JP2007088199A - 処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】処理室101は、半導体等の被処理基体102の表面のラジカル処理を行う室であり、ガス導入手段105は、ラジカル生成手段108により生成されるラジカル生成領域111と、被処理基体支持手段103との間に設けられる。第1のガス排気手段106aは、ガス導入手段105よりもラジカル生成領域111の側に設けられる。第2のガス排気手段106bは、ガス導入手段105よりも被処理基体支持体103の側に設けられる。
【選択図】図1
Description
また、近年では半導体素子の微細化の要求に応えるべく極薄のゲート絶縁膜形成や表面改質にラジカル処理が用いられるようになっている。このような極薄膜形成、表面改質プロセスにおいては、形成する膜厚や改質度合いを制御するため被処理基体へ入射させるラジカルフラックスを精密に制御する必要がある。
ここで、被処理基体への入射フラックスを制御する従来のプラズマ励起処理装置を図6を参照して説明する。
この従来のプラズマ励起処理装置は、処理室601、被処理基体602、ラジカル発生領域611との距離が可変な被処理基体602を支持する被処理基体支持体603とを有する。さらに、被処理基体602の温度調整手段604、処理室601の排気を行う排気手段606、プラズマ処理用ガスのガス導入手段605を有する。さらに、電力を処理室601に導入する電力導入手段608、表面に複数の貫通孔を有する平板状のフラックス制御手段609を有する。
被処理基体602のプラズマ処理は、まず排気手段606により処理室601内を真空状態に排気する。続いて処理用ガスを処理室601の下部に設けられたガス導入手段605を介して所定の流量で導入する。次に排気手段606に設けられたコンダクタンスバルブ(不図示)を調整し、処理室601内を所定の圧力に保持する。電力導入手段608を介し所望の電力を処理室601に導入し、プラズマを発生させる。導入された処理用ガスは、発生したプラズマにより励起・イオン化・反応してラジカル発生領域611にてラジカルが生成され、被処理基体支持体603上に載置された被処理基体602の表面を処理する。
このとき被処理基体602へのラジカルフラックスは以下の方法により制御することができる。即ち、
(a)ラジカル発生領域611と被処理基体602との物理的な距離を被処理基体支持台603により変化させる。それにより、ラジカル発生領域611から被処理基体602に輸送される間に生じるラジカルの失活に基づいてフラックスを制御する。
(b)ラジカル発生領域611と被処理基体602を有するラジカル処理室601との間に設置されたラジカルの通過を制御する。例えば複数の貫通孔を有する板状のコンダクタンス制御手段609のコンダクタンスを変化させることでラジカルフラックスを制御する。
(c)ラジカル生成のための電力導入手段608への投入電力を変化させることで、生成されるラジカル密度を変化させフラックスを制御する。
(d)ラジカル処理室601内の圧力を変化させることにより、処理室601内のラジカル密度を変化させフラックスを制御する。
しかし、上記のラジカルフラックス制御方法においてはいくつかの弊害がある。
例えば(a)の方法では、広範囲のラジカルフラックスを制御しようとした場合、ラジカル発生領域611との距離を十分とる必要があり、装置の大型化を招く。
また(b)の方法ではフラックス制御の為にはその都度コンダクタンスの異なる制御板への交換が必要となる。
また(c)、(d)の方法ではプラズマの生成条件と、ラジカルのフラックスを独立に制御することができない。
さらに上記(a)〜(d)全ての方法において被処理基体表面の数分子層程度の処理を行うような極低フラックスに制御することが非常に困難であるという問題点を有していた。
また、マイクロ波プラズマにより励起したラジカルの被処理基体への微小入射フラックスを精密制御するプラズマ処理装置及び方法が、例えば、特開2005−142234号公報(特許文献1)で提案されている。
さらに、本発明の処理装置は、前記被処理基体支持手段と前記ガス導入手段との間に少なくとも1つ以上の第2のコンダクタンス制御手段を備える。
さらに、本発明の処理装置は、前記ラジカルを前記被処理基体の載置された前記処理室へ輸送する流路中に前記ラジカルの運動エネルギーを制御する手段を備える。
さらに、本発明の処理装置において、前記ラジカルの運動エネルギーを制御する手段は、前記ラジカル発生領域に対面する前記処理室の壁面を加熱又は冷却する温調手段である。
前記ラジカルの運動エネルギーを制御する手段は、前記ラジカル発生領域と前記被処理基体の載置された前記処理室との間を流れる前記処理用ガスの流路に対面する前記処理室の壁面を加熱又は冷却する温調手段である。
さらに、本発明の処理装置は、前記ガス導入手段と前記被処理基体支持体との間に不活性ガス導入手段を備える。
さらに、本発明の処理装置において、前記ラジカル生成手段は紫外光励起する。
さらに、本発明の処理装置において、前記ラジカル生成手段はプラズマ励起する。
このため、第1のガス排気手段と第2のガス排気手段の排気コンダクタンスの比によって処理室内のラジカル密度を広範囲に制御するができる。
一方、第2のガス排気手段のコンダクタンスバルブを完全に閉じた場合、処理室内の処理用ガスは被処理基体側から処理用ガスが導入される。さらに、ラジカル発生領域へと流れ第1のガス排気手段から排気される。
このため処理用ガスの流れに逆らってラジカル生成領域から拡散するラジカルのみが被処理基体周辺の領域に存在できる。
この結果、従来の装置では成し得ないような極低フラックスのラジカルを被処理基体に供給することが可能となる。
また、そのフラックスは処理用ガスの流量に応じて容易に制御することが可能であり、第1のガス排気手段、第2のガス排気手段の排気コンダクタンスの比を変えることによっても同様に制御可能である。
この結果、被処理基体の表面のラジカル処理において大流量から極低流量に至るまでの広範囲にわたるラジカルフラックス供給の精密な制御が可能となる。
このため、数分子層レベルの極薄膜から厚い膜に至る成膜プロセスが一つの装置構成で行える。
処理室101は、半導体等の被処理基体102の表面のラジカル処理を行う室である。
ラジカル生成手段108は、処理室101内の上部のラジカル発生領域111にラジカルを生成する手段である。
ガス導入手段105は、ラジカル生成手段108の下方に設けられ、処理室101に処理用ガスを導入する手段である。
被処理基体支持手段103は、ガス導入手段105の下方に設けられ、被処理基体102を載置する手段である。
なお、本実施例ではラジカル生成手段の下方にガス導入手段が設けられ、さらにガス導入手段の下方に被処理基体支持手段が設けられているが、それらの相対的な位置関係が変わらなければ上下逆であっても良い。
温度調整手段104は、被処理基体支持手段103上に載置された被処理基体102の温度を調整する手段である。
第1のガス排気手段106aは、ガス導入手段105から導入された処理用ガスがラジカル発生領域111を通過した後に処理室101の上部から排気されるように設けられる。
第2のガス排気手段106bは、ガス導入手段105から導入された処理用ガスが被処理基体支持体103表面近傍を通過した後に処理室101の下部から排気されるように設けられる。
第1のコンダクタンス制御手段109aは、ラジカル発生領域111とガス導入手段105との間に少なくとも1つ以上設けられ、通過する処理用ガスを加熱することによりラジカルの運動エネルギーを制御する機能も合わせ持つ。
第2のコンダクタンス制御手段109bは、被処理基体支持手段103とガス導入手段105との間に少なくとも1つ以上設けられ、通過する処理用ガスを加熱することによりラジカルの運動エネルギーを制御する機能も合わせ持つ。
まず、第1のガス排気手段106a、第2のガス排気手段106bを介してラジカル処理室101内を真空状態に排気する。
続いて処理用ガスをラジカル発生領域111と被処理基体支持体103との間に設けられたガス導入手段105を介して所定の流量で処理室101内に導入する。
次に第1のガス排気手段106a、第2のガス排気手段106bに設けられたコンダクタンスバルブ(不図示)をそれぞれ調整し、処理室101内を所定の圧力に保持する。
ラジカル生成手段108に所望の電力投入し、処理室101に導入した処理用ガスを励起してラジカルを発生させる。
このとき第1のガス排気手段106aと第2のガス排気手段106bの排気コンダクタンスの比によって処理室101内のラジカル密度を広範囲に制御するができる。
例えば、第1のガス排気手段106aのコンダクタンスバルブを完全に閉じた場合、処理室101内のガスはラジカル発生領域111から被処理基体102へと流れた後に処理室101の下部にある第2のガス排気手段106bから排気される。このとき、所謂ダウンフローと呼ばれる状態となり従来の処理装置と同様の大量のラジカルフラックスによる処理、プロセス制御を行うことが可能となる。
一方、第2のガス排気手段106bのコンダクタンスバルブを完全に閉じた場合、ラジカル処理室101内の処理用ガスは被処理基体102側から処理用ガスが導入される。さらに、ラジカル発生領域111へと流れ第1のガス排気手段106aから排気される。
このため処理用ガスの流れに逆らってラジカル発生領域111から拡散するラジカルのみが被処理基体102周辺の領域に存在できる。
このため、従来の装置では成し得ないような極低フラックスのラジカルを被処理基体102に供給することが可能となる。
また、そのフラックスは処理用ガスの流量に応じて容易に制御することが可能であり、第1のガス排気手段106a、第2のガス排気手段106bの排気コンダクタンスの比を変えることによっても同様に制御可能である。
このラジカルの運動エネルギーを制御する手段は、或いは、ラジカル生成領域111から下方へ流れる処理用ガスの流路に対面する処理室101の壁面の少なくとも一部を加熱又は冷却する温調手段である。
これにより拡散輸送中のラジカルの再結合反応速度が制御され一層フラックス制御性が向上する。
さらに本発明の実施例1の処理装置には、より制御性を向上させるため、ガス導入手段105と被処理基体支持体103との間に不活性ガス導入手段を設けてもよい。
導入する不活性ガスとしては、He,Ne,Ar,Kr,Xeなどの希ガス、N2、もしくはそれらの混合ガス等が用いられる。
本発明の実施例1の処理装置に用いられるラジカル生成手段108は高周波プラズマ励起、紫外光励起のいずれの励起手段を用いることが可能であり、それらを併用することも可能である。
高周波プラズマ励起としてはCCP、ICP、ヘリコン、ECR、マイクロ波、表面波、表面波干渉型プラズマ源等のいかなるプラズマ励起手段について適用可能である。
また紫外光励起手段としては所望のラジカル状態に励起可能なエネルギーを有する光が放射可能なものであればいずれの光源も適用可能である。
例えば、キセノンショートアークランプ、キセノンフラッシュランプ、ショートアーク型超高圧水銀ランプ、キャピラリーランプ、ロングアークランプが用いられる。
さらに、低圧水銀ランプ、DeepUVランプ、メタルハライドランプ、エキシマランプ、窒素レーザー、エキシマレーザなどの光源が用いられる。
エキシマランプを用いた場合F2、Cl2、Br2、I2、ArBr、KrBr,XeBr、ArCl、KrCl、XeCl、ArF、KrF、XeF、XeI等封止ガスによって発光中心波長が異なる。
このため、それらの中から所望のラジカルの生成に最も適した波長の光を効率よく発光させることができるものを選ぶのが好ましい。
コンダクタンス制御板の材質は、ラジカル処理の対象がMOS−FETのゲート酸化/窒化膜形成など金属汚染が問題になる場合には石英,窒化シリコンなどのSi系絶縁体材料を使用する。
金属汚染が問題にならず、基板への電磁波照射をカットしたい場合には、アルミニウムなどの金属を使用しても良い。金属汚染も電磁波照射も問題になる場合には、金属を内蔵したSi系絶縁体を用いる手段もある。
本発明の実施例1の処理装置を用いたラジカル処理方法におけるラジカル処理室内の圧力は1.3x10−2Pa乃至1333Paの範囲である。
より好適には、中間流から粘性流領域における1.3Paから667Paの範囲が適当であり、数分子層程度の表面処理を行う場合、133Paから400Paの範囲が一層好適である。
導電性基体としては、Fe,Ni,Cr,Al,Mo,Au,Nb,Ta,V,Ti,Pt,Pbなどの金属またはこれらの合金、例えば真鍮、ステンレス鋼等が用いられる。
絶縁性基体としては、SiO2系の石英や各種ガラス、Si3N4,NaCl,KCl,LiF,CaF2,BaF2,Al2O3,AlN,MgO等の無機物が用いられる。さらに、ポリエチレン,ポリエステル,ポリカーボネート,セルロースアセテート,ポリプロピレン,ポリ塩化ビニル,ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド等の有機物のフィルム、窓等が用いられる。
本発明の実施例1の処理装置を用いた処理方法を被処理基体102の表面改質に適用する場合、使用するガスを適宜選択する。
例えば、被処理基体102もしくは表面層としてSi、Al、Ti、Zn、Ta等を使用してこれら被処理基体102もしくは表面層の酸化処理あるいは窒化処理さらにはB、As、Pなどのドーピング処理等が可能である。
更に本発明の実施例1の処理装置を用いた処理方法において採用する成膜技術はクリーニング方法にも適用できる。その場合酸化物あるいは有機物や重金属などのクリーニングに使用することもできる。
被処理基体102を酸化表面処理する場合の処理用ガス導入口105を介して導入する酸化性ガスとしては、O2、O3、H2O、NO、N2O、NO2等が用いられる。
また、被処理基体102を窒化表面処理する場合のガス導入口105を介して導入する窒化性ガスとしては、N2、NH3、N2H4、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)等が用いられる。
被処理基体102の表面の有機物をクリーニングする場合、または、フォトレジスト等被処理基体102の表面上の有機成分をアッシング除去する場合には、以下の処理用ガスが用いられる。ガス導入口105から導入するクリーニング/アッシング用ガスとしては、O2、O3、H2O、NO、N2O、NO2、H2等が用いられる。
また、被処理基体102の表面の無機物をクリーニングする場合のガス導入口105から導入するクリーニング用ガスとしては、F2、CF4、CH2F2、C2F6、C4F8、CF2Cl2、SF6、NF3等が用いられる。
この選択によりSi3N4、SiO2、SiOF,Ta2O5、TiO2、TiN、Al2O3、AlN、MgF2等の絶縁膜、a−Si、poly−Si、SiC、GaAs等の半導体膜、を効率よく形成することが可能である。
さらに、Al、W、Mo、Ti、Ta等の金属膜等、各種の堆積膜を効率よく形成することが可能である。
CVD法により基板上に薄膜を形成する場合に用いられるガスとしては、一般に公知のガスが使用できる。
a−Si、poly−Si、SiC等のSi系半導体薄膜を形成する場合のガス導入手段105を介してラジカル処理室101へ導入するSi原子を含有する原料ガスとしては以下のものが用いられる。
まず、SiH4,Si2H6等の無機シラン類が用いられる。
さらに、テトラエチルシラン(TES),テトラメチルシラン(TMS),ジメチルシラン(DMS),ジメチルジフルオロシラン(DMDFS),ジメチルジクロルシラン(DMDCS)等の有機シラン類が用いられる。
さらに、SiF4,Si2F6,Si3F8,SiHF3,SiH2F2,SiCl4,Si2Cl6,SiHCl3,SiH2Cl2,SiH3Cl,SiCl2F2等のハロゲン化シラン類等が用いられる。
さらに、常温常圧でガス状態であるものまたは容易にガス化し得るものが用いられる。
また、この場合のSi原料ガスと混合して導入してもよい添加ガスまたはキャリアガスとしては、H2、He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rnが用いられる。
Si3N4,SiO2 等のSi化合物系薄膜を形成する場合の処理用ガス導入手段105を介して導入するSi原子を含有する原料としては、以下のものが用いられる。まず、SiH4、Si2H6等の無機シラン類が用いられる。さらに、テトラエトキシシラン(TEOS),テトラメトキシシラン(TMOS),オクタメチルシクロテトラシラン(OMCTS),ジメチルジフルオロシラン(DMDFS),ジメチルジクロルシラン(DMDCS)等の有機シラン類が用いられる。さらに、SiF4,Si2F6,Si3F8,SiHF3,SiH2F2,SiCl4,Si2Cl6,SiHCl3,SiH2Cl2,SiH3Cl,SiCl2F2等のハロゲン化シラン類等が用いられる。さらに、常温常圧でガス状態であるものまたは容易にガス化し得るものが用いられる。
また、この場合の同時に導入する窒素原料ガスまたは酸素原料ガスとしては、N2、NH3、N2H4、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、O2、O3、H2O、NO、N2O、NO2等が用いられる。
Al、W、Mo、Ti、Taなどの金属薄膜を形成する場合の処理用ガス導入手段105を介して導入する金属原子を含有する原料としては、以下のものが用いられる。
トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルアルミニウム(TEAl)、トリイソブチルアルミニウム(TIBAl)、ジメチルアルミニウムハイドライド(DMAlH)等の有機金属が用いられる。さらに、タングステンカルボニル(W(CO)6)、モリブデンカルボニル(Mo(CO)6)、トリメチルガリウム(TMGa)、トリエチルガリウム(TEGa)等の有機金属が用いられる。さらに、AlCl3、WF6、TiCl3、TaCl5等のハロゲン化金属等が用いられる。
Al2O3、AlN、Ta2O5、TiO2、TiN、WO3等の金属化合物薄膜を形成する場合の処理用ガス導入手段105を介して導入する金属原子を含有する原料としては、以下のものが用いられる。
トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルアルミニウム(TEAl)、トリイソブチルアルミニウム(TIBAl)、ジメチルアルミニウムハイドライド(DMAlH)等の有機金属が用いられる。
さらに、タングステンカルボニル(W(CO)6)、モリブデンカルボニル(Mo(CO)6)、トリメチルガリウム(TMGa)、トリエチルガリウム(TEGa)等の有機金属が用いられる。さらに、AlCl3、WF6、TiCl3、TaCl5などのハロゲン化金属等が用いられる。
また、この場合の同時に導入する酸素原料ガスまたは窒素原料ガスとしては、O2、O3、H2O、NO、N2O、NO2、N2、NH3、N2H4、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)等が用いられる。
基体表面をエッチングする場合の処理用ガス導入口105から導入するエッチング用ガスとしては、F2、CF4、CH2F2、C2F6、C3F8、C4F8、CF2Cl2、SF6、NF3、Cl2、CCl4、CH2Cl2、C2Cl6等が用いられる。フォトレジスト等被処理基体102の表面上の有機成分をアッシング除去する場合の処理用ガス導入口105から導入するアッシング用ガスとしては、O2、O3、H2O、NO、N2O、NO2、H2等が用いられる。
ラジカル処理室201は、半導体等の被処理基体202の表面のラジカル処理を行う室である。
ラジカル生成手段であるスロット付無終端環状導波管208は、マイクロ波透過手段207を透してマイクロ波を処理室201に導入するための手段である。
このラジカル生成手段であるスロット付無終端環状導波管208は、処理室201内の上部のラジカル発生領域211にラジカルを生成する手段である。
ガス導入手段205は、ラジカル生成手段208の下方に設けられ、処理室201に処理用ガスを導入する手段である。
被処理基体支持手段203は、ガス導入手段205の下方に設けられ、被処理基体202を載置する手段である。
温度調整手段204は、被処理基体支持手段203上に載置された被処理基体202の温度を調整する手段である。
第1のガス排気手段206aは、ガス導入手段205から導入された処理用ガスがラジカル発生領域211を通過した後に処理室201の上部から排気されるように設けられる。
第2のガス排気手段206bは、ガス導入手段205から導入された処理用ガスが被処理基体支持体203を通過した後に処理室201の下部から排気されるように設けられる。
第1のコンダクタンス制御手段209aは、ラジカル発生領域211とガス導入手段205との間に少なくとも1つ以上設けられ、通過する処理用ガスを加熱することによりラジカルの運動エネルギーを制御する機能も合わせ持つ。
第2のコンダクタンス制御手段209bは、被処理基体支持手段203とガス導入手段205との間に少なくとも1つ以上設けられ、通過する処理用ガスを加熱することによりラジカルの運動エネルギーを制御する機能も合わせ持つ。
第1のコンダクタンス制御手段209a及び第2のコンダクタンス制御手段209bは平板形状であり、φ1〜φ3孔が20mmピッチで形成され、導入された処理用ガスの流れ及びラジカル拡散を制御する。
但し、本実施例2においては所望のコンダクタンスが得られるものであれば任意の孔形状、配置のものを適宜選択することができる。
また、第1のコンダクタンス制御手段209a及び第2のコンダクタンス制御手段209bは同一であっても異なっても良く、然るに孔径や配置が同一であっても異なっても良い。
スロット付無終端環状導波管208は、TE10モードで、内壁断面の寸法が27mm×96mm(管内波長158.8mm)、導波管の中心径が151.6mm(一周長は管内波長の3倍)のものを用いた。
スロット付無終端環状導波管208の材質は、マイクロ波の伝搬損失を抑えるため、すべてAl合金を用いている。
スロット付無終端環状導波管208のH面には、マイクロ波をラジカル処理室201へ導入するためのスロットが形成されている。
スロットは、長さ40mm,幅4mmの矩形で、中心直径が151.6mmの位置に、放射状に60°間隔で6本形成されている。
スロット付無終端環状導波管208には、4Eチューナ、方向性結合器、アイソレータ、マイクロ波電源(不図示)が順に接続されている。
マイクロ波発生源は、例えば、マグネトロンからなり、例えば、2.45GHzのマイクロ波を発生する。
但し、本実施例2においては、0.8GHz乃至20GHzの範囲からマイクロ波周波数を適宜選択することができる。
なお、図2に示される本実施例2においては、被処理基体202を図示しないロードロック室との間で受け渡すためのゲートバルブ等は省略されている。
被処理基体202は、支持体203に載置される。被処理基体支持体203は、処理室201に収容され、被処理基体202を支持する。
温度調整手段204は、ヒータなどから構成され、例えば、200℃以上400℃以下の処理に適した温度に制御される。
温度調整手段204は、被処理基体支持体203の温度を測定する温度計と、温度計が測定した温度が所定の温度になるように、例えば、温調部としてのヒータ線への図示しない電源からの通電を制御する制御部とを有する。
ガス導入手段205は、ラジカル発生領域211と被処理基体支持体203との間に設けられ、プラズマ処理用のガスを処理室201に供給する。
ガス導入手段205は、ガス供給手段の一部であり、ガス供給手段は、ガス供給源と、バルブと、マスフローコントローラと、これらを接続するガス導入管等から成る。
ガス導入手段205は、マイクロ波により励起されて所定のプラズマを得るための処理用ガスや放電ガスを供給する。プラズマの迅速な着火のために少なくとも着火時にXeやAr、Heなどの希ガスを添加してもよい。希ガスは反応性がないので被処理基体202に悪影響せず、また、電離しやすいのでマイクロ波投入時のプラズマ着火速度を上昇することができる。
さらに、ガス導入手段205を、例えば、処理用ガスを導入する導入部と不活性ガスを導入する導入部に分けて、これらの導入部を別々の位置に配置してもよい。
ラジカルフラックスを制御する第1のコンダクタンス制御手段209aはガス導入手段205とラジカル発生領域211との間に設けられる。第1のコンダクタンス制御手段209aは、ラジカル発生領域211から拡散するラジカルフラックスを制御するとともにガスの整流作用をもつ。
また、第2のコンダクタンス制御手段209bはガス導入手段205と被処理基体202が載置された被処理基体支持体203との間に設けられる。
第2のコンダクタンス制御手段209bは、コンダクタンス制御手段209a同様にラジカル発生領域211から拡散するラジカルフラックスを制御するとともにガスの整流作用をもつ。
第1のガス排気手段206aはラジカル発生領域211周辺に設けられ、第2のガス排気手段206bは被処理基体202処理領域周辺にそれぞれ設けられる。第1のガス排気手段206a、第2のガス排気手段206bは、図示しない圧力計、制御部、圧力調節機構、真空ポンプから構成される。
図示しない制御部は、真空ポンプを運転しながら、処理室201の圧力を検出する圧力計が所定の値になるように調節する。
この調節は、処理室201の圧力を弁の開き具合で調整する圧力調整弁(例えば、VAT社製の圧力調整機能付きゲートバルブやMKS社製排気スロットバルブ)を制御することによって行う。
この結果、圧力調節機構を介して、処理室201の内部圧力を処理に適した圧力に制御する。
各排気手段の排気量は独立に制御可能であり、それぞれの排気手段から排気を行うガス排気量の比を変えることにより、ガス導入手段205から導入されたガスの流れの向きを制御することができる。
例えば第1のガス排気手段206aからのガス排気流量が、第2のガス排気手段206bからのガス排気流量よりも大きい場合、ガス導入手段205からラジカル生成領域211を流れ、排気されるような強いガスの流れを発生する。
第1のガス排気手段206a、第2のガス排気手段206bを介して処理室201内を真空排気する。
続いて処理用ガスを、ガス導入手段205を介して所定の流量で処理室201内に導入する。
次に第1のガス排気手段206a、第2のガス排気手段206bに設けられたコンダクタンスバルブ(不図示)を調整し、処理室201内を所定の圧力に保持するとともに処理室201内に発生するガスの流れを制御する。
マイクロ波電源(不図示)より所望の電力を、スロット付無終端環状導波管208を介しマイクロ波透過手段207を透過して処理室201内に供給する。
ガス導入手段205から導入された処理用ガスは、発生したプラズマにより励起・イオン化・反応して活性なラジカルがラジカル発生領域211に生成される。
発生したラジカルは拡散により輸送され、被処理基体支持体203上に載置された被処理基体202の表面に到達したものだけがラジカル処理に寄与する。
この際、ラジカルが拡散しやすい方向は第1のガス排気手段206a、第2のガス排気手段206bから排気されるガスの排気量の比によって形成されるガスの流れに強く依存する。
さらに導入するガスの流量や、処理室内201内の圧力を種々の条件に変えることにより、被処理基体202表面へ到達するラジカルのフラックスを任意に制御することができる。
例えば、第1のガス排気手段206aからのガスの排気量を完全に停止した場合、ガス導入手段205から導入された処理用ガスは、被処理基体202の処理領域を流れ第2のガス排気手段206bから排気されるガスの流れが形成される。
ラジカル生成領域211で生成されたラジカルは、このガスの流れに従い基体周辺方向に輸送されため、大量のラジカルフラックスを被処理基体202の処理領域に供給することができる。
また例えば、第2のガス排気手段206bからのガスの排気量を完全に停止した場合、ガス導入手段205から導入された処理用ガスは、ラジカル生成領域211を流れ第1のガス排気手段206aから排気されるガスの流れが形成される。
ラジカル生成領域211で生成されたラジカルは、このガスの流れに従い大部分が被処理基体202に到達することなく排気される。さらに、被処理基体202の処理領域へはガスの流れを逆流し拡散してきた極低フラックスのラジカルを供給することができる。
以上のように2つの第1のガス排気手段206a、第2のガス排気手段206bから排気するガスの排気量を制御する。これより従来装置では成し得なかった極低フラックスから大フラックスまでの広範囲にわたるラジカルフラックスを被処理基体に供給、処理することが可能となる。
スロット付無終端環状導波管208は、誘電体窓207を介してマイクロ波を処理室201に導入する手段である。
スロット付無終端環状導波管208は、TE10モードで、内壁断面の寸法が27mm×96mm(管内波長158.8mm)、導波管の中心径が151.6mm(一周長は管内波長の3倍)のものを用いた。
スロット付無終端環状導波管208の材質は、マイクロ波の伝搬損失を抑えるため、すべてアルミニウム合金を用いている。
スロット付無終端環状導波管208のH面には、マイクロ波を処理室201へ導入するためのスロットが形成されている。
スロットは、長さ40mm,幅4mmの矩形で、中心直径が151.6mmの位置に、放射状に60°間隔で6本形成されている。
スロット付無終端環状導波管208には、4Eチューナ、方向性結合器、アイソレーター、2.45GHzの周波数を持つマイクロ波電源(不図示)が順に接続されている。
第1のコンダクタンス制御手段209a,第2のコンダクタンス制御手段209bは5mm厚の石英製の平板であり、15mmピッチでφ1の孔があけられている。
被処理基体202としては8インチP型単結晶シリコン基板(面方位100、抵抗率10Ωcm)を使用した。
まず、被処理基体202であるシリコン基板を処理室201へ搬送し、被処理基体支持台203上に設置した。
このとき被処理基体202であるシリコン基板をヒータである温度調整手段204により300℃に加熱及び保持した。
第1のガス排気手段206a、第2のガス排気手段206bを介して処理室201内を真空排気し、10−7Torrの値まで減圧させた。
次に、処理室201内にO2ガスを2000sccmの流量で導入した。続いて第2のガス排気手段206bに設けられたコンダクタンスバルブをフルクローズした。
さらに第1のガス排気手段206aに設けられたコンダクタンスバルブの開度を調整し、処理室201内の圧力を400Paに保持した。
その後、2.45GHz、3kWのマイクロ波電力をスロット付無終端環状導波管208及び誘電体窓207を介して処理室201内に投入し、プラズマを発生させた。このとき発生した原子状酸素ラジカルの極一部は導入ガス流れに逆らってシリコン基板202の方向に輸送され、被処理基体202であるシリコン基板の表面を酸化する。
この状態でシリコン基板202に3分間暴露し、シリコン酸化膜の形成を行った。このとき形成されたシリコン酸化膜の膜厚をエリプソメーターで測定した結果1.6nmの膜厚であった。
処理後、均一性,耐圧、リーク電流密度について評価した。その結果、均一性は±1.7%、耐圧は12.3MV/cm、リーク電流密度は9.5x10−4A/cm2@1Vと良好であった。
被処理基体202としては8インチP型単結晶シリコン基板(面方位100、抵抗率10Ωcm)を使用した。
まず、被処理基体202であるシリコン基板を処理室201へ搬送し、被処理基体支持台203上に設置した。
このとき被処理基体202であるシリコン基板をヒータである温度調整手段204により400℃に加熱及び保持した。
第1のガス排気手段206a、第2のガス排気手段206bを介してラジカル処理室201内を真空排気し、10−7Torrの値まで減圧させた。
次に、ガス導入部205を介して処理室201内にO2ガスを250sccm、Arフォーミングガスを250sccmの流量でそれぞれ導入した。
続いて第1のガス排気手段206aに設けられたコンダクタンスバルブをフルクローズした。
さらに第2のガス排気手段206bに設けられたコンダクタンスバルブの開度を調整し、処理室201内の圧力を13.3Paに保持した。
その後、2.45GHz、3kWのマイクロ波電力をマイクロ波供給手段であるスロット付無終端環状導波管208及び誘電体窓207を介して処理室201内に投入し、プラズマを発生させた。
このとき発生した原子状酸素ラジカルは導入ガス流れに従い被処理基体202であるシリコン基板の方向に輸送され、被処理基体202であるシリコン基板の表面を酸化する。
この状態で被処理基体202であるシリコン基板に5分間暴露し、シリコン酸化膜の形成を行った。
このとき形成されたシリコン酸化膜の膜厚をエリプソメーターで測定した結果10.5nmの膜厚であった。
処理後、均一性,耐圧、界面準位密度について評価した。その結果、均一性は±2.6%、耐圧は14.1MV/cm、界面準位密度は9.9x10−10cm−2eV−1と良好であった。
処理室301は、半導体等の被処理基体302の表面のラジカル処理を行う室である。
ラジカル生成手段である紫外光光源308は、電力を投入する事により紫外光を放射する。処理用ガスはこの紫外光により励起され、処理室301内の上部のラジカル発生領域311にラジカルを発生する。
ガス導入手段305は、ラジカル生成手段308の下方に設けられ、処理室301に処理用ガスを導入する手段である。
被処理基体支持手段303は、ガス導入手段305の下方に設けられ、被処理基体302を載置する手段である。
温度調整手段304は、被処理基体支持手段303上に載置された被処理基体302の温度を調整する手段である。
第1のガス排気手段306aは、ガス導入手段305から導入された処理用ガスがラジカル発生領域311を通過した後に処理室301の上部から排気されるように設けられる。
第2のガス排気手段306bは、ガス導入手段305から導入された処理用ガスが被処理基体支持体303を通過した後に処理室301の下部から排気されるように設けられる。
第1のコンダクタンス制御手段309aは、ラジカル発生領域311とガス導入手段305との間に少なくとも1つ以上設けられ、通過する処理用ガスを加熱することによりラジカルの運動エネルギーを制御する機能も合わせ持つ。
第2のコンダクタンス制御手段309bは、被処理基体支持手段303とガス導入手段305との間に少なくとも1つ以上設けられ、通過する処理用ガスを加熱することによりラジカルの運動エネルギーを制御する機能も合わせ持つ。
第1のコンダクタンス制御手段309a、第2のコンダクタンス制御手段309bはアルミ製の板形状であり、φ3〜5孔が15mmピッチで形成されている。
排気系(不図示)を介して処理室301内を真空排気する。
続いてガス導入手段305を介して所定の流量で処理室301内に処理用ガスを導入する。
次に排気系(不図示)に設けられたコンダクタンスバルブ(不図示)を調整し、ラジカル処理室301内を所定の圧力に保持する。所望の電力を紫外光光源308に投入し紫外光を放射させる。
ガス導入手段305から導入された処理用ガスは、紫外光光源308より放射された紫外光のエネルギーを吸収、励起し活性なラジカルが生成される。
発生したラジカルは拡散により輸送され、被処理基体支持体303上に載置された被処理基体302の表面に到達したものだけがラジカル処理に寄与する。
この際、ラジカルが拡散しやすい方向は第1のガス排気手段306a、第2のガス排気手段306bから排気されるガスの排気量の比によって形成されるガスの流れに強く依存する。
さらに導入するガスの流量や、ラジカル処理室内301内の圧力を種々の条件に変えることにより、被処理基体302表面へ到達するラジカルのフラックスを任意に制御することができる。
また本実施例3では第1のコンダクタンス制御手段309a、第2のコンダクタンス制御手段309bにアルミ板を用いている。
このため、紫外光光源308から放射された紫外光が第1のコンダクタンス制御手段309a、第2のコンダクタンス制御手段309bより遮蔽され被処理基体302が直接曝されることが無い。
このため被処理基体302の表面に形成されている膜が高いエネルギーをもつ紫外光によるダメージを受けることが無く、高品質な成膜や、表面処理が可能となる。
紫外光光源308としては酸素ガスを活性な原子状ラジカルに励起可能な低圧水銀ランプを用いた。
第1のコンダクタンス制御手段309a、第2のコンダクタンス制御手段309bは表面が石英製のカバーで覆われ平板である。
このため紫外光光源308から放射された紫外光は被処理基体302まで透過することなく、被処理基体302に対して悪影響を及ぼすことは無い。
また表面には15mmピッチでφ1の孔があけられている。
被処理基体302としては、φ8”P型単結晶シリコン基板(面方位〈100〉,抵抗率10Ωcm)を使用した。
まず、被処理基体302であるシリコン基板302を基体支持体303上に設置した。
第1のガス排気手段306a、第2のガス排気手段306bを介して処理室301内を真空排気し、10−7Torrの値まで減圧させた。
続いて温度調整手段304であるヒータ304に通電し、被処理基体302であるシリコン基板302を400℃に加熱し、被処理基体302であるシリコン基板302をこの温度に保持した。
ラジカル処理用ガスのガス導入手段305を介して酸素ガスを1000sccmの流量で、ラジカル処理室301に導入した。
続いて第2のガス排気手段306bに設けられたコンダクタンスバルブをフルクローズした。
さらに第1のガス排気手段306aに設けられたコンダクタンスバルブの開度を調整し、処理室301内の圧力を400Paに保持した。
ついで、低圧水銀ランプ308に300Wの電力を供給し紫外光を発光させた。水銀ランプ308から放射された紫外光のうち254nmの光は酸素ガスを活性な一重項酸素原子へと解離することができる。
かくして、原子状酸素ラジカルを処理室301内に発生させた。その極一部は導入ガス流れに逆らって被処理基体302であるシリコン基板302の方向に輸送され、シリコン基板302表面が0.8nm程度酸化された。
処理後、均一性,耐圧について評価した。その結果、均一性は±1.3%、耐圧は10.9MV/cmと良好であった。
処理室401は、半導体ウェハ等の被処理基体402の表面のラジカル処理を行う室である。
ラジカル生成手段であるスロット付無終端環状導波管408はマイクロ波透過手段407を透してマイクロ波を処理室401に導入する手段である。
ラジカル生成手段であるスロット付無終端環状導波管408は、処理室401内の上部のラジカル発生領域411にラジカルを生成する手段である。
ガス導入手段405aは、ラジカル生成手段であるスロット付無終端環状導波管408の下方に設けられ、処理室401に処理用ガスを導入する手段である。
被処理基体支持手段403は、ガス導入手段405aの下方に設けられ、被処理基体402を載置する手段である。
温度調整手段404は、被処理基体支持手段403上に載置された被処理基体402の温度を調整する手段である。
第1のガス排気手段406aは、ガス導入手段405aから導入された処理用ガスがラジカル発生領域411を通過した後に処理室401の上部から排気されるように設けられる。
第2のガス排気手段406bは、ガス導入手段405aから導入された処理用ガスが被処理基体支持体403を通過した後に処理室401の下部から排気されるように設けられる。
第1のコンダクタンス制御手段409aは、ラジカル発生領域411とガス導入手段405との間に少なくとも1つ以上設けられ、通過する処理用ガスを加熱することによりラジカルの運動エネルギーを制御する機能も合わせ持つ。
第2のコンダクタンス制御手段409bは、被処理基体支持手段403とガス導入手段405との間に少なくとも1つ以上設けられ、通過する処理用ガスを加熱することによりラジカルの運動エネルギーを制御する機能も合わせ持つ。
第1のコンダクタンス制御手段409a、第2のコンダクタンス制御手段409bは、石英等から成る。
ガス導入手段405aと被処理基体支持手段403との間で、第2のコンダクタンス制御手段409bの下方に不活性ガス導入手段405bが設けられる。
第1のガス排気手段406a、第2のガス排気手段406bを介して処理室401内を真空状態に排気する。
続いてガス導入手段405aを介して、処理用ガスを所定の流量で処理室401内に導入する。
また、不活性ガス導入手段405bを介して、不活性ガスを所定の流量で処理室401内に導入する。
次に、第1のガス排気手段406a、第2のガス排気手段406bに設けられたコンダクタンスバルブ(不図示)を調整し、処理室401内を所定の圧力に保持する。これと同時に処理室401内に発生するガスの流れを制御する。
次に、マイクロ波電源(不図示)より所望の電力を、スロット付無終端環状導波管408を介しマイクロ波透過手段407を透過して処理室401内に供給する。
ガス導入手段405aから導入された処理用ガスは、発生したプラズマにより励起・イオン化・反応して活性なラジカルがラジカル発生領域411にて生成される。
発生したラジカルは拡散により輸送され、被処理基体支持体403上に載置された被処理基体402の表面に到達したものだけがラジカル処理に寄与する。
この際、ラジカルが拡散しやすい方向は第1のガス排気手段406a、第2のガス排気手段406bから排気されるガスの排気量の比によって形成されるガスの流れに強く依存する。
さらに導入するガスの流量や、処理室内401内の圧力を種々の条件に変えることにより、被処理基体402表面へ到達するラジカルのフラックスを任意に制御することができる。
また、不活性ガスを被基体処理402の領域側に設けられた不活性ガス導入手段405bにより導入する。この導入により希釈、パージ効果が得られるため、一層低フラックスのラジカルを被処理基体402に供給することが可能となる。
被処理基体402としては8インチP型単結晶シリコン基板(面方位100、抵抗率10Ωcm)を使用した。
まず、被処理基体402であるシリコン基板402を処理室401へ搬送し、被処理基体支持体403上に設置した。このとき被処理基体402であるシリコン基板402を温度調整手段404であるヒータ404により300℃に加熱及び保持した。
プラズマ装置室401内にガス導入部405aよりN2ガスを100sccm、不活性ガス導入部405bよりHeガスを1000sccmの流量でそれぞれ導入した。
続いて第1のガス排気手段406a、第2のガス排気手段406bから排気されるガスの排気量がほぼ等しくなるようにコンダクタンスバルブの開度を調整し、ラジカル処理室301内の圧力を400Paに保持した。
その後、2.45GHz、3kWのマイクロ波電力をスロット付無終端環状導波管であるマイクロ波供給手段408及びマイクロ波透過手段である誘電体窓407を介して処理室401内に投入し、プラズマを発生させた。
このとき発生した窒素ラジカルを被処理基体402であるシリコン基板402に5分間暴露し、2.0nmのシリコン窒化膜の形成を行った。
処理後、均一性,耐圧、リーク電流密度について評価した。その結果、均一性は±2.0%、耐圧は15.8MV/cm、リーク電流密度は6.8x10−6A/cm2@1Vと良好であった。
処理室501は、半導体等の被処理基体502の表面のラジカル処理を行う室である。
ラジカル生成手段であるスロット付無終端環状導波管508はマイクロ波透過手段507を透してマイクロ波を処理室501に導入するための手段である。
このラジカル生成手段であるスロット付無終端環状導波管508は、処理室501内の上部のラジカル生成領域511にラジカルを生成する手段である。
ガス導入手段505は、ラジカル生成手段508の下方に設けられ、処理室501に処理用ガスを導入する手段である。
被処理基体支持手段503は、ガス導入手段505の下方に設けられ、被処理基体502を載置する手段である。
温度調整手段504は、被処理基体支持手段503上に載置された被処理基体502の温度を調整する手段である。
第1のガス排気手段506aは、ガス導入手段505から導入された処理用ガスがラジカル発生領域511を通過した後に処理室501の上部から排気されるように設けられる。
第2のガス排気手段506bは、ガス導入手段505から導入された処理用ガスが被処理基体支持体503を通過した後に処理室501の下部から排気されるように設けられる。
第1のコンダクタンス制御手段509aは、ラジカル発生領域511とガス導入手段505との間に少なくとも1つ以上設けられ、通過する処理用ガスを加熱することによりラジカルの運動エネルギーを制御する機能も合わせ持つ。
第2のコンダクタンス制御手段509bは、被処理基体支持体503とガス導入手段505との間に少なくとも1つ以上設けられ、通過する処理用ガスを加熱することによりラジカルの運動エネルギーを制御する機能も合わせ持つ。
第1のコンダクタンス制御手段509a、第2のコンダクタンス制御手段509bは、図5bに示すように加熱手段510を外側部材512で覆った平板で、貫通孔513が形成されている。加熱手段は温度検知手段及び制御手段(共に不図示)により所望の温度に調節可能である。
第1のガス排気手段506a、第2のガス排気手段506bを介してラジカル処理室501内を真空状態に排気する。
続いてガス導入手段505を介して所定の流量で処理用ガスをラジカル処理室501内に導入する。
次に第1のガス排気手段506a、第2のガス排気手段506bに設けられたコンダクタンスバルブ(不図示)を調整し、処理室501内を所定の圧力に保持するとともに処理室501内に発生するガスの流れを制御する。
マイクロ波電源(不図示)より所望の電力を、スロット付無終端環状導波管508を介しマイクロ波透過手段507を透過して処理室501内に供給する。
ガス導入手段505から導入された処理用ガスは、発生したプラズマにより励起・イオン化・反応して活性なラジカルがラジカル発生領域511にて生成される。
発生したラジカルは拡散により輸送され、被処理基体支持体503上に載置された被処理基体502の表面に到達したものだけがラジカル処理に寄与する。
この際、ラジカルが拡散しやすい方向は第1のガス排気手段506a、第2のガス排気手段506bから排気されるガスの排気量の比によって形成されるガスの流れに強く依存する。
このため、導入するガスの流量や、処理室501内の圧力を種々の条件に変えることにより、被処理基体502表面へ到達するラジカルのフラックスを任意に制御することができる。
また第1のコンダクタンス制御手段509a、第2のコンダクタンス制御手段509bに内蔵された加熱手段により拡散輸送中のラジカル加熱することで、原子状ラジカル同士の再結合による失活速度を制御することができる。これにより、被処理基体502に供給するラジカルフラックスを制御することが可能となる。
第1のコンダクタンス制御手段509a、第2のコンダクタンス制御手段509bは図5bに示すように内部に加熱用のヒータを内蔵しており、200〜400℃に加熱保持される。
被処理基体502としては8インチP型単結晶シリコン基板(面方位100、抵抗率10Ωcm)を使用した。
まず、被処理基体502であるシリコン基板502を処理室501へ搬送し、被処理基体支持体503上に設置した。
このとき被処理基体502であるシリコン基板502を温度調整手段504であるヒータ504により300℃に加熱及び保持した。
第1のガス排気手段506a、第2のガス排気手段506bを介して処理室501内を真空排気し、10−7Torrの値まで減圧させた。
次にプラズマ装置室501内にガス導入部505よりO2ガスを2000sccm導入した。
続いて第2のガス排気手段506bに設けられたコンダクタンスバルブをフルクローズした。さらに第1のガス排気手段506aに設けられたコンダクタンスバルブの開度を調整し、処理室501内の圧力を400Paに保持した。
その後、2.45GHz、3kWのマイクロ波電力をラジカル生成手段であるスロット付無終端環状導波管508であるマイクロ波供給手段508及び誘電体窓507を介して処理室501内に投入し、プラズマを発生させた。
プラズマ中の酸素ラジカルは拡散により被処理基体502のある領域へと輸送され、その途中に設けられた第1のコンダクタンス制御手段509a、第2のコンダクタンス制御手段509bを通過する際に加熱される。
加熱温度によって原子状の酸素ラジカル同士が再結合し失活する反応速度が変化しラジカルフラックスが制御される。
このようにしてフラックス制御したラジカルを被処理基体502であるシリコン基板502に3分間暴露し、シリコン酸化膜の形成を行った。
次に、処理室501内を第1のガス排気手段506a、第2のガス排気手段506bを介して10−3Paまで十分に真空引きを行った後に、N2ガスを1000sccmの流量でそれぞれ導入した。
第1のガス排気手段506aに設けられたコンダクタンスバルブをフルクローズし、さらに第2のガス排気手段506bに設けられたコンダクタンスバルブの開度を調整し、処理室501内の圧力を133Paに保持した。
その後、2.45GHz、3kWのマイクロ波電力をラジカル生成手段であるスロット付無終端環状導波管508であるマイクロ波供給手段508及び誘電体窓507を介して処理室501内に投入しプラズマを発生させた。
このとき発生した窒素ラジカルを被処理基体502であるシリコン基板502上に形成されたシリコン酸化膜に1分間暴露し窒化処理を行った。
処理後、均一性,耐圧、リーク電流密度について評価した。その結果、EOT1.5nm、均一性は±2.3%、リーク電流密度は5.2x10−5A/cm2@1Vと良好であった。
102、202、302、402、502、602 被処理基体
103、203、303、403、503、603 被処理基体支持体
104、204、304、404、504、604 加熱機構
105、205、305、405a、505、605 ガス導入手段
106a、206a、306a、406a、506a 第1のガス排気手段
106b、206b、306b、406b、506b 第2のガス排気手段
207、407、507 誘電体
108、208、308、408、508、608 ラジカル生成手段
109a、209a、309a、409a、509a 第1のコンダクタンス制御手段
109b、209b、309b、409b、509b 第2のコンダクタンス制御手段
Claims (10)
- 被処理基体を収容する処理室と、
前記処理室内で前記被処理基体を支持する支持手段と、
前記処理室内にラジカルを生成するラジカル生成手段とを有する処理装置において、
前記被処理基体と前記ラジカル発生領域との間に処理用ガスを導入するガス導入手段と、
前記ガス導入手段よりも前記ラジカル発生領域の側に設けられる第1のガス排気手段と、
前記ガス導入手段よりも前記支持手段の側に設けられる第2のガス排気手段と、
を有することを特徴とする処理装置。 - 前記第1のガス排気手段と第2のガス排気手段は、それぞれコンダクタンスバルブを備えることを特徴とする請求項1記載の処理装置。
- 前記第2のガス排気手段は、前記支持手段よりも前記ガス導入手段から離れた位置に設けられることを特徴とする請求項1または2に記載の処理装置。
- 前記ラジカル発生領域と前記ガス導入手段との間に第1のコンダクタンス制御手段を備えることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の処理装置。
- 前記支持手段と前記ガス導入手段との間に第2のコンダクタンス制御手段を備えることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の処理装置。
- 前記ラジカル発生領域と前記支持手段との間に前記ラジカルの運動エネルギーを制御する手段を備えることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の処理装置。
- 前記ラジカルの運動エネルギーを制御する手段は、前記ラジカル発生領域と前記支持手段との間における前記処理室の壁面の少なくとも一部を加熱又は冷却する温調手段であることを特徴とする請求項6記載の処理装置。
- 前記ガス導入手段と前記支持手段との間に不活性ガス導入手段を備えることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の処理装置。
- 前記ラジカル生成手段は紫外光励起することを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の処理装置。
- 前記ラジカル生成手段はプラズマ励起することを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の処理装置。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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