JP3828539B2 - マイクロ波プラズマ処理装置、プラズマ処理方法及びマイクロ波放射部材 - Google Patents
マイクロ波プラズマ処理装置、プラズマ処理方法及びマイクロ波放射部材 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明はプラズマ処理装置に係り、特に、半導体ウェハ等の被処理基板に対してマイクロ波により生成したプラズマを作用させて処理を施すためのマイクロ波プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【従来の技術】
【０００３】
近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い、半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用されている。特に、マイクロ波を用いてプラズマを発生させるマイクロ波プラズマ処理装置は、０．１〜数１０ｍＴｏｒｒ程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズマを発生させることができる。このため、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いたマイクロ波プラズマ処理装置が注目されている。
【０００４】
マイクロ波プラズマ処理装置では、一般的に、真空引き可能になされた処理容器の天井部にマイクロ波を透過する誘電体板が設けられ、誘電体板の上に円板状の平坦なアンテナ部材（マイクロ波放射部材）が取り付けられている。アンテナ部材には多数の貫通孔（スロット）が形成されており、アンテナ部材にその中心から供給されて放射方向に伝播するマイクロ波を、スロットを介して処理容器内に導入する。処理容器内に導入されたマイクロ波により処理ガスのプラズマが生成され、処理容器内に載置された半導体ウェハにプラズマ処理が施される。
【０００５】
特許第２７２２０７０９号公報、及び特許第２９２８５７７号公報は、マイクロ波を処理容器に導入するためのアンテナ部材を有するマイクロ波プラズマ処理装置を開示している。これらの特許公報に開示されたアンテナ部材は、円形状であり、多数のスロット又はスロット対が複数の同心円に沿って形成されている。また、多数のスロット又はスロット対が螺旋状に配列されたアンテナ部材も開示されている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように円形のアンテナ部材の中央部分に供給されたマイクロ波は、放射方向に伝播してスロットにより直角に方向が変えられて誘電体板を透過して処理容器に導入される。この際、アンテナ部材とプラズマとの間（誘電体板）を放射方向に伝播する表面波は、誘電体板の外周面で反射され、中央部分に戻ってくる。ここで、アンテナ部材のスロットが複数の同心円に沿って配列されて形成されている場合、誘電体板の全周から反射された表面波がアンテナ部材の中央部分に相当する一点に集中する。よって、この表面波の電界は、アンテナ中央部分において大きく、周囲部分に向かって減少する。
【０００７】
図１は同心円状のスロットを有するアンテナ部材における表面波の伝播と、プラズマ空間における電子密度の分布を示す図である。図１（ａ）は誘電体板の表面波伝播をアンテナ部材に対応させて示し、図１（ｂ）はアンテナ部材の径方向におけるプラズマ空間の電子密度の分布を示すグラフである。図１（ｂ）に示すように、アンテナ部材の中央部分においてプラズマ空間の電子密度ｎｅは最大となり、アンテナ部材の周囲に向けて電子密度ｎｅは減少する。したがって、同心円状に配列されたスロットを有するアンテナ部材では、アンテナ部材の中央部分に相当するプラズマ濃度が周囲のプラズマ濃度に比べて高くなり、プラズマ密度が不均一となるといった問題がある。
【０００８】
本発明の総括的な目的は、上述の問題を解消した改良された有用なマイクロ波プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することである。
【０００９】
本発明のより具体的な目的は、アンテナ部材の径方向におけるプラズマ密度分布を均一にすることができるマイクロ波プラズマ処理装置、プラズマ処理方法及びアンテナ部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するために、本発明の一つの面によれば、被処理基体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、該被処理基体が載置される載置台が内部に設けられた処理容器と、マイクロ波を発生して処理容器に供給するマイクロ波発生器と、該マイクロ波発生器と処理容器との間に設けられ、マイクロ波を処理容器内の空間に放射するためのマイクロ波放射部材とを有し、マイクロ波放射部材は複数の円周における各円周に沿って配列された複数のスロットを有し、該複数の円周は互いに非同心円であるマイクロ波プラズマ処理装置が提供される。
【００１１】
上述の発明において、複数の円周の中心は、マイクロ波放射部材の中心に対して互いに異なる方向に偏心していてもよい。また、複数の円周の中心はマイクロ波放射部材の中心に対して互いに同一の方向に偏心しており、複数の円周の中心の偏心量はマイクロ波放射部材の外周に向かって大きくなることとしてもよい。さらに、スロットの一つとその一つのスロットに近接したスロットによりＴ字状に配列されたスロット対を構成し、該スロット対が複数の円周に沿って配列されることとしてもよい。
【００１２】
また、本発明の他の面によれば、被処理基体が載置される載置台が内部に設けられた処理容器と、マイクロ波を発生して処理容器に供給するマイクロ波発生器と、該マイクロ波発生器と処理容器との間に設けられ、マイクロ波を処理容器内の空間に放射するためのマイクロ波放射部材とを有し、マイクロ波放射部材は複数の円周における各円周に沿って配列された複数のスロットを有し、該複数の円周は互いに非同心円であるマイクロ波プラズマ処理装置を用いるプラズマ処理方法であって、被処理基体の処理面をマイクロ波放射部材に対向するように載置台に載置し、マイクロ波放射部材にマイクロ波を供給して、非同心円状に配列されたスロットからマイクロ波を処理容器内に導入し、導入したマイクロ波により処理容器内にプラズマを発生させ、発生したプラズマにより被処理基体にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法が提供される。
【００１３】
また、本発明の他の面によれば、プラズマ処理を施す処理容器と、マイクロ波を発生して処理容器に供給するマイクロ波発生器とを有するマイクロ波プラズマ処理装置に用いられるマイクロ波放射部材であって、該マイクロ波放射部材は、処理容器に取り付けられ且つマイクロ波発生器に接続され、互いに非同心円である複数の円周における各円周に沿って配列された複数のスロットを有し、該複数のスロットによりマイクロ波を処理容器に導入するマイクロ波放射部材が提供される。
【００１４】
上述の発明において、複数の円周の中心は、マイクロ波放射部材の中心に対して互いに異なる方向に偏心していてもよい。また、複数の円周の中心はマイクロ波放射部材の中心に対して互いに同一の方向に偏心しており、複数の円周の中心の偏心量はマイクロ波放射部材の外周に向かって大きくなることとしてもよい。さらに、スロットの一つとその一つのスロットに近接したスロットによりＴ字状に配列されたスロット対を構成し、該スロット対が複数の円周に沿って配列されることとしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
上述の発明によれば、マイクロ波放射部材の複数のスロットを、複数の非同心円状に配列することにより、発生するプラズマの密度を均一化することができる。複数の非同心円を異なる方向に偏心させることにより、マイクロ波放射部材の中央部分において高くなる電子密度下げることができ、プラズマ密度を均一化することができる。また、複数の非同心円を同方向に偏心させることにより、意図的に電子密度分布の偏りを発生させ、他の要因によるプラズマ密度の偏りと合成して補正することにより、プラズマ密度を均一化することができる。
【００１６】
本発明の他の目的、特徴及び利点は添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、一層明瞭となるであろう。
【発明の実施の形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。なお、図中同等の構成部品には同じ符号を付す。
【００１８】
図２は本発明の第１実施例によるアンテナ部材が設けられたマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。なお、図２に示すマイクロ波プラズマ処理装置は、プラズマＣＶＤ処理装置を例として示している。
【００１９】
図２に示すプラズマＣＶＤ装置２０は、全体が筒状に形成された処理容器２２を有している。処理容器２２はアルミニウム等の導体により構成され、内部に密閉された処理空間Ｓを画成する。
【００２０】
処理容器２２内には、上面に被処理体としての半導体ウェハＷを載置する載置台２４が収容される。載置台２４は、例えばアルマイト処理したアルミニウム等により中央部が凸状に平坦になされた略円柱状に形成されている。載置台２４の下部は、同じくアルミニウム等により円柱状に形成された支持台２６により支持される。支持台２６は、処理容器２２内の底部に絶縁材２８を介して設置されている。
【００２１】
設置台２４の上面には、半導体ウェハＷを保持するための静電チャックあるいはクランプ機構（図示せず）が設けられている。載置台２４は、給電線３０を介してマッチングボックス３２及びバイアス用高周波電源３４に接続されている。バイアス用高周波電源は、例えば１３．５６ＭＨの高周波を発生し供給するものであるが、必ずしも設ける必要はない。
【００２２】
載置台２４を支持する支持台２６には、プラズマ処理時のウェハＷを冷却するための冷却水が流れる冷却ジャケット３６が設けられる。なお、必要に応じて載置台２４中に加熱用ヒータを組み込んでもよい。
【００２３】
処理容器２２の側壁には、ガスの供給手段として、容器内にプラズマ用ガス、例えばアルゴンガスを供給する石英パイプ製のプラズマガス供給ノズル３８や処理ガス、例えば出ポジションガスを導入するための例えば石英パイプ製の処理ガス供給ノズル４０が設けられる。ノズル３８，４０はそれぞれのガス供給路４２，４４によりマスフローコントローラ４６，４８及び開閉弁５０，５２を介してそれぞれプラズマガス源５４及び処理ガス源５６に接続されている。処理ガスとしてのデポジションガスは、ＳｉＨ４，Ｏ２，Ｎ２ガス等を用いる。
【００２４】
また、処理容器２２の側壁の外周には、この内部に対してウェハＷを搬入・搬出するときに開閉するゲートバルブ５８が設けられる。また、処理容器２２の底部には、真空ポンプ（図示せず）に接続された排気口６０が設けられており、必要に応じて処理容器２２内を所定の圧力まで真空引きできるようになっている。そして、処理容器２２の天井部は開口されており、ここに窒化アルミニウムＡｌＮや酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３などのセラミック材や酸化ケイ素ＳｉＯ２よりなる誘電体板６２がシール部材６４を介して気密に設けられる。誘電体板６２の厚さは例えば２０ｍｍ程度であり、マイクロ波に対して透過性を有している。
【００２５】
誘電体板６２の上面には、円板状の平面アンテナ部材（マイクロ波放射部材）６６が設けられる。具体的には、この平面アンテナ部材６６は、処理容器２２と一体的に形成された中空円筒状容器よりなる導波箱６８の底板として構成される。平面アンテナ部材６６は処理容器２２内の載置台２４に対向して設けられる。導波箱６８の上部の中心には、同軸導波管７０の外導体７０Ａが接続され、内部の内導体７０Ｂは、アンテナ部材６６の中心部に接続される。そして、同軸導波管７０は、モード変換器７２及び導波管７４を介して例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生器７６に接続されており、平面アンテナ部材６６へマイクロ波を伝播するよう構成されている。マイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚに限定されることはなく、例えば８．３５ＧＨｚを用いてもよい。導波管としては、断面円形あるいは矩形の導波管や、同軸導波管を用いることができる。図２に示すマイクロ波プラズマ処理装置では、同軸導波管が用いられている。そして、導波箱６８内であって、平面アンテナ部材６６の上面には、例えばＡｌ２Ｏ３よりなる所定の誘電率と所定の厚みを有する遅波材８２を設けて、この波長短縮効果により、マイクロ波の管内波長を短くしている。なお、遅波材８２は必要に応じて設けることとしてもよい。
【００２６】
次に、本発明の第１実施例によるマイクロ波放射部材としての平面アンテナ部材６６について、図３を参照しながら詳述する。図３は平面アンテナ部材６６の平面図である。平面アンテナ部材６６は、８インチサイズのウェハ対応の場合は、例えば直径が３０〜４０ｃｍ、厚みが１〜数ｍｍの金属製円板よりなる。より具体的には、平面アンテナ部材６６は、表面が銀メッキされた銅板あるいはアルミ板等の金属板よりなる。
【００２７】
平面アンテナ部材６６には、その厚み方向に貫通し、平面形状が曲線よりなる多数のスロット８４が形成されている。図３に示すように、スロット８４の各々は細長い楕円状であり、３つの異なる円周Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に沿って配置されている。なお、スロット８４は円周Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の各々の全周にわたって設けられているが、図３では簡略化のためその一部のみを示している。ここで、円周Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の中心は、平面アンテナ部材６６の外形の中心からずれており（偏心しており）、その各々のずれ方向（偏心方向）は異なっている。
【００２８】
すなわち、内側の円周Ｐ１の中心が平面アンテナ６６の外形の中心からずれる方向に対して、中央の円周Ｐ２の中心が平面アンテナ６６の外形の中心からずれる方向は１２０度異なっている。また、中央の円周Ｐ２の中心が平面アンテナ６６の外形の中心からずれる方向に対して、外側の円周Ｐ３の中心が平面アンテナ６６の外形の中心からずれる方向は１２０度異なっている。このように、円周Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の中心は互いに異なった方向へとずれている。
【００２９】
このように、複数の非同心円に沿ってスロット８４を配列すると、誘電体板６２の表面を放射方向に伝播して外周面により反射された表面波は、平面アンテナ部材６６の中央部に向かって戻るが、平面アンテナ部材６６の中心一点に集中することはない。すなわち、円周Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３のずれ量に従ってある程度の大きさの範囲に戻ることとなる。したがって、本実施の形態による平面アンテナ部材６６のスロット８４の配置によれば、円周Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が同心円である場合に表面波が一点に集中することでプラズマ空間の電子密度に不均一性が発生していた従来の平面アンテナ部材に比べ、不均一性が改善され、プラズマ密度の分布をある程度均一にすることができる。
【００３０】
図４は本発明の第１実施例による平面アンテナ部材６６を用いた場合の電子密度ｎｅの分布を示すグラフであり、従来のスロットが同心円状に配列された場合の電子密度の分布を点線で示してある。図４からわかるように、本発明の第１実施例による非同心円状に配置されたスロットを有する平面アンテナ部材６６によれば、従来の同心円状に配列されたスロットの場合の電子密度の分布に比べて、平面アンテナ部材６６の中央部分に相当する領域の電子密度は低下し、周囲部分に相当する領域の電子密度は上昇している。したがって、本発明の第１実施例による平面アンテナ６６によれば、平面アンテナ部材６６の径方向（すなわち、ウェハＷの径方向）におけるプラズマ密度が従来と比べて均一化され、ウェハＷに対して均一なプラズマ処理を施すことができる。
【００３１】
図３に示す例では、スロット８４の平面形状は細長い楕円形としたが、これに限定されず、例えば図５Ａに示すような円形としてもよく、図５Ｂ示すような離心率の異なる楕円形状としてもよい。また、図５Ｃに示すように、長方形の一対の短辺を円弧状に形成してもよく、図５Ｄ，図５Ｅ，図５Ｆに示すように三角形、正方形又は長方形の各角部８４Ｂを曲線形状に形成してもよい。また、図示しないが、５角形以上の多角形の各角部を曲線形状に形成してもよい。
【００３２】
以上の場合には、スロット８４の平面形状において電界の集中が生じ易い角部が含まれていないので、異常放電を抑制して大電力を投入することができるという効果を発揮することもできる。
【００３３】
また、図３に示すスロット８４は、円周接線方向に延在するよう配置されているが、円周の接線方向に対して例えば４５度のように所定の角度を持って配置することとしてもよい。
【００３４】
また、Ｔ字状に配置した一対のスロットを非同心円状に配列することとしてもよい。図６に示す平面アンテナ部材６６Ａでは、４対の円周（図中一点鎖線で示す）に沿ってＴ字型に配置したスロット９２Ａ及び９２Ｂよりなるスロット対９２が配列されている。なお、図６中、一点鎖線で示す円周のうち、互いに近接した２つの円周が対をなし、対をなす円周は同心円である。この一対の円周上に配置されたスロット９２Ａ及びスロット９２Ｂによりスロット対９２が構成される。
【００３５】
ここで、４対の円周は、互いにずれ方向（偏心方向）が９０度異なっている。すなわち、最内周の円周の対の中心は平面辺アンテナ部材６６Ａの外形の中心Ｏから下方にずれており、その外側の円周の対の中心は平面辺アンテナ部材６６Ａの外形の中心Ｏから図中左側にずれている。また、その外側の円周の対の中心は平面辺アンテナ部材６６Ａの外形の中心Ｏに対して上方にずれている。さらに、最外周の円周の対の中心は平面辺アンテナ部材６６Ａの外形の中心Ｏに対して右側にずれている。したがって、図３に示す平面アンテナ６６と同様に、平面アンテナ部材の側面にて反射された表面波が平面アンテナ６６の中心一点に集中することはなく、中心部分においてプラズマ密度が大きくなることが抑制される。
【００３６】
ここで、スロット９２Ａの長手方向とスロット９２Ｂの長手方向とは互いに直交しており、スロット９２Ｂの一端は、スロット９２Ａの長手方向の中央に近接している。また、スロット９２Ａの長手方向は、スロット９２Ａの中央部分とスロット９２Ａが配列された円周の中心とを結ぶ線に対して約４５度に傾斜しており、同様に、スロット９２Ｂの長手方向は、スロット９２Ｂ中央部分とスロット９２Ｂが配列された円周の中心とを結ぶ線に対して約４５度に傾斜している。このようなＴ字型のスロット対９２によれば、放射方向に伝播してくるマイクロ波を効率よく円偏波の電界に変換することができ、一様なプラズマを効率よく発生することができる。
【００３７】
次に、本発明の第２実施例について図７を参照しながら説明する。図７は本発明の第２の実施例による平面アンテナ部材６６Ｂの平面図である。
【００３８】
ここで、図２に示すように、プラズマ処理装置内のウェハＷに対して側方からプラズマ用ガスを供給した場合、プラズマ空間の電子密度に図８に示すような偏りが生じる。すなわち、プラズマ用ガスが供給される方向の上流側での電子密度が低くなり、下流側の電子密度が高くなる。したがってプラズマ密度が不均一となってしまう。
【００３９】
本発明の第２実施例による平面アンテナ部材６６Ｂは、スロットの配列を考慮することにより上述の問題を解決するものである。すなわち、スロットの配列に偏りを持たせることにより意図的にマイクロ波放射分布に偏りを持たせ、プラズマ用ガスの供給方法に起因するプラズマ密度分布の偏りを、平面アンテナ部材によるマイクロ波放射の偏りにより補正するものである。
【００４０】
図７に示す平面アンテナ部材６６Ｂは、図６に示す平面アンテナ部材６６Ａと同様なＴ字状のスロット対９２を有しており、配列される円周の対の中心は平面アンテナ部材６６Ｂの中心Ｏに対してずれている。ただし、平面アンテナ部材６６Ｂでは、４対の円周の中心は全て同じ方向にずれている。図７では、最も内側の円周の対の中心は、平面アンテナ部材６６Ｂの中心と一致しているが、その外側の円周の対の中心は全て左側にずれており、そのずれ量も外周側にいくほど大きくなっている。
【００４１】
したがって、図７に示す平面アンテナ部材６６Ｂでは、右側部分においてスロット対９２の密度が大きくなり、左側部分において小さくなる。これにより、放射されるマイクロ波電界強度は、平面アンテナ部材６６Ｂの右側部分（スロット密度の大きい部分）において大きくなり、平面アンテナ部材６６Ｂの左側部分（スロット密度の小さい部分）において小さくなる。
【００４２】
そこで、図９に示すように非同心円状のスロット配置のアンテナ部材を用いた場合、プラズマ用ガスの供給方法に起因して電子密度が小さくなる部分に対して、平面アンテナ部材のスロットの配列によりマイクロ波放射強度が大きくなる部分を対応させることにより、電子密度の偏りを補正することができる。
【００４３】
以上のように、本実施の形態においても、非同心円である複数の円周状にスロットを配置する構成の平面アンテナ部材において、各々の円周のずれ方向を一致させることにより、電子密度の偏りを意図的に発生させ、他の原因で生じる電子密度の偏りを補正することができ、均一なプラズマ密度を達成することができる。
【００４４】
なお、本発明の第２実施例においても、第１実施例と同様に、スロット対ではなく単独のスロットを用いて、その平面形状を図５Ａ〜５Ｆに示すような種々の平面形状としてもよい。
【００４５】
本発明は上述の具体的に開示された実施例に限定されることなく、本発明の範囲内で様々な変形例及び改良例を成すことができる。
【発明の効果】
【００４６】
上述の如く、本発明によれば、マイクロ波放射部材の複数のスロットを、複数の非同心円状に配列することにより、発生するプラズマの密度を均一化することができる。複数の非同心円を異なる方向に偏心させることにより、マイクロ波放射部材の中央部分において高くなる電子密度下げることができ、プラズマ密度を均一化することができる。また、複数の非同心円を同方向に偏心させることにより、意図的に電子密度分布の偏りを発生させ、他の要因によるプラズマ密度の偏りと合成して補正することにより、プラズマ密度を均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】同心円状のスロットを有するアンテナ部材における誘電体板中の表面波の伝播と、プラズマ空間における電子密度の分布を示す図である。
【図２】本発明の第１実施例によるアンテナ部材が設けられたマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】図２に示す平面アンテナ部材の平面図である。
【図４】本発明の第１実施例による平面アンテナ部材を用いた場合の電子密度の分布を示すグラフである。
【図５】スロットの平面形状を示す図である。
【図６】Ｔ字状スロット対を用いた平面アンテナ部材の平面図である。
【図７】本発明の第２実施例による平面アンテナ部材の平面図である。
【図８】図７に示す平面アンテナ部材により生じる電子密度の分布を示すグラフである。
【図９】図７に示す平面アンテナ部材により電子密度の偏りを補正する構成を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
２０ プラズマＣＶＤ装置
２２ 処理容器
２４ 載置台
２６ 支持台
６６，６６Ａ 平面アンテナ部材
６８ 導波箱
７０ 同軸導波管
７６ マイクロ波発生器
８４，９２Ａ，９２Ｂ スロット
９２ スロット対
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明はプラズマ処理装置に係り、特に、半導体ウェハ等の被処理基板に対してマイクロ波により生成したプラズマを作用させて処理を施すためのマイクロ波プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【従来の技術】
【０００３】
近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い、半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用されている。特に、マイクロ波を用いてプラズマを発生させるマイクロ波プラズマ処理装置は、０．１〜数１０ｍＴｏｒｒ程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズマを発生させることができる。このため、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いたマイクロ波プラズマ処理装置が注目されている。
【０００４】
マイクロ波プラズマ処理装置では、一般的に、真空引き可能になされた処理容器の天井部にマイクロ波を透過する誘電体板が設けられ、誘電体板の上に円板状の平坦なアンテナ部材（マイクロ波放射部材）が取り付けられている。アンテナ部材には多数の貫通孔（スロット）が形成されており、アンテナ部材にその中心から供給されて放射方向に伝播するマイクロ波を、スロットを介して処理容器内に導入する。処理容器内に導入されたマイクロ波により処理ガスのプラズマが生成され、処理容器内に載置された半導体ウェハにプラズマ処理が施される。
【０００５】
特許第２７２２０７０９号公報、及び特許第２９２８５７７号公報は、マイクロ波を処理容器に導入するためのアンテナ部材を有するマイクロ波プラズマ処理装置を開示している。これらの特許公報に開示されたアンテナ部材は、円形状であり、多数のスロット又はスロット対が複数の同心円に沿って形成されている。また、多数のスロット又はスロット対が螺旋状に配列されたアンテナ部材も開示されている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように円形のアンテナ部材の中央部分に供給されたマイクロ波は、放射方向に伝播してスロットにより直角に方向が変えられて誘電体板を透過して処理容器に導入される。この際、アンテナ部材とプラズマとの間（誘電体板）を放射方向に伝播する表面波は、誘電体板の外周面で反射され、中央部分に戻ってくる。ここで、アンテナ部材のスロットが複数の同心円に沿って配列されて形成されている場合、誘電体板の全周から反射された表面波がアンテナ部材の中央部分に相当する一点に集中する。よって、この表面波の電界は、アンテナ中央部分において大きく、周囲部分に向かって減少する。
【０００７】
図１は同心円状のスロットを有するアンテナ部材における表面波の伝播と、プラズマ空間における電子密度の分布を示す図である。図１（ａ）は誘電体板の表面波伝播をアンテナ部材に対応させて示し、図１（ｂ）はアンテナ部材の径方向におけるプラズマ空間の電子密度の分布を示すグラフである。図１（ｂ）に示すように、アンテナ部材の中央部分においてプラズマ空間の電子密度ｎｅは最大となり、アンテナ部材の周囲に向けて電子密度ｎｅは減少する。したがって、同心円状に配列されたスロットを有するアンテナ部材では、アンテナ部材の中央部分に相当するプラズマ濃度が周囲のプラズマ濃度に比べて高くなり、プラズマ密度が不均一となるといった問題がある。
【０００８】
本発明の総括的な目的は、上述の問題を解消した改良された有用なマイクロ波プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することである。
【０００９】
本発明のより具体的な目的は、アンテナ部材の径方向におけるプラズマ密度分布を均一にすることができるマイクロ波プラズマ処理装置、プラズマ処理方法及びアンテナ部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するために、本発明の一つの面によれば、被処理基体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、該被処理基体が載置される載置台が内部に設けられた処理容器と、マイクロ波を発生して処理容器に供給するマイクロ波発生器と、該マイクロ波発生器と処理容器との間に設けられ、マイクロ波を処理容器内の空間に放射するためのマイクロ波放射部材とを有し、マイクロ波放射部材は複数の円周における各円周に沿って配列された複数のスロットを有し、該複数の円周は互いに非同心円であるマイクロ波プラズマ処理装置が提供される。
【００１１】
上述の発明において、複数の円周の中心は、マイクロ波放射部材の中心に対して互いに異なる方向に偏心していてもよい。また、複数の円周の中心はマイクロ波放射部材の中心に対して互いに同一の方向に偏心しており、複数の円周の中心の偏心量はマイクロ波放射部材の外周に向かって大きくなることとしてもよい。さらに、スロットの一つとその一つのスロットに近接したスロットによりＴ字状に配列されたスロット対を構成し、該スロット対が複数の円周に沿って配列されることとしてもよい。
【００１２】
また、本発明の他の面によれば、被処理基体が載置される載置台が内部に設けられた処理容器と、マイクロ波を発生して処理容器に供給するマイクロ波発生器と、該マイクロ波発生器と処理容器との間に設けられ、マイクロ波を処理容器内の空間に放射するためのマイクロ波放射部材とを有し、マイクロ波放射部材は複数の円周における各円周に沿って配列された複数のスロットを有し、該複数の円周は互いに非同心円であるマイクロ波プラズマ処理装置を用いるプラズマ処理方法であって、被処理基体の処理面をマイクロ波放射部材に対向するように載置台に載置し、マイクロ波放射部材にマイクロ波を供給して、非同心円状に配列されたスロットからマイクロ波を処理容器内に導入し、導入したマイクロ波により処理容器内にプラズマを発生させ、発生したプラズマにより被処理基体にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法が提供される。
【００１３】
また、本発明の他の面によれば、プラズマ処理を施す処理容器と、マイクロ波を発生して処理容器に供給するマイクロ波発生器とを有するマイクロ波プラズマ処理装置に用いられるマイクロ波放射部材であって、該マイクロ波放射部材は、処理容器に取り付けられ且つマイクロ波発生器に接続され、互いに非同心円である複数の円周における各円周に沿って配列された複数のスロットを有し、該複数のスロットによりマイクロ波を処理容器に導入するマイクロ波放射部材が提供される。
【００１４】
上述の発明において、複数の円周の中心は、マイクロ波放射部材の中心に対して互いに異なる方向に偏心していてもよい。また、複数の円周の中心はマイクロ波放射部材の中心に対して互いに同一の方向に偏心しており、複数の円周の中心の偏心量はマイクロ波放射部材の外周に向かって大きくなることとしてもよい。さらに、スロットの一つとその一つのスロットに近接したスロットによりＴ字状に配列されたスロット対を構成し、該スロット対が複数の円周に沿って配列されることとしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
上述の発明によれば、マイクロ波放射部材の複数のスロットを、複数の非同心円状に配列することにより、発生するプラズマの密度を均一化することができる。複数の非同心円を異なる方向に偏心させることにより、マイクロ波放射部材の中央部分において高くなる電子密度下げることができ、プラズマ密度を均一化することができる。また、複数の非同心円を同方向に偏心させることにより、意図的に電子密度分布の偏りを発生させ、他の要因によるプラズマ密度の偏りと合成して補正することにより、プラズマ密度を均一化することができる。
【００１６】
本発明の他の目的、特徴及び利点は添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、一層明瞭となるであろう。
【発明の実施の形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。なお、図中同等の構成部品には同じ符号を付す。
【００１８】
図２は本発明の第１実施例によるアンテナ部材が設けられたマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。なお、図２に示すマイクロ波プラズマ処理装置は、プラズマＣＶＤ処理装置を例として示している。
【００１９】
図２に示すプラズマＣＶＤ装置２０は、全体が筒状に形成された処理容器２２を有している。処理容器２２はアルミニウム等の導体により構成され、内部に密閉された処理空間Ｓを画成する。
【００２０】
処理容器２２内には、上面に被処理体としての半導体ウェハＷを載置する載置台２４が収容される。載置台２４は、例えばアルマイト処理したアルミニウム等により中央部が凸状に平坦になされた略円柱状に形成されている。載置台２４の下部は、同じくアルミニウム等により円柱状に形成された支持台２６により支持される。支持台２６は、処理容器２２内の底部に絶縁材２８を介して設置されている。
【００２１】
設置台２４の上面には、半導体ウェハＷを保持するための静電チャックあるいはクランプ機構（図示せず）が設けられている。載置台２４は、給電線３０を介してマッチングボックス３２及びバイアス用高周波電源３４に接続されている。バイアス用高周波電源は、例えば１３．５６ＭＨの高周波を発生し供給するものであるが、必ずしも設ける必要はない。
【００２２】
載置台２４を支持する支持台２６には、プラズマ処理時のウェハＷを冷却するための冷却水が流れる冷却ジャケット３６が設けられる。なお、必要に応じて載置台２４中に加熱用ヒータを組み込んでもよい。
【００２３】
処理容器２２の側壁には、ガスの供給手段として、容器内にプラズマ用ガス、例えばアルゴンガスを供給する石英パイプ製のプラズマガス供給ノズル３８や処理ガス、例えば出ポジションガスを導入するための例えば石英パイプ製の処理ガス供給ノズル４０が設けられる。ノズル３８，４０はそれぞれのガス供給路４２，４４によりマスフローコントローラ４６，４８及び開閉弁５０，５２を介してそれぞれプラズマガス源５４及び処理ガス源５６に接続されている。処理ガスとしてのデポジションガスは、ＳｉＨ４，Ｏ２，Ｎ２ガス等を用いる。
【００２４】
また、処理容器２２の側壁の外周には、この内部に対してウェハＷを搬入・搬出するときに開閉するゲートバルブ５８が設けられる。また、処理容器２２の底部には、真空ポンプ（図示せず）に接続された排気口６０が設けられており、必要に応じて処理容器２２内を所定の圧力まで真空引きできるようになっている。そして、処理容器２２の天井部は開口されており、ここに窒化アルミニウムＡｌＮや酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３などのセラミック材や酸化ケイ素ＳｉＯ２よりなる誘電体板６２がシール部材６４を介して気密に設けられる。誘電体板６２の厚さは例えば２０ｍｍ程度であり、マイクロ波に対して透過性を有している。
【００２５】
誘電体板６２の上面には、円板状の平面アンテナ部材（マイクロ波放射部材）６６が設けられる。具体的には、この平面アンテナ部材６６は、処理容器２２と一体的に形成された中空円筒状容器よりなる導波箱６８の底板として構成される。平面アンテナ部材６６は処理容器２２内の載置台２４に対向して設けられる。導波箱６８の上部の中心には、同軸導波管７０の外導体７０Ａが接続され、内部の内導体７０Ｂは、アンテナ部材６６の中心部に接続される。そして、同軸導波管７０は、モード変換器７２及び導波管７４を介して例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生器７６に接続されており、平面アンテナ部材６６へマイクロ波を伝播するよう構成されている。マイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚに限定されることはなく、例えば８．３５ＧＨｚを用いてもよい。導波管としては、断面円形あるいは矩形の導波管や、同軸導波管を用いることができる。図２に示すマイクロ波プラズマ処理装置では、同軸導波管が用いられている。そして、導波箱６８内であって、平面アンテナ部材６６の上面には、例えばＡｌ２Ｏ３よりなる所定の誘電率と所定の厚みを有する遅波材８２を設けて、この波長短縮効果により、マイクロ波の管内波長を短くしている。なお、遅波材８２は必要に応じて設けることとしてもよい。
【００２６】
次に、本発明の第１実施例によるマイクロ波放射部材としての平面アンテナ部材６６について、図３を参照しながら詳述する。図３は平面アンテナ部材６６の平面図である。平面アンテナ部材６６は、８インチサイズのウェハ対応の場合は、例えば直径が３０〜４０ｃｍ、厚みが１〜数ｍｍの金属製円板よりなる。より具体的には、平面アンテナ部材６６は、表面が銀メッキされた銅板あるいはアルミ板等の金属板よりなる。
【００２７】
平面アンテナ部材６６には、その厚み方向に貫通し、平面形状が曲線よりなる多数のスロット８４が形成されている。図３に示すように、スロット８４の各々は細長い楕円状であり、３つの異なる円周Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に沿って配置されている。なお、スロット８４は円周Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の各々の全周にわたって設けられているが、図３では簡略化のためその一部のみを示している。ここで、円周Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の中心は、平面アンテナ部材６６の外形の中心からずれており（偏心しており）、その各々のずれ方向（偏心方向）は異なっている。
【００２８】
すなわち、内側の円周Ｐ１の中心が平面アンテナ６６の外形の中心からずれる方向に対して、中央の円周Ｐ２の中心が平面アンテナ６６の外形の中心からずれる方向は１２０度異なっている。また、中央の円周Ｐ２の中心が平面アンテナ６６の外形の中心からずれる方向に対して、外側の円周Ｐ３の中心が平面アンテナ６６の外形の中心からずれる方向は１２０度異なっている。このように、円周Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の中心は互いに異なった方向へとずれている。
【００２９】
このように、複数の非同心円に沿ってスロット８４を配列すると、誘電体板６２の表面を放射方向に伝播して外周面により反射された表面波は、平面アンテナ部材６６の中央部に向かって戻るが、平面アンテナ部材６６の中心一点に集中することはない。すなわち、円周Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３のずれ量に従ってある程度の大きさの範囲に戻ることとなる。したがって、本実施の形態による平面アンテナ部材６６のスロット８４の配置によれば、円周Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が同心円である場合に表面波が一点に集中することでプラズマ空間の電子密度に不均一性が発生していた従来の平面アンテナ部材に比べ、不均一性が改善され、プラズマ密度の分布をある程度均一にすることができる。
【００３０】
図４は本発明の第１実施例による平面アンテナ部材６６を用いた場合の電子密度ｎｅの分布を示すグラフであり、従来のスロットが同心円状に配列された場合の電子密度の分布を点線で示してある。図４からわかるように、本発明の第１実施例による非同心円状に配置されたスロットを有する平面アンテナ部材６６によれば、従来の同心円状に配列されたスロットの場合の電子密度の分布に比べて、平面アンテナ部材６６の中央部分に相当する領域の電子密度は低下し、周囲部分に相当する領域の電子密度は上昇している。したがって、本発明の第１実施例による平面アンテナ６６によれば、平面アンテナ部材６６の径方向（すなわち、ウェハＷの径方向）におけるプラズマ密度が従来と比べて均一化され、ウェハＷに対して均一なプラズマ処理を施すことができる。
【００３１】
図３に示す例では、スロット８４の平面形状は細長い楕円形としたが、これに限定されず、例えば図５Ａに示すような円形としてもよく、図５Ｂ示すような離心率の異なる楕円形状としてもよい。また、図５Ｃに示すように、長方形の一対の短辺を円弧状に形成してもよく、図５Ｄ，図５Ｅ，図５Ｆに示すように三角形、正方形又は長方形の各角部８４Ｂを曲線形状に形成してもよい。また、図示しないが、５角形以上の多角形の各角部を曲線形状に形成してもよい。
【００３２】
以上の場合には、スロット８４の平面形状において電界の集中が生じ易い角部が含まれていないので、異常放電を抑制して大電力を投入することができるという効果を発揮することもできる。
【００３３】
また、図３に示すスロット８４は、円周接線方向に延在するよう配置されているが、円周の接線方向に対して例えば４５度のように所定の角度を持って配置することとしてもよい。
【００３４】
また、Ｔ字状に配置した一対のスロットを非同心円状に配列することとしてもよい。図６に示す平面アンテナ部材６６Ａでは、４対の円周（図中一点鎖線で示す）に沿ってＴ字型に配置したスロット９２Ａ及び９２Ｂよりなるスロット対９２が配列されている。なお、図６中、一点鎖線で示す円周のうち、互いに近接した２つの円周が対をなし、対をなす円周は同心円である。この一対の円周上に配置されたスロット９２Ａ及びスロット９２Ｂによりスロット対９２が構成される。
【００３５】
ここで、４対の円周は、互いにずれ方向（偏心方向）が９０度異なっている。すなわち、最内周の円周の対の中心は平面辺アンテナ部材６６Ａの外形の中心Ｏから下方にずれており、その外側の円周の対の中心は平面辺アンテナ部材６６Ａの外形の中心Ｏから図中左側にずれている。また、その外側の円周の対の中心は平面辺アンテナ部材６６Ａの外形の中心Ｏに対して上方にずれている。さらに、最外周の円周の対の中心は平面辺アンテナ部材６６Ａの外形の中心Ｏに対して右側にずれている。したがって、図３に示す平面アンテナ６６と同様に、平面アンテナ部材の側面にて反射された表面波が平面アンテナ６６の中心一点に集中することはなく、中心部分においてプラズマ密度が大きくなることが抑制される。
【００３６】
ここで、スロット９２Ａの長手方向とスロット９２Ｂの長手方向とは互いに直交しており、スロット９２Ｂの一端は、スロット９２Ａの長手方向の中央に近接している。また、スロット９２Ａの長手方向は、スロット９２Ａの中央部分とスロット９２Ａが配列された円周の中心とを結ぶ線に対して約４５度に傾斜しており、同様に、スロット９２Ｂの長手方向は、スロット９２Ｂ中央部分とスロット９２Ｂが配列された円周の中心とを結ぶ線に対して約４５度に傾斜している。このようなＴ字型のスロット対９２によれば、放射方向に伝播してくるマイクロ波を効率よく円偏波の電界に変換することができ、一様なプラズマを効率よく発生することができる。
【００３７】
次に、本発明の第２実施例について図７を参照しながら説明する。図７は本発明の第２の実施例による平面アンテナ部材６６Ｂの平面図である。
【００３８】
ここで、図２に示すように、プラズマ処理装置内のウェハＷに対して側方からプラズマ用ガスを供給した場合、プラズマ空間の電子密度に図８に示すような偏りが生じる。すなわち、プラズマ用ガスが供給される方向の上流側での電子密度が低くなり、下流側の電子密度が高くなる。したがってプラズマ密度が不均一となってしまう。
【００３９】
本発明の第２実施例による平面アンテナ部材６６Ｂは、スロットの配列を考慮することにより上述の問題を解決するものである。すなわち、スロットの配列に偏りを持たせることにより意図的にマイクロ波放射分布に偏りを持たせ、プラズマ用ガスの供給方法に起因するプラズマ密度分布の偏りを、平面アンテナ部材によるマイクロ波放射の偏りにより補正するものである。
【００４０】
図７に示す平面アンテナ部材６６Ｂは、図６に示す平面アンテナ部材６６Ａと同様なＴ字状のスロット対９２を有しており、配列される円周の対の中心は平面アンテナ部材６６Ｂの中心Ｏに対してずれている。ただし、平面アンテナ部材６６Ｂでは、４対の円周の中心は全て同じ方向にずれている。図７では、最も内側の円周の対の中心は、平面アンテナ部材６６Ｂの中心と一致しているが、その外側の円周の対の中心は全て左側にずれており、そのずれ量も外周側にいくほど大きくなっている。
【００４１】
したがって、図７に示す平面アンテナ部材６６Ｂでは、右側部分においてスロット対９２の密度が大きくなり、左側部分において小さくなる。これにより、放射されるマイクロ波電界強度は、平面アンテナ部材６６Ｂの右側部分（スロット密度の大きい部分）において大きくなり、平面アンテナ部材６６Ｂの左側部分（スロット密度の小さい部分）において小さくなる。
【００４２】
そこで、図９に示すように非同心円状のスロット配置のアンテナ部材を用いた場合、プラズマ用ガスの供給方法に起因して電子密度が小さくなる部分に対して、平面アンテナ部材のスロットの配列によりマイクロ波放射強度が大きくなる部分を対応させることにより、電子密度の偏りを補正することができる。
【００４３】
以上のように、本実施の形態においても、非同心円である複数の円周状にスロットを配置する構成の平面アンテナ部材において、各々の円周のずれ方向を一致させることにより、電子密度の偏りを意図的に発生させ、他の原因で生じる電子密度の偏りを補正することができ、均一なプラズマ密度を達成することができる。
【００４４】
なお、本発明の第２実施例においても、第１実施例と同様に、スロット対ではなく単独のスロットを用いて、その平面形状を図５Ａ〜５Ｆに示すような種々の平面形状としてもよい。
【００４５】
本発明は上述の具体的に開示された実施例に限定されることなく、本発明の範囲内で様々な変形例及び改良例を成すことができる。
【発明の効果】
【００４６】
上述の如く、本発明によれば、マイクロ波放射部材の複数のスロットを、複数の非同心円状に配列することにより、発生するプラズマの密度を均一化することができる。複数の非同心円を異なる方向に偏心させることにより、マイクロ波放射部材の中央部分において高くなる電子密度下げることができ、プラズマ密度を均一化することができる。また、複数の非同心円を同方向に偏心させることにより、意図的に電子密度分布の偏りを発生させ、他の要因によるプラズマ密度の偏りと合成して補正することにより、プラズマ密度を均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】同心円状のスロットを有するアンテナ部材における誘電体板中の表面波の伝播と、プラズマ空間における電子密度の分布を示す図である。
【図２】本発明の第１実施例によるアンテナ部材が設けられたマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】図２に示す平面アンテナ部材の平面図である。
【図４】本発明の第１実施例による平面アンテナ部材を用いた場合の電子密度の分布を示すグラフである。
【図５】スロットの平面形状を示す図である。
【図６】Ｔ字状スロット対を用いた平面アンテナ部材の平面図である。
【図７】本発明の第２実施例による平面アンテナ部材の平面図である。
【図８】図７に示す平面アンテナ部材により生じる電子密度の分布を示すグラフである。
【図９】図７に示す平面アンテナ部材により電子密度の偏りを補正する構成を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
２０ プラズマＣＶＤ装置
２２ 処理容器
２４ 載置台
２６ 支持台
６６，６６Ａ 平面アンテナ部材
６８ 導波箱
７０ 同軸導波管
７６ マイクロ波発生器
８４，９２Ａ，９２Ｂ スロット
９２ スロット対
Claims (9)
- 被処理基体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、
該被処理基体が載置される載置台が内部に設けられた処理容器と、
マイクロ波を発生して前記処理容器に供給するマイクロ波発生器と
該マイクロ波発生器と前記処理容器との間に設けられ、マイクロ波を前記処理容器内の空間に放射するためのマイクロ波放射部材と
を有し、
前記マイクロ波放射部材は複数の円周における各円周に沿って配列された複数のスロットを有し、該複数の円周は互いに非同心円であることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記複数の円周の中心は、前記マイクロ波放射部材の中心に対して互いに異なる方向に偏心しているマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記複数の円周の中心は前記マイクロ波放射部材の中心に対して互いに同一の方向に偏心しており、前記複数の円周の中心の偏心量は前記マイクロ波放射部材の外周に向かって大きくなるマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記スロットの一つとその一つのスロットに近接したスロットによりＴ字状に配列されたスロット対を構成し、該スロット対が前記複数の円周に沿って配列されるマイクロ波プラズマ処理装置。 - 被処理基体が載置される載置台が内部に設けられた処理容器と、マイクロ波を発生して前記処理容器に供給するマイクロ波発生器と、該マイクロ波発生器と前記処理容器との間に設けられ、マイクロ波を前記処理容器内の空間に放射するためのマイクロ波放射部材とを有し、前記マイクロ波放射部材は複数の円周における各円周に沿って配列された複数のスロットを有し、該複数の円周は互いに非同心円であるマイクロ波プラズマ処理装置を用いるプラズマ処理方法であって、
前記被処理基体の処理面を前記マイクロ波放射部材に対向するように前記載置台に載置し、
前記マイクロ波放射部材にマイクロ波を供給して、前記非同心円状に配列されたスロットからマイクロ波を前記処理容器内に導入し、
導入したマイクロ波により前記処理容器内にプラズマを発生させ、発生したプラズマにより前記被処理基体にプラズマ処理を施す
ことを特徴とするプラズマ処理方法。 - プラズマ処理を施す処理容器と、マイクロ波を発生して前記処理容器に供給するマイクロ波発生器とを有するマイクロ波プラズマ処理装置に用いられるマイクロ波放射部材であって、
該マイクロ波放射部材は、前記処理容器に取り付けられ且つ前記マイクロ波発生器に接続され、互いに非同心円である複数の円周における各円周に沿って配列された複数のスロットを有し、該複数のスロットによりマイクロ波を前記処理容器に導入することを特徴とするマイクロ波放射部材。 - 請求項６記載のマイクロ波放射部材であって、
前記複数の円周の中心は、前記マイクロ波放射部材の中心に対して互いに異なる方向に偏心しているマイクロ波放射部材。 - 請求項６記載のマイクロ波放射部材であって、
前記複数の円周の中心は前記マイクロ波放射部材の中心に対して互いに同一の方向に偏心しており、前記複数の円周の中心の偏心量は前記マイクロ波放射部材の外周に向かって大きくなるマイクロ波放射部材。 - 請求項６乃至８のうちいずれか一項記載のマイクロ波放射部材であって、
前記スロットの一つとその一つのスロットに近接したスロットによりＴ字状に配列されたスロット対を構成し、該スロット対が前記複数の円周に沿って配列されるマイクロ波放射部材。
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