石英保护环定中心结构

摘要

一种电极总成和在用于半导体基片处理的等离子反应室中将外环围绕电极总成定中心的方法。该方法包括围绕该电极总成的背衬构件的外部表面设置外环，以及将至少一个定心元件插在该外环和该背衬构件之间。该定心元件可以是容纳在该背衬构件的外部表面的腔体中的多个弹簧加载定心元件，该定心元件具有适于接触该外环的第一端和适于容纳弹簧的第二端。该外环围绕该背衬构件的外部表面，从而该多个弹簧加载定心元件位于该背衬构件的外部表面和该外环的内部表面之间。

权利要求

1.一种在半导体基片处理中使用的等离子反应室的电极总成包括：

上电极；

背衬构件，该背衬构件可贴附于该上电极的上表面；

外环，围绕该背衬构件的外部表面，其中该外环构造为在该背衬构件的外部表面以及该外环的内部表面之间提供内部间隙；和至少一个定心元件，用以将该外环围绕该外部背衬构件定中心，设在该背衬构件的外部表面和该外环的内部表面之间。

2.如权利要求1所述的总成，其中；(a)该至少一个定心元件包括多个具有与该外环接触的第一端和支撑与该背衬构件接触的弹簧的第二端的定心元件；(b)该至少一个定心元件包括多个容纳于该背衬构件的外部表面内的腔体内的定心元件；(c)该外环由石英组成；(d)该背衬构件由铝或铝合金组成；和/或(e)该上电极包括内部电极和外部电极。

3.如权利要求2所述的总成，其中该外部电极是包括多个段的分段构件，其形成外部电极环并且在该多个段每个的分界面处具有重叠的表面。

4.如权利要求1所述的总成，其中：(a)该背衬构件包括内部背衬构件和外部背衬构件；(b)粘结材料将该上电极的上表面贴附到该背衬构件；(c)该上电极由硅组成；(d)该至少一个定心元件包括多个弹簧加载定心元件，其一端具有网状球构件； 和/或(e)该至少一个定心元件包括三个或更多围绕该背衬构件的外部表面对称设置的弹簧加载元件。

5.如权利要求1所述的总成，其中该至少一个定心元件包括多个这样的定心元件，其每个包括在其中具有腔体的圆柱形体和在其中具有腔体的圆柱形插入物，其中弹簧容纳在该圆柱形构件和该圆柱形插入物内的腔体中。

6.如权利要求5所述的总成，其中该圆柱形体具有接触该外环的圆柱形顶端。

7.如权利要求1所述的总成，其中该至少一个定心元件包括定心环。

8.如权利要求7所述的总成，其中：(a)该定心环是中空的；(b)该外环具有大体上矩形的截面，带有与该定心环接触的下部倾斜表面；(c)该背衬构件由铝或铝合金组成；和/或(d)该外环由石英组成。

9.一种保护环总成，其用于在半导体基片处理中使用的等离子反应室的电极总成，其中该电极总成包括粘结到背衬构件的喷头电极和围绕该电极总成的限制环总成，该保护环总成包括：保护环，配置为安装在该背衬构件的外缘和该限制环总成的内缘之间，其中该保护环构造为在该背衬构件的外缘和该保护环的内缘之间提供内部间隙；和至少一个定心元件，用于将该保护环围绕该背衬构件定中心。

10.如权利要求9所述的总成，其中该至少一个定心元件包括多个具有与该保护环接触的第一端和支撑弹簧的第二端的定心元 件，这些定心元件协作使该保护环围绕该背衬构件的外缘定中心。

11.如权利要求10所述的总成，其中这些定心元件每个容纳在该背衬构件的外缘上的腔体内。

12.如权利要求9所述的总成，其中该至少一个定心元件包括定心环。

13.如权利要求12所述的总成，其中该定心环是可压缩环，该保护环的内缘一部分压着该可压缩环抵靠该背衬构件的外缘以及抵靠该电极的上表面。

14.如权利要求9所述的总成，其中该至少一个定心元件包括多个这样的定心元件，其每个包括中空体，该中空体在其与该保护环接触一端具有滚子而在另一端具有容纳弹簧元件的腔体，该弹簧元件与该背衬构件接触。

15.如权利要求9所述的总成，其中该至少一个定心元件包括多个这样的定心元件，其每个包括在其一端的顶端，该保护环具有多个凹部，每个凹部分别容纳一个该定心元件的顶端。

16.如权利要求9所述的总成，其中该保护环由石英组成，并且包括在其内缘上的涂层。

17.一种使保护环以电极总成的背衬构件为中心的方法，其中该背衬构件粘结到用于在半导体基片处理中使用的等离子反应室中生成等离子的电极，该方法包括： 围绕该背衬构件的外部表面设置该保护环，其中该保护环构造为在该背衬构件的外部表面与该保护环的内部表面之间提供内部间隙；和将至少一个用于将该保护环围绕该外部背衬构件定中心的定心元件插在该保护环和该背衬构件之间。

18.如权利要求17所述的方法，其中该至少一个定心元件包括多个弹簧加载定心元件，其在该背衬构件的外部表面和该保护环的内部表面之间保持最小距离。

19.如权利要求17所述的方法，其中该至少一个定心元件包括可压缩环，其与该保护环的内部表面、该背衬构件的外部表面和该电极的上表面接触。

20.如权利要求17所述的方法，其中该至少一个定心元件包括多个这样的定心元件，其每个包括中空体，该中空体在其与该保护环接触的一端具有顶端，容纳在该中空体内腔体中的插入物，该腔体中的弹簧元件将该插入物压向该背衬构件。

说明书

石英保护环定中心结构

发明内容

[0001] 按照一个实施例，一种用于在半导体基片处理中使用的等离子反应室的电极总成包括：上电极；背衬构件，该背衬构件可贴附于该上电极的上表面；外环，围绕该背衬构件的外部表面；以及至少一个定心元件，设在该背衬构件的外部表面和该外环的内部表面之间。

[0002] 按照进一步的实施例，一种保护环总成，用于在半导体基片处理中使用的等离子应室的电极总成，其中该电极总成包括粘结与背衬构件的喷头电极和围绕该电极总成限制环总成，该保护环总成包括：保护环，配置为安装在该背衬构件的外缘和该限制环总成的内缘之间；以及至少一个定心元件，适于将该保护环围绕该背衬构件定中心。

[0003] 按照另一实施例，一种将保护环围绕电极总成的背衬构件定中心的方法，其中该背衬构件粘结到在半导体基片处理中使用的等离子反应室中生成等离子的电极，该方法包括：围绕该背衬构件的外部表面设置该保护环；将至少一个定心元件插在该保护环和该背衬构件之间从而将该保护环围绕该背衬构件定中心。

附图说明

[0004] 图1示出用来蚀刻基片的具有保护环的等离子反应器的喷头电极总成的剖视图。

[0005] 图2示出图1的喷头电极总成的一部分的剖视图。

[0006] 图3示出图2的喷头电极总成的一部分的剖视图，包括上电极、背板构件和保护环。

[0007] 图4示出该保护环的俯视图。

[0008] 图5示出图4的保护环沿线5-5的剖视图。

[0009] 图6示出按照一个实施例的保护环的剖视图。

[0010] 图7示出按照另一实施例，具有保护环的外部电极一部分的剖视图。

[0011] 图8示出按照一个实施例，定心元件的侧视图。

[0012] 图9示出图8的定心元件沿线9-9的剖视图。

[0013] [0013 ]图10示出图8的定心元件的一部分的剖视图。

[0014] 图11示出按照一个实施例，外环的俯视图。

[0015] 图12示出图11的保护环的分解视图。

[0016] 图13示出按照另一实施例，定心元件的剖视图。

[0017] 图14示出图13的定心元件的仰视图。

[0018] 图15示出图13的定心元件沿线15-15的剖视图。

[0019] 图16示出按照进一步的实施例，定心元件的上部的侧视图，其适于与图17所示的定心元件的下部装配。

[0020] 图17示出按照进一步的实施例，定心元件的下部的侧视图。

[0021] 图18示出图16的定心元件上部沿线18-18的剖视图。

[0022] 图19示出图17的定心元件下部沿线19-19的剖视图。

[0023] 图20示出图16的定心元件上部的俯视图。

[0024] 图21示出图16和17的定心元件沿线18-18和19-19的剖视图，分别具有弹簧元件。

[0025] 图22示出按照另一实施例，具有保护环的外部电极总成一部分的剖视图。

[0026] 图23示出如图22所示的保护环的剖视图。

具体实施方式

[0027] 集成电路芯片的制造通常开始于高纯度、单晶半导体材料(如硅或锗)基片(称为“晶片”)的薄的、抛光切片。每个晶片经过一系列物理和化学处理步骤，这些步骤在该晶片上形成各种电路结构。在制造过程期间，各种类型的薄膜可使用多种技术沉积在该晶片上，如热氧化以产生二氧化硅膜，化学气相沉积以产生硅、二氧化硅和氮氧化硅膜，以及溅射或其他技术以产生其他金属膜。

[0028] 在半导体晶片上沉积膜之后，通过使用称为掺杂的工艺将选取的杂质代入该半导体晶格而产生唯一的半导体电器属性。该掺杂的硅晶片然后均匀地涂上一层光敏或对辐射敏感材料层，称为“抗蚀剂”。限定电路中电子路径的小的几何图案然后使用称为光刻的工艺传递到该抗蚀剂上。在光刻工艺期间，该集成电路图案可绘在玻璃板上，其称为“掩模”，然后光学缩小、投影并传递到光敏涂层上。

[0029] 然后通过称为蚀刻的工艺将该光敏抗蚀剂图案传递到下面的半导体材料结晶表面上。真空处理室通过提供蚀刻或沉积气体至该真空室并且施加射频(RF)场至该气体以将该气体激发为等离子态，通常用于蚀刻基片以及在基片上化学气相沉积(CVD)。

[0030] 反应性离子蚀刻系统通常由蚀刻室组成，其中设有上电极或阳极和下电极或阴极。该阴极相对于该阳极和该容器壁负偏置。待蚀刻晶片由合适的掩模覆盖并且直接设在该阴极上。化学反应气体如CF4、CHF3、CClF3、HBr、Cl2和SF6或其与O2、N2、He或Ar的混合物引入该蚀刻室并且保持在通常为毫托范围的压力。该上电极提供有气孔，其允许气体均匀地通过该电极分散进入该室。建立在该阳极和该阴极之间的电场将分离形成等离子的反应性气体。该晶片表面通过与该反应性离子的化学反应以及撞击该晶片表面的离子的动量转移而受到蚀刻。由这些电极产生的电场把这些离子向该阴极吸引，使得这些离子以主要垂直的方向撞击该表面，从而该工艺产生轮廓分明的垂直蚀刻的侧壁。这些蚀刻反应器电极往往通过将两个不相似的构件利用机械上相适应和/或导热粘结剂粘合在一起来制造，这是为多重功能留出余地。

[0031] 图1示出用于蚀刻基片的等离子处理系统的喷头电极总成100的一部分的剖视图。如图1所示，该喷头电极总成100包括上电极110、背衬构件140和保护环形式的外环170。该喷头电极总成100还包括等离子限制总成(或晶片区域等离子(WAP)总成)180，其围绕该上电极110和该背衬构件140的外部边缘。该外环或保护环170围绕该背衬构件140，并且优选地适于绕该背衬构件140同心设置或以该背衬构件为中心，从而在使用期间，该保护环170最小化该保护环170和该限制总成180之间的变化或距离。可以认识到尽管该外环或保护环170结合反应性离子蚀刻系统示出，但是该保护环和定中心结构可用于任何合适的系统，包括清洁蚀刻系统或干蚀刻系统。

[0032] 该总成100还包括热控制构件102和上板104。该上电极110优选地包括内部电极120和可选的外部电极130。该内部电极120优选地为圆柱形板并且可由单晶硅组成。该背衬构件140优选地利用弹性材料固定于该内部电极120和该外部电极130。该背衬构件140可包括内部背衬构件150和可选的外部背衬构件160。如果该背衬构件140由单个圆柱形板组成，该保护环170围绕该背衬构件140。或者，如果该背衬构件140是由内部和外部背衬构件150、160组成，该保护环170调整为围绕该外部背衬构件160。

[0033] 图1所示的喷头电极总成100通常用于静电卡盘(未示)，该卡盘具有平的下电极，该下电极上支撑晶片并且在该上电极110下方与之隔开1至2cm。这种等离子处理系统的一个示例是平行板型反应器，如该 介电蚀刻系统，由Calif，Fremont的LamResearch Corporation制造。这种卡紧装置通过提供背面氦气压力(其控制晶片和卡盘之间的热传递速率)而提供对晶片的温度控制。

[0034] 该上电极110是消耗性部件，其必须定期更换。在优选实施例中，该上电极110是喷头电极，提供有多个间隔开的气体排出通道106，这些通道的尺寸和分布适于提供工艺气体，该工艺气体由该电极激发并且在该上电极110下方的反应区域中形成等离子。

[0035] 该喷头电极总成100还包括等离子限制总成(或晶片区域等离子(WAP)总成)180，其围绕该上电极110和该背衬构件140的外部边缘。该等离子限制总成180是优选地由一摞或多个分隔开的限制环190组成，其围绕上电极110和该背衬构件140的外部边缘。在处理期间，该等离子限制总成180在反应区域中产生压力差，并且增加该反应室壁和该等离子之间的电阻，由此限制该上电极110和该下电极(未示)之间的等离子。

[0036] 将该等离子限制在该反应室是许多因素的函数，包括该限制环190之间的间距、该反应室中该限制环外侧和等离子内部的压力、气体类型和流率以及RF功率水平和频率。为了有效限制等离子，该限制环190外的压力应当尽可能地低，优选地低于30毫托。如果限制环190之间的间距非常小，那么该等离子的限制更容易实现。通常，对于这种限制，要求0.15英寸或更小的间距。然而，这些限制环190之间的间距还决定等离子的压力，而且希望该间距可以调节以得到最佳工艺性能所需要的压力同时维持等离子。来自气体源的工艺气体通过该上板104中的一个或多个通道提供到电极110。然后，该气体通过一个或多个垂直方向间隔开的隔板分配并且穿过该电极110中的气体分配孔106以均匀地将该工艺气体分散进反应区域102。

[0037] 该内部电极120优选地是平的圆盘或板，其从中心(未示)到外缘具有一致的厚度。可以认识到，如果该板由单晶硅材料制成，该内部电极120的直径可小于、等于或大于待处理晶片(例如，高达300mm，这是现有的单晶硅材料的最大直径)。为了处理300mm晶片，该外部电极130适于将该上电极110的直径从大约15英寸扩展至17英寸。该外部电极130可以是连续构件(例如，多晶硅构件，如环)，或分段构件(例如，2-6个布置为环形构造的分开的片段，如单晶硅段)。该内部电极120优选地包括多个气体通道106，用于将工艺气体喷射入等离子反应室内该上电极110下方的空间中。

[0038] 单晶硅是用于该内部电极120和该外部电极130的等离子暴露表面的优选材料。高纯度、单晶硅使得等离子处理期间基片的污染最小，因为其仅向该反应室引入最小量的不希望元素，而且还在等离子处理期间平滑磨损，由此使得颗粒最少。可用于该上电极110的等离子暴露表面的可选材料包括，例如，SiC、SiN和AlN。

[0039] 构造上，该喷头电极总成100足够大以处理大的基片，如300mm直径的半导体晶片。对于300mm晶片，该上电极110直径至少是300mm(毫米)。然而，该喷头电极总成100的尺寸可以设为处理其他晶片尺寸或非圆形构造的基片。

[0040] 图2示出图1具有保护环170的喷头电极总成的一部分的剖视图。如图2所示，该喷头电极总成100包括内部电极120、该内部背衬构件150、该外部电极130、该外部背衬构件160、该保护环170和该等离子限制总成180。在这种构造中，该内部电极120是优选地与该内部背衬构件150共同延伸，该外部电极130与该围绕的背衬构件160基本上共同延伸。然而，该内部背衬构件150可延伸超出该内部电极120，从而该背衬构件140(图3)可以是用来支撑该内部电极120和该外部电极130的单个圆盘或板。该内部背衬构件150包括气体通道108，其与该内部电极120内的气体通道106对准，以将气流提供进该等离子处理室。该内部背衬构件150的气体通道108通常直径为大约0.04英寸，该内部电极120的气体通道106直径通常为大约0.025英寸。

[0041] 该背衬构件140，包括该内部和该外部背衬构件150、160，优选地由与用来在该等离子处理室中处理半导体基片的工艺气体化学相容的材料制成。另外，该背衬构件140的材料优选地导电且导热，其热膨胀系数与该上电极110的密切匹配。可用来制作该背衬构件140(包括该内部和外部背衬构件150、160)的优选材料可包括，但不限于，石墨、碳化硅、铝(Al)或其他合适的材料。

[0042] 该内部电极120和该外部电极130优选地利用导热和导电弹性粘合材料(未示)贴附于该内部和外部背衬构件150、160。该弹性粘合材料考虑到在由于热循环导致的热应力期间该上电极110和该背衬构件140之间的相对移动。该粘合材料还在该内部与该外部电极120、130以及该内部与该外部背衬构件150、160之间传递热量和电能。需要使用弹性粘合材料来将电极总成100的表面粘合在一起，例如，在共同拥有的美国专利No.6,073,577中，其整体通过引用结合在这里。

[0043] 该内部背衬构件150和该外部背衬构件160优选地利用合适的紧固件连接到该热控制构件102，该紧固件可以是螺栓、螺钉等。例如，螺栓(未示)可以插进该热控制构件102中的孔内并且拧进该背衬构件140中的螺纹开口中。该热控制构件102包括弯曲部分
184，并且优选地由机械加工的金属材料制造，如铝、铝合金等。该上板104优选地由铝或铝合金制成。该等离子限制总成(或晶片区域等离子总成(WAP))180设在该喷头电极总成
100之外。包括多个垂直方向可调节的等离子限制环190的合适的等离子限制总成180在共同拥有美国专利No.5,534,751中描述，其整体通过引用结合在这里。

[0044] 图3示出图2的喷头电极总成一部分的剖视图，包括具有内部电极120和外部电极130的上电极110、由单个圆盘或板组成的背衬构件140和保护环170。如图3所示，该背衬构件140可改成延伸超出该内部电极120的外缘121，从而可使用单个背衬构件140，而不是如图2所示的内部背衬构件150和外部背衬构件160。该内部电极120的外缘121通常是垂直的，如图3所示。然而，可以认识到，该内部电极120的外缘121可以具有非垂直的方向。

[0045] 按照一个实施例，该外部电极130优选地由多个段组成，其中这些段利用弹性粘合材料(未示)彼此贴附。该多个段为在处理区域102中处理半导体或基片期间该外部电极130的膨胀留出余地。在处理期间，热量通过热传导从该内部电极120和该外部电极130传递到该内部背衬构件150、该外部背衬构件160和该保护环170，然后至该上板104。

[0046] 图4示出按照一个实施例，保护环170的俯视图。如图4所示，该保护环170优选地是圆形，具有内径171和外径173(图5)。可以认识到，该保护环170的内径和外径171、173依赖于该背衬构件140的外径(包括该外部背衬构件160的外径)而变化。该保护环
170优选地是由与邻接的晶片区域等离子(WAP)限制环190相同的材料(如石英)或者具有相似热膨胀系数(CTE)的材料制成，并且其在较宽的温度范围内直径保持稳定。该保护环170还优选地由具有绝缘和/或电介质属性的材料制成。可以认识到，在该等离子室使用或运行期间，该保护环170优选地以与该多个限制环190相似的速率膨胀和/或收缩。因此，在较宽的温度范围上，在该保护环170和该多个限制环190之间可以优选地保持恒定的径向间隙224(图7)，而提供恒定的气流性能。

[0047] 图5示出图4的保护环170沿5-5的剖视图。如图5所示，该保护环170是圆形，具有内径171和外径173。

[0048] 图6示出按照一个实施例，该保护环170的剖视图。如图6所示，该保护环170优选地具有矩形截面，其有内边172、外边174、下表面176和上表面178。该内边172、该外边174、该下表面176和该上表面178之间的角优选地为圆角，半径在大约0.025到0.010之间。

[0049] 按照一个实施例，该内边172和该外边174优选地具有大约0.380到0.394英寸的高度177，更优选地大约0.384到0.390英寸以及最优选地大约0.387英寸，具有大约0.140到0.150英寸的宽度179，更优选地大约0.142至0.147英寸，最优选地大约0.145英寸。

[0050] 图7示出按照一个实施例，外部电极110的一部分的剖视图，具有带有定心元件210的保护环170。如图7所示，该保护环170围绕该外部背衬构件160并优选地配置为围绕该外部背衬构件160的外缘164同心设置或者以其为中心。可以认识到，该保护环170的定中心可以弥补运行和/或使用期间该上电极110、包括该内部背衬构件150和该外部背衬构件160的背衬构件140，以及包括该等离子限制环190的该等离子限制总成180之间热膨胀系数的不匹配。

[0051] 按照一个实施例，如图7所示，该保护环170使用具有弹簧加载定心元件220的合适的定心元件210而围绕该外部背衬构件140的外缘164。该弹簧加载定心元件220优选地由中空圆柱体252(图9)组成，其容纳弹簧或类似弹簧的元件224。该外部背衬构件160优选地包括多个孔或腔212，其适于容纳该定心元件210，在该外部背衬构件160的外缘164和该保护环170的内边172之间产生内部间隙200。这些孔或腔212具有直径214，其稍大于该定心元件210的外径。该定心元件210试图在该外部背衬构件160和该保护环170的内边172之间产生平衡的负载，其使该保护环170以该外部背衬构件160的外缘164为中心。

[0052] 该弹簧或类似弹簧的元件224可以是悬臂叶片弹簧、双支撑叶片弹簧、开口的径向移动螺旋线圈、径向振动圆柱活塞或其他合适的类似弹簧元件。可以认识到，该弹簧或类似弹簧的元件224优选地具备低弹簧刚性系数以最小化该保护环170中的弯曲和应力。然而，该弹簧或类似弹簧的元件224还优选地包括足够高的弹簧刚性系数以克服任何系统摩擦。可以认识到，该弹簧或类似弹簧的元件224可替换地为合适的弹性材料。按照一个实施例，该弹簧或类似弹簧的元件224可由不锈钢、铬镍铁合金或其他合适的金属弹簧或其他具有弹性性质的合适材料制成，从而该弹簧或类似弹簧的元件224可以在限定范围上支撑各种负载。

[0053] 另外，如图7所示，径向间隙(或外部间隙)240存在于该上电极110、背衬构件140与该等离子限制总成180之间。该径向间隙或外部间隙包括下径向间隙242和上径向间隙244。该下径向间隙242在该外部电极130的外缘134和该限制总成180的内边182之间。
该上径向间隙244在该保护环170的外缘174和该限制总成180的内边182之间。该上径向间隙244是优选地保持在恒定的距离，从而该系统100可运行在较宽的温度范围上，这个范围在使用期间提供恒定的气体性能并且使得该系统100性能提高。可以认识到，由于通常用于该上电极110、限制环190和背衬构件140的材料不同，所以该下径向间隙242在该系统运行期间会变化。

[0054] 在该上电极110、该背衬构件140和该保护环170的热膨胀和/或收缩期间，该定心元件210试图通过使该保护环170以该外部背衬构件160的外缘164为中心而在该外部背衬构件160和该保护环170的内边172之间产生平衡的负载。使用中，该定心元件210优选地围绕该背衬构件140的外缘164等距隔开设在三个或多个对称角度位置。

[0055] 该圆形保护环170以该背衬构件140为中心还通过避免使用或者处理期间该系统内工艺气体流量变化而为该系统100提供均一性。另外，通过利用多个定心元件210形式的自定形校正元件消除该外部背衬构件140和该保护环170之间任何偏心电阻，该系统100可在系统装配期间保持同心度而没有径向碰撞负载(radial bumpload)。另外，可以认识到，该系统100的固有振动可用来使该保护环170以该上电极背衬构件140为中心。

[0056] 该保护环170还可最小化或消除该保护环170与该等离子限制总成180(或WAP)或限制环190之间、该保护环170与该上电极背衬构件140之间局部电弧放电或点燃的可能性。

[0057] 该定心元件210还优选地配置为在该外部背衬构件160和该保护环170之间提供足够的间距以避免粘结并且同心对准该保护环170和该上电极背衬构件140。该弹簧或类似弹簧的元件224还允许该保护环170在该上电极110(或外部电极130)的上表面138上轴向支撑其自身，这样就消除了在该保护环170下方的轴向间隙。可以认识到，通过消除该轴向间隙，该保护环170可以保护该上电极110和该背衬构件140之间的粘合剂或粘合材料在使用期间不受自由基团和离子轰击腐蚀影响。另外，通过允许该保护环170在该上电极表面138上支撑其自身，该保护环170还保护该背衬构件140(包括该内部背衬构件150和该外部背衬构件160，包括该外部背衬构件的外表面164)不暴露于来自等离子的自由基团和离子轰击，以及没有相关的氟化铝形成。

[0058] 可以认识到，该定心元件210还可集成防止或最小化压缩形变并防止暴露的金属材料如不锈钢弹簧得机械元件。另外，该定心元件210优选地由低摩擦材料制成，其避免接触部件或元件的粘着。该定心元件210还优选地设计为这些元件210为三维的、耐温、符合人体工程学便于装配/拆解、几何上尽可能简单以使制造成本最低并且使用低成本且化学稳定的材料。

[0059] 图8示出按照一个实施例，具有网状球或滚子顶端总成250的定心元件210的侧视图。如图8所示，该网状球或滚子顶端总成250由中空圆柱体252(图9)组成，其具有第一端254和第二端256。该第一端254开口以容纳弹簧或类似弹簧的元件224(图7)。该第二端256具有球形容纳部258，适于容纳球260。该球260保留在该球形容纳部258内并且在适于与该保护环170接触时根据需要在该球形容纳部258中转动。

[0060] 该网状球或滚子顶端总成250优选地由氟化聚合物组成，如 (或聚四氟乙烯(PTFE))。然而，可以认识到，该网状球或滚子顶端总成250可由聚醚醚酮或聚酮TM(PEEK)、聚酰亚胺(如Vespel )或其他合适聚合材料组成。可以认识到，如果由于其他原因而不能使用PTFE材料，那么优选具有最低摩擦系数的材料。

[0061] 图9示出图8的滚子顶端总成250沿线9-9的剖视图。如图9所示，该滚子顶端总成250由中空的圆柱体252组成，其具有第一端254、第二端256和球形容纳部258。该球形容纳部258容纳可滚动的球(或网状球)260，其固定地保留在该滚子顶端总成250的第二端256内。

[0062] 图10示出图8的定心元件210的一部分的剖视图。如图10所示，该滚子球总成250的球形容纳部258适于容纳球260。该球形容纳部258包括具有第一直径264的上部
262和具有大体上球形或半球腔体268的下部266，该下部适于容纳该球260。该球260大体上为球形，当与一个物体如该保护环170接触时，该球260在该球形或半球腔体268内转动。该球260在球形或半球腔体268内的转动在由于该上电极110、该背衬构件140和该等离子限制总成180的热膨胀产生的系统运动而导致的该上电极110、该背衬构件140和该等离子限制总成180的运动期间，使该保护环170以该外部背衬构件160的外缘164为中心。

[0063] 图11示出按照另一实施例，该外环170的俯视图。如图11所示，该保护环170在该保护环170的内边172包括至少三个插口或孔腔270。该至少三个插口或孔腔270适于容纳具有圆形顶端290(图13-15)的定心元件210。该至少三个插口或孔腔270优选地在该保护环170的内边172上彼此等距隔开，从而这三个插口或孔腔270每个距彼此120度。可以认识到，可使用多于至少三个的插口或孔腔270，例如至少六个(6)、至少十二个(12)或至少十八个(18)。

[0064] 图12示出图11的保护环和该插口或孔腔270的一部分。如图12所示，该插口或孔腔270包括凹槽272，其适于容纳具有圆形顶端290(图13)的定心元件210。该凹槽272可延伸该保护环170的内边172的高度，或者，该内边172可包括球形凹槽，其适于容纳该定心元件210的圆形顶端290，或其组合，其中该凹槽272并不延伸该保护环170的内边172全部长度。

[0065] 在可选实施例中，如图12所示，该保护环170的内边172可包括衬套274，其宽度276为大约0.018至0.022英寸，更优选地大约0.020英寸。优选地，该衬套274设在该保护环170的内边172内，并在沿该内边172的那些没有该衬套274的位置形成凹槽270。

[0066] 图13示出按照另一个实施例，具有圆柱形体280和圆形顶端290的定心元件210的剖视图。如图13所示，该定心元件210包括中空的圆柱形体280(图15)，其具有带有圆形顶端290的第一端282和第二端284。该第二端284开口以容纳弹簧或类似弹簧的元件224(图7)。按照一个实施例，该定心元件210的总的高度286为大约1.38至1.44英寸，其优选地大约1.41英寸。

[0067] 图14示出图13的该定心元件210的第二端284的仰视图。如图14所示，该第二端284的内径292为大约0.196至0.206英寸，更优选地为大约0.199至0.202英寸，最优选地大约0.199英寸。另外，该第二端284的外径294优选地为大约0.242至0.254英寸，更优选地大约0.248至0.251英寸，最优选地大约0.248英寸。

[0068] 图15示出图13的定心元件210沿线15-15的剖视图。如图15所示，该定心元件210包括中空圆柱形体280、第一端282、第二端284和圆形顶端290。该第二端284开口并且适于容纳弹簧或类似弹簧的元件224。该第二端284还可包括倒角的或倾斜的内边296。该圆形顶端290优选地具有直径为大约0.120至0.140英寸的球径，更优选地大约
0.130。该第一端282优选地具有大约0.242至0.254英寸的直径294，更优选地大约0.248至0.251英寸，最优选地大约0.248英寸。该第一端282还优选地包括稍微圆形的边。

[0069] 如图15所示，该定心元件210包括腔体298，其适于容纳弹簧或类似弹簧的构件224。该腔体298从该定心元件210的第二端284朝向该第一端282延伸。按照一个实施例，该腔体298优选地具有大约1.000至1.100英寸的高度287，更优选地大约1.055英寸。
该定心元件210的第一端282优选地是实心或半实心，高度285为大约0.330至0.390英寸，更优选地大约0.355英寸。

[0070] 图16-21示出按照进一步实施例，定心元件300一系列侧视图和剖视图。如图16-21，该定心元件300由上部302(图16)、下部304(图17)和弹簧或类似弹簧的元件
350(图21)组成。

[0071] 图16示出该定心元件300的上部302的侧视图。如图16所示，该上部302由圆柱形体310组成，其具有带有圆柱形顶端320的第一端312和第二端314。该第二端314优选地包括凸缘或内边328，其适于容纳该圆柱形插入物330(图17)，从而该圆柱形插入物330保留在腔体或该圆柱形体310的中空部分326。类似弹簧的元件或弹性元件350(图21)分别安装在该圆柱形体310和该圆柱形插入物330的腔体或中空部分326、329。

[0072] 由该上部302和该下部304组成的该定心元件300的总高度为大约0.68至0.76英寸，更优选地大约0.72英寸。该圆柱形体310的高度316在大约0.49和0.57英寸之间，更优选地大约0.53英寸。该圆柱形顶端320的高度318在大约0.028和0.032之间。该圆柱形顶端320优选地由上段322和下段324组成，其半径分别在0.005到0.010英寸以及0.005到0.015英寸之间。

[0073] 图17示出该定心元件300的下部304的侧视图。如图17所示，该下部304由圆柱形插入物330组成，该插入物由上部332和下部334组成，其具有第一外径336和第二外径338，其中该上部332的第一外径大于该下部334的外径，从而该上部保留在该上部302的圆柱形体310的中空部分326内。该圆柱形插入物330优选地具有大约0.34和0.38英寸之间的高度340，更优选地大约0.36英寸。

[0074] 图18示出图16的定心元件300的该上部302沿线18-18的剖视图。如图18所示，该定心元件300的上部302包括腔体326，其适于容纳弹簧或类似弹簧元件350。该腔体326具有上边372和下边374。该腔体326的下边374是该定心元件300的第二端314上该凸缘或内边328的上表面。该凸缘或内边328适于在使用期间将圆柱形插入物330和弹簧元件350保留在该定心元件300的上部302的腔体326内。

[0075] 如图18所示的按照一个实施例，该圆柱形体310具有从该第一端312延伸到该第二端314的大约0.500英寸的总体高度360。该圆柱形体310包括在该第一端上的实心部分和最接近该第二端314的腔体部分。该腔体326具有大约0.31英寸的总体高度362，而该实心部分具有大约0.19英寸的高度364。该圆柱形体310的外径366为大约0.248英寸。按照一个实施例，该圆柱形顶端320优选地在顶端的外径368大约0.070英寸。

[0076] 图19示出图17的定心元件300的下部304沿19-19的剖视图。如图19所示，该下部304由圆柱形插入物330组成，该插入物由上部332和下部334组成，其具有第一外径336和第二外径338。该上部332的第一外径优选地大于该下部334的外径，从而该上部保留在该上部302的圆柱形体310的中空部分326之内。该上部332和该下部334的交界形成围绕该圆柱形插入物330外表面的脊突382。按照一个实施例，该圆柱形插入物330优选地具有大约0.34至0.38英寸之间的总体高度340，更优选地大约0.36英寸，该上部336具有大约0.140至0.150英寸的高度392，更优选地大约0.145英寸。该下部304包括其中具有腔体329的圆柱形插入物330。该腔体329具有大约0.091英寸到大约0.097英寸的内径390。该上部302的外径388为大约0.194至0.200英寸，包括倾斜表面394，其相对水平面大约80度角度，并且具有大约0.03到0.05英寸的高度386，更优选地大约0.04英寸。该下部338的外径400为大约0.141英寸到大约0.144英寸。该腔体329的高度380为大约0.340英寸，以及厚度384为大约0.025英寸，内径396为大约0.005英寸，以及外径398为大约0.02英寸。

[0077] 图20示出图16的定心元件的俯视图。按照一个实施例，如图20所示，该第二端314的内径378为大约0.196至0.206英寸，更优选地大约0.199至0.202英寸，最优选地大约0.199英寸。另外，该第二端314的外径366优选地为大约0.242至0.254英寸，更优选地大约0.248至0.251英寸，最优选地大约0.248英寸。

[0078] 图21分别示出图16和17的定心元件300沿线18-18和19-19的剖视图。如图21所示，该弹簧元件350是容纳在该圆柱形体310和该圆柱形插入物330的该中空部分或腔体326、329中。可以认识到，因为该圆柱形体310的内径378和该圆柱形插入物330的外径388之间产生的吸力效应，该定心元件300在该保护环170去除过程中可保留在背板孔212中。该圆柱形体310的容积326用作减震器以在去除该保护环170期间将该圆柱形体310和该圆柱形插入物330之间的相对加速度调节为可以接受的量。这个可接受的加速度量防止该定心元件300冲出该背板孔212并且在去除该保护环170期间将它们保留在该背板中。

[0079] 图22示出按照另一实施例，外部电极130的一部分的剖视图，其具有围绕外部上部背衬构件160的保护环170。如图22所示，该系统包括具有倾斜下边175(或倒角面)的保护环170，该下边从该内边172延伸至该保护环170的下表面176。圆环230形式的定心元件210位于该外部电极160的外缘164和该保护环170的倾斜的下边175之间，并且设在该外部电极130的上表面138。该圆环230优选地是中空环，由 (聚四氟乙烯(PTFE))、含氟聚合物材料、聚酰亚胺或其他合适的聚合或类似聚合材料制成。可以认识到，如果由于其他原因不能使用PTFE材料，那么优选具有最低摩擦系数的材料。该圆环230用来在该背衬构件和该保护环170使用中的热膨胀和收缩期间将该外部背衬构件和该保护环170之间的间隙200在其整个周长保持一致。

[0080] 可以认识到，该圆环230允许该保护环170由于其本身重量而自定心其自身。该圆环230还阻挡任何至该上电极粘合剂(未示)和外部圆锥表面的视线或气流路径，这就保护该上电极粘合剂不受来自等离子的自由基团和离子轰击腐蚀影响。另外，该圆环保护该背板160的外表面164不暴露于来自等离子的自由基团和离子轰击，以及没有相关的氟化铝形成。

[0081] 图23示出如图22所示的该保护环170的剖视图。如图23，该保护环170具有倾斜的下边175(或倒角面)，其从该内边172延伸至该下表面176。该内边172和该外缘174优选地具有大约0.332至0.372英寸的高度177，更优选地大约0.342至0.362英寸，最优选地大约0.352英寸，以及宽度179为大约0.140至0.150英寸，更优选地大约0.142至0.147英寸，最优选地大约0.145英寸。该倾斜的下边175从该内边172延伸至该外缘174，距离为大约0.090至0.110英寸，更优选地大约0.100英寸，并且与该内边形成大约50到70度的角，更优选地大约60度。该内边172、该外缘174、该下表面176、该上表面178，和该倾斜的下边175之间的角优选地为圆角，半径在大约0.025至0.010英寸之间。可以认识到，在该内边172和该下边175相交的角，该角包括最大大约0.005英寸边折(edge break)。

[0082] 已经参照多个优选实施例描述本发明。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不背离本发明主旨的情况下，还可以将本发明实现为不同于所述的其他具体形式。该优选实施例是说明性的，无论如何不能认为是限制性的。本发明的范围由所附权利要求给出，而不是前面的描述，并且落入权利要求范围的所有变化和等同方式均包含在其中。