JP2005251775A - 基板処理装置 - Google Patents

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Hirohisa Yamazaki
裕久 山崎
Toru Kagaya
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Abstract

【課題】放電電極を処理容器内部に持つ基板処理装置であって、放電状態を容易に確認することができる基板処理装置を提供する。
【解決手段】基板収容空間を形成する処理容器203と、一対の電極269、270と、の一部分を少なくとも覆うように断熱部材208を設け、処理容器203に、一対の電極269、270における放電状態を確認するための窓部251を設ける、
【選択図】 図1

Description

本発明は、基板処理装置に関し、特に、半導体基板に成膜を行う基板処理装置に関する。
半導体基板に成膜を行う基板処理装置として、放電構造を反応管内部に持つバッチ式成膜装置が使用されている。
このような放電構造を反応管内部に持つバッチ式処置装置において、放電状態を確認しようとしても、放電管周囲には、ヒータ、断熱材、スカベンジャ、炉口シャッタ(蓋体)等があり、放電状態の確認が不可能であった。
従って、本発明は、放電電極を処理容器内部に持つ基板処理装置であって、放電状態を容易に確認することができる基板処理装置を提供することを主な目的とする。
本発明によれば、基板収容空間を形成する処理容器と、一対の電極と、の一部分を少なくとも覆うように断熱部材を設け、
前記処理容器に、前記一対の電極における放電状態を確認するための窓部を設けたことを特徴する基板処理装置が提供される。
好ましくは、該窓部が処理容器の該断熱部材に覆われていない部分に設けられている。
また、好ましくは、該基板処理装置が基板を加熱する加熱手段を有し、該処理容器が少なくとも下方開口を有す処理管と、該開口を閉塞する蓋体とを備え、該断熱材が該処理管の上方端を覆うように配置されている場合に、該窓部を該蓋体に設ける。
この様な基板処理装置、特に縦型の基板処理装置においては、例えば、天井部に窓を設けると、断熱材等に穴を開ける事になり、熱が上へ移動する関係上、反応炉内の熱均一性に問題が生じるので、断熱材に覆われていない部分または下部開口部に位置する蓋体に設けることで、上述の熱不均一を生じることなく確認が可能となる。
本発明によれば、放電電極を処理容器内部に持つ基板処理装置であって、放電状態を容易に確認することができる基板処理装置が提供される。
次に、図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明をする。
図1は、本発明の実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉の一例を説明するための概略縦断面図である。
石英反応管203の中にバッファ室237があり、バッファ室237内の電極269、270にて放電が起きる。しかし電極269、270は、断熱部材208、ヒータ207、スカベンジャ221、炉口シャッタ116により外部より観察することができない状態にある。そのため、炉口シャッタ116を開閉して確認する必要があり、利便性が悪い。
そこで、炉口シャッタ116に透明な小窓251を作成することにより、炉口シャッタ116を開閉することなく放電状態を確認することができるようにしている。
図2は、本発明の実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉の他の例を説明するための概略縦断面図である。
図2の様に、炉口シャッタ116の真下に半導体基板(ウエハ)200を装填するためのボート217がある場合、炉口シャッタ116に透明な小窓251を設けても、真下から放電状態を確認することができない。そのため、小窓251の下に鏡252を設置することにより容易に放電状態を確認することができる。
このように、本発明の上記各実施例においては、半導体基板に成膜を行うバッチ式装置において、放電構造を反応管内部に持ち、炉口シャッタに設けられた小窓から電極間の放電状態を容易に確認することができる。
なお、上記各実施例においては、放電状態は、次のような理由により確認する必要性がある。すなわち、石英反応管203を洗浄するとき、電極保護管275から電極269、270を抜き取る。そのため、石英反応管203洗浄後は、電極269、270を取り付ける必要がある。その際、取り付けに不備があると異常放電(局部的に放電したりなど)が生じるので、毎回電極269、270を取り付けた後、放電状態を確認する必要がある。また成膜に異常があった場合に、プラズマ放電に起因する原因かを確認するため、放電状態を目視確認する必要がある。
また、上記各実施例において、小窓251は、パイレックスまたは石英製であり、大きさは、直径5cmである。また、炉口シャッタ116の一部に穴と溝があり、溝に対してゴムをのせ、その上に小窓251、SUSホルダを取り付け、ネジで固定する。小窓251は、炉口シャッタ116に対して電極269、270と反対位置に設けられている。
次に、図3を参照して、本発明が適用される基板処理装置の一例である半導体製造装置についての概略を説明する。
筐体101内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット100の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ105が設けられ、該カセットステージ105の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ115が設けられ、該カセットエレベータ115には搬送手段としてのカセット移載機114が取りつけられている。又、カセットエレベータ115の後側には、カセット100の載置手段としてのカセット棚109が設けられると共にカセットステージ105の上方にも予備カセット棚110が設けられている。予備カセット棚110の上方にはクリーンユニット118が設けられクリーンエアを筐体101の内部を流通させるように構成されている。
筐体101の後部上方には、処理炉202が設けられ、該処理炉202の下方には基板としてのウエハ200を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート217を該処理炉202に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ121が設けられ、該ボートエレベータ121に取りつけられた昇降部材122の先端部には蓋体としてのシールキャップ219が取りつけられ該ボート217を垂直に支持している。ボートエレベータ121とカセット棚109との間には昇降手段としての移載エレベータ113が設けられ、該移載エレベータ113には搬送手段としてのウエハ移載機112が取りつけられている。又、ボートエレベータ121の横には、開閉機構を持ち処理炉202の下面を塞ぐ遮蔽部材としての炉口シャッタ116が設けられている。
本発明の上記各実施例においては、この炉口シャッタ116の小窓251が設けられている。
ウエハ200が装填されたカセット100は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ105に該ウエハ200が上向き姿勢で搬入され、該ウエハ200が水平姿勢となるよう該カセットステージ105で90°回転させられる。更に、カセット100は、カセットエレベータ115の昇降動作、横行動作及びカセット移載機114の進退動作、回転動作の協働によりカセットステージ105からカセット棚109又は予備カセット棚110に搬送される。
カセット棚109にはウエハ移載機112の搬送対象となるカセット100が収納される移載棚123があり、ウエハ200が移載に供される該カセット100はカセットエレベータ115、カセット移載機114により該移載棚123に移載される。
カセット100が移載棚123に移載されると、ウエハ移載機112の進退動作、回転動作及び移載エレベータ113の昇降動作の協働により該移載棚123から降下状態のボート217にウエハ200を移載する。
ボート217に所定枚数のウエハ200が移載されるとボートエレベータ121により該ボート217が処理炉202に挿入され、シールキャップ219により処理炉202が気密に閉塞される。気密に閉塞された処理炉202内ではウエハ200が加熱されると共に処理ガスが該処理炉202内に供給され、ウエハ200に処理がなされる。
ウエハ200への処理が完了すると、該ウエハ200は上記した作動の逆の手順により、ボート217から移載棚123のカセット100に移載され、該カセット100はカセット移載機114により該移載棚123からカセットステージ105に移載され、図示しない外部搬送装置により筐体101の外部に搬出される。尚、炉口シャッタ116は、ボート217が降下状態の際に処理炉202の下面を塞ぎ、外気が該処理炉202内に巻き込まれるのを防止している。
カセット移載機114等の搬送動作は、搬送制御手段124により制御される。
次に、本発明の実施例として、ウエハ等の基板へのプロセス処理例としてCVD法の中の1つであるALD(Atomic Layer Deposition)法を用いた成膜処理について、簡単に説明する。
ALD法は、ある成膜条件(温度、時間等)の下で、成膜に用いる2種類(またはそれ以上)の原料となるガスを1種類ずつ交互に基板上に供給し、1原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。
即ち、利用する化学反応は、例えばSiN(窒化珪素)膜形成の場合ALD法ではDCS(SiHCl、ジクロルシラン)とNH(アンモニア)を用いて300〜600℃の低温で高品質の成膜が可能である。また、ガス供給は、複数種類の反応性ガスを1種類ずつ交互に供給する。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する。(例えば、成膜速度が1Å/サイクルとすると、20Åの膜を形成する場合、処理を20サイクル行う。)
図4は、本実施例にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示し、図5は本実施例にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示す。加熱手段であるヒータ207の内側に、基板であるウエハ200を処理する反応容器として反応管203が設けられ、この反応管203の下端開口は蓋体であるシールキャップ219により気密部材であるOリング220を介して気密に閉塞され、少なくとも、このヒータ207、反応管203、及びシールキャップ219により処理炉202を形成している。反応管203およびヒータ207の外側には断熱部材208が設けられている。断熱部材208は断熱部材208の上方端を覆うように設けられている。シールキャップ219には石英キャップ218を介して基板保持手段であるボート217が立設され、石英キャップ218はボートを保持する保持体となっている。そして、ボート217は処理炉202に挿入される。ボート217にはバッチ処理される複数のウエハ200が水平姿勢で管軸方向に多段に積載される。ヒータ207は処理炉202に挿入されたウエハ200を所定の温度に加熱する。
そして、処理炉202へは複数種類、ここでは2種類のガスを供給する供給管としての2本のガス供給管232a、232bが設けられる。ここでは第1のガス供給管232aからは流量制御手段である第1のマスフローコントローラ241a及び開閉弁である第1のバルブ243aを介し、更に後述する処理炉202内に形成されたバッファ室237を介して処理炉202に反応ガスが供給され、第2のガス供給管232bからは流量制御手段である第2のマスフローコントローラ241b、開閉弁である第2のバルブ243b、ガス溜め247、及び開閉弁である第3のバルブ243cを介し、更に後述するガス供給部249を介して処理炉202に反応ガスが供給されている。
処理炉202はガスを排気する排気管であるガス排気管231により第4のバルブ243dを介して排気手段である真空ポンプ246に接続され、真空排気されるようになっている。尚、この第4のバルブ243dは弁を開閉して処理炉202の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整可能になっている開閉弁である。
処理炉202を構成している反応管203の内壁とウエハ200との間における円弧状の空間には、反応管203の下部より上部の内壁にウエハ200の積載方向に沿って、ガス分散空間であるバッファ室237が設けられており、そのバッファ室237のウエハ200と隣接する壁の端部にはガスを供給する供給孔である第1のガス供給孔248aが設けられている。この第1のガス供給孔248aは反応管203の中心へ向けて開口している。この第1のガス供給孔248aは、下部から上部にわたってそれぞれ同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。
そしてバッファ室237の第1のガス供給孔248aが設けられた端部と反対側の端部には、ノズル233が、やはり反応管203の下部より上部にわたりウエハ200の積載方向に沿って配設されている。そしてノズル233には複数のガスを供給する供給孔である第2のガス供給孔248bが設けられている。この第2のガス供給孔248bの開口面積は、バッファ室237と処理炉202の差圧が小さい場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか、開口ピッチを小さくすると良い。
本発明において、第2のガス供給孔248bの開口面積や開口ピッチを上流側から下流にかけて調節することで、まず、第2の各ガス供給孔248bよりガスの流速の差はあるが、流量はほぼ同量であるガスを噴出させる。そしてこの各第2のガス供給孔248bから噴出するガスをバッファ室237に噴出させて一旦導入し、ガスの流速差の均一化を行うこととした。
すなわち、バッファ室237において、各第2のガス供給孔248bより噴出したガスはバッファ室237で各ガスの粒子速度が緩和された後、第1のガス供給孔248aより処理炉202に噴出する。この間に、各第2のガス供給孔248bより噴出したガスは、各第1のガス供給孔248aより噴出する際には、均一な流量と流速とを有するガスとすることができた。
さらに、バッファ室237に、細長い構造を有する第1の電極である第1の棒状電極269及び第2の電極である第2の棒状電極270が上部より下部にわたって電極を保護する保護管である電極保護管275に保護されて配設され、この第1の棒状電極269又は第2の棒状電極270のいずれか一方は整合器272を介して高周波電源273に接続され、他方は基準電位であるアースに接続されている。この結果、第1の棒状電極269及び第2の棒状電極270間のプラズマ生成領域224にプラズマが生成される。
この電極保護管275は、第1の棒状電極269及び第2の棒状電極270のそれぞれをバッファ室237の雰囲気と隔離した状態でバッファ室237に挿入できる構造となっている。ここで、電極保護管275の内部は外気(大気)と同一雰囲気であると、電極保護管275にそれぞれ挿入された第1の棒状電極269及び第2の棒状電極270はヒータ207の加熱で酸化されてしまう。そこで、電極保護管275の内部は窒素などの不活性ガスを充填あるいはパージし、酸素濃度を充分低く抑えて第1の棒状電極269又は第2の棒状電極270の酸化を防止するための不活性ガスパージ機構が設けられる。
さらに、第1のガス供給孔248aの位置より、反応管203の内周を120°程度回った内壁に、ガス供給部249が設けられている。このガス供給部249は、ALD法による成膜においてウエハ200へ、複数種類のガスを1種類ずつ交互に供給する際に、バッファ室237とガス供給種を分担する供給部である。
このガス供給部249もバッファ室237と同様にウエハと隣接する位置に同一ピッチでガスを供給する供給孔である第3のガス供給孔248cを有し、下部では第2のガス供給管232bが接続されている。
第3のガス供給孔248cの開口面積はバッファ室237と処理炉202の差圧が小さい場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか開口ピッチを小さくすると良い。
反応管203内の中央部には複数枚のウエハ200を多段に同一間隔で載置するボート217が設けられており、このボート217は図中省略のボートエレベータ機構により反応管203に出入りできるようになっている。また処理の均一性を向上するためにボート217を回転するための回転手段であるボート回転機構267が設けてあり、ボート回転機構267を回転することにより、石英キャップ218に保持されたボート217を回転するようになっている。
制御手段であるコントローラ321は、第1、第2のマスフローコントローラ241a、241b、第1〜第4のバルブ243a、243b、243c、243d、ヒータ207、真空ポンプ246、ボート回転機構267、図中省略のボート昇降機構、高周波電源273、整合器272に接続されており、第1、第2のマスフローコントローラ241a、241bの流量調整、第1〜第3のバルブ243a、243b、243cの開閉動作、第4のバルブ243dの開閉及び圧力調整動作、ヒータ207温度調節、真空ポンプ246の起動・停止、ボート回転機構267の回転速度調節、ボート昇降機構の昇降動作制御、高周波電極273の電力供給制御、整合器272によるインピーダンス制御が行われる。
次にALD法による成膜例について、DCS及びNHガスを用いてSiN膜を成膜する例で説明する。
まず成膜しようとするウエハ200をボート217に装填し、処理炉202に搬入する。搬入後、次の3つのステップを順次実行する。
[ステップ1]
ステップ1では、プラズマ励起の必要なNHガスと、プラズマ励起の必要のないDCSガスとを併行して流す。まず第1のガス供給管232aに設けた第1のバルブ243a、及びガス排気管231に設けた第4のバルブ243dを共に開けて、第1のガス供給管232aから第1のマスフローコントローラ243aにより流量調整されたNHガスをノズル233の第2のガス供給孔248bからバッファ室237へ噴出し、第1の棒状電極269及び第2の棒状電極270間に高周波電源273から整合器272を介して高周波電力を印加してNHをプラズマ:励起し、活性種として処理炉202に供給しつつガス排気管231から排気する。NHガスをプラズマ励起することにより活性種として流すときは、第4のバルブ243dを適正に調整して処理炉202内圧力を10〜100Paとする。第1のマスフローコントローラ241aで制御するNHの供給流量は1000〜10000sccmである。NHをプラズマ励起することにより得られた活性種にウエハ200を晒す時間は2〜120秒間である。このときのヒータ207温度はウエハが300〜600℃になるよう設定してある。NHは反応温度が高いため、上記ウエハ温度では反応しないので、プラズマ励起することにより活性種としてから流すようにしており、このためウエハ温度は設定した低い温度範囲のままで行える。
このNHをプラズマ励起することにより活性種として供給しているとき、第2のガス供給管232bの上流側の第2のバルブ243bを開け、下流側の第3のバルブ243cを閉めて、DCSも流すようにする。これにより第2、第3のバルブ243b、243c間に設けたガス溜め247にDCSを溜める。このとき、処理炉202内に流しているガスはNHをプラズマ励起することにより得られた活性種であり、DCSは存在しない。したがって、NHは気相反応を起こすことはなく、プラズマにより励起され活性種となったNHはウエハ200上の下地膜と表面反応する。
[ステップ2]
ステップ2では、第1のガス供給管232aの第1のバルブ243aを閉めて、NHの供給を止めるが、引続きガス溜め247へ供給を継続する。ガス溜め247に所定圧、所定量のDCSが溜まったら上流側の第2のバルブ243bも閉めて、ガス溜め247にDCSを閉じ込めておく。また、ガス排気管231の第4のバルブ243dは開いたままにし真空ポンプ246により、処理炉202を20Pa以下に排気し、残留NHを処理炉202から排除する。また、この時にはN等の不活性ガスを処理炉202に供給すると、更に残留NHを排除する効果が高まる。ガス溜め247内には、圧力が20000Pa以上になるようにDCSを溜める。また、ガス溜め247と処理炉202との間のコンダクタンスが1.5×10−3/s以上になるように装置を構成する。また、反応管203容積とこれに対する必要なガス溜め247の容積との比として考えると、反応管203容積1001(リットル)の場合においては、100〜300ccであることが好ましく、容積比としてはガス溜め247は反応室容積の1/1000〜3/1000倍とすることが好ましい。
[ステップ3]
ステップ3では、処理炉202の排気が終わったらガス排気管231の第4のバルブ243cを閉じて排気を止める。第2のガス供給管232bの下流側の第3のバルブ243cを開く。これによりガス溜め247に溜められたDCSが処理炉202に一気に供給される。このときガス排気管231の第4のバルブ243dが閉じられているので、処理炉202内の圧力は急激に上昇して約931Pa(7Torr)まで昇圧される。DCSを供給するための時間は2〜4秒設定し、その後上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を2〜4秒に設定し、合計6秒とした。このときのウエハ温度はNHの供給時と同じく、300〜600℃である。DCSの供給により、下地膜上のNHとDCSとが表面反応して、ウエハ200上にSiN膜が成膜される。成膜後、第3のバルブ243cを閉じ、第4のバルブ243dを開けて処理炉202を真空排気し、残留するDCSの成膜に寄与した後のガスを排除する。また、この時にはN等の不活性ガスを処理炉202に供給すると、更に残留するDCSの成膜に寄与した後のガスを処理炉202から排除する効果が高まる。また第2のバルブ243bを開いてガス溜め247へのDCSの供給を開始する。
上記ステップ1〜3を1サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウエハ上に所定膜厚のSiN膜を成膜する。
ALD装置では、ガスは下地膜表面に吸着する。このガスの吸着量は、ガスの圧力、及びガスの暴露時間に比例する。よって、希望する一定量のガスを、短時間で吸着させるためには、ガスの圧力を短時間で大きくする必要がある。この点で、本実施例では、第4のバルブ243dを閉めたうえで、ガス溜め247内に溜めたDCSを瞬間的に供給しているので、処理炉202内のDCSの圧力を急激に上げることができ、希望する一定量のガスを瞬間的に吸着させることができる。
また、本実施例では、ガス溜め247にDCSを溜めている間に、ALD法で必要なステップであるNHガスをプラズマ励起することにより活性種として供給、及び処理炉202の排気をしているので、DCSを溜めるための特別なステップを必要としない。また、処理炉202内を排気してNHガスを除去しているからDCSを流すので、両者はウエハ200に向かう途中で反応しない。供給されたDCSは、ウエハ200に吸着しているNHとのみ有効に反応させることができる。
本発明の実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉の一例を説明するための概略縦断面図である。 本発明の実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉の他の例を説明するための概略縦断面図である。 本発明の実施例に係る基板処理装置を説明するための概略斜視図である。 本発明の実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉を説明するための概略縦断面図である。 本発明の実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉を説明するための概略横断面図である。
符号の説明
100…カセット
112…ウエハ移載機
114…カセット移載機
116…炉口シャッタ
121…ボートエレベータ
200…ウエハ
202…処理炉
203…反応管
207…ヒータ
208…断熱部材
217…ボート
218…石英キャップ
219…シールキャップ
220…Oリング
221…スカベンジャ
224…プラズマ生成領域
231…ガス排気管
232a…第1のガス供給管
232b…第2のガス供給管
233…ノズル
237…バッファ室
241a…第1のマスフローコントローラ
241b…第2のマスフローコントローラ
243a…第1のバルブ
243b…第2のバルブ
243c…第3のバルブ
243d…第4のバルブ
246…真空ポンプ
247…ガス溜め
248a…第1のガス供給孔
248b…第2のガス供給孔
248c…第3のガス供給孔
249…ガス供給部
251…小窓
252…鏡
267…ボート回転機構
269…第1の棒状電極
270…第2の棒状電極
271…アース
272…整合器
273…高周波電源
275…電極保護管
321…コントローラ

Claims (1)

  1. 基板収容空間を形成する処理容器と、一対の電極と、の一部分を少なくとも覆うように断熱部材を設け、
    前記処理容器に、前記一対の電極における放電状態を確認するための窓部を設けたことを特徴する基板処理装置。
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