JP2017133067A - Ald装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】稼動率が低下しにくいALD装置を提供すること。【解決手段】原料ガスを入れて薄膜を形成するための、排気口を有するチャンバと、該チャンバの前記排気口に一端部が接続されている排気管と、該排気管の他端部に接続されている排気ポンプと、前記排気管の途中に設けられ、前記チャンバから前記排気管に入った排気ガスを酸化させる酸化剤を供給する酸化剤供給器とを備えている、ALD装置。【選択図】 図1
Description
本発明は、ALD(Atomic Layer Deposition)装置に関する。
光電変換効率を向上し得る太陽電池素子の構造の1つとして、パッシベーション膜を具備したPERC(Passivated Emitter and Rear Cell)構造が知られている。
シリコンウエハなどの半導体基板に、酸化アルミニウム膜などのパッシベーション膜を成膜する装置として、半導体基板表面の微細な凹凸面への被覆性が良く、膜厚の制御に優れるALD装置を用いることが知られている(例えば下記の特許文献1を参照)。
ALD装置の排気工程などでは、未反応で半導体基板に未吸着の原料ガスがALD装置の排気側に流れて、排気側に設けられている排気ポンプのロータなどの部品に原料ガスの成分を含む膜などが堆積することがある。この場合には、排気ポンプが動作不良を起こして、ALD装置の稼働率が低下する原因となり得る。
本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、稼動率が低下しにくいALD装置を提供することを本発明の目的の1つとする。
本発明の一形態に係るALD装置は、原料ガスを入れて薄膜を形成するための、排気口を有するチャンバと、該チャンバの前記排気口に一端部が接続されている排気管と、該排気管の他端部に接続されている排気ポンプと、前記排気管の途中に設けられ、前記チャンバから前記排気管に入った排気ガスを酸化させる酸化剤を供給する酸化剤供給器とを備えている。
上記構成のALD装置によれば、酸化剤供給器から供給される酸化剤によって、排気管に入った排気ガスを排気ポンプの前段で酸化させることができる。このため、排気ポンプのロータなどの部品に排気ガスの成分を含んだ膜が堆積しにくい。これにより、稼動率が低下しにくいALD装置を提供できる。
以下、本発明に係るALD装置と、それを用いた薄膜形成方法との実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面は模式的に示したものであり、断面図等において構成要素の一部を省略して図示している。
<ALD装置>
図1に示すように、本実施形態に係るALD装置1は、ガス供給部1a、膜形成部1b、排気部1cおよび制御部(不図示)を備えている。
図1に示すように、本実施形態に係るALD装置1は、ガス供給部1a、膜形成部1b、排気部1cおよび制御部(不図示)を備えている。
まず、膜形成部1bについて説明する。膜形成部1bを構成するチャンバ(製膜室)2に、ガス供給部1aからの原料ガスおよび半導体基板等の基板3などを入れて、基板3などに薄膜を形成する。チャンバ2は排気口15を有する。チャンバ2内には、基板3を載置する基板載置部4が配置されてもよい。さらに、チャンバ2内には、基板3を所定の温度まで昇温するためのヒーター等の加熱部5が配置されてもよい。
チャンバ2は、例えば基板3に薄膜を形成する際の反応空間23を提供する。反応空間23は、チャンバ2を構成する、少なくとも上壁2a、側壁2bおよび底壁2cによって囲まれた排気可能な空間を有する。チャンバ2は、例えば略直方体形状をしている。チャンバ2の内部は、排気ポンプ10等に接続されている排気部1cによって減圧状態で排気することが可能である。チャンバ2は、その内部が減圧された場合でも変形等しないように、十分な強度を持った、例えばステンレス等の金属部材または石英等から構成されている。チャンバ2の側壁2bの少なくとも1面では、ゲートバルブなどにより開閉可能であり、基板3を載置した基板載置部4の出し入れが可能である。チャンバ2の大きさは、基板3の大きさ、一度に処理する基板の総枚数、基板載置部4および加熱部5の大きさ、ガス導入口および排気口15の位置などを考慮して決定すればよい。特に限定されないが、チャンバ2の内寸は、例えば、縦×横(長さ)×高さが0.5〜1m×1〜5×0.2m〜0.5m程度である。
基板載置部4は、処理される基板3を載置する機能を有する。この基板載置部4は、例えばステンレスもしくはアルミニウム等の金属部材または石英等から構成されている。図2または図3に示すように、基板載置部4への基板3の載置は、基板載置部4に設けた切り込みに基板3を立てた状態にしてもよい。この場合には、互いに隣り合う基板3の主面同士が間隔を空けて対面した状態にすれば、1回の製膜バッチ当たりの処理枚数を多くすることができる。
基板載置部4に多数の基板3を並べる方向は、原料ガスが、速やかに各基板表面に拡散して、各基板表面から排気されるように、ガスの吐出方向などを考慮して最適に決定すればよい。例えば、図2に示すようにチャンバ2の長さ方向16に対し略平行に基板3を並べてもよいし、図3に示すようにチャンバ2の長さ方向16に対し略直交する方向に並べてもよい。
また、基板載置部4の下部には車輪11を設けてもよい。これにより、基板載置部4のチャンバ2内部への導入がしやすくなり、チャンバ2からの取り出し等も容易になる。
加熱部5は、良好な膜質の薄膜を成膜できるように、基板3の表面温度を昇温するために設ける。加熱部5は、例えば抵抗加熱ヒーターなどからなる。加熱部5は、チャンバ2の外に設けられてもよいし、基板載置部4に内蔵されてもよい。加熱部5は、不図示の制御部の温度調節器によって通電が制御される。これにより、基板3の温度は、例えば100〜400℃程度、より好ましくは150〜300℃程度に昇温され、維持される。
ガス供給部1aは、膜形成部1bに各種ガスを供給する機能を有する。原料ガス等のガス導入管17の一端側には、それぞれ異なるガスを貯留する複数のガス容器およびガス発生装置9が連結されている。ガス導入管17の他端側は、チャンバ2に連結している。そして、ガス導入管17中間部にチャンバ2に導入するガスの圧力および流量を制御するための弁およびマスフローコントローラ等を設けている。ガス容器は、例えば、キャリアガス容器6、酸化性ガス容器7、パージガス容器8を含む。原料ガス(金属材料ガス)が、常温で気体の場合には、上記ガス容器を接続すればよいし、常温で固体または液体の場合には、バブリング、気化装置等のガス発生装置9で気化させた原料ガスをアルゴンガスまたは窒素ガス等のキャリアガスを用いてチャンバ2内部に供給すればよい。
制御部は、例えばシーケンサー、ガス流量計の制御装置、温度制御装置などから構成されている。この制御部では、上記ガスの流量、圧力、弁の開閉、ヒーターへの通電等、各種製膜条件を所望の値に制御できる機能を有する。
排気部1cは、ガスの排気管14に排気ポンプ10等の排気機構および弁などを備えている。排気管14は、ステンレス製のパイプなどで構成されている。排気管14は、チャンバ2と排気ポンプ10とを繋ぐものであり、排気管14の一端部がチャンバ2の排気口15に接続されており、他端部は排気ポンプ10のガス吸気口に接続されている。排気ポンプ10は、例えばメカニカルブースターポンプと、ロータリーポンプまたはドライポンプとを組み合わせてもよいし、多段構造のドライポンプを用いることもできる。
<薄膜形成方法>
次に、p型シリコン基板を用いた太陽電池素子を構成するパッシベーション層の形成方法を例にとり、本実施形態のALD装置を用いた薄膜形成方法ついて具体的に説明する。
次に、p型シリコン基板を用いた太陽電池素子を構成するパッシベーション層の形成方法を例にとり、本実施形態のALD装置を用いた薄膜形成方法ついて具体的に説明する。
パッシベーション層としては、酸化アルミニウム膜、ハフニア膜、ジルコニア膜、酸化シリコン膜等から選択される膜でよい。これらの膜の形成には、原料ガスおよび第1酸化剤を使用する。例えば酸化アルミニウム膜の形成には、アルミニウム原子を含む原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム(TMA)またはトリエチルアルミニウム等を用いることができる。また、ハフニウム原子を含む原料ガスとしてはテトラキスジメチルアミノハフニウム等を用いることができる。また、ジルコニウム原子を含む原料ガスとしては、テトラキスエチルメチルアミノジルコニウム、テトラ-t-ブトキシジルコニウム等を用いることができる。また、酸化シリコン膜の形成には、ビスジエチルアミノシランまたはN,N,N’,N’,テトラエチルシランジアミン等を用いることができる。また、第1酸化剤としては、酸素(O2)、オゾン(O3)、水(H2O)等から選択されるガスを使用することができる。
まず、基板3として例えば1辺が約160mm、厚さ約200μmの略正方形状のシリコン基板を準備する。そして、チャンバ2内に配置した基板載置部4上に、隣り合う基板3の主面同士が0.5mm〜10mm程度の間隔(ピッチ)になるように対面させた状態で、基板3を立てて載置する。基板3のサイズが一定の場合、ピッチが小さいほど一度に多数の基板3が処理できるため生産性が向上する。ただし、ピッチは使用するガスの他に、基板3およびチャンバ2の大きさおよび形状、ガスの導入量およびガスの導入口の位置などを考慮して最適に決定する必要がある。
そして、加熱部5を用いて基板3の温度を所定の温度に昇温し、この温度で所定時間、成膜が完了するまで維持する。この加熱工程における基板3の温度は、例えば100〜400℃、より好ましくは150〜300℃程度である。
次に、原料ガス供給工程として、原料ガスを、アルゴン(Ar)ガス、窒素(N2)ガス、ヘリウム(He)ガス、水素(H2)ガス等のキャリアガスとともに0.05〜5秒間程度チャンバ2内に供給する。この原料ガス供給工程時におけるチャンバ2内の圧力は、例えば10〜500Pa程度に調整することが好適である。
その後、拡散工程として、原料ガスおよびキャリアガスの供給を停止するとともに排気も停止する。これにより、チャンバ2内をガスで封止することによって、基板3の間の空隙に原料ガスを拡散させて、基板3の表面に吸着させる。この原料ガスの拡散および吸着ための所要時間は、基板3に成膜された膜の状態を観察して最適に決定すればよいが、例えば0.2〜20秒間程度とする。ただし、原料ガスがテトラキスエチルメチルアミノジルコニウム(分子量323.6)など分子量が大きい材料である場合などは、基板3間に原料ガスが均一に拡散するには長い時間を要することがある。その場合、キャリアガスとして水素またはヘリウムなど、窒素よりも分子量の小さいガスを使用する。これにより、窒素またはアルゴン等をキャリアガスとして用いた場合と比較して、生産性を損なうことなく、短時間で拡散が完了し、均一で効率的な製膜が可能となる。また、拡散工程の所要時間をガス供給工程の所要時間よりも長くすれば、原料ガスの消費を低減しつつ、原料ガスの拡散を十分に行うことができるのでよい。
また、特にキャリアガスとして水素を使用することによって、形成した膜中に水素が含有されやすくなり、水素によるパッシベーション効果を増大させることができる。
次に、第1排気工程としてチャンバ2内のガスを排気して、未吸着の原料ガスを除去する。そして、基板3の表面に吸着した原材料のうち、原子層レベルで吸着した成分以外を除去する。この第1排気工程は、チャンバ2の内部が所定の圧力に下がるまで排気すればよい。例えば第1排気工程の所要時間は3〜30秒間程度である。第1排気工程において、チャンバ2内に残留している原料ガスを除去するためのパージガスを供給して、排気を行ってもよい。チャンバ2内に、パージガスとしてアルゴンまたは窒素等の不活性ガスを供給することによって、排気効果が向上する。その際、水素、ヘリウムなどの低分子量ガスをパージガスとして使用すれば、基板3間のギャップが小さい場合であっても基板3間にパージガスが拡散しやすい。さらに、第1排気工程において、パージガスの供給を停止する工程を設けて、パージガスを供給後に遮断してガスを排気すれば、基板間に拡散したパージガスとともに残留した原料ガスを排気することができる。パージガスを供給する前に、原料ガスおよびキャリアガスを停止してチャンバ2内のガスを排気し、パージガスの供給を行えば、パージガスが基板間に拡散しやすい。
次に、酸化工程として、酸素、オゾン、水等の第1酸化剤を、必要に応じてアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス、水素ガス等のキャリアガスとともにチャンバ2内に0.05〜5秒間供給する。これにより、基板3の表面に吸着した原料ガスと反応させて、基板3の表面に原子層レベルの酸化膜層を形成する。酸化工程においても使用する酸化剤の分子量が大きい場合は拡散のための時間を0.2〜20秒間実施するとよい。
次に、第2排気工程としてチャンバ2内を再度排気して、チャンバ2内にある第1酸化剤を除去するとともに、基板3の表面の不要な生成物および残留ガスも除去する。第2排気工程もチャンバ2内部が所定の圧力に下がるまで排気すればよい。例えばその所要時間は3〜30秒間程度である。第2排気工程においても、上述のようにパージガスとして窒素またはアルゴン等の不活性ガスおよび水素ガス等をチャンバ2内に供給すれば、排気効果が向上する。
そして、例えば、上記各工程(原料ガス供給工程→拡散工程→第1排気工程→酸化工程→第2排気工程)を1サイクルとして、このサイクルを多数回繰り返し行う。これにより、原子層レベルの酸化膜層を積層することによって、所定厚みの膜を形成できる。例えば、太陽電池素子のパッシベーション層として酸化アルミニウム膜を5〜30nm程度の厚みで形成する場合では、40〜200サイクル程度行うことで成膜可能である。
なお、上記各工程において、圧力、温度およびガス流量などの条件は、工程中で適宜変化させてもよいし、必ずしも上記順番通りに繰り返さなくてもよい。例えば、原料ガス供給工程、拡散工程および第1排気工程の組合せを2回以上繰り返してから次の供給工程を行ってもよい。
また、原料ガスは、チャンバ2内への供給時の圧力低下による膨張冷却によって凝集することがある。このため、原料ガスおよびキャリアガス(または、パージガス)はチャンバ2内への供給前に加熱しておくとよい。これらのガスの加熱は、配管にヒーターを設けて加熱する方法が簡便である。このように、ガスを加熱することによって、ガス分子の速度が大きくなるので拡散効率および排気効率が改善する。
<ALD装置の排気部>
本実施形態に係るALD装置1の排気部1cは、図4に示すように、排気ポンプ10および酸化剤供給器(第2酸化剤供給器)12を有する。酸化剤供給器12は、排気管14の途中に設けられており、チャンバ2から排気管14に入った原料ガスを含む排気ガスを酸化させる酸化剤(第2酸化剤)を供給する。
本実施形態に係るALD装置1の排気部1cは、図4に示すように、排気ポンプ10および酸化剤供給器(第2酸化剤供給器)12を有する。酸化剤供給器12は、排気管14の途中に設けられており、チャンバ2から排気管14に入った原料ガスを含む排気ガスを酸化させる酸化剤(第2酸化剤)を供給する。
ALD装置1で酸化アルミニウムなどの薄膜を形成する場合においては、上述の第1排気工程において、チャンバ2内の未反応、未吸着のTMAなどの原料ガスをチャンバ2内より除去する。このため、除去された原料ガスは、排気管14を通り、排気ポンプ10の可動部、例えばドライポンプのロータなどに吸着することがある。この場合、第2排気工程において、チャンバ2内の第1酸化剤を除去することによって、ロータなどのドライポンプの部品に吸着された原料ガス成分が、排気された第1酸化剤により酸化され、酸化アルミニウムなどの膜が形成される。さらに、上述の膜形成のためのサイクルを繰り返すことによって、ロータなどの部品に膜がさらに堆積していき、膜厚を増すことになる。
これに対し、本実施形態に係るALD装置1の排気部1cでは、チャンバ2からの排気ガスを酸化させる第2酸化剤を発生させる酸化剤供給器12を備えている。第1排気工程において、チャンバ2内の未吸着の原料ガスを除去したときに、原料ガスが排気ポンプに達するまでに、排気管14の内部で原料ガスが酸化剤供給器12より供給された第2酸化剤により酸化される。この酸化によって、例えば酸化アルミニウムの粉体(平均粒径5〜80μm程度)が形成される。これにより、排気ポンプ10のロータなどの部品に酸化アルミニウムなどの膜が成膜し、堆積することが低減される。また、生成した酸化アルミニウムなどの粉体は微細なので、排気ポンプ10のロータの間隙などを通過する。
また、酸化剤供給器12は、第2酸化剤として水を供給する機器であるとよい。第2酸化剤は、水、酸素、オゾンなどが使用可能である。第2酸化剤として水を用いると、酸素およびオゾンに比べて、酸素ガス容器(ボンベ)またはオゾン発生器などの大掛かりな設備等が不要であり、単純な構造となり得る。
第2酸化剤に水を用いた場合、第2酸化剤供給器12の下部には純水を入れたタンクを設ける。タンクの外部または内部には、水を加熱するヒーターを設ける。このヒーターによって、所定の温度に純水を昇温し維持して、蒸気等を発生させる。この蒸気等は水蒸気でもよいし、細かな液体の水滴でもよい。さらに、水は、水蒸気に微細な水滴を含む態様でもよい。発生した蒸気等を第2酸化剤供給器12の上部にある流量計などで流量を制御しながら、排気管14の内部に供給する。蒸気等の温度は、50〜150℃程度でよい。50℃以上に加熱することによって、未反応のTMAなどの原料ガスの酸化の反応効率をより上げることができる。また150℃以下とすることによって、蒸気等の圧力が大きくなりすぎて蒸気等がチャンバ2内に逆流することを低減できる。
また酸化剤供給器12は、水等の第2酸化剤を排気管14の内部に供給する第2酸化剤の供給管24を有して、供給管24に水等の流れを制御する弁B2を設けてもよい。弁B2は、第2酸化剤の流れをオンまたはオフするものであり、シーケンサーなどで制御された電磁弁などを用いることができる。これにより、基板3に未吸着の原料ガスがチャンバ2から排気された時に、第2酸化剤を排気管14へ供給することができる。そして、生成した酸化アルミニウムなどの粉体が水分により濡れて、排気管14の内壁へ付着することを低減できる。
さらに、第1排気工程で基板3に未吸着の原料ガスを除去する。このため、チャンバ2の排気口と排気管14の間にある弁B1を開ける前に、第2酸化剤の添加を制御する弁B2を開けておくとよい。これにより、未吸着の原料ガスが排出される前に予め排気管14の内部に第2酸化剤を供給することができ、基板3に未吸着の原料ガスと第2酸化剤との反応効率をより向上させ得る。
また、第2酸化剤供給器12からの第2酸化剤を排気管14へ供給する位置(供給管17が排気管14に接続される位置)は、排気管14の長さの中間点よりもチャンバ2の排気口15側に設けるとよい。第2酸化剤を供給する位置をチャンバ2の排気口15に近づけることによって、排気された未吸着の原料ガスを排気管14内におけるチャンバ2に近い側で酸化させることができる。これにより、排気管14の内壁への酸化アルミニウムの堆積がしにくくなる。
また、ALD装置1の排気部1cは、排気ガスを酸化させて生じた生成物を捕捉するステンレスなどの金属製のトラップ13をさらに備えていてもよい。上記生成物を捕捉するトラップ13を設けることによって、例えば酸化アルミニウムなどの粉体が装置外部に排出されにくくなる。
トラップ13は、第2酸化剤供給器12が設けられている位置よりも排気ガスの流れる方向の下流側(すなわち外部排出口19に近い側)の位置に設けてもよい。これにより、上記生成物の捕捉効率を上げることができる。
排気部1cは、排気ポンプ10のガス吐出口に接続された吐出側配管18をさらに備えてもよい。そして、吐出側配管18の途中にトラップ13を設けてもよい。吐出側配管18は、排気ポンプ10が設けられている位置よりも排気ガスの流れる方向の下流側に位置している。そして、吐出側配管18の一端部は排気ポンプ10ガス吐出口に接続され、他端部はガスの外部排出口19となっていてもよい。また、排気ポンプ10と外部排出口19との間にトラップ13を設けてもよい。
吐出側配管18の途中にトラップ13を設けることによって、トラップ13の内部まで減圧することが低減されるため、作業効率を低下させにくい。
このトラップ13は、排気ガス中から固体粒子を分離して、捕捉、回収するものであり、例えば図5に示すような構造が使用可能である。トラップ13は、中空状の円筒形状をしたトラップ本体20の内部に、複数のステンレスなどの金属製の障害板21が間隔をあけて設けられている。障害板21は交換可能であってもよく、障害板21には、各々の障害板21で異なる位置に貫通孔22が、1つ以上設けられている。なお、貫通孔22の大きさおよび個数などは、生成した紛体の大きさ、量、回収状況等に応じて適宜決定すればよい。トラップ13の下部に吐出側配管18が接続されている。これにより、トラップ13の下部よりも内部に入った排気ガスは、障害板21にぶつかることで、流速を落としながら、図5の矢印Gで示すように、貫通孔22を通ってトラップ13の上部に進む。そして、吐出側配管18の他端部である外部排出口19よりも外部に排気される。また、排気ガス中の生成物である粉体は、排気ガスの流速の低下に伴い、障害板21にぶつかり、落下して行く。これにより、粉体はトラップ13の下部に溜まり、トラップ13の下端部に接続された配管25にある弁B3を開けることによって、紛体は矢印Hのように落下するので回収できる。トラップ13の大きさは、チャンバ2の大きさ、単位時間当たりの排気ガス量等を考慮して決定すればよい。トラップ13は、例えば、内径が30〜150cm、高さ50〜150cm程度の円筒部を有する。
トラップ13は上記に限定されるものではなく、固気分離が可能なものであるならば、例えばサイクロン型、またはバグフィルターを用いた濾過型のものなどでも使用可能である。どのような構造、大きさのトラップ13を使用するかは、排気ガスの流速や生成した粒子(粉体)の大きさなどを考慮して、適宜決定すればよい。
1;ALD装置
1a;ガス供給部
1b;膜形成部
1c;排気部
2;チャンバ
3;基板
4;基板載置部
5;加熱部
6;キャリアガス容器
7;酸化性ガス容器
8;パージガス容器
9;ガス発生装置
10;排気ポンプ
11;基板載置部の車輪
12;酸化剤供給器
13;トラップ
14;排気管
15;排気口
16;チャンバの長さ方向
17;ガス導入管
18;吐出側配管
19;外部排出口
20;トラップ本体
21;障害板
22;貫通孔
23;トラップの下端部に接続された配管
24;供給管(第2酸化剤の供給管)
25;トラップの下端部に接続された配管
B1、B2、B3;弁
1a;ガス供給部
1b;膜形成部
1c;排気部
2;チャンバ
3;基板
4;基板載置部
5;加熱部
6;キャリアガス容器
7;酸化性ガス容器
8;パージガス容器
9;ガス発生装置
10;排気ポンプ
11;基板載置部の車輪
12;酸化剤供給器
13;トラップ
14;排気管
15;排気口
16;チャンバの長さ方向
17;ガス導入管
18;吐出側配管
19;外部排出口
20;トラップ本体
21;障害板
22;貫通孔
23;トラップの下端部に接続された配管
24;供給管(第2酸化剤の供給管)
25;トラップの下端部に接続された配管
B1、B2、B3;弁
Claims (7)
- 原料ガスを入れて薄膜を形成するための、排気口を有するチャンバと、
該チャンバの前記排気口に一端部が接続されている排気管と、
該排気管の他端部に接続されている排気ポンプと、
前記排気管の途中に設けられ、前記チャンバから前記排気管に入った排気ガスを酸化させる酸化剤を供給する酸化剤供給器と、
を備えているALD装置。 - 前記酸化剤供給器は、前記酸化剤として水を供給する機器である、請求項1に記載のALD装置。
- 前記酸化剤供給器は、水を加熱するヒーターを有している、請求項2に記載のALD装置。
- 前記排気ガスを酸化させて生じた生成物を捕捉するトラップをさらに備えている、請求項1乃至3のいずれかに記載のALD装置。
- 前記トラップは、前記酸化剤供給器が設けられている位置よりも前記排気ガスの流れる方向の下流側の位置に設けられている、請求項4に記載のALD装置。
- 前記排気ポンプに接続された配管をさらに備えており、該配管に前記トラップが設けられている、請求項5に記載のALD装置。
- 前記酸化剤供給器は、水を供給する供給管を有しており、該供給管に水の流れを制御する弁が設けられている、請求項2乃至6のいずれかに記載のALD装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2020131193A1 (en) * | 2018-12-21 | 2020-06-25 | Applied Materials, Inc. | Ald process and hardware with improved purge efficiency |
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