in unserem Besitz befindlichen
US-Patenten Nos. 5,885,423 und
5,796,066 offenbart, deren Offenbarungen durch Bezug hierdurch aufgenommen werden.
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2 stellt ein Blockdiagramm einer kapazitivgekoppelten Plasmaverarbeitungskammer 200 dar, um einen RF-Stromflussweg darin zu veranschaulichen. Ein Substrat 206 wird in der Verarbeitungskammer 200 verarbeitet. Um das Plasma zum Ätzen des Substrats 206 zu zünden, wird ein Prozessgas in der Kammer 200 einer RF-Leistung ausgesetzt. Während einer Substratverarbeitung kann ein RF-Strom von einer RF-Versorgung 222 entlang einem Kabel 224, durch ein RF-Anpassungsnetzwerk 220, in die Verarbeitungskammer 200 fließen. Der RF-Strom kann entlang einem Weg 240 fließen, um mit dem Prozessgas zu koppeln, so dass in einem eingeschlossenen Kammervolumen 210 ein Plasma erzeugt wird, das dazu dient, das Substrat 206 zu verarbeiten, das über einer unteren Elektrode 204 positioniert ist.
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Um eine Plasmabildung zu steuern und die Verarbeitungskammerwände zu schützen, kann ein Einschlussring 212 verwendet werden. Einzelheiten eines beispielhaften Einschlussrings sind in den in unserem Besitz befindlichen vorläufigen US-Patentanmeldungen Serial-Nos. 61/238656, 61/238665, 61/238670, die alle am 31. August 2009 eingereicht wurden, und der US-Patentanmeldungspublikation No. 2008/0149596 beschrieben, deren Offenbarungen durch Bezug hierdurch aufgenommen werden. Der Einschlussring 212 kann aus einem leitenden Material, wie z. B. Silicium, Polysilicium, Siliciumcarbid, Borcarbid, Keramik, Aluminium und dergleichen, hergestellt sein. Normalerweise kann der Einschlussring 212 so ausgeführt sein, dass er die Peripherie des eingeschlossenen Kammervolumens 210 umgibt, in dem ein Plasma gebildet werden soll. Zusätzlich zum Einschlussring 212 kann die Peripherie des eingeschlossenen Kammervolumens 210 auch durch eine obere Elektrode 202, untere Elektrode 204, einen oder mehrere Isolatorringe, wie z. B. 216 und 218, einen Randring 214 und eine untere Elektrodenauflagestruktur 228 begrenzt werden.
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Um Neutralgasspezies aus dem Einschlussgebiet (eingeschlossenes Kammervolumen 210) abzusaugen, können die Einschlussringe 212 eine Mehrzahl von Schlitzen (wie z. B. Schlitze 226a, 226b und 226c) enthalten. Die Neutralgasspezies können mittels einer Turbopumpe 234 aus der Verarbeitungskammer 200 abgepumpt werden.
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Zusammenfassung
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Hierin wird ein Einschlussring beschrieben, der als ein Bauteil einer kapazitivgekoppelten Plasmaverarbeitungskammer verwendbar ist, wobei innere Oberflächen des Einschlussrings eine ausgedehnte Plasmaeinschlusszone schaffen, die einen Zwischenraum zwischen einer oberen Elektrode und einer unteren Elektrode umgeben, auf der ein Halbleitersubstrat während einer Plasmaverarbeitung in der Kammer getragen wird, wobei der Einschlussring umfasst: eine obere ringförmige Wand, die sich horizontal erstreckt und einen ringförmigen Flansch an ihrem inneren Ende umfasst, der so angepasst ist, dass er unter einem äußeren Rand der oberen Elektrode der Plasmakammer liegt; eine Seitenwand, die sich von einem äußeren Ende der oberen Wand vertikal abwärts erstreckt; und eine untere ringförmige Wand, die sich von einem unteren Ende der Seitenwand horizontal einwärts erstreckt, wobei die untere Wand in Umfangsrichtung beabstandete radial sich erstreckende Schlitze enthält, wobei jeder der Schlitze eine Länge von mindestens 25,4 mm (1,0 Inch) und eine gleichförmige Breite von 1,27 bis 5,08 mm (0,05 bis 0,2 Inch) aufweist, wobei die Schlitze an radialen Positionen, die um nicht mehr als 2° versetzt sind, gleichweit beabstandet sind.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 gibt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Plasmaverarbeitungskammer wieder.
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2 stellt ein Blockdiagramm einer kapazitivgekoppelten Plasmaverarbeitungskammer und einen RF-Rückleitungsweg darin dar.
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3 stellt einen Teilquerschnitt einer beispielhaften kapazitivgekoppelten Plasmaverarbeitungskammer mit einstellbarem Zwischenraum dar.
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4A ist eine Perspektivansicht eines Einschlussrings gemäß einer Ausführungsform.
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4B stellt Einzelheiten einer Gruppe von Durchgangslöchern in einer Seitenwand des Einschlussrings von 4A dar.
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4C stellt einen Teilquerschnitt durch ein Gewindeloch des Einschlussrings von 4A dar.
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4D stellt einen Teilquerschnitt durch ein Ausrichtstiftloch des Einschlussrings von 4A dar.
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4E ist eine Draufsicht von oben auf den Einschlussring von 4A.
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4F ist eine Schnittdarstellung des Einschlussrings von 4A, wobei seine obere Wand entfernt ist.
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Ausführliche Beschreibung
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Hierin wird ein Einschlussring beschrieben, der so ausgeführt ist, dass ein Plasma in einer ausgedehnten Plasmaeinschlusszone eingeschlossen wird, der einen Zwischenraum zwischen einer oberen Elektrode und einer unteren Elektrode einer kapazitivgekoppelten Plasmaverarbeitungskammer mit einstellbarem Zwischenraum umgibt. 3 stellt einen Teilquerschnitt einer beispielhaften kapazitivgekoppelten Plasmaverarbeitungskammer 300 mit einstellbarem Zwischenraum dar. Die Kammer 300 umfasst eine Substratauflageanordnung 310, eine obere Elektrode einschließlich einer mittigen Elektrodenplatte 303 und einer ringförmigen äußeren Elektrode 304 und einen elektrisch leitenden (z. B. Reinaluminium oder Aluminiumlegierung, insgesamt hierin als Aluminium bezeichnet) Einschlussring 500, gemäß einer Ausführungsform, der sich von der ringförmigen äußeren Elektrode 304 auswärts erstreckt. Der Einschlussring 500 ist bei Betrachtung in einer vertikalen Ebene, die durch seine Mittelachse geht, im Querschnitt C-förmig.
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Die 4A–4F stellen Einzelheiten des Einschlussrings 500 dar. Der Einschlussring 500 umfasst eine obere ringförmige Wand 510, die sich horizontal erstreckt und einen ringförmigen Flansch 511 an ihrem inneren Ende enthält, der so angepasst ist, dass er unter einem äußeren Rand der ringförmigen äußeren Elektrode 304 der Plasmaverarbeitungskammer 300 liegt, eine Seitenwand 520, die sich von einem äußeren Ende der oberen Wand 510 vertikal abwärts erstreckt, eine untere ringförmige Wand 530, die sich von einem unteren Ende der Seitenwand 520 horizontal einwärts erstreckt, wobei die untere Wand 530 in Umfangsrichtung beabstandete radial sich erstreckende Schlitze 531 enthält, durch die gasförmige Nebenprodukte aus der Plasmaeinschlusszone abgepumpt werden können, wobei jeder der Schlitze 531 eine Länge von mindestens 25,4 mm (1,0 Inch) und eine gleichförmige Breite von 1,27 bis 5,08 mm (0,05 bis 0,2 Inch) aufweist, wobei die Schlitze 531 an radialen Positionen, die um bis zu 2° versetzt, vorzugsweise um 1,25° versetzt sind, gleichweit beabstandet sind.
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Die Seitenwand 520 weist vorzugsweise keine Öffnungen auf, abgesehen von einer Gruppe von gleichweit beabstandeten Durchgangslöchern 521, die in 5 horizontalen Reihen nahe beieinander angeordnet sind. Jedes Loch 521 weist vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 0,762 mm (0,030 Inch) (”etwa”, wie hierin verwendet, bedeutet ±10%) auf, und die Löcher 521 sind etwa 1,524 mm (0,06 Inch) beabstandet.
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Die untere Wand 530 weist einen Innendurchmesser von etwa 377,952 mm (14,880 Inch) auf. Die obere Wand 510 weist einen Innendurchmesser von etwa 426,5168 mm (16,792 Inch) auf. Die Seitenwand 520 weist einen Außendurchmesser von etwa 520,70 mm (20,500 Inch), einen Innendurchmesser von etwa 508,000 mm (20,000 Inch) und eine Dicke von etwa 6,35 mm (0,25 Inch) auf.
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Eine untere horizontale Oberfläche 512 der oberen Wand 510 ist von einer oberen horizontalen Oberfläche 532 der unteren Wand 530 um etwa 21,59 mm (0,850 Inch) beabstandet.
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Die untere Wand 530 weist eine Dicke von etwa 6,35 mm (0,25 Inch) auf. Die untere Wand 530 umfasst an ihrem inneren Perimeter einen sich abwärts erstreckenden ringförmigen Vorsprung 535. Der ringförmige Vorsprung 535 besitzt eine Breite von etwa 9,271 mm (0,365 Inch) und erstreckt sich 5,08 mm (0,2 Inch) unter einer unteren Oberfläche 534 der unteren Wand 530.
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Jeder der Schlitze 531 weist eine Länge von etwa 48,0568 mm (1,892 Inch) und eine Breite von etwa 2,032 mm (0,08 Inch) auf. Enden der Schlitze 531 sind gerundet. Jeder der Schlitze 531 ist gegen seinen unmittelbaren Nachbarn um etwa 1,25° versetzt. Jeder der Schlitze 531 erstreckt sich von einer Mittelachse des Einschlussrings 500 radial von etwa 202,438 mm (7,97 Inch) bis etwa 250,4948 mm (9,862 Inch).
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Die obere Wand 510 weist eine Dicke von etwa 7,874 mm (0,31 Inch) auf. Der ringförmige Flansch 511 wird durch eine ringförmige Aussparung 515 an einem oberen inneren Ende der oberen Wand 510 gebildet. Die ringförmige Aussparung 515 wird durch eine horizontale Oberfläche 515b, die sich etwa 3,1623 mm (0,1245 Inch) von einem inneren Perimeter der oberen Wand 510 erstreckt, und eine vertikale Oberfläche 515a, die sich 4,191 mm (0,165 Inch) von einer oberen Oberfläche 516 der oberen Wand 510 erstreckt, gebildet.
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Die obere Wand 510 umfasst acht 7/16–28 (Unified Thread Standard)-Gewindelöcher 530 in ihrer oberen Oberfläche 516. Mitten der Gewindelöcher 530 sind etwa 236,601 mm (9,315 Inch) von der Mittelachse des Einschlussrings 500 45° gegeneinander versetzt angeordnet. Jedes Gewindeloch 530 weist eine Tiefe von etwa 5,08 mm (0,2 Inch) auf.
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Die obere Wand 510 umfasst weiter drei Ausrichtstiftlöcher 540a, 540b und 540c (insgesamt als 540 bezeichnet). Die Ausrichtstiftlöcher 540 sind glatt (ohne Gewinde). Jedes der Ausrichtstiftlöcher weist einen Durchmesser von etwa 2,9464 mm (0,116 Inch) und eine Tiefe von etwa 5,08 mm (0,2 Inch) auf. Mitten der Ausrichtstiftlöcher 540 sind etwa 241,3 mm (9,5 Inch) von der Mittelachse des Einschlussrings 500 angeordnet. Bei Betrachtung in einer Richtung von der oberen Wand 510 zur unteren Wand 530 hin ist das Loch 540c gegen eines der Gewindelöcher 530 um etwa 34,5° gegen den Uhrzeigersinn versetzt; ist das Loch 540b gegen das Loch 540c um etwa 115° gegen den Uhrzeigersinn versetzt; und ist das Loch 540a gegen das Loch 540b um etwa 125° gegen den Uhrzeigersinn versetzt.
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Der Einschlussring 500 kann ein einzelnes monolithisches Teil oder eine Anordnung von Teilen sein. Z. B. kann der Einschlussring 500 alternativ zwei oder mehr Abschnitte umfassen, die mechanisch festgemacht (z. B. mit einer geeigneten Bolzen- oder Klemmanordnung) oder gebunden (z. B. hartgelötet, geschweißt oder geklebt) sind, wobei die Abschnitte entlang horizontaler oder vertikaler Oberflächen festgemacht oder gebunden sein können.
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Die untere Oberfläche 534 kann für elektrischen Kontakt mit einem oberen Ende eines bewegbaren Erdungsrings (nicht dargestellt) der Substratauflageanordnung 310 sorgen, wobei die untere Oberfläche 534 vorzugsweise eine elektrisch leitende Beschichtung umfasst, die so angepasst ist, dass ein elektrischer Kontakt mit dem bewegbaren Erdungsring verbessert wird. Prozessgas und Reaktionsnebenprodukte können durch die radial verlaufenden Schlitze 531 aus der Plasmaverarbeitungskammer abgepumpt werden.
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Fakultativ kann mindestens ein geschlitzter Ring 307 unter den Einschlussring 500 passen. Der geschlitzte Ring 307 kann ein Muster von Schlitzen aufweisen, die in Bezug zu dem Einschlussring 500 positioniert werden können, um ein Gasflussleitvermögen durch die radial verlaufenden Schlitze 531 einzustellen.
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Der Einschlussring 500 ist als ein Bauteil einer kapazitivgekoppelten Plasmaverarbeitungskammer zweckmäßig, wobei innere Oberflächen des Einschlussrings 500 eine ausgedehnte Plasmaeinschlusszone liefern, die einen Zwischenraum zwischen einer oberen Elektrode und einer unteren Elektrode umgeben, auf der ein Halbleitersubstrat während einer Plasmaverarbeitung in der Kammer getragen wird.
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Während der Einschlussring mit Bezug auf seine speziellen Ausführungsformen in Einzelheit beschrieben worden ist, ist es Fachleuten ersichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen und Äquivalente verwendet werden können, ohne dass man vom Umfang der angefügten Ansprüche abweicht.
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Zusammenfassend wird hier ein Einschlussring beschrieben, der als ein Bauteil einer kapazitivgekoppelten Plasmaverarbeitungskammer verwendbar ist. Innere Oberflächen des Einschlussrings schaffen eine ausgedehnte Plasmaeinschlusszone, die einen Zwischenraum zwischen einer oberen Elektrode und einer unteren Elektrode umgeben, auf der ein Halbleitersubstrat während einer Plasmaverarbeitung in der Kammer getragen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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