JP2010170974A - Plasma source and plasma treatment device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマ処理を行う処理容器内に電磁波を導入して、前記処理容器内に供給されたガスをプラズマ化するプラズマ源、およびそのようなプラズマ源を用いたプラズマ処理装置に関する。 The present invention relates to a plasma source that introduces electromagnetic waves into a processing vessel for performing plasma processing, and converts the gas supplied into the processing vessel into plasma, and a plasma processing apparatus using such a plasma source.
プラズマ処理は、半導体デバイスの製造に不可欠な技術であるが、近時、LSIの高集積化、高速化の要請からLSIを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化され、また、半導体ウエハが大型化されており、それにともなって、プラズマ処理装置においてもこのような微細化および大型化に対応するものが求められている。 Plasma processing is an indispensable technology for the manufacture of semiconductor devices. Recently, the design rules of semiconductor elements constituting LSIs have been increasingly miniaturized due to the demand for higher integration and higher speed of LSIs, and semiconductor wafers Along with this, there is a demand for plasma processing apparatuses that can cope with such miniaturization and enlargement.
ところが、従来から多用されてきた平行平板型や誘導結合型のプラズマ処理装置では、電子温度が高いため微細素子にプラズマダメージを生じてしまい、また、プラズマ密度の高い領域が限定されるため、大型の半導体ウエハを均一かつ高速にプラズマ処理することは困難である。 However, in parallel plate type and inductively coupled plasma processing apparatuses that have been widely used in the past, the electron temperature is high, resulting in plasma damage to the microelements, and because the region where the plasma density is high is limited, it is large. It is difficult to uniformly and rapidly plasma-treat the semiconductor wafer.
そこで、高密度で低電子温度のプラズマを均一に形成することができるRLSA(Radial Line
Slot Antenna)マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている(例えば特許文献1)。
Therefore, RLSA (Radial Line) that can form a high density and low electron temperature plasma uniformly.
(Slot Antenna) A microwave plasma processing apparatus has attracted attention (for example, Patent Document 1).
RLSAマイクロ波プラズマ処理装置は、チャンバの上部に所定のパターンで多数のスロットが形成された平面アンテナ(Radial Line Slot Antenna)を設け、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、平面アンテナのスロットから放射させるとともに、その下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過板を介して真空に保持されたチャンバ内に放射し、このマイクロ波電界によりチャンバ内に導入されたガスをプラズマ化し、このように形成されたプラズマにより半導体ウエハ等の被処理体を処理するものである。 The RLSA microwave plasma processing apparatus is provided with a planar antenna (Radial Line Slot Antenna) in which a number of slots are formed in a predetermined pattern at the upper part of the chamber, and the microwave guided from the microwave generation source is transmitted to the slot of the planar antenna. And radiates into a chamber held in a vacuum through a microwave transmission plate made of a dielectric material provided below, and this microwave electric field converts the gas introduced into the chamber into plasma, An object to be processed such as a semiconductor wafer is processed by the plasma thus formed.
このようなRLSAマイクロ波プラズマ装置において、プラズマ分布を調整する場合、スロット形状およびパターン等が異なる複数のアンテナを用意しておき、アンテナを交換する必要があり、極めて煩雑である。 In such an RLSA microwave plasma apparatus, when adjusting the plasma distribution, it is necessary to prepare a plurality of antennas having different slot shapes, patterns, etc., and to exchange the antennas, which is extremely complicated.
これに対し、特許文献2には、マイクロ波を複数に分配し、複数のアンテナモジュールを介してマイクロ波をチャンバ内に放射し、チャンバ内空間でマイクロ波を合成するマイクロ波プラズマ源が開示されている。
On the other hand,
このように複数のアンテナモジュールを用いてマイクロ波を空間合成することにより、各アンテナモジュールのアンテナから放射されるマイクロ波の位相や強度を調整してプラズマ分布を調整することができる。 Thus, by spatially synthesizing microwaves using a plurality of antenna modules, the plasma distribution can be adjusted by adjusting the phase and intensity of the microwaves radiated from the antennas of the respective antenna modules.
しかしながら、特許文献2に開示された技術においては、チャンバ内のプラズマ密度が高い場合等に、各アンテナモジュールのアンテナから放射されたマイクロ波(電磁波)がプラズマを透過できずにアンテナ直下のプラズマに貼り付いた状態となり、各アンテナから放射されたマイクロ波を十分に合成することができず、十分にプラズマ分布の調整を行うことができないおそれがある。
However, in the technique disclosed in
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、プラズマ分布の調整を容易に行うことができるプラズマ源およびプラズマ処理装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a plasma source and a plasma processing apparatus capable of easily adjusting a plasma distribution.
上記課題を解決するため、本発明の第1の観点では、プラズマ処理を行う処理容器内に電磁波を導入して、前記処理容器内に供給されたガスをプラズマ化するプラズマ源であって、電磁波を生成する電磁波生成機構と、生成された電磁波を前記処理容器内に導入する複数のアンテナモジュールと、前記処理容器に隣接して設けられ、前記複数のアンテナモジュールから放射された電磁波を合成する電磁波合成部とを具備し、前記電磁波合成部は、前記複数のアンテナモジュールから放射された電磁波を空間合成する合成空間と、前記合成空間と前記チャンバとの間に設けられた誘電体部材とを有し、前記合成空間で合成された電磁波が前記誘電体部材を介して前記処理容器内に導入されることを特徴とするプラズマ源を提供する。 In order to solve the above-mentioned problems, according to a first aspect of the present invention, there is provided a plasma source for introducing an electromagnetic wave into a processing vessel for performing a plasma treatment and converting the gas supplied into the processing vessel into a plasma. An electromagnetic wave generation mechanism for generating the electromagnetic wave, a plurality of antenna modules for introducing the generated electromagnetic wave into the processing container, and an electromagnetic wave provided adjacent to the processing container and combining the electromagnetic waves radiated from the plurality of antenna modules The electromagnetic wave synthesizer has a synthetic space for spatially synthesizing the electromagnetic waves radiated from the plurality of antenna modules, and a dielectric member provided between the synthetic space and the chamber. The plasma source is characterized in that the electromagnetic wave synthesized in the synthesis space is introduced into the processing container through the dielectric member.
上記第1の観点において、前記合成空間は、誘電率が1.0の自由空間であることが好ましい。この場合に、前記合成空間の高さは、電磁波の波長の1/12以上であることが好ましく、前記合成空間の圧力は、200Torr(26660Pa)以上または0.1mTorr(0.0133Pa)以下であることが好ましい。前記合成空間の圧力は、大気圧であることがより好ましい。 In the first aspect, the composite space is preferably a free space having a dielectric constant of 1.0. In this case, the height of the synthetic space is preferably 1/12 or more of the wavelength of the electromagnetic wave, and the pressure of the synthetic space is 200 Torr (26660 Pa) or more or 0.1 mTorr (0.0133 Pa) or less. It is preferable. The pressure in the synthesis space is more preferably atmospheric pressure.
本発明の第2の観点では、プラズマ処理を行う処理容器内に電磁波を導入して、前記処理容器内に供給されたガスをプラズマ化するプラズマ源であって、電磁波を生成する電磁波生成機構と、生成された電磁波を前記処理容器内に導入する複数のアンテナモジュールと、前記処理容器に隣接して設けられ、前記複数のアンテナモジュールから放射された電磁波を合成する電磁波合成部とを具備し、前記電磁波合成部は、前記複数のアンテナモジュールから放射された電磁波を合成する、誘電体からなる合成誘電体部材を有し、前記合成誘電体部材内で合成された電磁波を前記処理容器内に導入することを特徴とするプラズマ源を提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a plasma source for introducing an electromagnetic wave into a processing vessel for performing plasma processing and converting the gas supplied into the processing vessel into a plasma, and an electromagnetic wave generating mechanism for generating the electromagnetic wave; A plurality of antenna modules for introducing the generated electromagnetic waves into the processing container, and an electromagnetic wave synthesis unit that is provided adjacent to the processing container and synthesizes the electromagnetic waves radiated from the plurality of antenna modules, The electromagnetic wave synthesizing unit has a synthetic dielectric member made of a dielectric that synthesizes electromagnetic waves radiated from the plurality of antenna modules, and introduces the electromagnetic wave synthesized in the synthetic dielectric member into the processing container. A plasma source is provided.
上記第2の観点において、前記合成誘電体部材は、その中でのマイクロ波の実効波長をλgとした場合に、λg/12以上の厚さを有していることが好ましい。また、前記合成誘電体部材は、石英またはセラミックスからなることが好ましい。 In the second aspect, the synthetic dielectric member preferably has a thickness of λg / 12 or more, where λg is the effective wavelength of the microwaves therein. The synthetic dielectric member is preferably made of quartz or ceramics.
また、上記第1および第2の観点において、前記処理容器内でプラズマを着火するプラズマ着火手段をさらに具備することが好ましい。この場合に、前記プラズマ着火手段は、前記合成空間を介さずに前記誘電体部材を介して電磁波を前記処理容器に導く着火用アンテナモジュールを有するものとすることができる。前記着火用アンテナモジュールは、前記誘電体部材の中心部を介して前記処理容器内に電界を誘起させるものであることが好ましい。また、前記プラズマ着火手段は、前記処理容器内に設けられた直流着火源を有するものとすることもできる。 In the first and second aspects, it is preferable to further include plasma ignition means for igniting plasma in the processing container. In this case, the plasma ignition means may include an ignition antenna module that guides electromagnetic waves to the processing container via the dielectric member without passing through the synthetic space. The ignition antenna module preferably induces an electric field in the processing container through a central portion of the dielectric member. The plasma ignition means may include a direct current ignition source provided in the processing container.
さらに、上記第1および第2の観点において、前記電磁波合成部で合成された電磁波のパターンを調整してプラズマ分布を調整する電磁波パターン調整手段をさらに具備するものとすることができる。この場合に、前記電磁波パターン調整手段は、各アンテナモジュールに設けられ、各アンテナモジュールから放射される電磁波の位相を調整する位相器を有するものとすることができ、また、各アンテナモジュールに設けられ、各アンテナモジュールから放射される電磁波のパワーを調整するアンプを有するものとすることもできる。また、これらを併用してもよい。 Furthermore, in the first and second aspects, the electromagnetic wave pattern adjusting means for adjusting the plasma distribution by adjusting the pattern of the electromagnetic wave synthesized by the electromagnetic wave synthesizing unit may be further provided. In this case, the electromagnetic wave pattern adjusting means may be provided in each antenna module, and may include a phase shifter that adjusts the phase of the electromagnetic wave radiated from each antenna module, and is provided in each antenna module. Also, an amplifier for adjusting the power of the electromagnetic wave radiated from each antenna module can be provided. These may be used in combination.
さらにまた、上記第1および第2の観点において、前記各アンテナモジュールは、筒状をなす本体容器と、前記本体容器内に同軸的に設けられ、前記本体容器との間に電磁波伝送路を形成する筒状または棒状をなす内側導体と、前記電磁波伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナと、前記電磁波伝送路を伝送された電磁波を前記処理容器内に放射する電磁波放射アンテナを有するアンテナ部とを備えた電磁波導入機構を備えるものとすることができる。 Furthermore, in each of the first and second aspects, each of the antenna modules is provided in a cylindrical main body container and coaxially within the main body container, and an electromagnetic wave transmission path is formed between the main body container and the antenna module. A cylindrical or rod-shaped inner conductor, a tuner for adjusting impedance in the electromagnetic wave transmission path, and an antenna unit having an electromagnetic wave radiation antenna for radiating the electromagnetic wave transmitted through the electromagnetic wave transmission path into the processing container. Further, an electromagnetic wave introduction mechanism can be provided.
本発明の第3の観点では、被処理基板を収容する処理容器と、前記処理容器内で被処理基板が載置される載置台と、前記処理容器内にガスを供給するガス供給機構と、上記第1の観点のプラズマ源とを具備し、 前記処理容器内の被処理基板に対してプラズマにより処理を施すことを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。 In a third aspect of the present invention, a processing container that accommodates a substrate to be processed, a mounting table on which the substrate to be processed is placed in the processing container, a gas supply mechanism that supplies gas into the processing container, There is provided a plasma processing apparatus comprising: the plasma source according to the first aspect, wherein a processing target substrate in the processing container is processed by plasma.
上記第3の観点において、前記載置台に、イオン引き込みのためのバイアス用高周波電力を印加する高周波バイアス印加機構をさらに具備することができる。 In the third aspect, the mounting table may further include a high-frequency bias application mechanism that applies high-frequency bias power for ion attraction.
本発明によれば、前記複数のアンテナモジュールから放射された電磁波を合成する電磁波合成部として、処理容器とは別個に設けられた合成空間を有するものを用い、この合成空間で複数のアンテナモジュールから放射された電磁波を空間合成し、その合成した電磁波が誘電体部材を介してプラズマを形成する処理容器内に導入するようにするか、または電磁波合成部として、誘電体からなる合成誘電体部材を有するものを用い、この合成誘電体部材で複数のアンテナモジュールから放射された電磁波を合成し、その合成した電磁波を処理容器内に導入するようにしたので、各アンテナモジュールから放射した電磁波が処理容器内のプラズマに妨げられることがない。したがって、予め、各アンテナモジュールから放射される電磁波の位相および電力パワーの一方または両方を調整することにより、合成電磁波パターンを調整することができ、この合成電磁波パターンが誘電体部材を介して処理容器内のプラズマに転写されるので、プラズマ分布を調整することが可能となる。 According to the present invention, an electromagnetic wave synthesizing unit that synthesizes electromagnetic waves radiated from the plurality of antenna modules is used that has a synthetic space provided separately from the processing container. The synthesized electromagnetic wave is synthesized by spatially synthesizing the radiated electromagnetic wave, and the synthesized electromagnetic wave is introduced into a processing container that forms plasma through the dielectric member, or a synthetic dielectric member made of a dielectric is used as the electromagnetic wave synthesizer. The composite dielectric member is used to synthesize electromagnetic waves radiated from a plurality of antenna modules, and the synthesized electromagnetic waves are introduced into the processing container. It is not disturbed by the plasma inside. Therefore, the synthetic electromagnetic wave pattern can be adjusted in advance by adjusting one or both of the phase and electric power of the electromagnetic wave radiated from each antenna module, and this synthetic electromagnetic wave pattern can be adjusted via the dielectric member. Since it is transferred to the inner plasma, the plasma distribution can be adjusted.
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。ここでは、電磁波としてマイクロ波を用いたプラズマ源およびプラズマ処理装置について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Here, a plasma source and a plasma processing apparatus using microwaves as electromagnetic waves will be described.
<第1の実施形態>
(第1の実施形態に係るプラズマ源を搭載したプラズマ処理装置の構成)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るプラズマ源が搭載されたプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図、図2は図1のプラズマ源の構成を示す構成図、図3は図1のプラズマ源におけるアンテナユニットを模式的に示す平面図、図4は図1のプラズマ源におけるアンテナモジュールに用いられるメインアンプの回路構成の例を示す図、図5は図1のマイクロ波プラズマ源におけるアンテナモジュールに用いられるマイクロ波導入機構を示す断面図である。
<First Embodiment>
(Configuration of plasma processing apparatus equipped with the plasma source according to the first embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a plasma processing apparatus equipped with a plasma source according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the plasma source of FIG. 1, and FIG. 4 is a plan view schematically showing an antenna unit in one plasma source, FIG. 4 is a diagram showing an example of a circuit configuration of a main amplifier used in the antenna module in the plasma source in FIG. 1, and FIG. 5 is a microwave plasma source in FIG. It is sectional drawing which shows the microwave introduction mechanism used for the antenna module in FIG.
プラズマ処理装置100は、ウエハに対してプラズマ処理として例えばエッチング処理を施すプラズマエッチング装置として構成されており、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の接地されたチャンバ1と、チャンバ1内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源2とを有している。チャンバ1の上部には開口部1aが形成されており、マイクロ波プラズマ源2はこの開口部1aからチャンバ1の内部に臨むように設けられている。
The
チャンバ1内には被処理体であるウエハWを水平に支持するためのサセプタ11が、チャンバ1の底部中央に絶縁部材12a介して立設された筒状の支持部材12により支持された状態で設けられている。サセプタ11および支持部材12を構成する材料としては、表面をアルマイト処理(陽極酸化処理)したアルミニウム等が例示される。
In the chamber 1, a
また、図示はしていないが、サセプタ11には、ウエハWを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウエハWの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、およびウエハWを搬送するために昇降する昇降ピン等が設けられている。さらに、サセプタ11には、整合器13を介して高周波バイアス電源14が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源14からサセプタ11に高周波電力が供給されることにより、ウエハW側にイオンが引き込まれる。
Although not shown, the
チャンバ1の底部には排気管15が接続されており、この排気管15には真空ポンプを含む排気装置16が接続されている。そしてこの排気装置16を作動させることによりチャンバ1内が排気され、チャンバ1内が所定の真空度まで高速に減圧することが可能となっている。また、チャンバ1の側壁には、ウエハWの搬入出を行うための搬入出口17と、この搬入出口17を開閉するゲートバルブ18とが設けられている。
An
チャンバ1内のサセプタ11の上方位置には、プラズマエッチングのための処理ガスをウエハWに向けて吐出するシャワープレート20が水平に設けられている。このシャワープレート20は、格子状に形成されたガス流路21と、このガス流路21に形成された多数のガス吐出孔22とを有しており、格子状のガス流路21の間は空間部23となっている。このシャワープレート20のガス流路21にはチャンバ1の外側に延びる配管24が接続されており、この配管24には処理ガス供給源25が接続されている。
A
一方、チャンバ1のシャワープレート20の上方位置には、リング状のプラズマガス導入部材26がチャンバ壁に沿って設けられており、このプラズマガス導入部材26には内周に多数のガス吐出孔が設けられている。このプラズマガス導入部材26には、プラズマガスを供給するプラズマガス供給源27が配管28を介して接続されている。プラズマガスとしてはArガス等の希ガスが好適に用いられる。
On the other hand, a ring-shaped plasma
プラズマガス導入部材26からチャンバ1内に導入されたプラズマガスは、マイクロ波プラズマ源2からチャンバ1内に導入されたマイクロ波によりプラズマ化され、このArプラズマがシャワープレート20の空間部23を通過しシャワープレート20のガス吐出孔22から吐出された処理ガスを励起し、処理ガスのプラズマを形成する。
The plasma gas introduced into the chamber 1 from the plasma
マイクロ波プラズマ源2は、チャンバ1の上部に設けられた支持リング29により支持されており、これらの間は気密にシールされている。図2に示すように、マイクロ波プラズマ源2は、複数経路に分配してマイクロ波を出力するマイクロ波出力部30と、マイクロ波出力部30から出力されたマイクロ波を放射するための複数のアンテナモジュール41を有するアンテナユニット40と、各アンテナモジュール41から放射されたマイクロ波を合成するマイクロ波合成部70とを有している。
The
マイクロ波出力部30は、電源部31と、マイクロ波発振器32と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ33と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器34とを有している。
The
マイクロ波発振器32は、所定周波数(例えば、2.45GHz)のマイクロ波を例えばPLL発振させる。分配器34では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ33で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、2.45GHzの他に、8.35GHz、5.8GHz、1.98GHz等を用いることができる。
The
アンテナユニット40は、分配器34で分配されたマイクロ波を導く複数のアンテナモジュール41を有している。各アンテナモジュール41は、分配されたマイクロ波を主に増幅するアンプ部42と、マイクロ波導入機構43とを有している。また、マイクロ波導入機構43は、インピーダンスを整合させるためのチューナ44と、増幅されたマイクロ波をチャンバ1内に放射するアンテナ部45とを有している。そして、各アンテナモジュール41におけるマイクロ波導入機構43のアンテナ部45からマイクロ波が放射されるようになっている。図3に示すように、アンテナユニット40は、アンテナモジュール41を8個有しており、各アンテナモジュール41のマイクロ波導入機構43が、マイクロ波合成部70の後述する上部誘電体板71の上に等間隔で円周状に配置されている。
なお、アンテナモジュール41の数およびマイクロ波導入機構43の配置は、本実施形態に限定されるものではない。
The
The number of
アンプ部42は、位相器46と、可変ゲインアンプ47と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ48と、アイソレータ49とを有している。
The
位相器46は、スラグチューナによりマイクロ波の位相を変化させることができるように構成されており、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。例えば、各アンテナモジュール毎に位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることができる。
The
可変ゲインアンプ47は、メインアンプ48へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、個々のアンテナモジュールのばらつきを調整またはプラズマ強度調整のためのアンプである。可変ゲインアンプ47を各アンテナモジュール毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることもできる。
The
ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ48は、例えば、図4に示すように、入力整合回路61と、半導体増幅素子62と、出力整合回路63と、高Q共振回路64とを有する構成とすることができる。半導体増幅素子62としては、E級動作が可能となる、GaAsHEMT、GaNHEMT、LD(Laterally Diffused)−MOSを用いることができる。特に、半導体増幅素子62として、GaNHEMTを用いた場合には、可変ゲインアンプ47は一定値になり、E級動作アンプの電源電圧を可変とし、パワー制御を行う。
For example, as shown in FIG. 4, the
アイソレータ49は、アンテナ部45で反射してメインアンプ48に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード(同軸終端器)とを有している。サーキュレータは、アンテナ部45で反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。
The
本実施形態では、複数のアンテナモジュール41を設け、各アンテナモジュールのマイクロ波導入機構43から放射したマイクロ波を空間合成するので、アイソレータ49は小型のものでよく、メインアンプ48に隣接して設けることが可能である。
In this embodiment, a plurality of
マイクロ波導入機構43は、図5に示すように本体容器50を有している。そして、本体容器50の先端部にアンテナ部45が配置され、本体容器50のアンテナ部45よりも基端側の部分がチューナ44によるインピーダンス調整範囲となっている。本体容器50は金属製であり円筒状をなしており、同軸管の外側導体を構成している。また、本体容器50内には同軸管の内側導体52が垂直に延びている。この内側導体52は棒状または筒状に形成されている。そして、本体容器50と内側導体52との間にマイクロ波伝送路が形成される。
The
アンテナ部45は、平面状をなしスロット51aを有する平面スロットアンテナ51を有しており、上記内側導体52はこの平面スロットアンテナ51の中心部に接続されている。
The
本体容器50の基端側には図示しない給電変換部が取り付けられており、給電変換部は同軸ケーブルを介してメインアンプ48に接続されており、同軸ケーブルの途中にはアイソレータ49が介在されている。メインアンプ48はパワーアンプであって大電力を取り扱うので、E級等高効率の動作をするが、その熱は数十〜数百Wに相当するため放熱の観点からアンテナ部45に直列に装着する。
A power supply conversion unit (not shown) is attached to the base end side of the
アンテナ部45は、平面スロットアンテナ51の上面に設けられた遅波材55を有している。遅波材55は、真空よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂のような誘電体により構成されており、真空中におけるマイクロ波の波長よりもその波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。遅波材55は、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、平面スロットアンテナ51が定在波の「はら」になるようにその厚さを調整する。これにより、反射が最小で、平面スロットアンテナ51の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。
The
また、平面スロットアンテナ51の下面には、真空シールのための誘電体部材、例えば石英やセラミックス等からなる天板56が配置されている。そして、メインアンプ48で増幅されたマイクロ波が内側導体52と本体容器50の周壁の間を通って平面スロットアンテナ51のスロット51aから天板56を透過し、さらにマイクロ波合成部70の上部誘電体板71を透過して合成空間74に放射される。なお、天板56を設けずに、平面スロットアンテナ51から放射したマイクロ波が直接下部誘電体板72を透過されるようにしてもよい。この場合には、より強い電界をチャンバ1内に誘起させることができる。
A dielectric member for vacuum sealing, for example, a
スロット51aは、例えば、図6に示すように分割された円弧の形状で4個均等に形成されている。これにより、円周方向にほぼ均一なスロット51aが形成されるので、伝搬してきたマイクロ波が平面スロットアンテナ51にて反射されることが抑制され、不整合領域を減少させるまたは実質的になくすことができる。このスロット51aは、それ自体の長さを低減することができコンパクト化できることから扇形のものが好ましい。また、天板56は、図7に示すように、四角い形状(直方体)、あるいは本体容器50よりも径の大きな丸い形状(円柱)であることが好ましい。これにより、マイクロ波をTEモードで効率的に放射させることができる。
For example, as shown in FIG. 6, four
図5に示すように、チューナ44は、本体容器50のアンテナ部45より基端側の部分に、2つのスラグ58を有し、スラグチューナを構成している。スラグ58は誘電体からなる板状体として構成されており、内側導体52と本体容器50の外壁の間に円環状に設けられている。そして、コントローラ60からの指令に基づいてアクチュエータ59によりこれらスラグ58を上下動させることによりインピーダンスを調整するようになっている。コントローラ60は、終端が例えば50Ωになるようにインピーダンス調整を実行させる。2つのスラグ58のうち天板56に近い方のみを動かすと、スミスチャートの原点を通る円の軌跡を描き、両方同時に動かすと反射係数の位相のみが回転する。
As shown in FIG. 5, the
本実施形態において、メインアンプ48と、チューナ44と、平面スロットアンテナ51とは近接配置されている。そして、チューナ44と平面スロットアンテナ51とは1/2波長内に存在する集中定数回路を構成しており、かつこれらは共振器として機能する。
In the present embodiment, the
マイクロ波合成部70は、図8に示すように、複数のマイクロ波導入機構43のアンテナ部45を支持する円板状をなす上部誘電体板71と、上部誘電体板71の下方に、上部誘電体板71から適長離隔して対向して設けられた円板状をなす下部誘電体板72と、上部誘電体板71および下部誘電体板72の間の外周に沿って設けられた金属製のスペーサー部材73とを有し、上部誘電体板71、下部誘電体板72、スペーサー部材73により、自由空間(比誘電率が1.0である空間)である合成空間74が規定されている。合成空間74内には、複数のマイクロ波導入機構43のアンテナ部45から放射されたマイクロ波が上部誘電体板71を介して導入され、これらマイクロ波が合成空間74内で合成され、合成されたマイクロ波が下部誘電体板73を介して開口部1aからチャンバ1内に放射されるようになっている。なお、下部誘電体板73と支持リング29との間には、シールリング29aが介装されている。
As shown in FIG. 8, the
上部誘電体板71および下部誘電体板72としては、例えば石英やセラミックス、樹脂等の誘電体が用いられる。なお、上部誘電体板71はプラズマに曝されないのでプラズマ耐性を有する必要がないが、下部誘電体板72はチャンバ1内のプラズマに曝されることとなるので、プラズマ耐性のある材料、例えば石英やY2O3セラミックスを用いることが好ましい。
As the
合成空間74の高さは、複数のマイクロ波導入機構43のアンテナ部45から放射されたマイクロ波が合成可能な高さを有している必要があり、1/12波長以上であることが好ましい。また、合成空間74は、その中でマイクロ波合成を妨げる異常放電が発生しないような圧力を有している必要があり、パッシェンの法則に基づき、200Torr(26660Pa)以上の高圧力か、0.1mTorr(0.0133Pa)以下の低圧力であることが好ましい。簡便性の観点からは大気圧が好ましい。
The height of the
プラズマ処理装置100における各構成部は、マイクロプロセッサを備えた制御部80により制御されるようになっている。制御部80はプロセスレシピを記憶した記憶部や、入力手段およびディスプレイ等を備えており、選択されたレシピに従ってプラズマ処理装置を制御するようになっている。
Each component in the
(第1の実施形態に係るプラズマ源を搭載したプラズマ処理装置の動作および作用・効果)
次に、以上のように構成されるプラズマ処理装置における動作について説明する。
まず、ウエハWをチャンバ1内に搬入し、サセプタ11上に載置する。そして、プラズマガス供給源27から配管28およびプラズマガス導入部材26を介してチャンバ1内にプラズマガス、例えばArガスを導入しつつ、マイクロ波プラズマ源2からマイクロ波をチャンバ1内に導入してプラズマを形成する。
(Operation, action, and effect of plasma processing apparatus equipped with plasma source according to first embodiment)
Next, the operation of the plasma processing apparatus configured as described above will be described.
First, the wafer W is loaded into the chamber 1 and placed on the
次いで、処理ガス、例えばCl2ガス等のエッチングガスが処理ガス供給源25から配管24およびシャワープレート20を介してチャンバ1内に吐出される。吐出された処理ガスは、シャワープレート20の空間部23を通過してきたプラズマにより励起されてプラズマ化し、このように形成された処理ガスのプラズマによりウエハWにプラズマ処理、例えばエッチング処理が施される。
Next, a processing gas, for example, an etching gas such as Cl 2 gas is discharged from the processing gas supply source 25 into the chamber 1 through the
ここで、マイクロ波プラズマ源2では、マイクロ波出力部30のマイクロ波発振器32から発振されたマイクロ波はアンプ33で増幅された後、分配器34により複数に分配され、分配されたマイクロ波はアンテナユニット40において複数のアンテナモジュール41に導かれる。アンテナモジュール41においては、このように複数に分配されたマイクロ波を、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ48で個別に増幅し、マイクロ波導入機構43のマイクロ波伝送路53を通って平面スロットアンテナ51から個別に放射し、マイクロ波合成部70の上部誘電体板71を透過させて合成空間74に導入し、その中でこれらマイクロ波を合成する。そして、合成空間74で合成された後のマイクロ波は、下部誘電体板72を透過してチャンバ1内に導入される。
Here, in the
この場合に、合成空間74はチャンバ1と別個に設けられているため、合成空間74内にはプラズマが形成されていない。このため、各マイクロ波導入機構43の平面スロットアンテナ51から放射したマイクロ波(電磁波)がプラズマに妨げられることなく(プラズマ状態に関係なく)、空間合成される。したがって、予め、各マイクロ波導入機構43の平面スロットアンテナ51から放射されるマイクロ波(電磁波)の位相および電力パワーの一方または両方を調整することにより、合成マイクロ波(電磁波)パターンを調整することができ、この合成マイクロ波(電磁波)パターンが下部誘電体板72を介してチャンバ1内のプラズマに転写されるので、プラズマ分布を調整することが可能となる。
In this case, since the
この際の合成マイクロ波(電磁波)パターンの調整は、各アンテナモジュール41の位相器46により、各アンテナモジュール毎に位相を調整して指向性を制御することによって行うことができる。また、各アンテナモジュール41の可変ゲインアンプ47またはメインアンプ48により、各アンテナモジュール毎に電力パワーを調整することによっても行うことができる。また、これらを併用してもよい。このようにすることにより、用途に応じてマイクロ波パターンを調整することができ、これによりプラズマ分布を調整することができ、所望のプラズマ分布を得ることができる。例えば、プラズマ分布を均一にすることができ、これにより均一なプラズマ処理、例えばプラズマエッチングを行うことができる。
The adjustment of the synthesized microwave (electromagnetic wave) pattern at this time can be performed by controlling the directivity by adjusting the phase for each antenna module by the
<第2の実施形態>
(第2の実施形態に係るプラズマ源の構成)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
上記実施形態では、合成空間で合成したマイクロ波(電磁波)を下部誘電体板72を介してプラズマ生成空間であるチャンバ1内に導入するため、チャンバ1内にプラズマの着火に十分な強度の電界が供給されないおそれがある。そこで、そのような不都合を解消するため本発明の他の実施形態では、着火用アンテナモジュールを設ける。
<Second Embodiment>
(Configuration of Plasma Source According to Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In the above embodiment, since the microwave (electromagnetic wave) synthesized in the synthesis space is introduced into the chamber 1 that is the plasma generation space via the
図9は本発明の第2の実施形態に係る本実施形態におけるマイクロ波プラズマ源の要部を示す断面図、図10はそのアンテナモジュールの配置を示す平面図である。 FIG. 9 is a cross-sectional view showing the main part of the microwave plasma source according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a plan view showing the arrangement of the antenna module.
これらの図において、従前の実施形態と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。 In these drawings, the same components as those in the previous embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
これらの図に示すように、本実施形態では、第1の実施形態とは異なり、複数(図では8個)のアンテナモジュール41と、着火用アンテナモジュール41′とを有するアンテナユニット40′を備えている。着火用アンテナモジュール41′は、マイクロ波合成部70の上部誘電体板71の中心部に設けられており、アンテナモジュール41と全く同様の構成のアンプ部42と、アンテナモジュール41のマイクロ波導入機構43とは構成が異なるマイクロ波導入機構43′とを有している。
As shown in these drawings, unlike the first embodiment, this embodiment includes an
着火用アンテナモジュール41′のマイクロ波導入機構43′は、図9に示すように、本体容器50の先端部にアンテナ部45′が配置され、本体容器50のアンテナ部45′よりも基端側の部分がチューナ44′となっている。チューナ44′はチューナ44と同様に構成されている。
As shown in FIG. 9, the
アンテナ部45′は、アンテナ部45と同様、平面スロットアンテナ51と遅波材55とを有しているが、天板56は省略されている。そして、マイクロ波導入機構43′は、マイクロ波合成部70の上部誘電体板71を下方に突き抜けて設けられており、アンテナ部45′の平面スロットアンテナ51はマイクロ波合成部70の下部誘電体板72の中心部に直接接触して設けられている。
Like the
(第2の実施形態に係るプラズマ源の作用・効果)
このように、着火用アンテナモジュール41′のアンテナ部45′においては、平面スロットアンテナ51から放射されたマイクロ波が合成空間74を介さずに、下部誘電体板72を介してチャンバ1内に導入されるので、強い電界がチャンバ1内に誘起させることができ、それを種として外周のアンテナモジュール41から放射されたマイクロ波(電磁波)によりプラズマを形成することができる。このとき、着火用アンテナモジュール41′は、上部誘電体板71の中心部を貫通して下部誘電体板72の中心部に至っているので、チャンバ1の中心部に強い電界を誘起させることができる。
(Operation / Effect of Plasma Source According to Second Embodiment)
Thus, in the
着火用アンテナモジュール41′の位置は中心部に限るものではないが、中心部に設けることにより、プラズマの着火をより容易に行うことができる。 The position of the ignition antenna module 41 'is not limited to the central portion, but by providing it in the central portion, plasma ignition can be performed more easily.
着火用アンテナモジュール41′を用いる場合には、着火用アンテナモジュール41′を着火時にはONにし、プラズマ処理時にはOFFにすることが好ましい。プラズマ処理に用いるアンテナモジュール41は着火時にはONでもOFFでも構わない。
When the
また、着火用アンテナモジュール41′の代わりに、他のプラズマ着火手段を設けてもよい。例えば、チャンバ1内に直流着火源を設け、この直流着火源に電圧を印加することによりチャンバ1内でプラズマを着火させてもよい。 Further, instead of the ignition antenna module 41 ', other plasma ignition means may be provided. For example, a DC ignition source may be provided in the chamber 1 and plasma may be ignited in the chamber 1 by applying a voltage to the DC ignition source.
<第3の実施形態>
(第3の実施形態に係るプラズマ源を搭載したプラズマ処理装置の構成)
図11は本発明の第3の実施形態に係るプラズマ源が搭載されたプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図、図12は本発明の第3の実施形態に係るプラズマ源の要部示す断面図である。
<Third Embodiment>
(Configuration of plasma processing apparatus equipped with a plasma source according to the third embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a plasma processing apparatus equipped with a plasma source according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a cross-sectional view showing a main part of the plasma source according to the third embodiment of the present invention. FIG.
これらの図に示すように、本実施形態においては、第1の実施形態におけるマイクロ波合成部70の代わりに、内部でマイクロ波合成が可能な厚みを有する合成誘電体部材76を有するマイクロ波合成部70′を備えている点においてのみ第1の実施形態と異なっている。
As shown in these drawings, in the present embodiment, instead of the
マイクロ波合成部70′の合成誘電体部材76は円板状をなし、複数のマイクロ波導入機構43のアンテナ部45がこの合成誘電体部材76に支持されている。そして、これらアンテナ部45から放射されたマイクロ波が合成誘電体部材76に導入され、これらマイクロ波がこの合成誘電体部材76内で合成され、合成されたマイクロ波が開口部1aからチャンバ1内に放射されるようになっている。
The
合成誘電体部材76の誘電率の大きさは問わないが、チャンバ内のプラズマに曝されることとなるので、プラズマ耐性のある材料、例えば石英やY2O3等のセラミックスを用いることが好ましい。
The dielectric constant of the
合成誘電体部材76は、複数のマイクロ波導入機構43のアンテナ部45から放射されたマイクロ波が合成可能な厚さ有している必要があり、合成誘電体部材76内でのマイクロ波の実効波長をλgとした場合に、合成誘電体部材76の厚さはλg/12以上であることが好ましい。なお、マイクロ波の自由空間波長をλとし、合成誘電体部材76の誘電率をεとした場合に、λgは、
λg=λ/ε1/2
で表される。合成誘電体部材76の材料が石英(誘電率=3.88)の場合は、λgが12cmであるから、λg/12の値は13.3mmとなる。
The
λg = λ / ε 1/2
It is represented by When the material of the
(第3の実施形態に係るプラズマ源の作用・効果)
本実施形態のマイクロ波プラズマ源においては、マイクロ波出力部30のマイクロ波発振器32から発振されたマイクロ波はアンプ33で増幅された後、分配器34により複数に分配され、分配されたマイクロ波はアンテナユニット40において複数のアンテナモジュール41に導かれる。アンテナモジュール41においては、このように複数に分配されたマイクロ波を、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ48で個別に増幅し、マイクロ波導入機構43のマイクロ波伝送路53を通って平面スロットアンテナ51から個別に放射し、マイクロ波合成部70′を構成する合成誘電体部材76の中でこれらマイクロ波を合成する。そして、合成誘電体部材76内で合成された後のマイクロ波は、合成誘電体部材76からチャンバ1内に導入される。
(Operation and Effect of Plasma Source According to Third Embodiment)
In the microwave plasma source of the present embodiment, the microwave oscillated from the
本実施形態においても、プラズマが形成されているチャンバ1内ではマイクロ波合成を行わず、合成誘電体部材76内で合成するため、各マイクロ波導入機構43の平面スロットアンテナ51から放射したマイクロ波(電磁波)がプラズマに妨げられることなく(プラズマ状態に関係なく)、合成される。したがって、第1の実施形態と同様、予め、各マイクロ波導入機構43の平面スロットアンテナ51から放射されるマイクロ波(電磁波)の位相および電力パワーの一方または両方を調整することにより、合成マイクロ波(電磁波)パターンを調整することができ、この合成マイクロ波(電磁波)パターンが合成誘電体部材76を介してチャンバ1内のプラズマに転写されるので、プラズマ分布を調整することが可能となる。
Also in this embodiment, the microwaves radiated from the
この際の合成マイクロ波(電磁波)パターンの調整は、第1の実施形態と同様、各アンテナモジュール41の位相器46により、各アンテナモジュール毎に位相を調整して指向性を制御することによって、または各アンテナモジュール41の可変ゲインアンプ47またはメインアンプ48により、各アンテナモジュール毎に電力パワーを調整することによって、またはこれらを併用して行うことができる。第1の実施形態と同様、これにより、用途に応じてマイクロ波パターンを調整してプラズマ分布を調整し、所望のプラズマ分布を得ることができる。
The adjustment of the synthetic microwave (electromagnetic wave) pattern at this time is performed by adjusting the phase for each antenna module and controlling the directivity by the
また、本実施形態では、マイクロ波合成部に板状の合成誘電体部材76を設けるだけでよいので、第1の実施形態よりも装置構成を単純化することができる。
Further, in the present embodiment, since it is only necessary to provide the plate-shaped
なお、本実施形態においても第2の実施形態の着火用アンテナモジュール41′を用いることができる。
In this embodiment, the
<本発明の他の適用>
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内において種々変形可能である。例えば、マイクロ波出力部30の回路構成やアンテナユニット40、メインアンプ48の回路構成等は、上記実施形態に限定されるものではない。
<Other applications of the present invention>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the idea of the present invention. For example, the circuit configuration of the
また、上記実施形態ではアンテナ51のスロット51aを4個均等に設けた場合について示したが、5個以上均等に設けてもよいし、効率は若干低下するが1〜3個であってもよい。また、平面スロットアンテナ51に形成されるスロットは、それ自体の長さを低減できコンパクト化できることから扇形が好ましいが、これに限るものではない。
Moreover, although the case where the four
さらに、上記実施形態においては、プラズマ処理装置としてエッチング処理装置を例示したが、これに限らず、成膜処理、酸窒化膜処理、アッシング処理等の他のプラズマ処理にも用いることができる。さらにまた、上記実施形態では電磁波としてマイクロ波を用いたプラズマ処理について示したが、マイクロ波に限らず他の電磁波によるプラズマ処理にも適用可能である。 Furthermore, in the above-described embodiment, the etching processing apparatus is exemplified as the plasma processing apparatus. However, the present invention is not limited to this, and the plasma processing apparatus can be used for other plasma processing such as film formation processing, oxynitride film processing, and ashing processing. Furthermore, in the above-described embodiment, plasma processing using microwaves as electromagnetic waves has been described. However, the present invention is not limited to microwaves but can be applied to plasma processing using other electromagnetic waves.
さらにまた、被処理基板は半導体ウエハWに限定されず、LCD(液晶ディスプレイ)用基板に代表されるFPD(フラットパネルディスプレイ)基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。 Furthermore, the substrate to be processed is not limited to the semiconductor wafer W, and may be another substrate such as an FPD (flat panel display) substrate typified by an LCD (liquid crystal display) substrate or a ceramic substrate.
1;チャンバ
2;マイクロ波プラズマ源
11;サセプタ
12;支持部材
15;排気管
16;排気装置
17;搬入出口
20;シャワープレート
21;ガス流路
22;ガス吐出孔
23;空間部
25;処理ガス供給源
26;プラズマガス導入部材
27;プラズマガス供給源
30;マイクロ波出力部
32;マイクロ波発振器
34;分配器
40;アンテナユニット
41;アンテナモジュール
41′;着火用アンテナモジュール
42;アンプ部
43;マイクロ波導入機構
44;チューナ
45;アンテナ部
46;位相器
47;可変ゲインアンプ
48;メインアンプ
49;アイソレータ
50;本体容器
51;平面スロットアンテナ
51a;スロット
52;内側導体
55;遅波材
56;天板
58;スラグ
59;アクチュエータ
60;コントローラ
70、70′;マイクロ波合成部
71;上部誘電体板
72;下部誘電体板
74;合成空間
80;制御部
100;プラズマ処理装置
W;半導体ウエハ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1;
Claims (18)
電磁波を生成する電磁波生成機構と、
生成された電磁波を前記処理容器内に導入する複数のアンテナモジュールと、
前記処理容器に隣接して設けられ、前記複数のアンテナモジュールから放射された電磁波を合成する電磁波合成部と
を具備し、
前記電磁波合成部は、前記複数のアンテナモジュールから放射された電磁波を空間合成する合成空間と、前記合成空間と前記チャンバとの間に設けられた誘電体部材とを有し、
前記合成空間で合成された電磁波が前記誘電体部材を介して前記処理容器内に導入されることを特徴とするプラズマ源。 A plasma source that introduces electromagnetic waves into a processing vessel for performing plasma processing and turns the gas supplied into the processing vessel into plasma,
An electromagnetic wave generating mechanism for generating an electromagnetic wave;
A plurality of antenna modules for introducing the generated electromagnetic waves into the processing container;
An electromagnetic wave synthesizing unit that is provided adjacent to the processing container and synthesizes electromagnetic waves radiated from the plurality of antenna modules;
The electromagnetic wave synthesis unit includes a synthetic space that spatially synthesizes electromagnetic waves radiated from the plurality of antenna modules, and a dielectric member provided between the synthetic space and the chamber,
The plasma source, wherein the electromagnetic wave synthesized in the synthetic space is introduced into the processing container through the dielectric member.
電磁波を生成する電磁波生成機構と、
生成された電磁波を前記処理容器内に導入する複数のアンテナモジュールと、
前記処理容器に隣接して設けられ、前記複数のアンテナモジュールから放射された電磁波を合成する電磁波合成部と
を具備し、
前記電磁波合成部は、前記複数のアンテナモジュールから放射された電磁波を合成する、誘電体からなる合成誘電体部材を有し、
前記合成誘電体部材内で合成された電磁波を前記処理容器内に導入することを特徴とするプラズマ源。 A plasma source that introduces electromagnetic waves into a processing vessel for performing plasma processing and turns the gas supplied into the processing vessel into plasma,
An electromagnetic wave generating mechanism for generating an electromagnetic wave;
A plurality of antenna modules for introducing the generated electromagnetic waves into the processing container;
An electromagnetic wave synthesizing unit that is provided adjacent to the processing container and synthesizes electromagnetic waves radiated from the plurality of antenna modules;
The electromagnetic wave synthesis unit includes a synthetic dielectric member made of a dielectric material that synthesizes electromagnetic waves radiated from the plurality of antenna modules,
A plasma source, wherein an electromagnetic wave synthesized in the synthetic dielectric member is introduced into the processing container.
筒状をなす本体容器と、
前記本体容器内に同軸的に設けられ、前記本体容器との間に電磁波伝送路を形成する筒状または棒状をなす内側導体と、
前記電磁波伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナと、
前記電磁波伝送路を伝送された電磁波を前記処理容器内に放射する電磁波放射アンテナを有するアンテナ部と
を備えた電磁波導入機構を備えることを特徴とする請求項1から請求項15のいずれか1項に記載のプラズマ源。 Each antenna module is
A cylindrical container,
An inner conductor that is coaxially provided in the main body container and forms an electromagnetic wave transmission path between the main body container and a cylindrical shape or a rod shape,
A tuner for adjusting impedance in the electromagnetic wave transmission path;
16. The electromagnetic wave introduction mechanism comprising an antenna unit having an electromagnetic wave radiation antenna that radiates an electromagnetic wave transmitted through the electromagnetic wave transmission path into the processing container. The plasma source described in 1.
前記処理容器内で被処理基板が載置される載置台と、
前記処理容器内にガスを供給するガス供給機構と、
請求項1から請求項16のいずれかに記載のプラズマ源と
を具備し、
前記処理容器内の被処理基板に対してプラズマにより処理を施すことを特徴とするプラズマ処理装置。 A processing container for storing a substrate to be processed;
A mounting table on which a substrate to be processed is mounted in the processing container;
A gas supply mechanism for supplying gas into the processing container;
A plasma source according to any one of claims 1 to 16,
A plasma processing apparatus for processing a substrate to be processed in the processing container by plasma.
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