KR20130093029A - 가스 공급 장치 및 열처리 장치 - Google Patents

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유스케 다찌노
히로미 시마
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

파티클의 발생을 억제하면서 다량의 원료 가스를 공급하는 것이 가능한 가스 공급 장치를 제공한다. 유기 금속 재료로 이루어지는 액상의 원료(66)로부터 발생한 원료 가스를 캐리어 가스를 사용하여 피처리체(W)에 열처리를 실시하는 처리 용기(8)에 공급하는 원료 가스 공급계(62)를 갖는 가스 공급 장치에 있어서, 액상의 원료를 저류하는 원료 저류조(68)와, 원료 저류조에 설치되어 캐리어 가스를 흘리는 캐리어 가스 통로(78)에 접속된 가스 공급부(74)와, 원료 저류조에 설치되어 원료 가스를 흘리는 원료 가스 통로(70)에 접속된 가스 유출부(76)와, 가스 공급부로부터 분사되는 캐리어 가스가 원료의 액면에 직접적으로 닿는 것을 저지하기 위한 배플판(80)을 구비한다. 이에 의해, 캐리어 가스가 원료의 액면에 직접적으로 닿는 것을 저지하고, 파티클의 발생을 억제한다.

Description

가스 공급 장치 및 열처리 장치{GAS SUPPLY APPARATUS AND HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 피처리체에 열처리를 실시하는 열처리 장치 및 이에 사용하는 가스 공급 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 집적 회로를 제조하기 위해서는 실리콘 기판 등으로 이루어지는 반도체 웨이퍼에 대하여, 성막 처리, 에칭 처리, 산화 처리, 확산 처리, 개질 처리, 자연 산화막의 제거 처리 등의 각종 처리가 행해진다. 이들 처리는, 웨이퍼를 1매씩 처리하는 매엽식의 처리 장치나 복수매의 웨이퍼를 한번에 처리하는 뱃치식의 처리 장치에 의해 행해진다. 예를 들어 이들 처리를 특허 문헌 1 등에 개시되어 있는 종형의, 소위 뱃치식의 처리 장치로 행하는 경우에는, 우선, 반도체 웨이퍼를 복수매, 예를 들어 25매 정도 수용할 수 있는 카세트로부터, 반도체 웨이퍼를 종형의 웨이퍼 보트로 재치하고 여기에 다단으로 지지시킨다.
이 웨이퍼 보트는, 예를 들어 웨이퍼 사이즈에 따라 다르지만 30 내지 150매 정도의 웨이퍼를 재치할 수 있다. 이 웨이퍼 보트는, 배기 가능한 처리 용기 내에 그 하방으로부터 반입(로드)된 후, 처리 용기 내가 기밀하게 유지된다. 그리고, 처리 가스의 유량, 프로세스 압력, 프로세스 온도 등의 각종 프로세스 조건을 제어하면서 소정의 열처리가 실시된다.
그리고, 예를 들어 성막 처리를 예로 들면, 최근에 있어서는 반도체 집적 회로의 특성 향상의 점으로부터, 다양한 금속 재료를 사용하는 경향에 있고, 예를 들어 지르코늄(Zr)이나 루테늄(Ru) 등의 종래의 반도체 집적 회로의 제조 방법에서는 사용되지 않았던 금속이 사용되고 있다. 이와 같은 금속은, 일반적으로는, 유기 재료와 화합되어 액상으로 이루어진 유기 금속 재료가 원료로서 사용되고, 이 원료를 밀폐 용기인 원료 저류조 내에 가두어 이를 가열함으로써 원료 가스를 발생시키고, 원료 저류조 내에서 포화 상태로 되어 있는 이 원료 가스를 희가스 등으로 이루어지는 캐리어 가스에 의해 반송하여 성막 처리 등에 사용하고 있다(특허 문헌 2 등).
일본 특허 출원 공개 평06-275608호 공보 일본 특허 출원 공표 제2002-525430호 공보
그런데, 최근에 있어서는, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 점점 커지고 있고, 예를 들어 직경이 300㎜로부터 장래적으로는 직경이 450㎜인 웨이퍼까지 예정되어 있고, 또한 디바이스의 미세화에 수반하여 고어스펙트 구조의 DRAM의 캐패시터 절연막을 스텝 커버리지 좋게 성막할 필요나 성막 처리의 처리량 향상의 점으로부터 다량의 원료 가스를 흘리는 것이 요구되고 있다. 예를 들어 원료 가스의 공급량이 적으면, 성막시에 회전되고 있는 웨이퍼 주변부에서의 원료 가스의 소비량이 많아서 웨이퍼 중심부에서는 부족한 기미가 보이게 되어, 막 두께의 면내 균일성이 악화되는 원인으로 된다. 그리고, 원료 가스의 유량을 증가시키기 위해서는, 캐리어 가스를 다량으로 흘려서 원료 저류조 내에서 포화 상태로 되어 있는 원료 가스의 유량을 증가시키도록 하고 있다.
그러나, 원료 가스의 유량을 증가시키기 위해, 캐리어 가스의 유량을 증가시키면, 원료 저류조 내로 도입되는 캐리어 가스가, 액상의 원료의 액면에 강하게 부딪치게 되고, 이 때문에 원료의 액면에 큰 변동을 유발하고, 심한 경우에는 액면에 기포가 혼입되어 파티클의 발생 원인이 되었다.
특히, 원료 가스의 공급과 정지를 단속적으로 반복하여 행하는, 소위 ALD(Atomic Layer Deposition) 성막을 행하는 경우에는, 원료 가스의 공급을 개시할 때마다 상기한 바와 같은 파티클의 발생을 초래하게 되어, 조기의 해결이 요망되고 있다.
본 발명은, 이상과 같은 문제점을 착안하여, 이를 유효하게 해결하도록 창안된 것이다. 본 발명은, 파티클의 발생을 억제하면서 다량의 원료 가스를 공급하는 것이 가능한 가스 공급 장치 및 열처리 장치이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 가스 공급 장치는, 유기 금속 재료로 이루어지는 액상의 원료로부터 발생한 원료 가스를 캐리어 가스를 사용하여 피처리체에 열처리를 실시하는 처리 용기에 공급하는 원료 가스 공급계를 갖는 가스 공급 장치로서, 상기 액상의 원료를 저류하는 원료 저류조와, 상기 원료 저류조에 설치되어 상기 캐리어 가스를 흘리는 캐리어 가스 통로에 접속된 가스 공급부와, 상기 원료 저류조에 설치되어 상기 원료 가스를 흘리는 원료 가스 통로에 접속된 가스 유출부와, 상기 가스 공급부로부터 분사되는 상기 캐리어 가스가 상기 원료의 액면에 직접적으로 닿는 것을 저지하기 위한 배플판을 구비한다.
이와 같이, 유기 금속 재료로 이루어지는 액상의 원료로부터 발생한 원료 가스를 캐리어 가스를 사용하여 피처리체에 열처리를 실시하는 처리 용기에 공급하는 원료 가스 공급계를 갖는 가스 공급 장치에 있어서, 액상의 원료를 저류하는 원료 저류조의 가스 공급부에, 이 가스 공급부로부터 분사되는 캐리어 가스가 원료의 액면에 직접적으로 닿는 것을 저지하기 위한 배플판을 설치하여 캐리어 가스가 액면에 강하게 닿는 것을 저지하도록 하였으므로, 원료의 액면이 크게 흔들리거나, 이 액면에 기포가 혼입되는 것을 방지하는 것이 가능해진다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 피처리체에 대하여 열처리를 실시하기 위한 열처리 장치로서, 상기 피처리체를 수용하는 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에서 상기 피처리체를 유지하는 유지 수단과, 상기 피처리체를 가열하는 가열 수단과, 상기 처리 용기 내의 분위기를 배기하는 진공 배기계와, 전술한 가스 공급 장치를 구비한다.
본 발명에 따른 가스 공급 장치 및 열처리 장치에 따르면, 다음과 같이 우수한 작용 효과를 발휘할 수 있다.
유기 금속 재료로 이루어지는 액상의 원료로부터 발생한 원료 가스를 캐리어 가스를 사용하여 피처리체에 열처리를 실시하는 처리 용기에 공급하는 원료 가스 공급계를 갖는 가스 공급 장치에 있어서, 액상의 원료를 저류하는 원료 저류조의 가스 공급부에, 이 가스 공급부로부터 분사되는 캐리어 가스가 원료의 액면에 직접적으로 닿는 것을 저지하기 위한 배플판을 설치하여 캐리어 가스가 액면에 강하게 닿는 것을 저지하도록 하였으므로, 원료의 액면이 크게 흔들리거나, 이 액면에 기포가 혼입되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 파티클의 발생이 억제되어 피처리체의 표면에 파티클이 부착되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열처리 장치의 일례를 나타내는 종단면 구성도이다.
도 2는 열처리 장치를 도시하는 횡단면 구성도이다.
도 3은 원료 가스 공급계의 원료 저류조의 부분을 도시하는 확대도이다.
도 4는 본 발명의 가스 공급 장치의 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 캐리어 가스의 유량 및 배플판-액면간의 거리와 원료 액면의 상태와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 가스 공급 장치의 원료 가스 공급계에 있어서의 가스 공급부의 변형 실시예를 나타내는 부분 확대도이다.
이하에, 본 발명에 따른 가스 공급 장치 및 열처리 장치의 일 실시예를 첨부 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 열처리 장치의 일례를 나타내는 종단면 구성도, 도 2는 열처리 장치(가열 수단은 생략)를 도시하는 횡단면 구성도, 도 3은 원료 가스 공급계의 원료 저류조의 부분을 도시하는 확대도이며, 도 3a는 전체의 확대 단면도, 도 3b는 가스 공급부의 확대 단면도이다.
도시하는 바와 같이, 이 열처리 장치(2)는 평판 형상의 천정을 갖는 통체 형상의 내통(4)과 그 외측에 동심원 형상으로 배치된 돔 형상의 천정을 갖는 통체 형상의 외통(6)으로 이루어지는 이중 통 구조의 처리 용기(8)를 갖고 있다. 이 내통(4)과 외통(6)은 모두 내열성의 재료, 예를 들어 석영에 의해 형성되어 있다. 상기 처리 용기(8)의 하단은, O링 등의 시일 부재(9)를 개재하여 예를 들어 스테인리스 스틸제의 통체 형상의 매니홀드(10)에 연결되어, 이에 의해 지지되어 있다.
상기 내통(4)의 하단부는, 상기 매니홀드(10)의 내벽에 장착한 지지 링(13) 위에 지지되어 있다. 또한, 스테인리스제의 매니홀드(10)를 설치하지 않고, 전체를 원통체 형상의 석영제의 처리 용기로 구성한 장치도 있다.
상기 매니홀드(10)는 원통체 형상으로 성형되어 있고, 이 매니홀드(10)의 하방으로부터 다수매의 피처리체로서의 반도체 웨이퍼(W)를 다단으로 재치한 유지 수단으로서의 석영제의 웨이퍼 보트(12)가 승강 가능하게 삽입 분리 가능하게 이루어져 있다. 본 실시예의 경우에 있어서, 이 웨이퍼 보트(12)의 지주(12A)에는, 예를 들어 50 내지 150매 정도의 직경이 300㎜인 웨이퍼(W)를 대략 등피치로 다단으로 지지할 수 있도록 되어 있다.
이 웨이퍼 보트(12)는 석영제의 보온통(14)을 개재하여 테이블(16) 위에 재치되어 있고, 이 테이블(16)은 매니홀드(10)의 하단 개구부를 개폐하는 예를 들어 스테인리스 스틸제의 덮개부(18)를 관통하는 회전축(20) 위에 지지된다. 그리고, 이 회전축(20)의 관통부에는, 예를 들어 자성 유체 시일(22)이 개재하여 설치되고, 이 회전축(20)을 기밀하게 시일하면서 회전 가능하게 지지하고 있다. 또한, 덮개부(18)의 주변부와 매니홀드(10)의 하단부에는, 예를 들어 O링 등으로 이루어지는 시일 부재(24)가 개재하여 설치되어 있어, 처리 용기(8) 내의 시일성을 유지하고 있다.
상기한 회전축(20)은, 예를 들어 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(도시하지 않음)에 지지된 아암(26)의 선단에 장착되어 있고, 웨이퍼 보트(12) 및 덮개부(18) 등을 일체적으로 승강하여 처리 용기(8) 내로 삽입 분리할 수 있도록 이루어져 있다. 또한, 상기 테이블(16)을 상기 덮개부(18)측에 고정하여 설치하고, 웨이퍼 보트(12)를 회전시키는 일 없이 웨이퍼(W)의 처리를 행하도록 하여도 된다. 이 처리 용기(8)에는, 가스 도입부(28)가 설치된다.
구체적으로는, 이 가스 도입부(28)는, 상기 매니홀드(10)의 측벽을 내측으로 관통하여 상방향으로 굴곡되어 연장되는 석영관으로 이루어지는 복수, 여기서는 3개의 가스 분산 노즐(30, 32, 33)을 갖고 있다. 각 가스 분산 노즐(30, 32, 33)에는, 그 길이 방향을 따라서 복수(다수)의 가스 분사 구멍(30A, 32A, 33A)이 소정의 간격을 두고 형성되어 있어, 각 가스 분사 구멍(30A, 32A, 33A)으로부터 수평 방향을 향하여 거의 균일하게 가스를 분사할 수 있도록 되어 있다.
한편, 상기 처리 용기(8)의 내통(4)의 측벽의 일부에는, 그 높이 방향을 따라서 노즐 수용 오목부(34)(도 2 참조)가 형성됨과 함께, 이 노즐 수용 오목부(34)에 대향하는 처리 용기(8)의 반대측에는, 이 내부 분위기를 진공 배기하기 위해 측벽을, 예를 들어 상하 방향으로 깎아냄으로써 형성한 가늘고 긴 배기구(36)가 형성되어 있다. 구체적으로는, 상기 노즐 수용 오목부(34)는, 상기 처리 용기(8)의 측벽을 상하 방향을 따라서 소정의 폭으로 깎아냄으로써 상하로 가늘고 긴 개구(38)를 형성하고, 이 개구(38)를 그 외측부터 덮도록 하여 단면 오목부 형상으로 이루어진 상하로 가늘고 긴 예를 들어 석영제의 구획벽(40)을 내통(4)의 외벽에 기밀하게 용접 접합함으로써 형성되어 있다. 그리고, 도 2에 도시하는 바와 같이, 상기 노즐 수용 오목부(34) 내에 상기 각 가스 분산 노즐(30, 32, 33)이 나란히 설치되어 있다.
또한, 상기 매니홀드(10)의 지지 링(13)의 상방의 측벽에는, 상기 배기구(36)에 연통하는 가스 출구(44)가 형성되어 있고, 상기 내통(4) 내의 분위기는, 상기 배기구(36)를 통하여 내통(4)과 외통(6) 사이의 간극 내로 배출되고, 상기 가스 출구(44)에 이르도록 되어 있다. 그리고, 이 가스 출구(44)에는 진공 배기계(46)가 설치되어 있다. 이 진공 배기계(46)는, 상기 가스 출구(44)에 접속된 배기 통로(48)를 갖고 있고, 이 배기 통로(48)에는 압력 조정 밸브(50)나 진공 펌프(52)가 개재하여 설치되어, 처리 용기(8) 내를 소정의 압력으로 유지하면서 진공화하도록 되어 있다. 그리고, 이 처리 용기(8)의 외주를 둘러싸도록 하여 이 처리 용기(8) 및 이 내부의 웨이퍼(W)를 가열하는 통체 형상의 가열 수단(54)이 설치되어 있다.
그리고, 상기 처리 용기(8)에 대하여 열처리에 필요한 가스를 공급하기 위해 본 발명에 따른 가스 공급 장치(60)가 설치된다. 여기서는 가스 공급 장치(60)로서 원료 가스를 공급하기 위한 본 발명의 특징으로 하는 원료 가스 공급계(62)와, 그 밖에 상기 원료 가스와 반응하는 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급계(64)와 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급계(65)가 포함되어 있다. 구체적으로는, 상기 원료 가스 공급계(62)는, 유기 금속 재료로 이루어지는 액상의 원료(66)를 저류하는 원료 저류조(68)를 갖고 있다. 이 원료 저류조(68)는 앰플 혹은 리저버라고도 칭해진다.
상기 원료(66)로서는, 여기서는 지르코늄의 유기 화합물인 액체 형상의 ZrCp(NMe2)3[시클로펜타디에닐ㆍ트리스(디메틸아미노)지르코늄이 사용되고 있지만, 그 밖에 Zr(MeCp)(NMe2)3[메틸시클로펜타디에닐ㆍ트리스(디메틸아미노)지르코늄, Ti(MeCp)(NMe2)3[메틸시클로펜타디에닐ㆍ트리스(디메틸아미노)티타늄, 테트라키스(디메틸아미노)하프늄 등을 사용할 수 있다. 이 원료 저류조(68)에는, 상기 원료(66)를 열분해하지 않는 범위에서 가열하여 기화시킴으로써 원료 가스를 형성하는 원료 가열 히터(69)가 설치되어 있고, 여기서는 예를 들어 70 내지 100℃ 정도로 가열되어 있다.
또한, 이 원료 저류조(68)에는, 원료 가스를 반송하는 캐리어 가스를 공급하는 가스 공급부(74)와, 캐리어 가스에 수반하여 원료 가스를 유출시키는 가스 유출부(76)가 설치되어 있다. 여기서는, 상기 가스 공급부(74)와 가스 유출부(76)는, 모두 원료 저류조(68)의 천정에 설치되어 있다.
그리고, 상기 원료 저류조(68)의 가스 유출부(76)와 상기 처리 용기(8)에 설치한 가스 도입부(28)의 3개의 가스 분산 노즐(30, 32, 33) 내의 1개의 가스 분산 노즐(30)을 연결해서 원료 가스 통로(70)가 설치되어 있다. 그리고, 이 원료 가스 통로(70)의 도중에는 개폐 밸브(72)가 개재하여 설치되어 있고, 원료 가스의 흐름을 제어하도록 되어 있다.
그리고, 이 원료 가스 통로(70)의 상류측의 가스 유출구(77)는, 상기 원료 저류조(68) 내의 상부 공간부(68A)를 향하도록 위치되어 있고, 여기서 발생한 원료 가스를 캐리어 가스와 함께 유출시킬 수 있도록 되어 있다. 이 원료 가스 통로(70)에는, 이를 따라 예를 들어 테이프 히터 등의 통로 히터(도시하지 않음)가 설치되어 있고, 원료 가스 통로(70)를 예로 들어 70 내지 100℃ 정도로 가열하여 원료 가스가 액화되는 것을 방지하고 있다.
또한 상기 원료 저류조(68)의 가스 공급부(74)에는, 상기 원료 저류조(68) 내로 캐리어 가스를 도입하기 위한 캐리어 가스 통로(78)가 접속되어 있다. 그리고, 상기 가스 공급부(74)에는, 이 가스 공급부(74)로부터 분사하는 캐리어 가스를 상기 원료(66)의 액면에 직접적으로 닿는 것을 저지하기 위한 본 발명의 특징으로 하는 배플판(80)이 설치되어 있다.
구체적으로는, 상기 가스 공급부(74)는, 상기 원료 저류조(68)의 천정(71)에 형성한 삽입 관통 구멍(81)에 관통하여 장착된 가스 노즐(82)을 갖고 있다. 이 가스 노즐(82)에는, 플랜지부(83)가 설치되어 있고, 이 플랜지부(83)와 천정(71) 사이에 O링 등으로 이루어지는 시일 부재(85)를 개재시켜 기밀하게 착탈 가능하게 장착되어 있다. 그리고, 이 가스 노즐(82)의 선단인 하단부가 가스 공급구(84)로 되어 있다. 이 가스 공급구(84)는, 원료 저류조(68)의 상부 공간부(68A)를 향하도록 위치되어 있다.
그리고, 상기 배플판(80)은, 예를 들어 원판 형상으로 이루어져 있고, 상기 가스 공급구(84)와 상기 배플판(80) 사이를 둘러싸도록 하여 연결해서 통기성이 있는 그물코 형상의 메쉬 부재(86)(도 3 참조)가 설치되어 있다. 상기 메쉬 부재(86)는, 환 형상으로, 혹은 관 형상으로 성형되어 있다. 즉, 이 배플판(80)은, 상기 메쉬 부재(86)에 의해 가스 분사 방향으로, 여기서는 가스 공급구(84)의 바로 아래에 설치되도록 지지되어 있는 상태로 되어 있다.
그리고, 이 배플판(80)은, 여기서는 상기 가스 분사 방향에 대하여 직교하도록 설치되어 있고, 원료(66)의 액면에 대하여 평행하게 이루어져 있다. 따라서, 상기 가스 공급구(84)로부터 바로 아래로 분사된 캐리어 가스는, 상기 배플판(80)에 직접 닿고, 원료(66)의 액면에는 직접 닿지 않고, 그 가스의 흐름 방향이 바뀌어져 메쉬 부재(86)를 통과해서 원료 저류조(68) 내의 상부 공간부(68A)에 공급되도록 되어 있다. 상기 가스 노즐(82), 배플판(80) 및 메쉬 부재(86)는, 모두 내부식성 재료, 예를 들어 스테인리스 스틸 등에 의해 형성되어 있다.
여기서 상기 가스 공급구(84)의 직경(D)은, 1 내지 5㎜ 정도의 범위 내에서 예를 들어 3.2㎜ 정도이고, 배플판(80)의 직경(L)은, 1 내지 25㎜ 정도의 범위 내에서 예를 들어 3.2㎜ 정도이고, 양자의 치수 관계는 "D/2≤L≤2ㆍD"이다. 여기서 "D/2>L"의 경우에는, 배플판(80)의 직경이 지나치게 작아져, 배플판(80)을 설치한 효과가 소실되어 버린다. 또한, "L>2ㆍD"의 경우에는, 배플판(80)을 설치한 효과가 포화되므로 배플판(80)의 직경의 상한은 "2D"로 충분하다. 또한, "D/2≤L<D"로 설정하면, 배플판(80)의 직경은 가스 공급구(84)[가스 노즐(82)의 직경]보다도 작아지므로, 이 가스 노즐(82)과 함께 배플판(80)을 원료 저류조(68)의 천정의 장착구에 대하여 착탈시킬 수 있어, 메인터넌스 작업을 용이하게 할 수 있다.
또한, "L≥D"와 같이 설정한 경우에는, 그만큼, 삽입 관통 구멍(81) 및 플랜지부(83)를 크게 설정하여, 가스 노즐(82)의 착탈이 가능하게 되도록 하고 있다. 또한, 상기 메쉬 부재(86)의 메쉬의 크기는, 0.1 내지 1.0㎛ 정도의 범위 내로서, 예를 들어 0.4㎛이고, 캐리어 가스의 흐름의 기세를 충분히 약하게 할 수 있도록 설정되어 있다. 또한, 이 메쉬 부재(86)의 상하 방향의 길이는, 10 내지 50㎜ 정도이다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 캐리어 가스 통로(78)의 도중에는, 그 상류측으로부터 하류측을 향하여 가스 유량을 제어하기 위한 매스 플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(90) 및 개폐 밸브(92)가 순차적으로 개재하여 설치되어 있다. 이 캐리어 가스는, 예를 들어 2.5㎏/㎠ 정도의 높은 압력으로 공급된다. 여기서는 상기 캐리어 가스로서는, 아르곤 가스가 사용되고 있지만, 이에 한정되지 않고, 다른 희가스, 예를 들어 He 등을 사용하여도 된다.
한편, 상기 반응 가스 공급계(64)는, 남은 2개의 가스 분산 노즐 중의 한쪽의 가스 분산 노즐(32)에 접속된 반응 가스 통로(102)를 갖고 있다. 이 반응 가스 통로(102)의 도중에는, 매스 플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(104) 및 개폐 밸브(106)가 순차적으로 개재하여 설치되어 있고, 필요에 따라서 상기 반응 가스를 유량 제어하면서 공급할 수 있도록 되어 있다.
여기서 상기 반응 가스로서는, 산화 가스, 예를 들어 오존(O3)이 사용되고, Zr을 포함하는 원료를 산화하여 산화지르코늄을 성막할 수 있도록 되어 있다. 또한, 상기 퍼지 가스 공급계(65)는, 남은 1개의 가스 분산 노즐 중의 한쪽의 가스 분산 노즐(33)에 접속된 퍼지 가스 통로(108)를 갖고 있다. 이 퍼지 가스 통로(108)의 도중에는, 매스 플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(110) 및 개폐 밸브(112)가 순차적으로 개재하여 설치되어 있고, 필요에 따라서 상기 퍼지 가스를 유량 제어하면서 공급할 수 있도록 되어 있다. 상기 퍼지 가스로서는, 예를 들어 N2 가스 등의 불활성 가스가 사용되고 있다.
이상과 같이 구성된 열처리 장치(2)의 전체의 동작은, 예를 들어 컴퓨터 등으로 이루어지는 장치 제어부(116)에 의해 제어되도록 되어 있고, 이 동작을 행하는 컴퓨터의 프로그램은 기억 매체(118)에 기억되어 있다. 이 기억 매체(118)는, 예를 들어 플렉시블 디스크, CD(Compact Disc), 하드 디스크, 플래시 메모리 혹은 DVD 등으로 이루어진다. 구체적으로는, 이 장치 제어부(116)로부터의 명령에 의해, 각 가스의 공급의 개시, 정지나 유량 제어, 프로세스 온도나 프로세스 압력의 제어 등이 행해진다.
다음에, 이상과 같이 구성된 열처리 장치(2)를 사용하여 행해지는 성막 방법에 대해서 설명한다. 여기서는 원료로서 트리스(디메틸아미노)시클로펜타디에닐지르코늄[C11H23N3Zr]을 사용하고, 반응 가스로서 산화 가스인 오존을 사용하여 산화지르코늄의 박막을 형성하는 경우를 예로 들어 설명한다.
구체적으로는, 상기 원료 가스와 반응 가스(오존)를 각각 일정한 공급 기간에서 교대로 펄스 형상으로 공급하는 공급 공정과 공급을 정지하는 정지 공정으로 이루어지는 1 사이클을 복수회 반복 실행하여 상기 박막을 형성하도록 하고 있다.
상기 원료 가스를 공급하는 경우에는, 상기 원료 가스 공급계(62)에 있어서, 원료 저류조(68) 내에서 가열에 의해 원료(66)가 기화되어 포화 상태로 되어 있고, 이 원료 저류조(68) 내에 가스 공급부(74)를 통하여 유량 제어된 캐리어 가스를 공급함으로써, 상기 포화 상태의 원료 가스는 캐리어 가스에 수반되어 가스 유출부(76)로부터 원료 가스 통로(70)측으로 유출된다. 그리고, 캐리어 가스와 함께 반송된 원료 가스는, 처리 용기(8) 내에 설치한 가스 분산 노즐(30)로부터 분사되어 처리 용기(8) 내에 공급된다.
또한, 반응 가스를 공급하는 경우에는, 상기 반응 가스 공급계(64)에 있어서 반응 가스가 유량 제어되면서 반응 가스 통로(102) 내에 흐르게 되고, 이 반응 가스가 가스 분산 노즐(32)의 가스 분사 구멍(32A)으로부터 분사되어 처리 용기(8) 내에 공급된다. 또한, 퍼지 가스를 공급하는 경우에는, 상기 퍼지 가스 공급계(65)에 있어서 퍼지 가스가 유량 제어되면서 퍼지 가스 통로(108) 내에 흐르게 되고, 이 퍼지 가스가 가스 분산 노즐(33)의 가스 분사 구멍(33A)으로부터 분사되어 처리 용기(8) 내에 공급된다.
상기 처리 용기(8) 내에 공급된 가스는, 각 웨이퍼(W)와 접촉하면서 웨이퍼간을 횡방향(수평 방향)으로 흘러서 배기구(36)를 통하여 내통(4)과 외통(6) 사이의 간극으로 유입되고, 또한 이 가스는 상기 간극 내를 유하하여 가스 출구(44)로부터 진공 배기계(46)에 의해 용기 외부로 배출되어 가게 된다.
실제의 수순에서는, 우선, 상온의 다수매, 예를 들어 50 내지 150매의 300㎜ 사이즈의 웨이퍼(W)가 재치된 상태의 웨이퍼 보트(12)를 미리 소정의 온도로 이루어진 처리 용기(8) 내에 그 하방으로부터 상승시켜 로드하고, 덮개부(18)로 매니홀드(10)의 하단 개구부를 폐쇄함으로써 용기 내를 밀폐한다.
그리고 처리 용기(8) 내를 진공화하여 0.1 내지 3torr 정도로 유지함과 함께, 가열 수단(54)으로의 공급 전력을 증대시킴으로써, 웨이퍼 온도를 상승시켜 프로세스 온도, 예를 들어 250℃ 정도를 유지한다. 그리고, 가스 공급 장치(60)의 원료 가스 공급계(62) 및 반응 가스 공급계(64)를 구동함으로써, 전술한 바와 같이 원료 가스와 오존을 교대로 처리 용기(8) 내에 공급하여, 웨이퍼(W)의 표면에 산화지르코늄의 박막을 적층하게 된다. 구체적으로는, 원료 가스 공급계(62)의 원료 저류조(68)에서는, 원료 가열 히터(69)에 의해 원료(66)가 가열되어, 이 원료 저류조(68) 내의 원료 가스가 발생하여 포화 상태로 되어 있다.
성막 처리(열처리)를 개시하면, 우선, Ar로 이루어지는 캐리어 가스를 원료 저류조(68) 내에 흘리고, 상기 원료 저류조(68) 내의 원료 가스를 캐리어 가스와 함께 처리 용기(8) 내에 흘리는 원료 가스 공급 공정을 행한다. 이에 의해, 웨이퍼(W)의 표면에 원료 가스를 부착시킨다.
이때의 유량은, 캐리어 가스가 2 내지 15 slm의 범위 내로서, 예를 들어 7 slm이며, 가스를 흘리는 시간은, 예를 들어 1 내지 10초의 범위 내의 극히 적은 시간이다. 여기서는 예를 들어 5초 정도이다.
다음에, 캐리어 가스 및 원료 가스의 공급을 정지한 상태에서 처리 용기(8) 내의 잔류 가스를 배제하는 퍼지 공정을 행한다. 이 퍼지 공정에서는 모든 가스의 공급을 정지하여 처리 용기(8) 내의 잔류 가스를 배제하거나, 혹은 불활성 가스로 이루어지는 퍼지 가스인 N2를 처리 용기(8) 내에 공급하여 잔류 가스와 치환하거나 해도 되고, 나아가서는 양자를 조합해도 된다. 이때의 N2 가스의 유량은 0.5 내지 15slm의 범위 내이며, 여기서는 10slm이다. 이 퍼지 공정은 4 내지 120초의 범위 내이며, 여기서는 60초 정도 행하고 있다.
상술한 바와 같이 퍼지 공정이 종료되면, 다음에 반응 가스 공급 공정을 행한다. 여기서는 반응 가스 공급계(64)를 사용하여 오존으로 이루어지는 반응 가스를 처리 용기(8) 내에 공급한다. 이에 의해, 웨이퍼(W)의 표면에 부착되었던 원료 가스와 오존이 반응하여 산화 지르코니아의 박막이 형성되게 된다. 이 성막을 행하는 반응 가스 공급 공정의 프로세스 시간은, 50 내지 200초의 범위 내이고, 여기서는 예를 들어 100초 정도이다.
이 반응 가스 공급 공정이 종료되면, 처리 용기(8) 내의 잔류 가스를 배제하는 퍼지 공정을 행한다. 이와 같이 하여, 상기한 각 공정을 소정의 횟수만큼 반복 행하여 산화지르코늄의 박막을 적층하게 된다.
상술한 바와 같은 성막 처리를 행할 때에, 상기 원료 가스 공급계(62)에 있어서는, 원료 가스를 다량으로 처리 용기(8) 내에 도입할 필요가 있으므로, 캐리어 가스를 상술한 바와 같이 다량으로 흘려서 원료 저류조(68) 내에 공급할 필요가 있다. 이 경우, 종래의 원료 가스 공급계(가스 공급 장치)에 있어서는, 원료 저류조(68) 내에 예를 들어 2.5㎏/㎠ 정도의 높은 압력으로 공급한 캐리어 가스가 원료(66)의 액면에 심하게 부딪치게 되므로, 액면에 변동이나 기포의 혼입을 유발하여, 파티클의 발생이 우려되고 있었다.
그러나, 본 발명의 가스 공급 장치(60)의 경우에는, 원료 가스 공급계(62)의 가스 공급부(74)에 배플판(80)을 설치하고 있으므로, 가스 공급구(84)로부터 분사되는 캐리어 가스가 원료(66)의 액면에 직접적으로 닿는 것이 저지되게 되고, 결과적으로 액면 변동이나 기포의 혼입의 유발을 저지할 수 있다.
구체적으로는, 가스 공급부(74)에 설치한 가스 노즐(82)의 하단의 가스 공급구(84)로부터 바로 아래를 향하여 거세게 분사된 캐리어 가스는, 하방에 위치하는 배플판(80)에 거세게 부딪치게 되어 그 기세가 약해지게 된다. 이 기세가 약해진 캐리어 가스는, 이 배플판(80)과 가스 공급구(84) 사이를 둘러싸도록 하여 설치한 미세한 그물코의 메쉬 부재(86)에 의해 그 기세가 더 약해지면서, 또한 그 진행 방향을 경사 하방, 혹은 수평 방향으로 바꾸면서 이 메쉬 부재(86)를 통과하여 원료 저류조(68) 내의 상부 공간부(68A)에 공급되게 된다. 따라서, 기세가 강한 캐리어 가스가 원료(66)의 액면에 직접적으로 닿는 것을 저지할 수 있고, 그 결과, 액면 변동(요동)이나 기포의 혼입이 저지되어 파티클의 발생을 방지할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 유기 금속 재료로 이루어지는 액상의 원료(66)로부터 발생한 원료 가스를 캐리어 가스를 사용하여 피처리체(W)에 열처리를 실시하는 처리 용기(8)에 공급하는 원료 가스 공급계(62)를 갖는 가스 공급 장치에 있어서, 액상의 원료(66)를 저류하는 원료 저류조(68)의 가스 공급부(74)에, 이 가스 공급부(74)로부터 분사되는 캐리어 가스가 원료(66)의 액면에 직접적으로 닿는 것을 저지하기 위한 배플판(80)을 설치하여 캐리어 가스가 액면에 강하게 닿는 것을 저지하도록 하였으므로, 원료(66)의 액면이 크게 흔들리거나, 이 액면에 기포가 혼입되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 파티클의 발생이 억제되어 피처리체의 표면에 파티클이 부착되는 것을 방지할 수 있다.
<배플판의 평가>
여기서, 앞서 설명한 본 발명의 가스 공급 장치(60)의 평가 실험을 행하였으므로, 그 평가 결과에 대해서 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 가스 공급 장치의 평가 결과를 나타내는 그래프이며, 횡축에 캐리어 가스의 유량을 취하고, 종축에 웨이퍼 위에 부착된 파티클량을 취하고 있다. 여기서는, 가스 노즐(82)의 가스 공급구(84)의 직경(D)을 3.2㎜, 배플판(80)의 직경(L)을 2.0㎜, 가스 공급구(84)와 배플판(80) 사이의 거리를 32㎜로 각각 설정하였다. 또한 메쉬 부재(86)로서는, 메쉬의 크기가 0.4㎛인 것을 사용하였다.
도 4로부터 명백해진 바와 같이, 배플판이 없는 종래의 가스 공급 장치의 경우에는, 캐리어 가스를 증가시키면 당초에는 파티클은 거의 제로이었지만, 5 slm을 넘어 캐리어 가스 유량이 많아지면 파티클량이 점차 증가되었다. 이에 대하여, 배플판이 있는 본 발명의 가스 공급 장치에서는, 캐리어 가스의 유량을 증가시켜도 파티클은 거의 발생하지 않고, 18 slm을 지나서 23slm까지는, 파티클은 거의 제로이며, 23slm을 넘어 캐리어 가스 유량이 많아지면 파티클량이 점차 증가되었다. 그리고, 캐리어 가스의 유량이 18 slm 정도까지는, 배플판 없이 캐리어 가스의 유량이 2slm 정도일 때의 액면 상태와 마찬가지이고, 거의 흔들림이 없는 상태이었다. 이와 같이, 가스 공급부(74)에 배플판(80)을 설치함으로써, 파티클의 발생을 억제할 수 있는 것을 이해할 수 있다.
도 5는 캐리어 가스의 유량 및 배플판-액면간의 거리와 원료 액면의 상태와의 관계를 나타내는 도면이다. 여기서는 캐리어 가스의 유량을 증가시키면서 그때의 원료 액면 상태를 시인에 의해 관찰하였다. 배플판과 액면 사이의 거리는 1 내지 6㎝까지 변화시켰다. 또한, 캐리어 가스의 유량은 1 내지 18 slm의 범위 내에서 변화시켰다. 가스 공급부(74) 및 배플판(80)의 각 치수 등은 도 4에 있어서 설명한 경우와 동일하다. 또한, 배플판 "없음"은, 종래의 가스 공급 장치를 도시하고 있다.
도 5에서 명백해진 바와 같이, 배플판 "없음"의 종래의 가스 공급 장치에 있어서는, 배플판-액면간의 거리가 1 내지 6㎝의 모든 범위에서 또한 캐리어 가스의 유량이 1 slm일 때에는 액면의 "흔들림 있음"으로 되어 있고, 이 상태에서 캐리어 가스의 유량을 증가시켜 가면, 액면의 흔들림은 "소"로부터 "중" 및 "대"로 순서대로 변화되어 간다. 또한, 이와 동시에, 액면에 캐리어 가스의 기세에 눌려 "오목함 있음"의 상태가 발생하고 있다. 상기 경향은, 배플판과 액면간의 거리가 짧아질수록, 심하게 되어 있다. 특히, 배플판과 액면간의 거리가 1㎝ 및 3㎝인 경우로서 캐리어 가스의 유량이 18 slm인 경우에는, 액면에 "기포 있음"의 상태가 보이고, 파티클이 다량으로 발생하는 것이 예상되어, 바람직하지 않은 상태로 되어 있는 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 배플판 "있음"의 본 발명의 가스 공급 장치에 있어서는, 배플판과 액면간의 거리가 3㎝ 및 6㎝이고 또한 캐리어 가스의 유량이 18 slm인 경우 및 배플판과 액면간의 거리가 1㎝이고 또한 캐리어 가스의 유량이 13 slm, 18 slm인 경우에만 액면의 "흔들림 있음"이 관찰될 뿐이고, 다른 조건의 경우에는 모두 "흔들림 없음"으로 되어, 파티클의 발생 억제 효과를 충분히 발휘할 수 있는 것을 알 수 있었다.
<변형 실시예>
다음에, 본 발명의 가스 공급 장치의 변형 실시예에 대해서 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 가스 공급 장치의 원료 가스 공급계에 있어서의 가스 공급부의 변형 실시예를 나타내는 부분 확대도이며, 도 6a는 제1 변형 실시예를 나타내고, 도 6b는 제2 변형 실시예를 나타내고, 도 6c는 제3 변형 실시예를 나타낸다. 또한, 도 1 내지 도 3에 도시하는 구성 부분과 동일 구성 부분에 대해서는 동일 참조 번호를 부여하여, 그 설명을 생략한다.
[제1 변형 실시예]
전술한 실시예에 있어서는, 배플판(80)을 지지하기 위해 메쉬 부재(86)를 사용하였지만, 이에 한정되지 않고, 지지 아암으로 배플판(80)을 지지하도록 하여도 된다. 이와 같은 제1 변형 실시예는, 도 6a에 도시되어 있고, 도시하는 바와 같이 여기서는 메쉬 부재(86)(도 3 참조)를 설치하지 않고, 이를 대신하여 지지 아암(120)을 설치하고 있다. 즉, 가스 공급부(74)의 가스 노즐(82)의 선단의 가스 공급구(84)와 배플판(80) 사이를, 1개 혹은 복수개의 가는 지지 아암(120)으로 연결해서 이를 지지하도록 되어 있다. 도시예에서는 2개의 지지 아암(120)으로 배플판(80)을 지지하도록 되어 있다.
이 지지 아암(120)은, 내부식성 재료, 예를 들어 스테인리스 스틸에 의해 형성할 수 있다.
이 제1 변형 실시예의 경우에는, 메쉬 부재(86)를 설치하지 않으므로, 메쉬 부재(86)에 의한 캐리어 가스의 기세의 억제 작용은 없지만, 그럼에도 불구하고 이 제1 변형 실시예의 경우에도 전술한 실시예와 마찬가지의 작용 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 앞에 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예의 변형 형태는 여기서도 적용할 수 있는 것은 물론이다.
[제2 변형 실시예]
또한, 전술한 실시예에서는 직선 형상의 가스 노즐(82)을 설치하였지만, 이를 대신하여, 도 6b에 도시하는 제2 변형 실시예와 같이 소정의 각도, 예를 들어 직각으로 L자 형상으로 구부러진 L자 형상의 가스 노즐(82)을 사용하여도 된다. 이 경우에는, 가스 노즐(82)로부터의 캐리어 가스의 가스 분사 방향은 수평 방향, 즉 원료(66)의 액면과 평행하게 되도록 설정되게 된다.
이 경우에는, 가스 노즐(82)의 가스 공급구(84)로부터 수평 방향으로 분사되는 캐리어 가스가 비스듬히 하방향으로 확산되어 직접적으로 원료(66)의 액면에 닿는 것을 방지하기 위해, 배플판(80A)을, 가스 공급구(84)로부터 전방을 향하여 가스 분사 방향의 하면측을 따라서 원료(66)의 액면과 평행하게 되도록 연장시켜 설치하도록 한다.
이 경우, 이 배플판(80A)은 사각형 형상, 예를 들어 직사각 형상으로 성형되어 있다. 이 배플판(80A)의 상방의 공간은, 개방 상태로 하여도 되지만, 여기서는 상기 가스 공급구(84)의 전방과 배플판(80A)의 상방을 둘러싸도록 하여 메쉬 부재(86)를 설치하고 있다. 이 제2 변형 실시예의 경우에도 전술한 실시예와 마찬가지의 작용 효과를 발휘할 수 있다.
[제3 변형 실시예]
상기 제2 변형 실시예에서는, L자 형상으로 굴곡된 가스 노즐(82)을 사용하였지만, 이를 대신하여, 도 6c에 도시하는 제3 변형 실시예와 같이, 가스 노즐(82)은 직선 형상으로 성형되고, 선단의 가스 공급구(84)의 근방의 배플판(80A)이나 메쉬 부재(86)의 구조가 제2 변형 실시예와 마찬가지로 구성된 가스 노즐(82)을, 원료 저류조(68)의 측벽(122)에 착탈 가능하게 장착하도록 하여도 된다. 이 제3 변형 실시예의 경우에도 전술한 실시예와 마찬가지의 작용 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 상기 각 실시예에 있어서는, 가스 공급부(74)에 가스 노즐(82)을 설치한 구조로 되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 가스 노즐(82) 자체를 사용하지 않고 원료 저류조(68)의 천정(71)에 직접적으로 구멍을 형성하고, 이 구멍을 가스 공급구(84)로서 형성하여도 된다. 또한, 여기서는 가스 공급 장치(60)를, 한번에 복수매의 반도체 웨이퍼(W)를 처리할 수 있는, 소위 뱃치식의 열처리 장치(2)에 적용한 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 반도체 웨이퍼(W)를 1매씩 처리하는 매엽식의 열처리 장치에도 본 발명을 적용할 수 있는 것은 물론이다.
또한, 여기서는 피처리체로서 반도체 웨이퍼를 예로 들어 설명하였지만, 이 반도체 웨이퍼에는 실리콘 기판이나 GaAs, SiC, GaN 등의 화합물 반도체 기판도 포함되고, 나아가서는 이들 기판에 한정되지 않고, 액정 표시 장치에 사용하는 글래스 기판이나 세라믹 기판 등에도 본 발명을 적용할 수 있다.
2 : 열처리 장치
4 : 내통
6 : 외통
8 : 처리 용기
12 : 웨이퍼 보트(유지 수단)
28 : 가스 도입부
30, 32, 33 : 가스 분산 노즐
46 : 진공 배기계
54 : 가열 수단
60 : 가스 공급 장치
62 : 원료 가스 공급계
64 : 반응 가스 공급계
65 : 퍼지 가스 공급계
66 : 원료
68 : 원료 저류조
70 : 원료 가스 통로
74 : 가스 공급부
76 : 가스 유출부
78 : 캐리어 가스 통로
80, 80A : 배플판
82 : 가스 노즐
84 : 가스 공급구
86 : 메쉬 부재
120 : 지지 아암
W : 반도체 웨이퍼(피처리체)

Claims (10)

  1. 유기 금속 재료로 이루어지는 액상의 원료로부터 발생한 원료 가스를 캐리어 가스를 사용하여 피처리체에 열처리를 실시하는 처리 용기에 공급하는 원료 가스 공급계를 갖는 가스 공급 장치에 있어서,
    상기 액상의 원료를 저류하는 원료 저류조와,
    상기 원료 저류조에 설치되고 상기 캐리어 가스를 흘리는 캐리어 가스 통로에 접속된 가스 공급부와,
    상기 원료 저류조에 설치되고 상기 원료 가스를 흘리는 원료 가스 통로에 접속된 가스 유출부와,
    상기 가스 공급부로부터 분사되는 상기 캐리어 가스가 상기 원료의 액면에 직접적으로 닿는 것을 저지하기 위한 배플판
    을 구비하는 가스 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 공급부는, 상기 원료 저류조 내에 삽입되는 가스 노즐을 갖는 가스 공급 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배플판은, 상기 가스 공급부로부터의 가스 분사 방향으로 설치되어 있는 가스 공급 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배플판은, 그 배플판과 상기 가스 공급부의 가스 공급구 사이를 둘러싸도록 하여 연결해서 설치된 통기성이 있는 메쉬 부재에 의해 지지되어 있는 가스 공급 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배플판은, 지지 아암에 의해 지지되어 있는 가스 공급 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배플판의 직경은, 상기 가스 공급구의 직경의 1/2 내지 2배의 범위 내로 되도록 설정되어 있는 가스 공급 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배플판은, 상기 원료의 액면과 평행하게 되도록 설치되는 가스 공급 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스 노즐은, 가스 분사 방향이 상기 원료의 액면과 평행하게 되도록 설치되어 있는 가스 공급 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배플판은, 상기 가스 공급부의 가스 공급구로부터 전방을 향하여 가스 분사 방향의 하면측을 따라서 상기 원료의 액면과 평행하게 되도록 연장시켜 설치되는 가스 공급 장치.
  10. 피처리체에 대하여 열처리를 실시하기 위한 열처리 장치에 있어서,
    상기 피처리체를 수용하는 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에서 상기 피처리체를 유지하는 유지 수단과,
    상기 피처리체를 가열하는 가열 수단과,
    상기 처리 용기 내의 분위기를 배기하는 진공 배기계와,
    제1항 또는 제2항에 기재된 가스 공급 장치
    를 구비한 열처리 장치.
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