JP5824544B2 - 基板処理装置、基板処理方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
以下に本発明の第1の実施形態について説明する。
図1ないし図4は、本実施形態にて好適に用いられる基板処理装置の処理炉10を示す説明図である。
図1ないし図4に示されているように、本発明に係る基板処理装置の処理炉10は、バッチ式縦形ホットウォール型として構成されている。処理炉10は、反応管11を備えている。反応管11は上端が閉塞し、下端が開口した円筒形状に形成されている。反応管11は、例えば石英(SiO2)等の耐熱性材料により構成されている。反応管11は、中心線が垂直になるように縦に配されて固定的に支持されている。反応管11の下端開口は、基板としてのウエハ1を搬入搬出するための炉口13を形成している。
シールキャップ17の下側中心付近には、ボート2を回転させる回転機構19が設置されている。回転機構19の回転軸19aは、シールキャップ17とベース15とを貫通して、円筒形状の断熱筒7を下方から支持している。また、断熱筒7は、上述のボート2を下方から支持している。回転機構19を作動させることで、処理室12内にてウエハ1を回転させることが可能になっている。また、断熱筒7は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料により構成されている。断熱筒7は、ヒータ14からの熱を反応管11の下端側に伝達し難くする断熱部材として機能する。回転機構19は、後述するコントローラ240に電気的に接続されている。
反応管11の外部には、処理室12を全体にわたって均一に加熱する加熱手段としてのヒータ14が、反応管11の周囲を包囲するように同心円に設備されている。ヒータ14は、処理炉10の機枠(図示せず)に支持されることにより垂直に据え付けられた状態になっている。なお、図示しないが処理炉10の機枠には、温度検出器としての温度センサが設置されている。ヒータ14の温度は、温度センサの温度情報に基づき制御されるようになっている。ヒータ14及び温度センサは、後述するコントローラ240に電気的に接続されている。
反応管11の下側側壁には、ガス排気管16が接続されている。ガス排気管16には、上流側から順に、圧力センサ、APC(Auto Pressure Controller)バルブとして構成された圧力制御装置、真空ポンプとして構成された排気装置(いずれも図示せず)が設けられている。排気装置により処理室12内を排気しつつ、圧力センサにより検出した圧力情報により圧力制御装置の弁開度を調整することにより、処理室12内を所定の圧力に調整可能なように構成されている。圧力センサ、圧力制御装置、及び排気装置は、後述するコントローラ240に電気的に接続されている。
反応管11内(処理室12内)における反応管11内壁面とウエハ1外周との間の空間には、円弧状の第1のプラズマ生成室33が設けられている。第1のプラズマ生成室33は、例えば樋形状の隔壁34と反応管11の内壁面とにより処理室12から区画されて構成されている。隔壁34には、複数の第1ガス噴出口35が垂直方向に配列するように形成されている。これら第1ガス噴出口35の個数は、処理されるウエハ1の枚数に対応している。各第1ガス噴出口35の高さ位置は、ボート2に保持された上下で隣り合うウエハ1,1間の空間に対向するようにそれぞれ設定されている。
反応管11内(処理室12内)における反応管11内壁面とウエハ1外周との間の空間には、円弧状の第2のプラズマ生成室33Bが設けられている。第2のプラズマ生成室33Bは、第1のプラズマ生成室33と同様に、例えば樋形状の隔壁34と反応管11の内壁面とにより処理室12から区画されて構成されている。隔壁34Bには、複数の第2ガス噴出口35Bが垂直方向に配列するように形成されている。これら第2ガス噴出口35Bの個数は、処理されるウエハ1の枚数に対応している。各第2ガス噴出口35Bの高さ位置は、ボート2に保持された上下で隣り合うウエハ1,1間の空間に対向するようにそれぞれ設定されている。
また、反応管11内(処理室12内)における反応管11内壁面とウエハ1外周との間の空間には、円弧状のバッファ室33Cが設けられている。バッファ室33Cは、例えば樋形状の隔壁34Cと反応管11の内壁面とにより処理室12から区画されて形成されている。隔壁34Cには、複数の第3ガス噴出口35Cが上下のウエハ1,1間に対向するように配列して形成されている。これら第3ガス噴出口35Cの個数は、処理されるウエハ1の枚数に対応している。各第3ガス噴出口35Cの高さ位置は、ボート2に保持された上下で隣り合うウエハ1間の空間に対向するようにそれぞれ設定されている。
反応管11の側壁下部には、第1のプラズマ生成室33内に第1の反応性ガスとしてのNH3ガスを供給する第1反応性ガス供給管301が接続されている。第1反応性ガス供給管301には、上流側から順に、NH3ガスの供給源であるガスボンベ301a、流量制御器(流量制御手段)であるマスフローコントローラ301b、及び開閉弁であるバルブ301cが設けられている。ガスボンベ301aから供給されるNH3ガスは、マスフローコントローラ301bにより所定の流量に調整され、バルブ301cの開動作により第1反応性ガス供給管301内を流通し、第1のプラズマ生成室33内に供給されるようになっている。
制御部としてのコントローラ240は、上述したように回転機構19、ボートエレベータ(図示せず)、ヒータ14、温度センサ(図示せず)、圧力センサ(図示せず)、圧力制御装置(図示せず)、排気装置(図示せず)、高周波電源31、31B、整合器32、32B、マスフローコントローラ301b〜304b、バルブ301c〜304c及び304dにそれぞれ電気的に接続され、基板処理装置全体を主制御している。
次に、上記構成に係る処理炉10を用いて、半導体装置の製造工程の一工程として、ウエハ1表面を窒化処理して窒化シリコン膜(SiN)を形成する窒化工程と、SiN膜が形成されたウエハ1に対して酸化処理することにより窒化酸化シリコン膜(SiON)を形成する酸化工程と、を連続して実施する例えばMOS型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜を形成する基板処理工程について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ240により制御される。
先ず、ボート2に複数枚のウエハ1を装填(ウエハチャージ)する。次に、コントローラ240の制御に基づいてボートエレベータを駆動し、ボート2を上昇させる。これにより、図1〜図3に示されているように、複数枚のウエハ1を保持したボート2が処理室12内に搬入(ボートローディング)される。このとき、シールキャップ17は、ベース15、シールリング18を介して反応管11の下端を閉塞する。これにより、処理室12は気密に封止される。
処理室12内へのボート2の搬入が完了したら、処理室12内が所定の圧力(例えば10〜100Pa)となるよう処理室12内の雰囲気を排気する。具体的には、排気装置により排気しつつ、圧力センサにより検出された圧力情報に基づいて圧力制御装置の弁開度をフィードバック制御し、処理室12内を所定の圧力とする。また、処理室12内が所定温度となるようヒータ14によって加熱する。具体的には、温度センサにより検出された温度情報に基づいてヒータ14への通電具合を制御して、処理室12内を所定の温度(例えば300〜600℃)とする。そして、回転機構19を作動させ、処理室12内に搬入されたウエハ1の回転を開始する。なお、ウエハ1の回転は、後述する窒化工程(S3)及び酸化工程(S4)が終了するまで継続する。
窒化工程(S3)では、CVD(Chemical Vapor Deposition)法の一種であるALD(Atomic Layer Deposition)法により、DCSガス及びNH3ガスを用いてウエハ1の表面に窒化珪素(SiN)膜を形成する。ALD法は、所定の成膜条件(温度、時間等)下で2種類以上の処理ガスを1種類ずつ交互にウエハ上に供給し、処理ガスのウエハ1上での表面反応を利用して1原子層未満〜数原子層単位で薄膜を形成する手法である。このALD法における膜厚制御は、処理ガス供給のサイクル数を制御することで行うことができる。例えば、成膜速度が1Å/サイクルとすると、20Åの膜を成膜する場合には、20サイクルの処理を行うようにすればよい。
先ず、励起用ガスとしてArガスを第1のプラズマ生成室33内に供給する。具体的には、マスフローコントローラ303bにより流量調整しつつ、バルブ303cを開とし、第1のプラズマ生成室33内にArガスを供給する。そして、高周波電源31から一対の第1放電用電極27,27に高周波電力を供給することにより、第1のプラズマ生成室33内にArガスプラズマを生成し、Arを活性化させる。
第1の反応性ガス供給工程(S31)の実施と並行して、原料ガス供給管304のガス溜り部304e内にDCSガスを充填しておく。具体的には、先ず、バルブ304dを閉めた状態でバルブ304cを開け、マスフローコントローラ304bにより所定の流量に調整しつつ、ガス溜り部304e内への原料ガスとしてのDCSガスの供給を開始する。そして、所定時間(例えば2〜4秒)経過してガス溜り部304e内の圧力が所定の圧力(例えば20000Pa)に到達したら、バルブ304cを閉め、ガス溜り部304e内に高圧のDCSガスを閉じ込めておく。
窒化工程(S3)により所望の膜厚のSiN膜を成膜した後は、プラズマによって活性化された酸素ガスの活性種(O2ラジカル)をウエハ1上に供給することでSiN膜を酸化させ、窒化酸化シリコン(SiON)膜を形成する酸化工程(S4)を実施する。
酸化工程(S4)が完了したら、ボート2の回転を停止させてウエハ1の回転を停止する。そして、処理室12内の圧力を大気圧に復帰させつつ、ウエハ1を降温させる。具体的には、バルブ303cを開のままとして処理室12内にArガスを供給しつつ、圧力センサにより検出された圧力情報に基づいて排気装置のバルブの開度をフィードバック制御し、処理室12内の圧力を大気圧に昇圧する。そして、ヒータ14への通電量を制御して、ウエハ1の温度を降温させる。
その後、上述の搬入工程を逆の手順により基板処理されたウエハ1を処理室12内から搬出し、本実施形態に係る基板処理工程を終了する。
本実施形態によれば以下に示す1つ又は複数の効果を奏する。
上述の実施形態においては、第1のプラズマ生成室33内及び第2のプラズマ生成室33B内にそれぞれ異なる反応性ガスを供給し、それぞれ異なる条件でプラズマを生成し、異なる基板処理(窒化工程(S3)と酸化工程(S4))を順次実行することとしていた。しかしながら本発明は係る形態に限定されない。例えば、第1のプラズマ生成室33及び第2のプラズマ生成室33Bに同一種の反応性ガスを供給し、同一の条件で同時にプラズマを生成することで、所定の基板処理(例えば窒化工程(S3)或いは酸化工程(S4)のいずれか一方)を行うようにしてもよい。すなわち、第1の反応性ガスと第2の反応性ガスとは同一種のガスであってもよい。
以上、本発明の実施の形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に設けられた第1のプラズマ生成室と、
前記第1のプラズマ生成室内に第1の反応性ガスを供給する第1反応性ガス供給手段と、
前記第1のプラズマ生成室内でプラズマを生成し、前記第1の反応性ガスを励起して前記第1の反応性ガスの活性種を生成する一対の第1放電用電極と、
前記第1のプラズマ生成室の側壁に設けられ、前記基板に向けて前記第1の反応性ガスの活性種を噴出する第1ガス噴出口と、
前記処理室内に設けられた第2のプラズマ生成室と、
前記第2のプラズマ生成室内に第2の反応性ガスを供給する第2反応性ガス供給手段と、
前記第2のプラズマ生成室内でプラズマを生成し、前記第2の反応性ガスを励起して前記第2の反応性ガスの活性種を生成する一対の第2放電用電極と、
前記第2のプラズマ生成室の側壁に設けられ、前記基板に向けて前記第2の反応性ガスの活性種を噴出する第2ガス噴出口と、
を有する基板処理装置が提供される。
前記制御部は、前記第1のプラズマ生成室内に前記第1反応性ガス供給手段から前記第1の反応性ガスを供給して前記第1のプラズマ生成室内で前記第1放電用電極によりプラズマを生成させ、前記第1の反応性ガスを励起して生成した前記第1の反応性ガスの活性種によって前記基板を処理した後、
前記第2のプラズマ生成室内に前記第2反応性ガス供給手段から前記第2の反応性ガスを供給して前記第2のプラズマ生成室内で前記第2放電用電極によりプラズマを生成させ、前記第2の反応性ガスを励起して生成した前記第2の反応性ガスの活性種によって前記基板を処理する。
基板を処理室内に搬入する搬入工程と、
第1のプラズマ生成室内に第1反応性ガス供給手段から第1の反応性ガスを供給して前記第1のプラズマ生成室内で一対の第1放電用電極によりプラズマを生成し、前記第1の反応性ガスを励起して生成した前記第1の反応性ガスの活性種によって前記基板を処理する第1基板処理工程と、
第2のプラズマ生成室内に第2反応性ガス供給手段から第2の反応性ガスを供給して前記第2のプラズマ生成室内で一対の第2放電用電極によりプラズマを生成し、前記第2の反応性ガスを励起して生成した前記第2の反応性ガスの活性種によって前記基板を処理する第2基板処理工程と、
処理後の前記基板を前記処理室内から搬出する搬出工程と、
を有する基板処理方法が提供される。
基板を処理する処理室と、
前記基板を加熱する加熱手段と、
前記基板を回転させる回転手段と、
前記処理室内に設けられた複数のプラズマ生成室と、
前記複数のプラズマ生成室内にそれぞれ反応性ガスを供給する複数のガス供給手段と、
前記プラズマ生成室内でプラズマを生成し、前記反応性ガスを励起して前記反応性ガスの活性種を生成する一対の放電用電極と、
前記複数のプラズマ生成室の側壁にそれぞれ設けられ、前記基板に向けて前記反応性ガスの活性種を噴出するガス噴出口と、
を有する基板処理装置が提供される。
前記制御部は、前記加熱手段により前記処理室内を所定温度に加熱しつつ、前記回転手段により前記基板を回転させ、前記複数のプラズマ生成室内に前記複数のガス供給手段からそれぞれ反応性ガスを供給して前記一対の放電用電極によりプラズマを生成させ、前記反応性ガスを励起して生成した活性種によって前記基板を同時に処理する。
基板を処理室内に搬入する搬入工程と、
加熱手段により前記処理室内を所定温度に加熱しつつ、前記回転手段により前記基板を回転させ、前記複数のプラズマ生成室内に前記複数のガス供給手段からそれぞれ反応性ガスを供給して前記一対の放電用電極によりプラズマを生成させ、前記反応性ガスを励起して生成した活性種によって前記基板を同時に処理する基板処理工程と、
処理後の前記基板を前記処理室内から搬出する搬出工程と、
を有する基板処理方法が提供される。
10 処理炉
12 処理室
19 回転機構
27 第1放電用電極
27B 第2放電用電極
33 第1のプラズマ生成室
33B 第2のプラズマ生成室
35 第1ガス噴出口
35B 第2ガス噴出口
Claims (8)
- 基板を処理する処理室と、
前記処理室と区画された第1のプラズマ生成室と、
前記処理室と区画された第2のプラズマ生成室と、
前記第1のプラズマ生成室内および前記第2のプラズマ生成室内へ反応性ガスを供給する反応性ガス供給系と、
前記第1のプラズマ生成室内でプラズマを生成し、前記反応性ガスをプラズマにより励起して前記反応性ガスの活性種を生成する第1放電用電極と、
前記第1のプラズマ生成室に設けられ、前記処理室内における基板に向けて前記反応性ガスの活性種を噴出する第1ガス噴出口と、
前記第2のプラズマ生成室内でプラズマを生成し、前記反応性ガスをプラズマにより励起して前記反応性ガスの活性種を生成する第2放電用電極と、
前記第2のプラズマ生成室に設けられ、前記処理室内における基板に向けて前記反応性ガスの活性種を噴出する第2ガス噴出口と、
前記反応性ガスを前記第1のプラズマ生成室内および前記第2のプラズマ生成室内へ供給し、前記第1のプラズマ生成室内および前記第2のプラズマ生成室内において前記反応性ガスをプラズマにより間接的に励起して前記反応性ガスの活性種を生成し、前記反応性ガスの活性種を前記第1のプラズマ生成室および前記第2のプラズマ生成室のそれぞれから前記第1ガス噴出口および前記第2ガス噴出口のそれぞれを介して前記処理室内における前記基板に対して同時に噴出させて、前記基板に対して処理を行うように、前記反応性ガス供給系、前記第1放電用電極、および前記第2放電用電極を制御するよう構成される制御部と、
を有する基板処理装置。 - 前記反応性ガス供給系は、前記第1のプラズマ生成室内および前記第2のプラズマ生成室内へ反応性ガスと励起用ガスとを供給するよう構成され、
前記第1放電用電極は、前記第1のプラズマ生成室内で前記励起用ガスのプラズマを生成し、前記反応性ガスを前記励起用ガスのプラズマにより励起して前記反応性ガスの活性種を生成するよう構成され、
前記第2放電用電極は、前記第2のプラズマ生成室内で前記励起用ガスのプラズマを生成し、前記反応性ガスを前記励起用ガスのプラズマにより励起して前記反応性ガスの活性種を生成するよう構成され、
前記制御部は、前記反応性ガスと前記励起用ガスとを前記第1のプラズマ生成室内および前記第2のプラズマ生成室内へ供給し、前記第1のプラズマ生成室内および前記第2のプラズマ生成室内において前記励起用ガスのプラズマを生成し、前記第1のプラズマ生成室内および前記第2のプラズマ生成室内において前記励起用ガスのプラズマと前記反応性ガスとを衝突させることで前記反応性ガスを間接的に励起して前記反応性ガスの活性種を生成し、前記反応性ガスの活性種を前記第1のプラズマ生成室および前記第2のプラズマ生成室のそれぞれから前記第1ガス噴出口および前記第2ガス噴出口のそれぞれを介して前記処理室内における前記基板に対して同時に噴出させて、前記基板に対して処理を行わせるように、前記反応性ガス供給系、前記第1放電用電極、および前記第2放電用電極を制御するよう構成されている請求項1に記載の基板処理装置。 - 前記処理室と区画されたバッファ室と、
前記バッファ室内へ原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
前記バッファ室に設けられ、前記処理室内における基板に向けて前記原料ガスを噴出する第3ガス噴出口と、をさらに有し、
前記制御部は、
前記処理室内の基板に対して前記原料ガスを供給する処理と、前記処理室内の前記基板に対して前記反応性ガスの活性種を供給する処理と、を交互に所定回数行うことで、前記基板に対して処理を行わせるように、前記反応性ガス供給系、前記第1放電用電極、前記第2放電用電極、および前記原料ガス供給系を制御するよう構成される請求項1または2に記載の基板処理装置。 - 前記制御部は、前記反応性ガスを1つのプラズマ生成室内へ供給し、前記1つのプラズマ生成室内において前記反応性ガスをプラズマにより励起して前記反応性ガスの活性種を生成し、前記反応性ガスの活性種を前記1つのプラズマ生成室からガス噴出口を介して前記処理室内における前記基板に対して噴出させる場合よりも、少ない量の前記反応性ガスの活性種を、前記第1のプラズマ生成室および前記第2のプラズマ生成室のそれぞれから前記第1ガス噴出口および前記第2ガス噴出口のそれぞれを介して前記処理室内における前記基板に対して同時に噴出させるように、前記反応性ガス供給系、前記第1放電用電極、および前記第2放電用電極を制御するよう構成される請求項1乃至3のいずれかに記載の基板処理装置。
- 前記制御部は、前記反応性ガスを1つのプラズマ生成室内へ供給し、前記1つのプラズマ生成室内において前記反応性ガスをプラズマにより励起して前記反応性ガスの活性種を生成し、前記反応性ガスの活性種を前記1つのプラズマ生成室からガス噴出口を介して前記処理室内における前記基板に対して噴出させて前記基板の面内にわたり均一に供給する場合よりも、少ない量の前記反応性ガスの活性種を、前記第1のプラズマ生成室および前記第2のプラズマ生成室のそれぞれから前記第1ガス噴出口および前記第2ガス噴出口のそれぞれを介して前記処理室内における前記基板に対して同時に噴出させるように、前記反応性ガス供給系、前記第1放電用電極、および前記第2放電用電極を制御するよう構成される請求項1乃至4のいずれかに記載の基板処理装置。
- 前記処理室内を排気する排気管を更に有し、
前記第1ガス噴出口と前記排気管との距離と、前記第2ガス噴出口と前記排気管との距離とが、それぞれ略等距離である請求項1乃至5のいずれかに記載の基板処理装置。 - 処理室内に基板を収容する工程と、
前記処理室内の前記基板に対して反応性ガスの活性種を供給して前記基板に対して処理を行う工程と、
を有し、
前記反応性ガスの活性種を供給する工程では、前記処理室と区画された第1のプラズマ生成室内および前記処理室と区画された第2のプラズマ生成室内へ反応性ガスを供給し、前記第1のプラズマ生成室内および前記第2のプラズマ生成室内において前記反応性ガスをプラズマにより間接的に励起して前記反応性ガスの活性種を生成し、前記反応性ガスの活性種を前記第1のプラズマ生成室および前記第2のプラズマ生成室のそれぞれから前記第1ガス噴出口および前記第2ガス噴出口のそれぞれを介して前記処理室内における前記基板に対して同時に噴出させる基板処理方法。 - 処理室内に基板を収容する工程と、
前記処理室内の前記基板に対して反応性ガスの活性種を供給して前記基板に対して処理を行う工程と、
を有し、
前記反応性ガスの活性種を供給する工程では、前記処理室と区画された第1のプラズマ生成室内および前記処理室と区画された第2のプラズマ生成室内へ反応性ガスを供給し、前記第1のプラズマ生成室内および前記第2のプラズマ生成室内において前記反応性ガスをプラズマにより間接的に励起して前記反応性ガスの活性種を生成し、前記反応性ガスの活性種を前記第1のプラズマ生成室および前記第2のプラズマ生成室のそれぞれから前記第1ガス噴出口および前記第2ガス噴出口のそれぞれを介して前記処理室内における前記基板に対して同時に噴出させる半導体装置の製造方法。
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