JP2001319920A

JP2001319920A - プラズマ処理装置および処理方法

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Publication number: JP2001319920A
Application number: JP2001054551A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Omoto; 大本　　豊; Hironori Kawahara; 博宣川原; Takeshi Yoshioka; 健吉岡; Nushito Takahashi; 主人高橋; Saburo Kanai; 三郎金井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2001-11-16
Anticipated expiration: 2021-02-28
Also published as: JP4655385B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高速の半導体回路を大口径ウエハで高歩留まり
で加工できるプラズマ処理装置と方法を提供する。【解決手段】被処理基板に対抗する電極表面絶縁膜の厚
さを部分的に変え、絶縁膜内に電極を設け、バイパスさ
れたバイアス電流を供給する。被処理基板に隣接する材
料に対向する電極表面絶縁膜内に電極を設け、バイパス
されたバイアス電流を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ処理装置お
よび処理方法に係り、特に試料にバイアス電圧を印加し
て処理するものに好適なプラズマ処理装置およびその処
理方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のプラズマエッチング技術
では、特開平２−６５１３１号公報に開示されるよう
に、ウエハを取り囲む位置に電気導電性を有するリング
を設置することにより静電的ダメージを防止することが
知られていた。

【０００３】また、特開平８−１８１１０７号公報に開
示されているように、下部電極の周辺にセラミック等か
らなる周辺リングを設置して、ウエハを周辺リング上に
設置してウエハと下部電極との間に空間を設けて静電容
量を持たせ、プラズマ中で発生する直流電圧を該空間と
ブロッキングコンデンサとウエハに分散させて、ウエハ
へのチャージングダメージの発生を防止することが知ら
れていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術ではより
薄膜化するゲート酸化膜の静電的なダメージを防止する
には十分でなく、また、多様な膜種、および溝や穴など
の多様な加工形状の処理対象すべてに対して、低ダメー
ジ性と、ウエハ面内でのエッチング特性（均一性，エッ
チング形状，選択比，エッチングレート）を両立させる
ことが困難であった。

【０００５】すなわち、半導体集積回路は高機能，高速
化のためますます微細化，複雑化している。高速半導体
デバイスではゲート酸化膜が非常に薄くなり、それにと
もなって図１に示すように耐電圧が低くなっており、荷
電粒子を用いてプラズマ処理を行うドライエッチング等
では正と負の荷電粒子の精密なバランスをとりながら処
理を進めていかないと、ゲート酸化膜間に生じた電位差
で静電的なダメージが発生する。

【０００６】これはウエハ母材（シリコン）の電位がウ
エハ上のプラズマから流入する電荷量の平均値に支配さ
れるのに対し、ゲート酸化膜上の電位は、その直上の局
部のプラズマからの電荷の流入量に支配されるため、ウ
エハ全面にわたっての電荷の流入量のわずかな差が、ゲ
ート酸化膜上とゲート酸化膜下の、つまり母材シリコン
を横切る電位差となって現れるからである。この現象は
チャージングダメージとも呼ばれる。

【０００７】これは特にウエハバイアスを印加した場
合、ウエハ面内位置からアースまでのインピーダンス差
で印加バイアス電圧に僅かな差を生じ、荷電粒子の引き
込み量が異なることによって起こることが多い。

【０００８】この対策として従来は、ウエハ外周部に導
電性のリングを用いてチャージングダメージを防止する
方法がとられていたが、この方法は外周部のプラズマ密
度を局所的に変える方法に依存しているため、今日の１
２インチ以上の大口径ウエハの処理に際してはプラズマ
密度のバランスがとれる範囲が狭く、特に大口径ウエハ
でますます薄膜化するゲート酸化膜に対しては十分にダ
メージを抑制できない。

【０００９】また、上記デバイスを大口径のウエハを用
いて製作する場合、ウエハ面内で形状についてのエッチ
ングの均一性を得るためにはエッチャント密度を面内で
均一に保つ必要があり、特に大口径ウエハではウエハ外
周部で過剰となるエッチャントを抑制するためにウエハ
周辺部にエッチャントを消耗するリングを設置し、バイ
アスを印加することによってエッチャントを消耗させ面
内の均一性を保つことが行われていた。

【００１０】しかし、ウエハ周辺に設置したリングに流
れるバイアス電流はウエハの外周部のインピーダンスも
変化させるため、ウエハへの流入電荷量のバランスが変
化し、チャージングダメージ特性に悪影響を与える。

【００１１】Barnes et al U.S. Patent ５,５３５,５
０７明細書は、ワークピースと電極との間の静電引力
によりワークピースを支持する静電チャック装置を該ワ
ークピースのエッチング不均一を補償することを開示し
ている。しかし本願発明で意図するワークピースのチャ
ージングダメージ補償法には言及していない。

【００１２】特開平８−３１６２１２号公報は、ウエハ
載置部の電極面を電気的に絶縁された複数の領域に分割
し、その各々の領域のインピーダンスを制御するよう
に、各々の領域にインピーダンス整合用素子を接続した
り、又はウエハ載置部の電極面に凹部を設け電極中央部
と外周部とで、ウエハと電極間のインピーダンスが異な
るように構成し、ウエハに入射するイオンのエネルギー
をウエハ面内で均一にして、プラズマ処理を均一にする
ことを開示している。しかし、本発明で意図するワーク
ピースのチャージングダメージ補償法には言及していな
い。

【００１３】本発明の目的は、チャージアップによるダ
メージに敏感で微細な構造を有する高速半導体デバイス
を、大口径のウエハを用いて高い歩留まりで加工できる
プラズマ処理装置および処理方法を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来と異な
る方法でゲート酸化膜の薄膜化および処理ウエハの大口
径化に対してエッチングの均一性が高く、かつウエハに
作られるデバイスのダメージを少なくできるエッチング
装置および方法を発明した。

【００１５】本発明の１つの態様に従えば、プラズマ処
理装置において、ウエハを取り囲む位置に設置するリン
グに分配するバイアス電流を調整する可変インピーダン
ス手段を設け、さらに処理ウエハ裏面に対向する載置電
極の表面の絶縁材の一部を他の部分より厚くし、その絶
縁材内部に内部電極を設ける。その内部電極にはバイパ
スされたバイアス電流を給電し、そのバイアス電流を調
整する可変インピーダンス手段を設ける。そして、プラ
ズマエッチングプロセス条件のようなプロセス処理条件
に応じてウエハ面内のエッチング特性が均一となるよう
に、ウエハ外周部に設置したリングに分配されるバイア
ス電流を調整し、次に、静電的ダメージが最小となるよ
うにウエハ面内に位置付けされた内部電極に流れるバイ
アス電流を調整する。

【００１６】本発明の他の態様に従えば、被処理基板と
該被処理基板の主裏面に隣接する材料にバイアス電力を
印加可能なプラズマ処理装置を用いるプラズマ処理方法
であって、プラズマから被処理基板（ウエハ）に入射す
る電子が面内均一になるように、前記電極の場所に応じ
てバイアス電力の給電インピーダンスを変えることを含
む方法が提供される。

【００１７】本発明の更に別の態様に従えば、半導体装
置を製造するためのプラズマ処理装置におけるプラズマ
処理方法は、被処理基板と該被処理基板に隣接する材料
にバイアス電力を印加すること、前記被処理基板に隣接
する材料に対する前記バイアス電力の給電インピーダン
スを調整すること、前記被処理基板内の複数の位置に対
する前記バイアス電力の給電インピーダンスを基板内に
入射するプラズマからの電子が面内で均一になるように
調整することを含む。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、添付図により本発明の実施
例を説明する。まず、図２に本発明の第１の実施例を示
す。

【００１９】図２は、マイクロ波ドライエッチング装置
である。ここで、１は真空処理室で、２は真空処理室１
に気密に設けられ真空処理室１内にマイクロ波を導入す
る石英窓で、３は石英窓２に対向して真空処理室１内に
配置され半導体集積回路を有するウエハ８を配置する電
極３で、４は電極３にバイアス電圧を生じさせるための
高周波電源で、５は石英窓２に連結されマイクロ波を真
空処理室１に導くための導波管で、６は真空処理室１内
に磁場を形成するソレノイドコイルである。７はガス導
入口で、エッチングレシピにしたがって混合したガスを
真空処理室１に導入する。９は過剰なエッチャントを消
耗させるため設置されたシリコン製のリングで、さらに
その外周にはアルミナ製のリング１０が設置されてい
る。

【００２０】本装置を用いてシリコン酸化膜にエッチン
グによりパターンを形成する場合、シリコンリング９の
外径がウエハ径の１.４倍の時には下地シリコンとの選
択比のウエハ面内分布は図３に示すように、ウエハの周
辺部で選択比が高くなる分布となる。これはウエハ周辺
部でシリコンのエッチャントであるフッ素がウエハ中心
部に比べて少ないことによるもので、この場合シリコン
リング９の外径をウエハ径の１.２倍程度にすることに
よってフッ素の面内分布を均一化することができ、図４
に示すように選択比の分布を均一化することができた。

【００２１】しかし、この時ゲート酸化膜のチャージン
グダメージによる破壊試験を行うとシリコンリング径が
ウエハ径の１.４倍のときには、図６の耐圧ヒストグラ
ムに示すようにチャージングダメージを受けて劣化した
ものは見られなかったのに対し、シリコンリング９の外
径がウエハ径の１.２倍の場合は図５の耐圧ヒストグラ
ムに示すように２０％程度がチャージングダメージを受
けて劣化していた。

【００２２】これはシリコンリングの径が小さくなるこ
とによってシリコンリングからプラズマに流れるバイア
ス電流が小さくなり、ウエハの周辺部のバイアス電流と
の干渉が少なくなってウエハ周辺部のバイアス電流が流
れやすくなったことにより流入電荷量に面内差が生じた
ことによる。

【００２３】そこで、図７に示すウエハ載置電極２２と
シリコンリング２７からなる本発明に従う装置３を、図
２の装置に組み込み、本発明に従う方法を用いて上記課
題の解決を試みた。

【００２４】ウエハ２１が設置された電極２２は母材が
アルミニウムで、その表面にアルミナ膜２２Ａが溶射に
よってコーティングされている。このアルミナ膜のコー
ティング厚さは電極径の２／３から最外周までのリング
状の部分が内周部に比べて３倍になっている。またこの
リング状の部分の表面から１／３の深さ位置にはタング
ステン材料の電極２３が絶縁膜２３Ａ中に埋め込んであ
り、電極母材と絶縁された給電線２４が接続されてい
る。この給電線２４は可変容量コンデンサ２５を介して
電極母材とともにバイアス電源回路２６に接続されてい
る。可変容量コンデンサ２５は短絡または開放にするこ
とができ、無限大〜０までの範囲で容量を変化させるこ
とができる。

【００２５】また、シリコンリング２７は、その外径は
ウエハ径の１.５倍で電極２２上に設置されている。シ
リコンリング２７が設置された部分のアルミナ膜２３Ｂ
は電極中心部のアルミナ膜厚さの２倍であり、絶縁膜中
にタングステン材料からなる電極２８が埋め込まれてお
り、給電線２９，可変容量コンデンサ３０を介して電極
母材と接続されている。

【００２６】この本発明の装置を上記のシリコン酸化膜
のエッチングに適用した。まず、シリコンリング２７に
接続された可変容量コンデンサ３０の値を１００００ｐ
Ｆ、タングステン電極２３に接続された可変容量コンデ
ンサ２５の値を１５００ｐＦに設定してエッチングを行
ったところ選択比のウエハ面内分布は上記と同様にウエ
ハの周辺部で高くなる分布となった。そこでシリコンリ
ングに接続された可変容量コンデンサ３０の値だけを７
３００ｐＦとしたところ、ウエハ面内の分布を均一化す
ることができた。しかしこの設定条件でチャージングダ
メージによる破壊を調べると頻度１８％で破壊が見られ
た。そこでタングステン電極に接続された可変容量コン
デンサ２５の値を８５０ｐＦとし、再び試験を行ったと
ころ選択比はウエハ面内で均一で、チャージングダメー
ジによる破壊頻度０％に低減した。これはタングステン
電極に接続された可変容量コンデンサ２５の値を小さく
することによって、シリコンリング２７のバイアス電流
が減ったことによるウエハ周辺部からのバイアス電流の
流れやすさを相殺させた効果による。

【００２７】さらに本発明をシリコン酸化膜上に形成さ
れたパターンが異なる他の試料のエッチングに適用し
た。この時はシリコンリング２７に接続された可変容量
コンデンサ３０の値を１０００ｐＦとし、タングステン
電極２３に接続された可変容量コンデンサ２５の値を１
３００ｐＦとすることによリ、選択比のウエハ面内分布
が均一で、かつチャージングダメージの発生しないエッ
チングを行なうことができた。

【００２８】次に、図８を参照して高密度プラズマエッ
チング装置（プラズマ処理装置）を用る別の実施例を説
明する。３１は導入窓でその上にはコイル３３が設置し
て有り、コイル３３に高周波電源３２から電力を供給す
ることにより導入窓３１とウエハ設置電極３４との間に
プラズマを発生させる。なお、この場合ウエハ面内の処
理速度を均一にするためコイル３３は設置間隔を不均一
にしてあり、図８に示すようにプラズマ主発生位置はド
ーナツ状に分布している。

【００２９】ウエハ設置電極３４に接続されたバイアス
電源３５によって電圧を印加することによりプラズマか
らのイオンを加速してウエハ３７に照射することにより
エッチング加工を行なう。なお、アース３６はプラズマ
電位を固定しバイアスを印加できるように作用する。

【００３０】このエッチング装置を用いて所望の加工形
状が得られるようにプロセス条件を調整し、エッチング
を行なった後でゲート酸化膜の特性を測定したところ、
図９に示すようにチップの不良の発生が見られた。

【００３１】これはウエハ面内の、プラズマ主発生位置
に対向する場所でバイアスのインピーダンスが低くなっ
たことにより面内でバイアスによって生じる電位に差が
生じたことによるものである。この場合、本発明による
図１０に示すように電極４１を埋め込んだ、アルミナの
厚さが他と比べて厚い部分４１Ａをプラズマ主発生位置
に対応する位置に設け、可変コンデンサ４３の容量を調
整することにより、同じプロセス条件下でエッチングを
行なった結果、チャージングダメージによるチップの不
良率を０％に抑制することができた。ここで、４２は給
電線、４４〜４５は共振コイル、４６はバイアス用高周
波電源、４７は静電吸着用直流電源を表す。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、チャージアップによる
ダメージに敏感で微細な構造を有する高速デバイスを、
大口径のウエハを用いて高い歩留まりで加工できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ゲート酸化膜の厚さと耐電圧の関係を示す図。

【図２】本発明の一実施例になるドライエッチング装置
の縦断面図。

【図３】シリコンリング９の外径がウエハ径の１.４倍
の時の、シリコン酸化膜と下地シリコンとの選択比のウ
エハ面内分布を示す図。

【図４】シリコンリング９の外径をウエハ径の１.２倍
程度にした時の、シリコン酸化膜と下地シリコンとの選
択比のウエハ面内分布を示す図。

【図５】シリコンリング径がウエハ径の１.２倍の場合
の耐圧ヒストグラム。

【図６】シリコンリング９の外径がウエハ径の１.４倍
の場合の耐圧ヒストグラム。

【図７】ウエハ設置電極とシリコンリングからなる本発
明の実施例の縦断面を示す図。

【図８】本発明の他の実施例によるドライエッチング装
置の縦断面図である。

【図９】図８の装置において従来のウエハ載置電極組立
体を用いたときのチップのダメージ発生を例示するウエ
ハ図である。

【図１０】図８の装置に用いる本発明の別の実施例によ
るウエハ載置電極組体の模式図である。

【符号の説明】

１…真空処理室、２…石英窓、３…電極、４…高周波電
源、６…ソレノイドコイル、７…ガス導入口、８…ウエ
ハ、９…シリコン製リング、１０…アルミナ製のリン
グ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉岡健山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸事業所内 (72)発明者高橋主人山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸事業所内 (72)発明者金井三郎山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸事業所内Ｆターム(参考） 5F004 AA06 BA16 BA20 BB18 BB29 CA03 DB03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理基板と該被処理基板の主裏面に隣接
する材料（２３；４１）にバイアス電力を印加可能なプ
ラズマ処理装置を用いるプラズマ処理方法は以下のステ
ップを含む：プラズマ被処理基板を載置する電極を設け
ること；プラズマから被処理基板（ウエハ）に入射する
電子が面内均一になるように、前記電極の場所に応じて
バイアス電力の給電インピーダンスを変えること。
【請求項２】半導体装置を製造するためのプラズマ処理
装置におけるプラズマ処理方法は以下のステップを含
む：被処理基板と該被処理基板に隣接する材料（２７）
にバイアス電力を印加すること；前記被処理基板に隣接
する材料に対する前記バイアス電力の給電インピーダン
スを調整すること；前記被処理基板内の複数の位置に対
する前記バイアス電力の給電インピーダンスを基板内に
入射するプラズマからの電子が面内で均一になるように
調整すること。
【請求項３】請求項２記載の方法において、前記被処理
基板は半導体ウエハであり、前記基板隣接材料は前記半
導体ウエハを囲む導電性リングである。
【請求項４】半導体装置を製造するためのプラズマ処理
装置は以下を含む：被処理基板と該被処理基板に隣接す
る材料にバイアス電力を印加する手段；前記被処理基板
に隣接する材料に対する前記バイアス電力の給電インピ
ーダンスを調整する手段；及び前記被処理基板内の複数
の位置に対する前記バイアス電力の給電インピーダンス
を基板内に入射するプラズマからの電子が面内で均一に
なるように調整する手段。
【請求項５】プラズマを用いて製品を加工するプラズマ
処理装置は以下を含む：被処理基板と該基板の主裏面に
隣接する材料（２３；４２）にバイアス電力を印加する
手段（２６）；前記被処理基板内の異なる位置に対する
前記バイアス電力の給電インピーダンスを基板内に入射
するプラズマからの電子が面内で均一になるように差別
化して調整する第１調整手段（２３，２４，２５；４
１，４２，４３，４４）。
【請求項６】請求項５記載の装置において、前記第１調
整手段は電極面内で高周波電圧の振幅差を確立するよう
に作用する。
【請求項７】請求項５記載の装置において、前記第１調
整手段は、被処理基板を載置する前記電極と前記被処理
基板との間に設けられ、複数の厚みまたは材料からなる
絶縁層（２３Ａ；４１Ａ）と、バイアス電力の第１給電
線（２４；４２）と、該絶縁層の少なくとも１層中に設
けられ、かつ前記電極と絶縁されたバイアス電力の第１
給電線に接続された導電性材料（２３；４１）とを含
む。
【請求項８】請求項５記載の装置において、前記被処理
基板に隣接する材料に対する前記バイアス電力の給電イ
ンピーダンスを調整する第２の調整手段(２８，２９，
３０)を含む。
【請求項９】請求項８記載の装置において、前記第２調
整手段は、被処理基板を載置する前記電極と前記被処理
基板に隣接する材料との間に設けられ、複数の厚みまた
は材料からなる絶縁層（２２Ｂ）と、バイアス電力の第
２給電線（２９）と、該絶縁層の少なくとも１層中に設
けられ、かつ前記電極と絶縁された前記第２給電線に接
続された導電性材料（２８）とを含む。
【請求項１０】処理室と、該処理室に高周波を印加する
手段、処理用ガス供給手段、処理室内に置かれ、被処理
基板を載置する電極を構成する電極サブシステムを有す
るプラズマ処理装置であって、前記電極サブシステムは被処理基板と該基板に隣接する
材料にバイアス電力を印加する手段（２６）；前記被処
理基板内の異なる位置に対する前記バイアス電力の給電
インピーダンスを基板内に入射するプラズマからの電子
が面内で均一になるように差別化して調整する第１調整
手段（２３，２４，２５）；及び前記被処理基板に隣接
する材料に対する前記バイアス電力の給電インピーダン
スを調整する第２調整手段（２８，２９，３０）を含
み、前記第１調整手段は、被処理基板を載置する前記電
極と前記被処理基板との間に設けられ、複数の厚みまた
は材料からなる絶縁層と、バイアス電力の第１給電線
（２４）と、該絶縁層の少なくとも１層中に設けられ、
かつ前記電極と絶縁されたバイアス電力の第１給電線に
接続された導電性材料（２３）とを含み、前記第２調整
手段は、被処理基板を載置する前記電極と前記被処理基
板に隣接する材料との間に設けられ、複数の厚みまたは
材料からなる絶縁層と、バイアス電力の第２給電線（２
９）と、該絶縁層の少なくとも１層中に設けられ、かつ
前記電極と絶縁された前記第２給電線に接続された導電
性材料（２８）とを含む。
【請求項１１】プラズマを用いて試料を処理するプラズ
マ処理方法は以下のステップを含む：前記試料を処理室
内の試料台に配置すること；前記処理室内にプラズマを
生成すること；前記試料を配置した前記試料台にバイア
ス電力を印加すること；前記プラズマから前記試料への
電子の入射を前記試料の面内で均一にするために、前記
試料台の前記試料配置面内においてバイアス電力の給電
インピーダンスを変えること。
【請求項１２】プラズマを用いて試料を処理するプラズ
マ処理方法は以下のステップを含む：前記試料を処理室
内の試料台に配置すること；前記処理室内にプラズマを
生成すること；前記試料を配置した前記試料台および前
記試料裏面内で前記試料台とは電気的に絶縁されて設け
られた電極にバイアス電力を印加すること；前記プラズ
マから前記試料への電子の入射を前記試料の面内で均一
にするために、前記試料台と前記電極とにおいてバイア
ス電力の給電インピーダンスを変えること。
【請求項１３】半導体装置を製造するためのプラズマ処
理方法は以下のステップを含む：基板を処理室内の試料
台に配置すること；前記処理室内にプラズマを生成する
こと；前記基板を配置した前記試料台と前記基板裏面内
で前記試料台とは電気的に絶縁されて設けられた電極と
前記基板に隣接する基板隣接部材にバイアス電力を印加
すること；前記プラズマから前記基板への電子の入射を
前記基板の面内で均一にするために、前記試料台と前記
電極と前記基板隣接部材においてバイアス電力の給電イ
ンピーダンスを変えること。
【請求項１４】請求項１３記載の方法において、前記基
板は半導体ウエハであり、前記基板隣接部材は前記半導
体ウエハを囲む導電性リングである。
【請求項１５】プラズマを用いて試料を処理するプラズ
マ処理装置は以下を含む：内部にプラズマが生成される
処理室；前記処理室内で試料を配置する試料台；前記試
料を配置した前記試料台に設けられ前記試料裏面内で前
記試料台とは電気的に絶縁されて設けられた電極；前記
試料を配置した前記試料台および前記電極にバイアス電
力を印加する手段；前記プラズマから前記試料への電子
の入射を前記試料の面内で均一にするために、前記試料
台と前記電極とにおいてバイアス電力の給電インピーダ
ンスを調整する手段。
【請求項１６】半導体装置を製造するためのプラズマ処
理装置は以下を含む：内部にプラズマが生成される処理
室；前記処理室内で基板を配置する試料台；前記基板を
配置した前記試料台に設けられ前記試料裏面内で前記試
料台とは電気的に絶縁されて設けられた電極；前記試料
台に設けられ前記基板に隣接する基板隣接部材；前記基
板を配置した前記試料台と前記電極と前記基板隣接部材
にバイアス電力を印加する手段；プラズマから前記基板
への電子の入射を前記試料の面内で均一にするための前
記試料台に対し前記電極へのバイアス電力の給電インピ
ーダンスを調整する第１の調整手段および前記試料台に
対し前記基板隣接部材へのバイアス電力の給電インピー
ダンスを調整する第２の調整手段。
【請求項１７】請求項１６の装置において、前記基板は
半導体ウエハであり、前記基板隣接部材は前記半導体ウ
エハを囲む導電性リングである。