JP2021125566A - プラズマ処理装置及びガス流量調整方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及びガス流量調整方法 Download PDF

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Abstract

【課題】基板に施す処理の面内均一性を向上するプラズマ処理装置及びガス流量調整方法を提供する。【解決手段】基板を載置する載置台を収容する処理容器と、前記処理容器にガスを供給するガス供給部と、前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成部と、を備え、前記ガス供給部は、周方向に配置される複数のガスノズルと、複数の前記ガスノズルの流量を調整する流量調整機構と、を有する、プラズマ処理装置。【選択図】図１

Description

本開示は、プラズマ処理装置及びガス流量調整方法に関する。
処理容器内に所望のガスを供給して、処理容器内に設けられた載置台に載置された基板に所望の処理（例えば、成膜処理等）を施す基板処理装置が知られている。
特許文献１には、第１のガスをチャンバ内に供給する第１のガスシャワー部と、第２のガスをチャンバ内に供給する第２のガスシャワー部と、を備え、第２のガス導入部は同一円周上に等間隔で配置された複数のノズルを有する、プラズマ処理装置が開示されている。
特開２０１８−７３８８０号公報
一の側面では、本開示は、基板に施す処理の面内均一性を向上するプラズマ処理装置及びガス流量調整方法を提供する。
上記課題を解決するために、一の態様によれば、基板を載置する載置台を収容する処理容器と、前記処理容器にガスを供給するガス供給部と、前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成部と、を備え、前記ガス供給部は、周方向に配置される複数のガスノズルと、複数の前記ガスノズルの流量を調整する流量調整機構と、を有する、プラズマ処理装置が提供される。
一の側面によれば、基板に施す処理の面内均一性を向上するプラズマ処理装置及びガス流量調整方法を提供することができる。
一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図。 図１に示した制御部の構成を示す説明図。 図１に示したマイクロ波導入モジュールの構成を示す説明図。 図３に示したマイクロ波導入機構を示す断面図。 図４に示したマイクロ波導入機構のアンテナ部を示す斜視図。 図４に示したマイクロ波導入機構の平面アンテナを示す平面図。 図１に示した処理容器の天壁の底面図。 図１に示した処理容器の側壁の水平断面図。 参考例における基板の内周部、中間部、外周部における周方向に対するＳｉＮ膜の膜厚の変化を示すグラフの一例。 流量調整機構によるガス流量の調整の一例を示す模式図。 ガスの供給位置の違いによる基板の外周部に形成されるＳｉＮ膜の膜厚を示すグラフ。 ガスの供給位置の違いによる基板に形成されるＳｉＮ膜の膜厚を示すグラフ。 他の流量調整機構の一例を示す模式図。 更に他の流量調整機構の一例を示す模式図。 ガス流量調整方法を説明するフローチャート。 調整内容決定装置の一例を示すブロック図。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
［プラズマ処理装置］
まず、図１及び図２を参照して、一実施形態に係るプラズマ処理装置１の概略の構成について説明する。図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１の一例を示す断面模式図である。図２は、図１に示した制御部８の構成の一例を示す説明図である。本実施形態に係るプラズマ処理装置１は、連続する複数の動作を伴って、例えば半導体デバイス製造用の半導体ウエハを一例とする基板Ｗに対して、成膜処理、拡散処理、エッチング処理、アッシング処理等の所定の処理を施す装置である。以下の説明において、プラズマ処理装置１は、Ｓｉを含む原料ガスと、窒化ガスとを用いてプラズマＣＶＤにより基板ＷにＳｉＮ膜を成膜する成膜装置である場合を例に説明する。
プラズマ処理装置１は、処理容器２と載置台２１とガス供給機構３と排気装置４とマイクロ波導入モジュール５と制御部８とを有する。処理容器２は、被処理体である基板Ｗを収容する。載置台２１は、処理容器２の内部に配置され、基板Ｗを載置する載置面２１ａを有する。ガス供給機構３は、処理容器２内にガスを供給する。排気装置４は、処理容器２内を減圧排気する。マイクロ波導入モジュール５は、処理容器２内にプラズマを生成させるためのマイクロ波を導入する。制御部８は、プラズマ処理装置１の各部を制御する。
処理容器２は、例えば略円筒形状を有する。処理容器２は、例えばアルミニウム及びその合金等の金属材料によって形成されている。マイクロ波導入モジュール５は、処理容器２の上部に配置され、処理容器２内に電磁波（本実施形態ではマイクロ波）を導入し、プラズマを生成するプラズマ生成部として機能する。
処理容器２は、板状の天壁１１、底壁１３、及び天壁１１と底壁１３とを連結する側壁１２とを有している。天壁１１は、複数の開口部を有している。側壁１２は、処理容器２に隣接する図示しない搬送室との間で基板Ｗの搬入出を行うための搬入出口１２ａを有している。処理容器２と図示しない搬送室との間には、ゲートバルブＧが配置されている。ゲートバルブＧは、搬入出口１２ａを開閉する機能を有している。ゲートバルブＧは、閉状態で処理容器２を気密にシールすると共に、開状態で処理容器２と図示しない搬送室との間で基板Ｗの移送を可能にする。
底壁１３は、複数（図１では２つ）の排気口１３ａを有している。プラズマ処理装置１は、更に、排気口１３ａと排気装置４とを接続する排気管１４を有する。排気装置４は、ＡＰＣバルブと、処理容器２の内部空間を所定の真空度まで高速に減圧することが可能な高速真空ポンプとを有している。このような高速真空ポンプとしては、例えばターボ分子ポンプ等がある。排気装置４の高速真空ポンプを作動させることによって、処理容器２は、その内部空間が所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで減圧される。
プラズマ処理装置１は、更に、処理容器２内において載置台２１を支持する支持部材２２と、支持部材２２と底壁１３との間に設けられた絶縁部材２３とを有する。載置台２１は、基板Ｗを水平に載置するためのものである。支持部材２２は、底壁１３の中央から処理容器２の内部空間に向かって延びる円筒状の形状を有している。載置台２１および支持部材２２は、例えば表面にアルマイト処理（陽極酸化処理）が施されたアルミニウム等によって形成されている。
プラズマ処理装置１は、更に、載置台２１に高周波電力を供給する高周波バイアス電源２５と、載置台２１と高周波バイアス電源２５との間に設けられた整合器２４とを有する。高周波バイアス電源２５は、基板Ｗにイオンを引き込むために、載置台２１に高周波電力を供給する。整合器２４は、高周波バイアス電源２５の出力インピーダンスと負荷側（載置台２１側）のインピーダンスを整合させるための回路を有する。
プラズマ処理装置１は、更に、載置台２１を加熱または冷却する、図示しない温度制御機構を有してもよい。温度制御機構は、例えば、基板Ｗの温度を、２５℃（室温）〜９００℃の範囲内で制御する。
プラズマ処理装置１は、処理容器２内にガスを供給するガス供給部１６〜１８を備える。
第１のガス供給部１６は、ガス導入路１６１と、ガス拡散空間１６２と、ガスノズル１６３と、を有する。ガス導入路１６１は、ガス拡散空間１６２と連通し、ガス供給機構３から供給されたガスをガス拡散空間１６２に導入する。ガス拡散空間１６２は、天壁１１内に環状に形成される。なお、ガス拡散空間１６２は、周方向に分割されていてもよい（後述する図７参照）。ガス導入路１６１から導入されたガスは、ガス拡散空間１６２内で拡散する。ガス拡散空間１６２には、複数のガスノズル１６３が接続されている。ガスノズル１６３は、周方向に配置され（後述する図７参照）、処理容器２を構成する天壁１１の下面から垂直方向に突出している。ガスノズル１６３は、その先端に形成されたガス供給孔１６４から処理容器２内にガスを垂直方向に供給（噴出）する。
第２のガス供給部１７は、ガス導入路１７１と、ガス拡散空間１７２と、ガスノズル１７３と、を有する。ガス導入路１７１は、ガス拡散空間１７２と連通し、ガス供給機構３から供給されたガスをガス拡散空間１７２に導入する。ガス拡散空間１７２は、側壁１２内に環状に形成される。なお、ガス拡散空間１７２は、周方向に分割されていてもよい（後述する図８参照）。ガス導入路１７１から導入されたガスは、ガス拡散空間１７２内で拡散する。ガス拡散空間１７２には、複数のガスノズル１７３が接続されている。ガスノズル１７３は、周方向に配置され（後述する図８参照）、処理容器２を構成する側壁１２の内壁面から水平方向に突出している。ガスノズル１７３は、その先端に形成されたガス供給孔１７４から処理容器２内にガスを供給する。ここで、第２のガス供給部１７のガス供給孔１７４は、第１のガス供給部１６のガス供給孔１６４よりも、処理容器２の径方向外側に設けられている。これにより、ガスノズル１７３は、ガスノズル１６３よりも径方向外側から処理容器２内にガスを水平方向に供給（噴出）する。供給する。
第３のガス供給部１８は、ガス導入路１８１と、ガス拡散空間１８２と、ガスノズル１８３と、を有する。ガス導入路１８１は、ガス拡散空間１８２と連通し、ガス供給機構３から供給されたガスをガス拡散空間１８２に導入する。ガス拡散空間１８２は、天壁１１内に環状に形成される（後述する図７参照）。なお、ガス拡散空間１８２は、周方向に分割されていてもよい。ガス導入路１８１から導入されたガスは、ガス拡散空間１８２内で拡散する。ガス拡散空間１８２には、複数のガスノズル１８３が接続されている。ガスノズル１８３は、周方向に配置され（後述する図７参照）、処理容器２を構成する天壁１１の下面から垂直方向に突出している。ガスノズル１８３は、その先端に形成されたガス供給孔１８４から処理容器２内にガスを供給する。ここで、第３のガス供給部１８のガス供給孔１８４は、第１のガス供給部１６のガス供給孔１６４及び第２のガス供給部１７のガス供給孔１７４よりも、高い位置に形成されている。これにより、ガスノズル１８３は、ガスノズル１６３よりも高い位置から処理容器２内にガスを垂直方向に供給（噴出）する。
なお、ガスノズル１６３，１８３がガスを噴出する垂直方向とは、垂直よりも少し内向きや外向きというような広義の垂直方向も含まれる。また、ガスノズル１７３がガスを噴出する水平方向とは、水平よりも少し上向きや下向きというような広義の水平方向も含まれる。
また、ガス供給部１６〜１８は、各ガスノズル１６３，１７３，１８３ごとに、処理容器２内に供給するガス流量を調整する流量調整機構を有している。ここでは、流量調整機構として、各ガスノズル１６３，１７３，１８３が交換可能に構成されている。これにより、ノズル径、ノズルコンダクタンスの異なるガスノズルと交換することにより、各ガスノズル１６３，１７３，１８３から処理容器２内に供給されるガスの流量を個別に調整することができる。
ガス供給源３１は、例えば、プラズマ生成用の希ガスや、酸化処理、窒化処理、成膜処理、エッチング処理およびアッシング処理に使用されるガス等のガス供給源として用いられる。例えば、分解し難いガスは第３のガス供給部１８のガスノズル１８３から処理容器２内に供給し、分解し易いガスは第１のガス供給部１６のガスノズル１６３及び第２のガス供給部１７のガスノズル１７３から処理容器２内に供給する。例えばＳｉＮ膜を成膜する際に使用するＮ２ガスとシランガスのうち分解し難いＮ２ガスはガスノズル１８３から導入し、分解し易いシランガスはガスノズル１６３及びガスノズル１７３から導入する。これにより、分解し易いシランガスを解離しすぎないことで良質のＳｉＮ膜を成膜できる。
ガス供給機構３は、ガス供給源３１を含むガス供給装置３ａと、ガス供給源３１と第１のガス供給部１６とを接続する配管３２ａと、ガス供給源３１と第２のガス供給部１７とを接続する配管３２ｂと、ガス供給源３１と第３のガス供給部１８とを接続する配管３２ｃと、を有している。なお、図１では、１つのガス供給源３１を図示しているが、ガス供給装置３ａは、使用されるガスの種類に応じて複数のガス供給源を含んでいてもよい。
ガス供給装置３ａは、更に、配管３２ａ〜３２ｃの途中に設けられた図示しないマスフローコントローラおよび開閉バルブを含んでいる。処理容器２内に供給されるガスの種類や、これらのガスの流量等は、マスフローコントローラおよび開閉バルブによって制御される。
プラズマ処理装置１の各構成部は、それぞれ制御部８に接続されて、制御部８によって制御される。制御部８は、典型的にはコンピュータである。図２に示した例では、制御部８は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ８１、プロセスコントローラ８１に接続されたユーザーインターフェース８２及び記憶部８３を有する。
プロセスコントローラ８１は、プラズマ処理装置１において、例えば温度、圧力、ガス流量、バイアス印加用の高周波電力、マイクロ波出力等のプロセス条件に関係する各構成部を統括して制御する制御手段である。各構成部は、例えば、高周波バイアス電源２５、ガス供給装置３ａ、排気装置４、マイクロ波導入モジュール５等が挙げられる。
ユーザーインターフェース８２は、工程管理者がプラズマ処理装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードやタッチパネル、プラズマ処理装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。
記憶部８３には、プラズマ処理装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ８１の制御によって実現するための制御プログラムや、処理条件データ等が記録されたレシピ等が保存されている。プロセスコントローラ８１は、ユーザーインターフェース８２からの指示等、必要に応じて任意の制御プログラムやレシピを記憶部８３から呼び出して実行する。これにより、プロセスコントローラ８１による制御下で、プラズマ処理装置１の処理容器２内において所望の処理が行われる。
上記の制御プログラムおよびレシピは、例えば、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用することができる。また、上記のレシピは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用することも可能である。
次に、図１〜図６を参照して、マイクロ波導入モジュール５の構成について説明する。図３は、図１に示したマイクロ波導入モジュールの構成を示す説明図である。図４は、図３に示したマイクロ波導入機構６３を示す断面図である。図５は、図４に示したマイクロ波導入機構６３のアンテナ部を示す斜視図である。図６は、図４に示したマイクロ波導入機構６３の平面アンテナを示す平面図である。
マイクロ波導入モジュール５は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入する。図１に示すように、マイクロ波導入モジュール５は、導電性部材である天壁１１とマイクロ波出力部５０とアンテナユニット６０とを有する。天壁１１は、処理容器２の上部に配置され、複数の開口部を有する。マイクロ波出力部５０は、マイクロ波を生成すると共に、マイクロ波を複数の経路に分配して出力する。アンテナユニット６０は、マイクロ波出力部５０から出力されたマイクロ波を処理容器２に導入する。本実施形態では、処理容器２の天壁１１は、マイクロ波導入モジュール５の導電性部材を兼ねている。
図３に示すようにマイクロ波出力部５０は、電源部５１と、マイクロ波発振器５２と、マイクロ波発振器５２によって発振されたマイクロ波を増幅するアンプ５３と、アンプ５３によって増幅されたマイクロ波を複数の経路に分配する分配器５４とを有している。マイクロ波発振器５２は、所定の周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）でマイクロ波を発振させる。なお、マイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚに限らず、８．３５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等であってもよい。また、このようなマイクロ波出力部５０は、マイクロ波の周波数を例えば８６０ＭＨｚ等、８００ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲内とする場合にも適用することが可能である。分配器５４は、入力側と出力側のインピーダンスを整合させながらマイクロ波を分配する。
アンテナユニット６０は、複数のアンテナモジュール６１を含んでいる。複数のアンテナモジュール６１は、それぞれ、分配器５４によって分配されたマイクロ波を処理容器２内に導入する。本実施形態では、複数のアンテナモジュール６１の構成は全て同一である。各アンテナモジュール６１は、分配されたマイクロ波を主に増幅して出力するアンプ部６２と、アンプ部６２から出力されたマイクロ波を処理容器２内に導入するマイクロ波導入機構６３とを有している。
アンプ部６２は、位相器６２Ａと可変ゲインアンプ６２Ｂとメインアンプ６２Ｃとアイソレータ６２Ｄとを有する。位相器６２Ａは、マイクロ波の位相を変化させる。可変ゲインアンプ６２Ｂは、メインアンプ６２Ｃに入力されるマイクロ波の電力レベルを調整する。メインアンプ６２Ｃは、ソリッドステートアンプとして構成される。アイソレータ６２Ｄは、マイクロ波導入機構６３のアンテナ部で反射されてメインアンプ６２Ｃに向かう反射マイクロ波を分離する。
位相器６２Ａは、マイクロ波の位相を変化させて、マイクロ波の放射特性を変化させる。位相器６２Ａは、例えば、アンテナモジュール６１毎にマイクロ波の位相を調整することによって、マイクロ波の指向性を制御してプラズマの分布を変化させることに用いられる。なお、このような放射特性の調整を行わない場合には、位相器６２Ａを設けなくてもよい。
可変ゲインアンプ６２Ｂは、個々のアンテナモジュール６１のばらつきの調整や、プラズマ強度の調整のために用いられる。例えば、可変ゲインアンプ６２Ｂをアンテナモジュール６１毎に変化させることによって、処理容器２内全体のプラズマの分布を調整することができる。
メインアンプ６２Ｃは、例えば、図示しない入力整合回路、半導体増幅素子、出力整合回路および高Ｑ共振回路を含んでいる。半導体増幅素子としては、例えば、Ｅ級動作が可能なＧａＡｓＨＥＭＴ、ＧａＮＨＥＭＴ、ＬＤ（Ｌａｔｅｒａｌｌｙ Ｄｉｆｆｕｓｅｄ）−ＭＯＳが用いられる。
アイソレータ６２Ｄは、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、マイクロ波導入機構６３のアンテナ部で反射された反射マイクロ波をダミーロードへ導くものである。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ものである。なお、前述のように、本実施形態では、複数のアンテナモジュール６１が設けられており、複数のアンテナモジュール６１の各々のマイクロ波導入機構６３によって処理容器２内に導入された複数のマイクロ波は、処理容器２内において合成される。そのため、個々のアイソレータ６２Ｄは小型のものでもよく、アイソレータ６２Ｄをメインアンプ６２Ｃに隣接して設けることができる。
図１に示したように、複数のマイクロ波導入機構６３は、天壁１１に設けられている。図４に示したように、マイクロ波導入機構６３は、インピーダンスを整合させるチューナ６４と、増幅されたマイクロ波を処理容器２内に放射するアンテナ部６５とを有している。更に、マイクロ波導入機構６３は、金属材料よりなり、図４における上下方向に延びる円筒状の形状を有する本体容器６６と、本体容器６６内において本体容器６６が延びる方向と同じ方向に延びる内側導体６７とを有している。本体容器６６および内側導体６７は、同軸管を構成している。本体容器６６は、この同軸管の外側導体を構成している。内側導体６７は、棒状または筒状の形状を有している。本体容器６６の内周面と内側導体６７の外周面との間の空間は、マイクロ波伝送路６８を形成する。
アンテナモジュール６１は、更に、図示しない本体容器６６の基端側（上端側）に設けられた給電変換部を有している。給電変換部は、同軸ケーブルを介してメインアンプ６２Ｃに接続されている。アイソレータ６２Ｄは、同軸ケーブルの途中に設けられている。アンテナ部６５は、本体容器６６における給電変換部とは反対側に設けられている。後で説明するように、本体容器６６におけるアンテナ部６５よりも基端側の部分は、チューナ６４によるインピーダンス調整範囲となっている。
図４及び図５に示したように、アンテナ部６５は、内側導体６７の下端部に接続された平面アンテナ７１と、平面アンテナ７１の上面側に配置されたマイクロ波遅波材７２と、平面アンテナ７１の下面側に配置されたマイクロ波透過板７３とを有している。マイクロ波透過板７３の下面は、処理容器２の内部空間に露出している。マイクロ波透過板７３は、本体容器６６を介して、マイクロ波導入モジュール５の導電性部材である天壁１１の開口部に嵌合している。マイクロ波透過板７３は、本実施形態におけるマイクロ波透過窓に対応する。
平面アンテナ７１は、円板形状を有している。また、平面アンテナ７１は、平面アンテナ７１を貫通するように形成されたスロット７１ａを有している。図５及び図６に示した例では、４つのスロット７１ａが設けられており、各スロット７１ａは、４つに均等に分割された円弧形状を有している。なお、スロット７１ａの数は、４つに限らず、５つ以上であってもよいし、１つ以上、３つ以下であってもよい。
マイクロ波遅波材７２は、真空よりも大きい誘電率を有する材料によって形成されている。マイクロ波遅波材７２を形成する材料としては、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン樹脂等のフッ素系樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることができる。マイクロ波は、真空中ではその波長が長くなる。マイクロ波遅波材７２は、マイクロ波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。また、マイクロ波の位相は、マイクロ波遅波材７２の厚みによって変化する。そのため、マイクロ波遅波材７２の厚みによってマイクロ波の位相を調整することにより、平面アンテナ７１が定在波の腹の位置になるように調整することができる。これにより、平面アンテナ７１における反射波を抑制することができると共に、平面アンテナ７１から放射されるマイクロ波の放射エネルギーを大きくすることができる。つまり、これにより、マイクロ波のパワーを効率よく処理容器２内に導入することができる。
マイクロ波透過板７３は、誘電体材料によって形成されている。マイクロ波透過板７３を形成する誘電体材料としては、例えば石英やセラミックス等が用いられる。マイクロ波透過板７３は、マイクロ波をＴＥモードで効率的に放射することができるような形状をなしている。図５の例では、マイクロ波透過板７３は、直方体形状を有している。なお、マイクロ波透過板７３の形状は、直方体形状に限らず、例えば円柱形状、五角形柱形状、六角形柱形状、八角形柱形状であってもよい。
かかる構成のマイクロ波導入機構６３では、メインアンプ６２Ｃで増幅されたマイクロ波は、本体容器６６の内周面と内側導体６７の外周面との間のマイクロ波伝送路６８を通って平面アンテナ７１に達する。そして、平面アンテナ７１のスロット７１ａからマイクロ波透過板７３を透過して処理容器２の内部空間に放射される。
チューナ６４は、スラグチューナを構成している。具体的には、図４に示したように、チューナ６４は、本体容器６６のアンテナ部６５よりも基端側（上端側）の部分に配置される２つのスラグ７４Ａ、７４Ｂを有している。更に、チューナ６４は、２つのスラグ７４Ａ、７４Ｂを動作させるアクチュエータ７５と、このアクチュエータ７５を制御するチューナコントローラ７６とを有している。
スラグ７４Ａ、７４Ｂは、板状且つ環状の形状を有し、本体容器６６の内周面と内側導体６７の外周面との間に配置されている。また、スラグ７４Ａ、７４Ｂは、誘電体材料によって形成されている。スラグ７４Ａ、７４Ｂを形成する誘電体材料としては、例えば、比誘電率が１０の高純度アルミナを用いることができる。高純度アルミナは、通常、スラグを形成する材料として用いられている石英（比誘電率３．８８）やテフロン（登録商標）（比誘電率２．０３）よりも比誘電率が大きいため、スラグ７４Ａ、７４Ｂの厚みを小さくすることができる。また、高純度アルミナは、石英やテフロン（登録商標）に比べて、誘電正接（ｔａｎδ）が小さく、マイクロ波の損失を小さくすることができるという特徴を有している。高純度アルミナは、更に、歪みが小さいという特徴と、熱に強いという特徴も有している。高純度アルミナとしては、純度９９．９％以上のアルミナ焼結体であることが好ましい。また、高純度アルミナとして、単結晶アルミナ（サファイア）を用いてもよい。
チューナ６４は、チューナコントローラ７６からの指令に基づいて、アクチュエータ７５によって、スラグ７４Ａ、７４Ｂを上下方向に移動させる。これにより、チューナ６４は、インピーダンスを調整する。例えば、チューナコントローラ７６は、終端部のインピーダンスが例えば５０Ωになるように、スラグ７４Ａ、７４Ｂの位置を調整する。
本実施形態では、メインアンプ６２Ｃ、チューナ６４および平面アンテナ７１は、互いに近接して配置されている。特に、チューナ６４および平面アンテナ７１は、集中定数回路を構成し、且つ共振器として機能する。平面アンテナ７１の取り付け部分には、インピーダンス不整合が存在する。本実施形態では、チューナ６４によって、プラズマを含めて高精度でチューニングすることができ、平面アンテナ７１における反射の影響を解消することができる。また、チューナ６４によって、平面アンテナ７１に至るまでのインピーダンス不整合を高精度で解消することができ、実質的に不整合部分をプラズマ空間とすることができる。これにより、チューナ６４によって、高精度のプラズマ制御が可能になる。
次に、図７を参照して、図１に示した処理容器２の天壁１１の底面について説明する。図７は、図１に示した処理容器２の天壁１１の底面の一例を示す図である。以下の説明では、マイクロ波透過板７３は円柱形状を有するものとする。
マイクロ波導入モジュール５は、複数のマイクロ波透過板７３を含んでいる。前述のように、マイクロ波透過板７３は、マイクロ波透過窓に対応する。複数のマイクロ波透過板７３は、マイクロ波導入モジュール５の導電性部材である天壁１１の複数の開口部に嵌合した状態で、載置台２１の載置面２１ａに平行な１つの仮想の平面上に配置されている。また、複数のマイクロ波透過板７３は、上記仮想の平面において、その中心点間の距離が互いに等しいか、ほぼ等しい３つのマイクロ波透過板７３を含んでいる。なお、中心点間の距離がほぼ等しいというのは、マイクロ波透過板７３の形状精度やアンテナモジュール６１（マイクロ波導入機構６３）の組み立て精度等の観点から、マイクロ波透過板７３の位置は、所望の位置からわずかにずれていてもよいことを意味する。
本実施形態では、複数のマイクロ波透過板７３は、六方最密配置になるように配置された７つのマイクロ波透過板７３からなるものである。具体的には、複数のマイクロ波透過板７３は、７つのマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｇを有する。そのうちの６つのマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆは、その中心点がそれぞれ正六角形の頂点に一致又はほぼ一致するように配置されている。１つのマイクロ波透過板７３Ｇは、その中心点が正六角形の中心に一致又はほぼ一致するように配置されている。なお、頂点又は中心点にほぼ一致するとは、マイクロ波透過板７３の形状精度やアンテナモジュール６１（マイクロ波導入機構６３）の組み立て精度等の観点からマイクロ波透過板７３の中心点は上記の頂点または中心からわずかにずれていてもよいことを意味する。
図７に示したように、マイクロ波透過板７３Ｇは、天壁１１における中央部分に配置されている。６つのマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆは、マイクロ波透過板７３Ｇを囲むように、天壁１１の中央部分よりも外側に配置されている。従って、マイクロ波透過板７３Ｇは、中心マイクロ波透過窓に対応し、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆは、外側マイクロ波透過窓に対応する。なお、本実施形態において、「天壁１１における中央部分」というのは、「天壁１１の平面形状における中央部分」を意味する。
本実施形態では、全てのマイクロ波透過板７３において、互いに隣接する任意の３つのマイクロ波透過板７３の中心点間の距離は、互いに等しいか、ほぼ等しくなる。ガスノズル１６３及びガスノズル１８３は、外側のマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｇと中心のマイクロ波透過板７３Ｇとの間にて周方向に配置される。
ここで、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｇの配置に示すように、マイクロ波導入機構６３のアンテナ部６５は、中心に１つ（マイクロ波透過板７３Ｇ参照）、外周部に６つ（マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆ参照）配置されている。このため、マイクロ波導入機構６３のアンテナ部６５の配置は、周方向に６回の対称性を有している。
また、図７に第１のガス供給部１６及び第３のガス供給部１８を示す。なお、図７において、天壁１１内に形成されるガス導入路１６１、ガス拡散空間１６２、ガス導入路１８１、ガス拡散空間１８２は、隠れ線（破線）で図示している。
図７に示す一例において、天壁１１の裏面には、周方向に計１２個のガスノズル１６３が等間隔に配置されている。ここで、ガス拡散空間１６２は、周方向に３分割されている。また、１つの円弧状のガス拡散空間１６２に対して、４個のガスノズル１６３が設けられている。このため、第１のガス供給部１６の流路構造の配置は、周方向に３回の対称性を有している。なお、ガス供給源３１から各ガス導入路１６１へのガス供給は、分割されたガス拡散空間１６２ごとにマスフローコントローラ（図示せず）が設けられており、ガス供給源３１から各ガス導入路１６１に供給するガス流量を個別に調整することができるように構成されていてもよい。また、ガス供給源３１から各ガス導入路１６１へのガス供給は、１つのマスフローコントローラ（図示せず）で流量制御されたガスを分岐して、各ガス導入路１６１に供給する構成であってもよい。
また、天壁１１の裏面には、周方向に計１２個のガスノズル１８３が等間隔に配置されている。なお、ガス拡散空間１８２は、周方向に分割されておらず、円環状に形成されている。また、円環状のガス拡散空間１８２に対して、１２個のガスノズル１８３が設けられている。なお、ガス拡散空間１８２に対して、３つのガス導入路１８１が設けられている。なお、ガス供給源３１から各ガス導入路１８１へのガス供給は、各ガス導入路１８１ごとにマスフローコントローラ（図示せず）が設けられており、ガス供給源３１から各ガス導入路１８１に供給するガス流量を個別に調整することができるように構成されていてもよい。また、ガス供給源３１から各ガス導入路１８１へのガス供給は、１つのマスフローコントローラ（図示せず）で流量制御されたガスを分岐して、各ガス導入路１８１に供給する構成であってもよい。
図８は、図１に示した処理容器２の側壁１２の水平断面の一例を示す図である。図８に示す一例において、側壁１２の内壁面には、周方向に計３０個のガスノズル１７３が等間隔に配置されている。ここで、ガス拡散空間１７２は、周方向に６分割されている。また、１つの円弧状のガス拡散空間１７２に対して、５個のガスノズル１７３が設けられている。このため、第２のガス供給部１７の流路構造の配置は、周方向に６回の対称性を有している。なお、ガス供給源３１から各ガス導入路１７１へのガス供給は、分割されたガス拡散空間１７２ごとにマスフローコントローラ（図示せず）が設けられており、ガス供給源３１から各ガス導入路１７１に供給するガス流量を個別に調整することができるように構成されていてもよい。また、ガス供給源３１から各ガス導入路１７１へのガス供給は、１つのマスフローコントローラ（図示せず）で流量制御されたガスを分岐して、各ガス導入路１７１に供給する構成であってもよい。
図９は、参考例における基板Ｗの内周部、中間部、外周部における周方向に対するＳｉＮ膜の膜厚の変化を示すグラフの一例である。ここでは、参考例として、周方向に配置される複数のガスノズル同士のコンダクタンスが等しいものとして、プラズマ処理装置１を用いて基板ＷにＳｉＮ膜を成膜したものとする。図９において、横軸は基板Ｗの周方向角度を示し、縦軸は膜厚を示す。また、半径１５０ｍｍの基板Ｗに対して、内周部（半径Ｒ＝４９ｍｍの円周上）の膜厚変動、中間部（半径Ｒ＝９８ｍｍの円周上）の膜厚変動、外周部（半径Ｒ＝１４７ｍｍの円周上）の膜厚変動を示す。
図９に示すように、基板Ｗの外周部において、６回の周期的な膜厚変動が表れている。これは、マイクロ波導入機構６３のアンテナ部６５の配置が周方向に６回の対称性を有していることにより、マイクロ波導入モジュール５によって生成されるプラズマも周方向に対して不均一性を有し、基板Ｗに成膜されたＳｉＮ膜の膜厚も不均一となる。
これに対し、本実施形態に係るプラズマ処理装置１は、各ガスノズル１６３，１７３，１８３ごとに、処理容器２内に供給するガス流量を調整する流量調整機構を有している。
図１０は、流量調整機構によるガス流量の調整の一例を示す模式図である。基板Ｗには、膜厚が厚くなる領域９０１と、膜厚が薄くなる領域９０２とが、周方向に交互に合られている。図１０に示す一例では、第２のガス供給部１７において、膜厚が厚い領域９０１へと向かうガスの流量を減らし（図１０において黒塗り矢印で示す。）、膜厚が薄い領域９０２へと向かうガスの流量を増やす（図１０において白抜き矢印で示す。）。即ち、図１０の例では、ガスノズル１７３Ａ，１７３Ｅにコンダクタンスの小さなガスノズルを用い、ガスノズル１７３Ｃにコンダクタンスの大きなガスノズルを用いる。即ち、ガスノズル１７３Ａ〜１７３Ｅから処理容器２内に供給されるガス流量を不均一にしてもよい。
これにより、マイクロ波導入機構６３のアンテナ部６５の配置に起因する膜厚の変動に対して、ガスノズル１７３Ａ〜１７３Ｅから処理容器２内に供給されるガス流量を調整することで、膜厚変動を抑制する。これにより、基板Ｗに形成されるＳｉＮ膜の膜厚の周方向における均一性を向上することができる。即ち、第２のガス供給部１７における周方向に複数配置されるガスノズル１７３のコンダクタンスの組み合わせを調整することで、基板Ｗに形成されるＳｉＮ膜の膜厚の周方向における均一性を向上することができる。
例えば、基板Ｗの外周側において、外側のマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆの下方に膜厚が薄くなる領域９０２が形成され、周方向に隣接するマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆ同士の間の下方に膜厚が厚くなる領域９０１が形成される。処理容器２を垂直方向視した際、外側のマイクロ波導入機構６３のアンテナ部６５（外側のマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆ）に向かってガスを噴出するガスノズル１７３Ｃの流量を、外側のマイクロ波導入機構６３のアンテナ部６５の間に向かってガスを噴出するガスノズル１７３Ａ，１７３Ｅの流量よりも大きくする。これにより、基板Ｗに形成されるＳｉＮ膜の膜厚の周方向における均一性を向上することができる。
より具体的には、ガスノズル１７３は、略円筒形状の処理容器２の側壁１２に沿うように等間隔で設けられているものとし、それぞれのガスノズル１７３のガス噴出方向は、基板Ｗの中心に向かう方向とする。処理容器２上方から載置台２１を見た（基板Ｗに平行な面に投影した）際、ガス噴出方向に外側のマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆのいずれかがが存在するガスノズル１７３のガス噴出量が、ガス噴出方向に外側のマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆが存在しないガスノズル１７３のガス噴出量よりも多くなるようにする。この様な構成により、外側のマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆの下方（膜厚が薄くなる領域９０２）に供給されるガスの流量を、外側のマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆ同士の間の下方（膜厚が厚くなる領域９０１）に供給されるガスの流量よりも多くすることができる。これにより、基板Ｗに形成されるＳｉＮ膜の膜厚の周方向における均一性を向上することができる。
図１１は、ガスの供給位置の違いによる基板Ｗの外周部に形成されるＳｉＮ膜の膜厚を示すグラフの一例である。横軸は周方向角度を示し、縦軸は規格化された膜厚を示す。グラフ８０１は第２のガス供給部１７からガスを供給して成膜した場合を示す。グラフ８０２は第１のガス供給部１６からガスを供給して成膜した場合を示す。グラフ８０３は第１のガス供給部１６及び第２のガス供給部１７の両方からガスを供給して成膜した場合を示す。
図１２は、ガスの供給位置の違いによる基板Ｗに形成されるＳｉＮ膜の膜厚を示すグラフである。横軸は基板Ｗの中心からの距離（径方向距離）を示し、縦軸は膜厚を示す。グラフ８０４は第２のガス供給部１７からガスを供給して成膜した場合を示す。グラフ８０５は第１のガス供給部１６からガスを供給して成膜した場合を示す。グラフ８０６は第１のガス供給部１６及び第２のガス供給部１７の両方からガスを供給して成膜した場合を示す。
図１１に示すように、第１のガス供給部１６及び第２のガス供給部１７からガスを供給することにより、周方向における膜厚の偏りを低減することができる。ここでは、均一性の指標であるRange/Average値（（最大値−最小値）／平均値）で、グラフ８０３はグラフ８０１，８０２と比較して６〜７割の改善が見られた。また、図１２に示すように、第１のガス供給部１６及び第２のガス供給部１７からガスを供給することにより、径方向における膜厚の偏りを低減することができる。
即ち、第２のガス供給部１７における周方向に複数配置されるガスノズル１７３のコンダクタンスの組み合わせと、第１のガス供給部１６における周方向に複数配置されるガスノズル１６３のコンダクタンスの組み合わせと、を調整することで、基板Ｗに形成されるＳｉＮ膜の膜厚の周方向及び径方向における均一性を向上することができる。
＜他の流量調整機構＞
なお、流量調整機構として、各ガスノズル１６３，１７３，１８３が交換可能に構成されているものとして説明したが、流量調整機構はこれに限られるものではない。
図１３は、他の流量調整機構の一例を示す模式図である。図１３に示すように、第１のガス供給部１６において、ガス拡散空間１６２とガスノズル１６３との間に可変オリフィス等の流量調整機構１６５を設けてもよい。また、図示は省略するが、第２のガス供給部１７において、ガス拡散空間１７２とガスノズル１７３との間に可変オリフィス等の流量調整機構を設けてもよい。
図１４は、更に他の流量調整機構の一例を示す模式図である。図１４に示すように、第１のガス供給部１６において、ガス拡散空間１６２に可変オリフィス等の流量調整機構１６６を設けてもよい。また、図示は省略するが、第２のガス供給部１７において、ガス拡散空間１７２に可変オリフィス等の流量調整機構を設けてもよい。
＜流量調整機構のガス流量調整方法＞
次に、流量調整機構のガス流量調整方法について、図１５を用いて説明する。図１５は、ガス流量調整方法を説明するフローチャートである。
ステップＳ１０１において、プラズマ処理装置１を用いて基板Ｗにプラズマ処理を施す。ここでは、プロセス条件に基づいて基板ＷにＳｉＮ膜を成膜する。プラズマ処理のプロセス条件の情報として、ガス種（プロセスガス、励起ガス等）、マスフローコントローラによるガス供給源３１から各ガス拡散空間１６２，１７２，１８２へのガス流量、圧力、温度（基板温度、処理容器２の壁面温度）、プラズマパワー（各アンテナユニット６０におけるマイクロ波出力）を含む。また、プラズマ処理を行った際のプラズマ処理装置１における流量調整機構の情報として、各ガスノズル１６３，１７３，１８３のノズル径、ノズルコンダクタンスを含む。なお、各ガスノズル１６３，１７３，１８３のノズル径は設計値を用いることができる。また、各ガスノズル１６３，１７３，１８３のコンダクタンスは予め測定されている。なお、流量調整機構が図１３または図１４に示す可変オリフィス等の流量調整機構１６５である場合、流量調整機構の情報として、各可変オリフィスのオリフィス径を含む。
ステップＳ１０２において、ステップＳ１０１のプラズマ処理のプロセス結果を測定する。ここでは、プロセス結果として、基板Ｗに成膜されたＳｉＮ膜の膜厚および／または屈折率を測定する。測定点は、基板Ｗの周方向及び径方向に複数設けられる。例えば、基板Ｗと同心の径の異なる複数の円上にそれぞれ複数の測定点が設けられてもよい。
ステップＳ１０３において、ステップＳ１０１におけるプラズマ処理のプロセス条件及び流量調整機構の情報、ステップＳ１０２におけるプロセス結果に基づいて、流量調整機構の調整内容を決定する。
図１６は、調整内容決定装置５００の一例を示すブロック図である。調整内容決定装置５００は、例えば、コンピュータ・サーバ等である。調整内容決定装置５００は、入力部５０１と、解析部５０２と、出力部５０３と、を備える。
入力部５０１には、入力情報として、ステップＳ１０１におけるプラズマ処理のプロセス条件及び流量調整機構の情報、ステップＳ１０２におけるプロセス結果が入力される。
解析部５０２は、入力部５０１で入力された入力情報に基づいて解析を行い、出力情報を出力する。出力情報には、プラズマ処理のプロセス条件及び流量調整機構の情報を含む。
解析部５０２は、膜厚が均一化するように、および／または、屈折率が均一化するように、出力情報を決定する。具体的には、解析部５０２は、基板Ｗの周方向のプロセス結果（膜厚および／または屈折率）が均一化するように、出力情報を決定する。
解析部５０２は、例えば、実験計画法に基づいて、出力情報を決定する構成であってもよい。
また、解析部５０２は、例えば、機械学習に基づいて、出力情報を決定する構成であってもよい。即ち、解析部５０２は、予め、プラズマ処理のプロセス条件及び流量調整機構の情報を入力データとし、プラズマ処理のプロセス結果を出力データとして、機械学習により学習済モデルを生成する。解析部５０２は、入力情報及び学習済モデルに基づいて、出力情報を決定する。
なお、解析部５０２は、入力情報に基づいて、出力情報を直接導出してもよい。また、解析部５０２は、入力情報に基づいて中間出力情報を導出し、中間出力情報に基づいて出力情報を算出してもよい。ここで、中間出力情報としては、基板Ｗの測定点におけるガスノズル（ノズル径、コンダクタンス）の感度係数（寄与度）としてもよい。ここで、測定点の数をＡとし、ガスノズル数をＢとすると、Ａ×Ｂ通りの感度係数を決定する。また、ノズル間に相互作用がある場合、Ａ×ＢＣ２通りの感度係数を決定する。なお、流量調整機構が図１３または図１４に示す可変オリフィス等の流量調整機構１６５である場合、中間出力情報としては、各流量調整機構１６５（可変オリフィス）の感度係数（寄与度）としてもよい。
出力部５０３は、出力情報を出力する。調整内容決定装置５００の出力情報は、ステップＳ１０４で用いられる。また、出力部５０３は、中間出力情報を出力してもよい。調整内容決定装置５００の中間出力情報は、物理考察や故障判断等に用いることができる。
図１５に戻り、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０３の結果に基づいて、流量調整機構を調整することにより、ガス流量を調整する。ここでは、ステップＳ１０３で求められた各ガスノズル１６３，１７３，１８３のノズル径、ノズルコンダクタンスとなるように、各ガスノズル１６３，１７３，１８３を交換する。なお、流量調整機構が図１３または図１４に示す可変オリフィス等の流量調整機構１６５である場合、各流量調整機構１６５のオリフィス径を調整する。
今回開示された一実施形態に係るプラズマ処理装置１は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
第１のガス供給部１６は、ガス拡散空間１６２が周方向に分割して形成されるものとして説明したが、これに限られるものではなく、円環状に形成されていてもよい。同様に、第２のガス供給部１７は、ガス拡散空間１７２が周方向に分割して形成されるものとして説明したが、これに限られるものではなく、円環状に形成されていてもよい。また、第３のガス供給部１８は、ガス拡散空間１８２が円環状に形成されるものとして説明したが、これに限られるものではなく、周方向に分割して形成されていてもよい。
Ｗ 基板
１ プラズマ処理装置
２ 処理容器
２１ 載置台
３ ガス供給機構
４ 排気装置
５ マイクロ波導入モジュール（プラズマ生成部）
８ 制御部
１６ ガス供給部
１６１ ガス導入路
１６２ ガス拡散空間
１６３ ガスノズル
１６４ ガス供給孔
１７ ガス供給部
１７１ ガス導入路
１７２ ガス拡散空間
１７３ ガスノズル
１７４ ガス供給孔
１８ ガス供給部
１８１ ガス導入路
１８２ ガス拡散空間
１８３ ガスノズル
１８４ ガス供給孔
５００ 調整内容決定装置
５０１ 入力部
５０２ 解析部
５０３ 出力部

Claims (15)

  1. 基板を載置する載置台を収容する処理容器と、
    前記処理容器にガスを供給するガス供給部と、
    前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成部と、を備え、
    前記ガス供給部は、
    周方向に配置される複数のガスノズルと、
    複数の前記ガスノズルの流量を調整する流量調整機構と、を有する、
    プラズマ処理装置。
  2. 前記プラズマ生成部は、
    マイクロ波を照射するアンテナを周方向に複数配置される、
    請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記ガス供給部は、
    前記処理容器の壁部に環状に配置され、前記ガスノズルと接続されるガス拡散空間を有し、
    複数の前記ガスノズルは、水平方向にガスを噴出する、
    請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記ガス供給部は、
    前記処理容器の天井部に環状に配置され、前記ガスノズルと接続されるガス拡散空間を有し、
    複数の前記ガスノズルは、垂直方向にガスを噴出する、
    請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記ガス拡散空間は、周方向に分割される、
    請求項３または請求項４に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記流量調整機構は、前記ガスノズルを交換可能に構成される、
    請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記流量調整機構は、前記ガス拡散空間と前記ガスノズルとの連通部に設けられるオリフィスである、
    請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記流量調整機構は、前記ガス拡散空間に設けられるオリフィスである、
    請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
  9. 基板を載置する載置台を収容する処理容器と、周方向に配置される複数のガスノズル、複数の前記ガスノズルの流量を調整する流量調整機構を有し、前記処理容器にガスを供給するガス供給部と、前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成部と、を備えるプラズマ処理装置のガス流量調整方法であって、
    前記基板にプラズマ処理を行う工程と、
    前記プラズマ処理のプロセス結果を測定する工程と、
    前記プラズマ処理のプロセス条件、前記プラズマ処理時の前記流量調整機構の情報、前記プロセス結果に基づいて、前記流量調整機構の調整内容を決定する工程と、
    前記決定に基づいて、前記流量調整機構を調整する工程と、を有する、
    プラズマ処理装置のガス流量調整方法。
  10. 前記流量調整機構を調整する工程は、前記ガスノズルを交換する、
    請求項９に記載のプラズマ処理装置のガス流量調整方法。
  11. 前記流量調整機構を調整する工程は、ガス拡散空間と前記ガスノズルとの連通部に設けられるオリフィスのオリフィス径を調整する、
    請求項９に記載のプラズマ処理装置のガス流量調整方法。
  12. 前記流量調整機構を調整する工程は、ガス拡散空間に設けられるオリフィスのオリフィス径を調整する、
    請求項９に記載のプラズマ処理装置のガス流量調整方法。
  13. 前記プラズマ処理は、成膜処理である、
    請求項９乃至請求項１２のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置のガス流量調整方法。
  14. 前記流量調整機構の調整内容を決定する工程は、実験計画法に基づいて、前記流量調整機構の調整内容を決定する、
    請求項９乃至請求項１３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置のガス流量調整方法。
  15. 前記流量調整機構の調整内容を決定する工程は、機械学習で生成された学習済モデルに基づいて、前記流量調整機構の調整内容を決定する、
    請求項９乃至請求項１４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置のガス流量調整方法。
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