JP4214806B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面波励起プラズマを利用したスパッタリング装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体製造プロセスにおける成膜工程にスパッタリングが多用されている。スパッタリングは、高エネルギーのイオンをターゲットに衝突させてその組成粒子である原子や分子を叩き出し(スパッタし)、これらを被処理基板上に堆積させる技術である。
スパッタリングには多数の方式があるが、ECR(電子サイクロトロン共鳴)プラズマを利用するスパッタリングは、高密度プラズマを生成し、プラズマ中のイオンをターゲットに引き付けて組成粒子をスパッタする方式の1つである(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
ECRスパッタリングに用いられる装置は、成膜室とプラズマ室が隣接して設けられており、プラズマ室で生成したプラズマ中のイオンでターゲットの組成粒子をスパッタし、成膜室内の被処理基板上に堆積させる装置である。ECRプラズマは、プラズマ室内に導入されたマイクロ波電界とプラズマ室の外部に設けられた電磁石の高周波磁場により、プラズマ室内のガスが励起されて生成する。
【0004】
【特許文献1】
特開平6−200373号公報(第2頁、図1)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述のECRスパッタリング装置では、プラズマ密度が高い大型プラズマを得るためには、プラズマ室内に広い強磁場領域を確保する必要がある。そのためには、大型で重量のある電磁コイル、磁場生成用の大電力および大量の冷却水を要する。このように、ECRスパッタリング装置では、プラズマ密度が高い大型プラズマを得ようとすると、装置の大型化やコストアップを招くという問題があるので、ターゲットのみを大きくしても意味がなく、大面積の被処理基板に対しては不向きである。
本発明は、大面積の被処理基板への成膜に適したスパッタリング装置を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
(1)請求項1のスパッタリング装置は、誘電体板表面を伝播する表面波のエネルギーにより表面波励起プラズマを生成するプラズマ生成手段と、負の直流電圧または高周波電力が印加され、表面波励起プラズマ中のイオンによりスパッタ作用を受けるターゲットと、ターゲットからのスパッタ粒子が堆積する被処理基板を保持する基板保持部とを備え、基板保持部は、誘電体板の表面波伝播面に対向するように被処理基板を保持し、ターゲットは、誘電体板の表面波伝播面と被処理基板との中間に配設されていることを特徴とする。
(2)上記のスパッタリング装置において、ターゲットは、表面波励起プラズマ領域に配設されていることが好ましい。また、ターゲットに対し、負の直流電圧または高周波電力を可変に設定できることが好ましい。
(3)上記のスパッタリング装置において、ターゲットは、その表面の法線が誘電体板の表面波伝播面または該伝播面を拡張した仮想面と交差しないように配設されていることが好ましい。
(4)上記のスパッタリング装置において、基板保持部は、被処理基板を自転可能に保持しているのが一層好ましく、ターゲットは、自転可能に保持されていることが一層好ましい。
(5)請求項7のスパッタリング装置は、誘電体板表面を伝播する表面波のエネルギーにより表面波励起プラズマを生成するプラズマ生成手段と、負の直流電圧または高周波電力が印加され、表面波励起プラズマ中のイオンによりスパッタ作用を受けるターゲットと、ターゲットからのスパッタ粒子が堆積する被処理基板を保持する基板保持部とを備え、基板保持部は、ターゲットの表面と略平行になるように被処理基板を保持し、ターゲットと被処理基板は、誘電体板の表面波伝播面に沿って配列していることを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるスパッタリング装置について、図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態によるスパッタリング装置を模式的に示す全体構成図である。図2は、図1のI−I線に沿って見た部分平面図である。図1に示されるスパッタリング装置は、マイクロ波導波管1、誘電体板2、チャンバー本体3、フランジ4、ターゲット5、ターゲットホルダ6および基板ホルダ7を備える。
【0008】
マイクロ波導波管1は、誘電体板2の上面に載置されている。マイクロ波導波管1の底板1aには、マイクロ波を誘電体板2へ導くスロットアンテナ1bが複数個形成されている。
誘電体板2は、フランジ4の下に気密を保って取り付けられている。誘電体板2のチャンバー本体3側の面は、表面波伝播面20である。誘電体板2は、石英、アルミナ、ジルコニア、パイレックスガラス(米国コーニング社の登録商標)等の誘電性材料から製作される。マイクロ波導波管1と誘電体板2は、表面波励起プラズマを生成させるプラズマ生成部10を構成する。
【0009】
チャンバー本体3とフランジ4は、チャンバー11を構成する。チャンバー本体3にはガス導入口8と真空排気口9が設けられている。ガス導入口8からAr,He等のイオン源となるプロセスガスが導入される。プロセスガス中にO,H,N等のガスを添加することもできる。プロセスガスを導入しながら真空排気口9から排気することによって、チャンバー11内の圧力は通常、0.1〜50Pa程度に保持される。
チャンバー11は、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等の非磁性金属材料から製作される。
【0010】
チャンバー11内には、ターゲット5とこれを保持するターゲットホルダ6が複数組設けられている。また、チャンバー11内には、誘電体板2に対向するように基板100を保持する基板ホルダ7が設けられている。
図2を参照すると、基板100および基板ホルダ7を取り囲むように、8組のターゲット5およびターゲットホルダ6が配設されている。基板100から各ターゲット5まではほぼ等距離である。
【0011】
ターゲット5は、ターゲットホルダ6を介して、負電位のDCまたはRF電力が印加される。ターゲット5の材料としては、成膜物質に応じて、Al,Cu,Ta等の金属や合金、C,Si等の無機物およびTaN、GaAs,SiC等の化合物が用いられる。各ターゲット5には異種材料を用いることもできる。ターゲット5が導電材料の場合は、負電位のDCでもRFでもスパッタは可能であり、ターゲット5が半導体材料や絶縁材料の場合は、RFを用いた高周波スパッタが用いられる。
【0012】
本実施の形態では、チャンバー11内に導入されているプロセスガスはArガスであり、ターゲット5の材料はSiである。図1に示すように、ターゲット5には、ターゲットホルダ6を介してコンデンサCO、高周波電源RFが接続されている。これにより、Siのような半導体でもスッパタすることができる。図示は省略するが、すべてのターゲット5にコンデンサCO、高周波電源RFが接続されている。
【0013】
ターゲットホルダ6は、不図示の駆動系により駆動され、ターゲット5の位置、傾き及び回転角を変えることができる。対向するターゲット5の間隔は、各ターゲット5の表面上の中心点C同士を結ぶ線分21の長さであり、距離aで表される。線分21と誘電体板2の表面波伝播面20との間隔は、距離bで表される。距離aとbは、ターゲットホルダ6の移動により可変である。
また、ターゲット5の表面の法線22,23と線分21とのなす角度をそれぞれα1,α2で表すと、角度α1,α2もターゲットホルダ6の移動により可変である。なお、通常、各ターゲット5は、線分21が表面波伝播面20と平行をなすように、角度α1とα2は等しくなるように配設される。
【0014】
ターゲットホルダ6は、不図示の水冷ジャケットとアースシールドを有している。水冷ジャケットは、スパッタによるターゲット5の過熱を防止するためのものである。アースシールドは、ターゲット5の非スパッタ領域および水冷ジャケットをスパッタから保護するためのものである。
【0015】
図1に示すように、通常、基板ホルダ7に保持される基板100は、その表面が誘電体板2の表面波伝播面20に対し平行に配置される。基板ホルダ7は、不図示の駆動系により移動し、基板100の位置を変えることができる。基板100の表面と線分21との間隔は、距離cで表され、距離cは基板ホルダ7の移動により可変である。また、基板ホルダ7は、基板100の傾きや回転角も可変とすることができる。
【0016】
以上のように構成されたスパッタリング装置の作用について説明する。不図示のマイクロ波出力部から発振された例えば周波数2.45GHzのマイクロ波は、マイクロ波導波管1の内部を紙面の垂直方向に進行する。マイクロ波は、スロットアンテナ1bを通過して誘電体板2に入射し、表面波Sとなって誘電体板2の表面波伝播面20を伝播し、瞬時に誘電体板2の全面に拡がる。この表面波エネルギーにより、チャンバー11内にプラズマPを生成させる。
【0017】
表面波Sの伝播領域は、誘電体板2の表面の面積にほぼ等しい。従って、誘電体板2の面積を大きくすれば、大面積のプラズマPを容易に生成させることができる。なお、ターゲット5とターゲットホルダ6は、プラズマP中に配設されているが、プラズマPの外側にあってもよい。
【0018】
プラズマPは、表面波エネルギーによりArガスが励起されて生成する。ターゲット5がSi材料の場合、ターゲット5に高周波電力を印加すると、ターゲット5の表面は、交流電圧に負のバイアス電圧が重畳された電位となる。Arイオンは、ターゲット5に引き付けられ、ターゲット5に衝突し、Si原子をスパッタする。高周波電力を増加すれば、Arイオンは、より高速で、すなわち高い運動エネルギーをもってターゲット5に衝突し、Si原子のスパッタ率を増大させることができる。スパッタされたSi原子は、基板100上に堆積し、Si膜を形成する。
高周波電力は、プロセスガス、ターゲット材料等に応じて、プラズマPを生成するためのマイクロ波電力とは独立に変化させることができる。
【0019】
表面波励起プラズマとECRプラズマを比較すると、表面波励起プラズマのプラズマ密度は、1012/cmであり、ECRプラズマの1011/cmよりも大きい。従って、プラズマP中には、より多くのArイオンが生成されるので、多数のSi原子をスパッタすることができ、大きな膜形成速度を得ることができる。
また、前述したように、表面波励起プラズマは大面積化が容易であるので、大面積のターゲットをプラズマ中に配設できる。従って、ターゲット5の全面にわたって高いスパッタ率でSi原子をスパッタすることができ、大きな膜形成速度を得ることができる。さらに、大面積のターゲットを用いることができるので、基板100を大きくしても膜厚の均一性は良好である。
すなわち、表面波励起プラズマ方式のスパッタリング装置は、プラズマ密度が高いこととターゲットの大面積化が図れることにより、大きな膜形成速度が得られる。
【0020】
また、基板100は、プラズマが存在すると基板電位をもつ。表面波励起プラズマの場合、基板電位は、数eVであり、ECRプラズマの場合に比べると1/10程度である。表面波励起プラズマの場合は、ECRプラズマに比べて基板電位が低いので、プラズマPによる基板のダメージを大幅に低減できる利点がある。
【0021】
図1において、ターゲット5の表面は、やや下向きに傾斜している。角度α1,α2を線分21を基準にして測るものとすると、角度α1,α2は、0°〜90°の範囲にある。図1から明らかなように、角度α1,α2が0°〜90°の範囲であれば、法線22,23は、誘電体板2の表面波伝播面20またはその仮想面20Aに交差せず、誘電体板2の表面波伝播面20に向かうSi原子の数を抑制することができる。角度α1,α2を90°としたときに、抑制効果は最大になる。
【0022】
図1に示された距離a,bおよびcは可変であり、それぞれ以下の作用に寄与するので、所望の膜厚、膜質を得るための成膜条件に応じて調節することができる。距離aは、基板100の面積に応じて変えるのが望ましく、一般には、基板の面積が大きいほど距離aを大きくする。また、距離aを大きくすると、ターゲット5と基板100との距離も大きくなるので、基板100の膜形成速度は小さくなり、基板100が受けるダメージも小さくなる。距離bを大きくすると、誘電体板2の表面波伝播面20に蒸着するSi原子の数を抑制することができる。距離cを大きくすると、ターゲット5と基板100との距離も大きくなるので、基板100の膜形成速度は小さくなり、膜厚均一性は向上し、基板100が受けるダメージは小さくなる。距離cをさらに大きくして、基板100をプラズマPの領域外に設置すれば、膜形成速度とダメージは一層小さくなる。
また、基板ホルダ7を軸回りに回転して、基板100を自転させることにより、特に大型の基板では、膜厚の均一性が改善できる。異種のターゲット材料を用いて同時スパッタリングを行った場合でも、薄膜の組成比率の均一化を図ることができる。
さらに、ターゲットホルダ6を軸回りに回転して、ターゲット5を自転させることにより、スパッタリングエロージョンの均一化を図り、ターゲット5の利用効率を向上させることができる。
【0023】
本実施の形態のスパッタリング装置は、大面積の基板100に対し、大きな膜形成速度で成膜することが可能となる。また、ECRプラズマに比べて、基板100が受けるダメージは小さくなる。
ECRプラズマ方式では、大きな電磁石を使用しなければならず、大型プラズマを得ようとすると、装置の大型化とコスト上昇は避けられないが、本実施の形態で用いられる表面波励起プラズマ方式では、誘電体板2を大きくするだけで済む。
【0024】
(第2の実施の形態)
図3は、本発明の第2の実施の形態によるスパッタリング装置を模式的に示す全体構成図である。図4は、図3のII−II線に沿って見た部分平面図である。図3において、図1と同じ部品には同一符号を付し、説明を省略する。また、図3,4のスパッタリング装置が図1,2のスパッタリング装置と異なる点のみを説明する。
【0025】
図4を参照すると、チャンバー11内の中央には、ターゲット15とこれを保持するターゲットホルダ16が設けられている。また、ターゲット15を挟み込むように基板101を保持する基板ホルダ17が2組設けられている。ターゲット15は、両面共にスパッタ面である。誘電体板2およびターゲット5は、マイクロ波進行方向(紙面の上下方向)に延びた形状であるから、大面積の横長形状の基板の処理が可能である。
ターゲットホルダ16は、不図示の駆動系により移動し、ターゲット15の位置や傾きを変えることができる。基板ホルダ17は、不図示の駆動系により移動し、基板101の位置や傾きを変えることができる。
【0026】
対向する基板101の間隔は、各基板101の表面上の中心点D同士を結ぶ線分31の長さであり、距離dで表される。線分31と誘電体板2の表面波伝播面20との間隔は、距離eで表される。線分31は、ターゲット15の中心C1,C2を通る。距離dは、基板ホルダ17の移動により可変である。距離eは、ターゲットホルダ16および基板ホルダ17の移動により可変である。通常、ターゲットホルダ16の移動に追随して基板ホルダ17を移動させる。
【0027】
ターゲット15の表面の法線32,33と線分31とのなす角度をそれぞれβ1、β2と表すと、角度β1、β2は可変である。角度β1、β2を可変にするためには、断面形状の異なるいくつかのターゲット15を交換してもよいし、ターゲット15を2分割して互いのなす角度を駆動系によって変えるように構成してもよい。
【0028】
基板101の表面の法線34,35と線分31とのなす角度をそれぞれγ1、γ2と表すと、角度γ1、γ2も可変である。なお、通常、各基板101は、線分31が表面波伝播面20と平行をなすように配置され、角度γ1、γ2がそれぞれ角度β1、β2に等しくなるように配置される。この配置は、ターゲット15の表面と基板101の表面とが平行になるので、基板101の膜厚分布向上に適している。
【0029】
図3において、ターゲット15の2つのスパッタ面は、いずれも下向きに傾斜している。すなわち、角度β1,β2を線分31を基準にして測るものとすると、角度β1,β2は、0°〜90°の範囲にある。図3から明らかなように、角度β1,β2が0°〜90°の範囲であれば、法線32,33は、誘電体板2の表面波伝播面20またはその仮想面20Aに交差せず、誘電体板2の表面波伝播面20に向かうSi原子の数を抑制することができる。角度β1,β2を90°としたときに、抑制効果は最大になる。
【0030】
また、図3に示された距離dおよびeは可変であり、それぞれ以下の作用に寄与するので、所望の膜厚、膜質を得るための成膜条件に応じて調節することができる。距離dは、基板101の面積に応じて変えるのが望ましく、一般には、基板の面積が大きいほど距離dを大きくする。また、距離dを大きくすると、ターゲット15と基板101との距離も大きくなるので、基板101の膜形成速度は小さくなり、膜厚均一性は向上し、基板101が受けるダメージは小さくなる。距離dをさらに大きくして、基板101をプラズマPの領域外に設置すれば、膜形成速度とダメージは一層小さくなる。距離eを大きくすると、誘電体板2の表面波伝播面20に蒸着するSi原子の数を抑制することができる。
【0031】
本実施の形態のスパッタリング装置は、第1の実施の形態と同様、大面積の基板101に対し、大きな膜形成速度で成膜することが可能となる。また、基板101が受けるダメージは小さくなる。さらに、本実施の形態のスパッタリング装置は、特に一方向に長い基板の処理に適する。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、大面積の被処理基板への成膜に適したスパッタリング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係るスパッタリング装置全体を模式的に示す概略構成図である。
【図2】図1のI−I線に沿って見た部分平面図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態に係るスパッタリング装置全体を模式的に示す概略構成図である。
【図4】図3のII−II線に沿って見た部分平面図である。
【符号の説明】
1:マイクロ波導波管
2:誘電体板
3:チャンバー本体
4:フランジ
5,15:ターゲット
6,16:ターゲットホルダ
7,17:基板ホルダ
10:プラズマ生成部
11:チャンバー
20:表面波伝播面
100,101:基板
S:表面波
P:プラズマ

Claims (7)

  1. 誘電体板表面を伝播する表面波のエネルギーにより表面波励起プラズマを生成するプラズマ生成手段と、
    負の直流電圧または高周波電力が印加され、前記表面波励起プラズマ中のイオンによりスパッタ作用を受けるターゲットと、
    前記ターゲットからのスパッタ粒子が堆積する被処理基板を保持する基板保持部とを備え
    前記基板保持部は、前記誘電体板の表面波伝播面に対向するように前記被処理基板を保持し、
    前記ターゲットは、前記誘電体板の表面波伝播面と前記被処理基板との中間に配設されていることを特徴とするスパッタリング装置。
  2. 請求項1のスパッタリング装置において、
    前記ターゲットは、前記表面波励起プラズマ領域に配設されていることを特徴とするスパッタリング装置。
  3. 請求項1のスパッタリング装置において、
    前記負の直流電圧または高周波電力を可変に設定する手段を有することを特徴とするスパッタリング装置。
  4. 請求項1のスパッタリング装置において、
    前記ターゲットは、該ターゲットの表面の法線が前記誘電体板の表面波伝播面または該伝播面を拡張した仮想面と交差しないように配設されていることを特徴とするスパッタリング装置。
  5. 請求項1のスパッタリング装置において、
    前記基板保持部は、前記被処理基板を自転可能に保持していることを特徴とするスパッタリング装置。
  6. 請求項のスパッタリング装置において、
    前記ターゲットは、自転可能に保持されていることを特徴とするスパッタリング装置。
  7. 誘電体板表面を伝播する表面波のエネルギーにより表面波励起プラズマを生成するプラズマ生成手段と、
    負の直流電圧または高周波電力が印加され、前記表面波励起プラズマ中のイオンによりスパッタ作用を受けるターゲットと、
    前記ターゲットからのスパッタ粒子が堆積する被処理基板を保持する基板保持部とを備え、
    前記基板保持部は、前記ターゲットの表面と略平行になるように前記被処理基板を保持し、前記ターゲットと前記被処理基板は、前記誘電体板の表面波伝播面に沿って配列していることを特徴とするスパッタリング装置。
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