CN106457507A - 研磨方法及研磨装置 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种依据来自晶片等基板的反射光所含的光学信息测定膜厚，并研磨该基板的研磨方法及研磨装置。研磨方法准备分别包含对应于不同膜厚的多个参考光谱的多个光谱群，在基板上照射光，并接收来自该基板的反射光，根据反射光生成抽样光谱，选择包含形状与抽样光谱最接近的参考光谱的光谱群，研磨基板，并生成测定光谱，并从选出的光谱群选择形状与研磨基板时所生成的测定光谱最接近的参考光谱，取得对应于选出的参考光谱的膜厚。

Description

研磨方法及研磨装置
技术领域
本发明关于一种依据来自晶片等基板的反射光所含的光学信息测定膜厚，而且研磨该基板的研磨方法及研磨装置。
背景技术
半导体组件的制造程序中，为了研磨晶片表面而广泛使用研磨装置，更详细而言，使用CMP(化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing))装置。一般而言，CMP装置具备用于测定研磨中的晶片膜厚的膜厚测定器。CMP装置是以研磨晶片而且测定膜厚，并依据膜厚的测定值检测晶片的研磨终点，或是控制晶片面内的残留膜厚的分布的方式构成。CMP装置中作为测定对象的膜厚是最上层的被研磨膜的厚度，且本说明书中只要无特别限制，“膜厚”是指“被研磨膜的厚度”。
膜厚测定器的一例已知有光学式膜厚测定器。该光学式膜厚测定器是以在晶片表面照射光，接收来自晶片的反射光，从反射光的光谱决定晶片膜厚的方式构成。反射光的光谱随晶片的膜厚而变化。因此，光学是膜厚测定器可依据光谱决定膜厚。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2008-503356号公报
专利文献2：国际公开第2008/032753号文件
但是，关于被研磨膜，即使在相同膜厚条件下，因膜的基底层的构造变动，反射光的光谱也会发生变化。例如，反射光的光谱会随形成于基底层的凹部深度及宽度而变化。图19是表示晶片表面构造的剖面图。构成晶片露出面的膜100(例如二氧化硅(SiO2)膜)形成于基底层101(例如硅层)上。基底层101中形成有凹部103，凹部103被膜100的一部分填满。符号t1表示膜100的厚度，符号t2表示凹部103的深度，符号d2表示凹部103的宽度，符号d1表示基底层101的凹部103以外的部分宽度。
图20是表示随凹部103的深度t2而变化的反射光的光谱图。图20的纵轴表示光的反射率(硅晶片的水研磨时对反射光的相对反射率)，横轴表示光的波长。图20所示的光谱是从宽度d2对膜100的厚度t1及宽度d1的比不变，在使凹部103的深度t2逐渐变化的条件下实施的光反射模拟而获得的。从图20可知，即使膜100的厚度t1相同，反射光的光谱仍会随凹部103的深度t2变化而偏移。
图21是表示随凹部103的宽度d2而变化的反射光的光谱图。图21所示的光谱是从膜100的厚度t1及凹部103的深度t2不变，使凹部103的宽度d2(更具体而言，即宽度d2对宽度d1的比)逐渐变化条件下所实施的光反射模拟而获得的。从图21可知，即使膜100的厚度t1相同，反射光的光谱仍会随凹部103的宽度d2变化而偏移。
实际的晶片中当然还堆栈有几层膜及配线，在制造过程各阶段的研磨中，往往会要求控制被研磨膜(下层有凹凸情况下，形成于凸部上的膜)的厚度。本说明书中，包括在被研磨膜下侧的各层而称为基底层。
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的为提供一种排除基底层构造变动的影响，可测定正确膜厚的研磨方法及研磨装置。
解决问题的手段
本发明一种方式的研磨方法的特征在于：准备分别包含对应于不同膜厚的多个参考光谱的多个光谱群，在基板上照射光，并接收来自该基板的反射光，根据前述反射光生成用于选择光谱群的抽样光谱，选择包含形状与前述抽样光谱最接近的参考光谱的光谱群，研磨前述基板，并生成用于取得膜厚的测定光谱，从被选出的前述光谱群中选择形状与研磨前述基板的过程中所生成的前述测定光谱最接近的参考光谱，取得对应于被选出的前述参考光谱的膜厚。
本发明其他方式的研磨方法的特征在于：研磨参考基板而取得包含多个参考光谱的至少一个光谱群，以将前述参考基板的研磨率视为一定的方式修正前述多个参考光谱，取得对应于不同膜厚的多个修正参考光谱，在基板上照射光，并接收来自该基板的反射光，研磨前述基板，并生成用于取得膜厚的测定光谱，从前述至少一个光谱群中选择形状与研磨前述基板的过程中所生成的前述测定光谱最接近的修正参考光谱，取得对应于被选出的前述修正参考光谱的膜厚。
本发明其他方式的研磨装置的特征在于，具备：研磨台，该研磨台支撑研磨垫；研磨头，该研磨头将基板按压于前述研磨垫来研磨前述基板；存储装置，该存储装置存储有分别包含对应于不同膜厚的多个参考光谱的多个光谱群；及光学式膜厚测定器，该光学式膜厚测定器取得前述基板的膜厚，前述光学式膜厚测定器按如下方法取得前述基板的膜厚：在基板上照射光，并接收来自该基板的反射光，根据前述反射光生成用于选择光谱群的抽样光谱，选择包含形状与前述抽样光谱最接近的参考光谱的光谱群，研磨前述基板，并生成用于取得膜厚的测定光谱，从被选出的前述光谱群中选择形状与研磨前述基板的过程中所生成的前述测定光谱最接近的参考光谱，取得对应于被选出的前述参考光谱的膜厚。
发明效果
采用本发明时，通过选择包含形状与抽样光谱最接近的参考光谱的光谱群，可排除基底层构造的差异的影响。其结果，关于被研磨膜，可取得更正确的膜厚。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的研磨装置图。
图2是表示研磨头的详细构造剖面图。
图3是表示具备光学式膜厚测定器的研磨装置的示意剖面图。
图4是用于说明光学式膜厚测定器的原理的示意图。
图5是表示晶片与研磨台的位置关系的俯视图。
图6是表示通过处理部所生成的光谱图。
图7是说明从获得的测定光谱与多个参考光谱的比较决定膜厚的程序图。
图8是表示参考光谱的膜厚与研磨时间的关系曲线图。
图9是表示抽样光谱与参考光谱的图。
图10是说明从多个光谱群选择1个光谱群的工序的示意图。
图11是表示研磨1片晶片时研磨台在各旋转中决定膜厚流程的一例的流程图。
图12是表示用于管理光谱群的数据库系统的构成图。
图13是表示就1片目标晶片，使用多个光谱群所估计的研磨中的膜厚轮廓图。
图14是用于说明以参考晶片研磨中的研磨率视为一定的方式，修正对应的参考光谱的工序的图。
图15是表示修正参考光谱的效果图。
图16是表示用于求出图14所示的估计线的一种方法的曲线图。
图17是说明为了获得估计线的另外方法的曲线图。
图18是表示关于图13所示的目标晶片与光谱群，通过利用光谱变化量的方法修正参考光谱所获得的膜厚轮廓图。
图19是表示晶片的表面构造的剖面图。
图20是表示随形成于基底层的凹部深度而变化的反射光的光谱图。
图21是表示随形成于基底层的凹部宽度而变化的反射光的光谱图。
符号说明
1 研磨垫
1a 研磨面
3 研磨台
3a 台轴
5 研磨头
6 载体
7 弹性膜
7a 分隔壁
8 扣环
9 弹性膜
10 研磨液供给喷嘴
12 研磨控制部
16 研磨头轴杆
17 连结手段
18 研磨头马达
19 台马达
20 上下运动机构
25 光学式膜厚测定器
31 膜厚传感器
32 处理部
42 投光部
43 受光部(光纤)
44 分光器
47 光源
48 光纤
50A 第一孔
50B 第二孔
51 通孔
53 液体供给路径
54 液体排出路径
55 液体供给源
58 存储装置
60 数据服务器
61 光谱群数据库
62 光谱群选择履历数据库
70 研磨装置
D1、D2、D3、D4 压力室
G1、G2、G3、G4 流体管线
U1、U2、U3、U4 真空管线
具体实施方式
以下，参考附图说明本发明的实施方式。图1是表示本发明一种实施方式的研磨装置的图。如图1所示，研磨装置具备：安装了具有研磨面1a的研磨垫1的研磨台3；保持基板的一例的晶片W，且将晶片W按压于研磨台3上的研磨垫1而研磨用的研磨头5；用于在研磨垫1上供给研磨液(例如浆液)的研磨液供给喷嘴10；及控制晶片W的研磨的研磨控制部12。
研磨台3经由台轴3a而连结于配置在其下方的台马达19，研磨台3通过该台马达19可在箭头表示的方向旋转。在该研磨台3的上表面贴合有研磨垫1，研磨垫1的上表面构成研磨晶片W的研磨面1a。研磨头5连结于研磨头轴杆16的下端。研磨头5构成可通过真空吸引而在其下表面保持晶片W。研磨头轴杆16可通过无图示的上下运动机构而上下运动。
晶片W的研磨按如下进行。使研磨头5及研磨台3分别在箭头表示的方向旋转，并从研磨液供给喷嘴10在研磨垫1上供给研磨液(浆液)。在该状态下，研磨头5将晶片W按压于研磨垫1的研磨面1a。晶片W表面通过研磨液中包含的研磨粒的机械性作用与研磨液的化学性作用而研磨。
图2是表示研磨头5的详细构造剖面图。研磨头5具备：圆板状的载体6；在载体6的下方形成多个压力室D1、D2、D3、D4的圆形柔软的弹性膜7；及以包围晶片W的方式配置，而按压研磨垫1的扣环8。压力室D1、D2、D3、D4形成于弹性膜7与载体6的下表面之间。
弹性膜7具有多个环状的分隔壁7a，压力室D1、D2、D3、D4通过这些分隔壁7a而彼此隔离。中央的压力室D1是圆形，其他压力室D2、D3、D4是环状。这些压力室D1、D2、D3、D4排列成同心圆状。研磨头5也可仅具备1个压力室，或是也可具备5个以上的压力室。
压力室D1、D2、D3、D4连结有流体管线G1、G2、G3、G4，压力调整后的加压流体(例如加压空气等的加压气体)可通过流体管线G1、G2、G3、G4而供给至压力室D1、D2、D3、D4中。流体管线G1、G2、G3、G4上连接有真空管线U1、U2、U3、U4，通过真空管线U1、U2、U3、U4可在压力室D1、D2、D3、D4中形成负压。压力室D1、D2、D3、D4的内部压力可彼此独立地变化，从而，可对晶片W对应的4个区域，也即对中央部、内侧中间部、外侧中间部、及周缘部独立调整研磨压力。
在扣环8与载体6之间配置有环状的弹性膜9。该弹性膜9内部形成有环状的压力室D5。该压力室D5连接有流体管线G5，压力调整后的加压流体(例如加压空气)可通过流体管线G5而供给至压力室D5中。另外，流体管线G5上连接有真空管线U5，通过真空管线U5可在压力室D5中形成负压。整个扣环8可随压力室D5中的压力变化而上下方向运动。压力室D5中的压力施加于扣环8，扣环8与弹性膜7独立可直接按压研磨垫1地构成。晶片W研磨中，扣环8在晶片W周围按压研磨垫1，而且弹性膜7对研磨垫1按压晶片W。
载体6固定于头轴杆16的下端，头轴杆16连结于上下运动机构20。该上下运动机构20是以使头轴杆16及研磨头5上升及下降，进一步使研磨头5位于指定高度的方式构成。发挥该研磨头定位机构功能的上下运动机构20为使用伺服马达与滚珠丝杠机构的组合。
上下运动机构20使研磨头5位于指定高度，在该状态下在压力室D1～D5中供给加压流体。弹性膜7接受压力室D1～D4中的压力，将晶片W对研磨垫1按压，扣环8接受压力室D5中的压力而按压研磨垫1。在该状态下研磨晶片W。
研磨装置具备取得晶片W的膜厚的光学式膜厚测定器25。该光学式膜厚测定器25具备：取得随晶片W膜厚而变化的光学信号的膜厚传感器31；及从光学信号决定膜厚的处理部32。膜厚传感器31配置于研磨台3内部，处理部32连接于研磨控制部12。膜厚传感器31如符号A所示地与研磨台3一体旋转，而取得保持于研磨头5的晶片W的光学信号。膜厚传感器31连接于处理部32，通过膜厚传感器31取得的光学信号可传送至处理部32。
图3是表示具备光学式膜厚测定器25的研磨装置的示意剖面图。研磨头轴杆16可经由皮带等连结手段17连结于研磨头马达18而旋转。研磨头5通过该研磨头轴杆16的旋转而在箭头表示的方向旋转。
如上述，光学式膜厚测定器25具备膜厚传感器31与处理部32。膜厚传感器31以在晶片W表面照射光，接收来自晶片W的反射光，并按照波长分解其反射光的方式构成。膜厚传感器31具备：将光照射于晶片W的被研磨面的投光部42；作为接收从晶片W返回的反射光的受光部的光纤43；及按照波长分解来自晶片W的反射光，在整个指定的波长范围测定反射光强度的分光器44。
在研磨台3中形成有在其上表面开口的第一孔50A及第二孔50B。另外，研磨垫1中，在对应于这些孔50A、50B的位置形成有通孔51。孔50A、50B与通孔51连通，通孔51在研磨面1a开口。第一孔50A经由液体供给路径53及旋转接头(无图示)而连结于液体供给源55，第二孔50B连结于液体排出路径54。
投光部42具备：发出多波长的光的光源47；及连接于光源47的光纤48。光纤48是将通过光源47所发出的光引导至晶片W表面的光传送部。光纤48及光纤43的前端位于第一孔50A中，且位于晶片W的被研磨面附近。光纤48及光纤43的各前端朝向保持于研磨头5的晶片W而配置。每当研磨台3旋转时，在晶片W的多个区域照射光。优选的是，光纤48及光纤43的各前端以通过保持于研磨头5的晶片W中心的方式配置。
晶片W的研磨中，作为透明液体的水(优选纯水)从液体供给源55经由液体供给路径53而供给至第一孔50A，填满晶片W的下表面与光纤48、43前端之间的空间。水进一步流入第二孔50B，并通过液体排出路径54排出。研磨液与水一起排出，从而确保光程。液体供给路径53中设有与研磨台3的旋转同步工作的阀门(无图示)。该阀门是以当晶片W不在通孔51上的位置时停止水流动，或是减少水流量的方式动作。
光纤48与光纤43彼此横向配置。光纤48及光纤43的各前端对晶片W表面垂直配置，光纤48可对晶片W表面垂直照射光。
晶片W的研磨中，从投光部42照射光于晶片W，并通过光纤(受光部)43接收来自晶片W的反射光。分光器44在整个指定波长范围测定各波长的反射光强度，并将获得的光强度数据传送至处理部32。该光强度数据是反映晶片W膜厚的光学信号，且由反射光的强度及对应的波长构成。处理部32从光强度数据生成表示各波长光的强度的光谱，进一步从光谱决定晶片W的膜厚。
图4是用于说明光学式膜厚测定器25的原理的示意图。图5是表示晶片W与研磨台3的位置关系的俯视图。图4所示的例是晶片W具有：下层膜；及形成于其上的上层膜。上层膜例如是硅层或绝缘膜。投光部42及受光部43与晶片W表面相对而配置。投光部42每当研磨台3旋转1次时，在包含晶片W中心的多个区域照射光。
照射于晶片W的光在媒介(图4的例是水)与上层膜的界面、及上层膜与下层膜的界面反射，在这些界面反射的光波彼此干扰。该光波干扰的方式依上层膜的厚度(也即光程长)而变化。因而，从来自晶片W的反射光而生成的光谱随上层膜的厚度而变化。分光器44按照波长分解反射光，并在各波长中测定反射光强度。处理部32从得自分光器44的反射光的强度数据(光学信号)生成光谱。以下，将从来自研磨的晶片W的反射光所生成的光谱称为测定光谱。该测定光谱作为表示光波长与强度的关系的曲线图(也即分光波形)来表示。光强度也可作为反射率或相对反射率等的相对值来表示。
图6是表示通过处理部32所生成的测定光谱的图。图6中，横轴表示从晶片反射的光的波长，纵轴表示从反射的光强度导出的相对反射率。所谓相对反射率是表示光的反射强度的1个指标，具体而言，是光强度与指定的基准强度的比。各波长中通过将光强度(实测强度)除以指定的基准强度，而从实测强度中除去装置的光学系统及光源固有的强度变动等不需要的噪声，从而，可获得仅反映膜的厚度信息的测定光谱。
基准强度是各波长预先取得的强度，且在各波长中算出相对反射率。具体而言，通过将各波长的光强度(实测强度)除以对应的基准强度而求出相对反射率。基准强度例如可为在水存在下水研磨尚未形成膜的硅晶片(裸晶片)时获得的光强度。实际研磨是从实测强度减去黑位准(在遮蔽光条件下获得的背景强度)来求出修正实测强度，进一步从基准强度减去上述黑位准而求出修正基准强度，而后，通过将修正实测强度除以修正基准强度来求出相对反射率。具体而言，相对反射率R(λ)可使用以下公式求出。
[数学式1]
此处，λ是波长，E(λ)是从晶片反射的波长λ的光强度，B(λ)是波长λ的基准强度，D(λ)是在遮蔽光状态下取得的波长λ的背景强度(黑位准)。
处理部32是以从测定光谱与多个参考光谱的比较来决定膜厚的方式构成。光学式膜厚测定器25连接于储存有多个参考光谱的图1及图3所示的存储装置58。图7是说明从测定光谱与多个参考光谱的比较而决定膜厚的程序图。处理部32通过比较研磨中所生成的测定光谱与多个参考光谱，决定测定光谱中形状最接近的参考光谱，而取得与该决定的参考光谱相关连的膜厚。测定光谱中形状最接近的参考光谱，是参考光谱与测定光谱间的相对反射率的差为最小的光谱。
多个参考光谱是通过研磨与研磨对象的晶片(以下，有时称为目标晶片或目标基板)相同，或是具有同等初期膜厚的参考晶片而预先取得的，各参考光谱可与取得其参考光谱时的膜厚相关连。也即，各参考光谱是不同膜厚时取得的，且多个参考光谱对应于多个不同膜厚。因此，通过特定测定光谱中形状最接近的参考光谱，可估计现在的膜厚。
说明取得多个参考光谱的工序的一例。首先，准备与目标晶片相同，或具有同等膜厚的参考晶片。将参考晶片搬送至无图示的膜厚测定器，通过膜厚测定器测定参考晶片的初期膜厚。其次，将参考晶片搬送至图1所示的研磨装置，将作为研磨液的浆液供给于研磨垫1而且研磨参考晶片。参考晶片的研磨中，如上述，在参考晶片表面照射光，取得来自参考晶片的反射光的光谱(也即参考光谱)。参考光谱是在研磨台3每次旋转时取得的。因此，在参考晶片研磨中取得多个参考光谱。参考晶片研磨结束后，将参考晶片再次搬送至上述膜厚测定器，测定研磨后的参考晶片的膜厚(也即最后膜厚)。
图8是表示参考晶片的膜厚与研磨时间的关系曲线图。参考晶片的研磨率一定时，如图8所示，膜厚随研磨时间而直线性减少。换言之，膜厚可使用包含变量为研磨时间的一次函数来表示。研磨率可通过将初期膜厚Tini与最后膜厚Tfin的差除以到达最后膜厚Tfin的研磨时间t而算出。
如上述，由于参考光谱是以研磨台3每旋转一次为周期而取得的，因此，取得各个参考光谱时的研磨时间可从研磨台3的转速算出。或是，当然也可以更精密地测定从开始研磨时刻至取得各参考光谱的时间。进一步可从取得各参考光谱的研磨时间算出对应于各参考光谱的膜厚。如此，取得对应于不同膜厚的多个参考光谱。各参考光谱可与对应的膜厚相关连(可相结合)。因此，处理部32通过在晶片研磨中特定测定光谱中形状最接近的参考光谱，可从与该参考光谱相关连的膜厚决定现在的膜厚。
已知要研磨的晶片(目标晶片)的剖面构造时，也可通过光反射的模拟来取得参考光谱。该模拟是将目标晶片的构造建立在计算机上，通过使膜厚逐渐减少，而且模拟在目标晶片上照射光时获得的光谱来执行的。如此，也可从计算机上的模拟取得对应于不同膜厚的多个参考光谱。
反射光的光谱随膜厚而变化。因此，若膜厚不变化则光谱也不变化。但是，如图20及图21所示，即使膜厚相同，光谱仍会通过膜的基底层的构造差异而改变。基底层的构造在晶片表面内的各区域不同，另外，有时晶片之间也不同。这种基底层的构造差异会妨碍正确的膜厚测定。
为了排除因这种基底层构造差异对光谱变化的影响，处理部32使用分别包含对应于不同膜厚的多个参考光谱的多个光谱群来决定膜厚。处理部32连接于存储有多个光谱群的存储装置58。这些不同光谱群中包含的参考光谱，是从参考晶片上不同区域反射的光所生成的参考光谱、使用多个参考晶片所取得的参考光谱、或是通过光反射模拟所取得的参考光谱。
说明取得多个光谱群的工序的一例。本例使用1片与目标晶片相同、或具有同等膜厚的参考晶片。参考晶片的膜厚也可比目标晶片的膜厚大。另外，若在研磨初期允许不正确求出膜厚时，则参考晶片的膜厚也可比目标晶片的膜厚稍小。研磨参考晶片，而且在定义于该参考晶片上的多个区域照射光，从这些多个区域所反射的光生成多个参考光谱，通过将所生成的多个参考光谱按照多个区域分类，而取得多个光谱群。基底层的构造与参考晶片的各区域稍有不同。因此，取得反映基底层的构造差异的多个光谱群。
说明取得多个光谱群的工序的其他例。本例使用与目标晶片相同，或具有同等膜厚的多个参考晶片。多个参考晶片的膜厚也可比目标晶片的膜厚大。另外，若在研磨初期允许不正确求出膜厚时，则参考晶片的膜厚也可比目标晶片的膜厚稍小。从多个参考晶片选择1个参考晶片，研磨该选出的参考晶片，而且在该参考晶片上照射光，从参考晶片所反射的光生成多个参考光谱而取得1个以上的光谱群，逐片改变选择的参考晶片，通过反复进行上述在参考晶片上照射光的工序及上述取得1个以上光谱群的工序，直至研磨全部的参考晶片，而取得多个光谱群。基底层的构造与各参考晶片稍有不同。因此，取得反映基底层的构造差异的多个光谱群。基底层的构造不仅在晶片之间，即使在晶片面内也不同情况下，当然是在各参考晶片的多个区域取得光谱群。
研磨目标晶片中，如上述在目标晶片上照射光。处理部32从目标晶片返回的反射光生成光谱，选择包含该生成的光谱中形状最接近的参考光谱的光谱群。以下，将使用于光谱群的选择的光谱称为抽样光谱。抽样光谱与测定光谱相同，是从研磨的晶片W所反射的光生成的光谱。抽样光谱与参考光谱间的形状的对比，依据抽样光谱与参考光谱的偏差来执行。更具体而言，处理部32是使用以下公式算出2个光谱间的偏差。
[数学式2]
此处，λ是光的波长，λ1、λ2是决定作为监视对象的光谱波长范围的下限值及上限值，Rc是构成抽样光谱的相对反射率，Rp是构成参考光谱的相对反射率。另外，研磨中考虑在原位测定膜厚的反射光强度的变动及噪声影响，也可实施Rc或Rp除以平均波长等的正规化处理、与附近测定区域的平均、与过去数个步骤的测定值的平均时间等的前处理。
图9是表示抽样光谱与参考光谱的图。上述公式(2)是算出抽样光谱与参考光谱的偏差的公式，且该偏差相当于由这2个光谱而包围的区域(图9以阴影表示)。处理部32使用上述公式(2)决定与抽样光谱偏差最小的参考光谱，也即决定抽样光谱中形状最接近的参考光谱。再者，处理部32从多个光谱群选择上述决定的参考光谱所属的光谱群。
图10是说明从多个光谱群选择1个光谱群的工序的示意图。存储装置58(参考图1及图3)中预先存储有如图10所示的多个光谱群。各光谱群中包含对应于被研磨膜的不同膜厚的多个参考光谱。处理部32从目标晶片反射的光生成抽样光谱，决定(选择)该抽样光谱中包含形状最接近的参考光谱的1个光谱群。
多个光谱群在基底层构造不同的条件下取得。因此，因基底层构造差异造成各光谱群的参考光谱不同。通过选择抽样光谱中包含形状最接近的参考光谱的光谱群，可排除基底层构造差异的影响。结果，处理部32可取得更正确的膜厚。
取得光谱群的晶片面上的多个区域(以下称参考区域)，例如可举出以多个半径范围所定义的多个参考区域。原因之一是根据研磨前的成膜工序或研磨特性，往往基底层的厚度在晶片面内会大致以轴对称状变动。另外，其他原因可举出：以在指定的短时间膜厚传感器31对晶片面在其周向均等地扫描后返回原来位置的方式，设定研磨台3与研磨头5的转速时，通过将在该指定的短时间所获得的光谱数据加以平均，可降低在晶片周向基底层构造变动的影响。例如，若研磨台3的转速为90rpm，研磨头5的转速为99rpm时，当研磨台3旋转10次时，研磨头旋转11次，膜厚传感器31返回晶片面上的原来位置。因此，通过将研磨台3旋转10次时的光谱数据加以平均，可大幅降低基底层的构造在晶片面内的影响。
参考晶片的基底层的构造，特别是基底层的膜厚，可使用独立的膜厚测定器或组装于研磨装置的联机(In-line)的膜厚测定器，在研磨前或研磨后在参考晶片静止状态下测定。因此，优选依据所测定的1片以上参考晶片的基底层膜厚分布，以整个基底层膜厚在从膜厚最小值至膜厚最大值的范围内尽可能均等分布的方式，对各个参考晶片选择参考区域。多个光谱群是在选出的多个参考区域分别取得的。
事前无法取得关于这种基底层构造的信息情况下，优选以在各参考晶片面内尽可能均等分布的方式来决定参考区域。再者，更优选排除参考光谱的形状接近的光谱群，事前专注于光谱群数量。判定参考光谱间的形状的类似性时，可利用上述公式(2)。参考光谱中存在通过基底层的构造而决定的极大点及极小点情况下，也可着眼于该极大点或极小点的波长，以全部波长在从波长最小值至波长最大值的范围内尽可能均等分布的方式，来选择各参考晶片的参考区域。
选择光谱群的工序也可在研磨目标晶片时执行，也可在研磨目标晶片前执行。研磨目标晶片时选择光谱群时，优选使用在预设研磨时间内所生成的抽样光谱。例如，开始研磨起经过指定时间所生成的抽样光谱与多个光谱群中的多个参考光谱比较，选择抽样光谱中包含形状最接近的参考光谱的光谱群。
在研磨目标晶片前选择光谱群时，优选使用水研磨目标晶片时所生成的抽样光谱。水研磨是在研磨垫上供给纯水以取代浆液，而且使目标晶片滑动接触于研磨垫的工序。在目标晶片与研磨垫之间存在纯水状态下水研磨目标晶片。与浆液不同，由于纯水不含研磨粒，且不具蚀刻晶片的膜的作用，因此水研磨实质上不进行目标晶片的研磨。
或是，使用独立的膜厚测定器或联机的膜厚测定器决定光谱群情况下，也可通过组装于研磨装置的联机的膜厚测定器测定目标晶片的基底层构造及/或膜厚，并选择对应的光谱群。此时，优选每次在研磨1片目标晶片时进行其目标晶片的基底层测定。不过，1批中基底层的构造视为均匀情况下，也可各批进行1片目标晶片的测定。通过在成膜工序使用的成膜室的变动等，例如基底层的构造以奇数片与偶数片而变化情况下，也可对于从奇数群与偶数群分别选出的1片目标晶片进行膜厚测定。
一旦选择光谱群后，处理部32在目标晶片的研磨中生成测定光谱，并从上述选出的光谱群选择该生成的测定光谱中形状最接近的参考光谱。更具体而言，处理部32是使用上述公式(2)来决定测定光谱中形状最接近的参考光谱，也即决定与测定光谱的偏差最小的参考光谱，而取得与决定的参考光谱相关连的膜厚。处理部32依据该决定的膜厚监视目标晶片的研磨，决定膜厚比指定目标值减少的时刻的研磨终点。处理部32将研磨终点检测信号传送至研磨控制部12，研磨控制部12接收该研磨终点检测信号而结束目标晶片的研磨。另外，处理部32在目标晶片研磨中的各时刻，依据对目标晶片的面内各区域决定的膜厚，决定用于获得指定的残留膜厚分布的操作量，例如决定压力室D1～D5的压力指令值。处理部32将这些压力指令值传送至研磨控制部12，研磨控制部12依据所传送的指令值更新压力。
随着目标晶片的研磨进行，因目标晶片的温度及表面形状的变化等因素，会造成测定光谱大幅变化。例如，在目标晶片的研磨初期，会在其表面形成凹凸(或台阶)。通过研磨除去这种凹凸时，测定光谱会大幅变化。在凹凸残留阶段，依凹凸状态，测定光谱比较不稳定，且在晶片间或晶片面内变动，相对的，在通过研磨除去凹凸的阶段，往往可获得稳定的测定光谱。
因此，处理部32也可在目标晶片研磨中再次生成抽样光谱，再次选择该生成的抽样光谱中包含形状最接近的参考光谱的光谱群。由于目标晶片研磨中所生成的抽样光谱与测定光谱实质相同，因此，也可使用测定光谱作为抽样光谱。再次选择光谱群后，处理部32从上述再次选出的光谱群选择测定光谱中形状最接近的参考光谱。如此，通过再次选择光谱群，可在特别是在加工性能上具有重要意义的研磨后半段取得更正确的膜厚。
也可预先选择在靠近要监视目标晶片膜厚的区域的区域所取得的多个光谱群。例如，更精密地控制目标晶片周缘部的膜厚时，优选从全部光谱群预先选择在参考晶片周缘部所取得的多个光谱群，从这些预先选出的多个光谱群选择抽样光谱中包含形状最接近的参考光谱的1个光谱群。如上述，基底层的构造在晶片面内各区域往往不同。另外，取决于研磨装置或膜厚传感器31的构成，在晶片面内的同一个区域，膜厚传感器31在同一方向扫描晶片面的同一位置的机会多。若并用上述研磨台3与研磨头5的转速的设定及光谱数据的平均运算，可减轻测定区域内的配线图案的影响。因此，通过预先选择在靠近要监视的区域的区域所取得的一些光谱群，可有效测定正确的膜厚。
如上述，参考光谱是通过使用参考晶片或模拟而预先取得的。在如此取得的参考光谱中，也存在多个光谱群间形状彼此接近的。因此，为了缩短与参考光谱的比较时间，如上述，优选预先排除任何包含形状接近的参考光谱的光谱群，而作为一个光谱群。如此，处理部32能够以更短时间比较抽样光谱与参考光谱。
图11着眼于光谱的选择而表示研磨1片晶片时在研磨台3各次旋转中膜厚决定的流程的一例。在以下说明中有时将依据测定光谱(及抽样光谱)与参考光谱的比较而决定目标晶片膜厚称为估计膜厚。此因，本实施方式的目标晶片的膜厚是通过计算而从参考晶片的初期膜厚实测值、最后膜厚实测值及研磨时间相关的信息求出的。
步骤1是在目标晶片的各测定点，当研磨台3旋转1次时取得反射光的抽样光谱。在步骤2中，处理部32在目标晶片开始研磨以后，判断研磨台3是否已旋转指定次数NM。根据研磨台3现在的旋转次数与指定次数NM的大小关系，之后的膜厚估计流程不同。晶片即使一般规格(产品、层等)相同，仍存在一定程度的初期膜厚(研磨前的膜厚)的变动。指定次数NM是以目标晶片的初期膜厚即使在最大变动范围，通过研磨目标晶片，其膜厚仍可充分低于参考晶片的初期膜厚的方式设定。此因，在基于与参考光谱的比较的膜厚估计中，仅可在对应于参考光谱的膜厚的范围内决定目标晶片的膜厚。
指定次数NM过大时，全部光谱群(全部参考区域候补)长时间实施后述的步骤3，处理部32的计算负荷增加，而可能造成处理部32的反应性恶化。在这种情况下，考虑晶片面各区域的基底层厚度及光学常数不在研磨中变化，而将次数NM设定在适当的数。基于光谱的移动平均等的理由，在研磨初期阶段的某个旋转次数中无法求出抽样光谱情况下，也可在NM中加上其旋转次数。
在步骤2判断为研磨台3的现在旋转次数低于指定次数NM时，在步骤3中，处理部32计算属于全部光谱群(全部参考区域候补)的参考光谱与抽样光谱的偏差。该步骤3中，参考晶片开始研磨以后到达指定的台旋转次数NR所取得的全部光谱群的参考光谱为计算偏差的对象。指定的台旋转次数NR是以目标晶片的初期膜厚即使在最小变动范围，对应于参考光谱的膜厚候补的一部分仍可充分低于目标晶片的初期膜厚的方式设定。再者，也考虑该计算负荷及目标晶片的NM旋转中的膜厚变化量，台旋转次数NR优选设定成适当的数值。基于光谱的移动平均等的理由，在研磨初期阶段的某个旋转次数中无法获得参考光谱情况下，最初获得的NR旋转部分的参考光谱为计算偏差的对象。
在步骤4中，处理部32关于目标晶片的各测定点，从步骤3所求出的偏差中选择最小者(最小偏差)，再选择对应于选出的最小偏差的参考光谱所属的光谱群，从对选出的光谱群研磨前后的测定膜厚与研磨时间、及对最小偏差的参考光谱的研磨时间(从开始研磨起的经过时间)估计目标晶片的膜厚。而后，处理部32存储选出的光谱群(参考区域候补)。再者，处理部32也可存储最小偏差。
在步骤5、6中，当研磨台3的现在旋转次数等于指定次数NM时，对于目标晶片的各测定点，基于过去各台旋转次数中步骤4的选择结果，决定1个最佳光谱群(最佳参考区域)。其方法例如为，
1)将步骤4所求出的最小偏差的频率为最大的光谱群(参考区域候补)作为最佳光谱群(最佳参考区域)；或是
2)将步骤4所求出的最小偏差中，对应于最小者的光谱群(参考区域候补)作为最佳光谱群(最佳参考区域)。
在研磨台3的现在旋转次数比NM大时，在步骤7中，将在目标晶片各测定点所取得的测定光谱与属于步骤6所决定的最佳光谱群的参考光谱进行比较，来计算光谱偏差。要比较的参考光谱的旋转次数范围并非研磨初期的NR旋转，而是考虑膜厚随研磨进行的变化而决定的，也可是全部旋转范围(全部膜厚范围)。
在步骤8中，关于目标晶片的各测定点，处理部32求出对步骤7所计算的光谱偏差为最小的参考光谱的研磨时间(从开始研磨起的经过时间)，来计算膜厚。在步骤9中，处理部32基于指定的研磨时间或研磨终点检测等判断是否应结束研磨，不应结束研磨情况下，再次执行步骤1。另外，计算资源有余裕情况下，也可在步骤2～3设定旋转次数NM、NR充分大。此时，在研磨中的全部时间反复进行步骤1～5、9。
图12是表示用于管理上述光谱群的数据库系统的构成图。数据服务器60中建构有光谱群数据库61。该光谱群数据库61中储存各光谱群的识别信息、属于各个光谱群的参考光谱、及相关的膜厚信息。数据服务器60经由网络连接于1台以上的研磨装置70，而共享光谱群数据库61。各研磨装置70所取得的参考光谱与研磨前后的膜厚信息，如图12的单点划线所示传送至数据服务器60，并登录于光谱群数据库61中。研磨同一规格(同一产品、同一层)的晶片的研磨装置70优选共享一个光谱群数据库61。
以各研磨装置70研磨目标晶片而求出膜厚时，如图12的实线所示，研磨前从光谱群数据库61自动下载指定的光谱群。要下载的光谱群例如作为研磨配方的一部分来指定。之后，各研磨装置70如上述，关于各测定点进行光谱群的选择与膜厚的算出。同时，各研磨装置70将关于实际选出的光谱群的信息保存于存储区域。
各研磨装置70中研磨结束时，如图12的虚线所示，选出的光谱群信息自动传送至数据服务器60，并登录于光谱群选择履历数据库62作为履历信息。光谱群选择履历数据库62与光谱群数据库61将光谱群识别号码作为共通键而有机性结合。或是，光谱群选择履历数据库62也可与光谱群数据库61一体地建构。
数据服务器60基于关于光谱群选择的履历信息，从数据库61上删除在指定期间选择无结果或选择频率极小的光谱群。另外，数据服务器60基于选出的频率，对各光谱群附加排名，调整选择难易度。再者，研磨目标晶片时，在某一个测定点，无法选择公式(2)所示的偏差充分小的最佳光谱群时，也可与联机膜厚测定器等所测定的研磨前后的膜厚信息一并，将该晶片的该测定点的数据作为新的光谱群而登录于数据库61中。如此，可实现具有学习功能、无用的信息少、且有效的数据库系统。
图13是表示就1片目标晶片，使用多个光谱群所估计的研磨中的膜厚轮廓图。图13的膜厚轮廓是每约10秒标注的。在从基于实际研磨所取得的多个光谱群选择适当的来求出膜厚的方法中，通常，在目标晶片面内某一个测定点，光谱群也即参考晶片或参考区域变化。在图13中，使用于估计膜厚的光谱群在半径位置约50mm的位置，且在光谱群A(在参考晶片的中心区域取得)与光谱群B(在参考晶片的半径位置约100mm的区域取得)之间切换，因而在膜厚轮廓上产生台阶。
产生台阶的原因在于，假设使用于建构各光谱群的参考晶片的研磨率在研磨中一定，且膜厚直线状减少。实际研磨时，研磨率在晶片面内各区域严格而言并非一定，且区域间的研磨率增减情况不同。在图13所示的例中，因为参考晶片与目标晶片研磨前后的膜厚分别相等，所以研磨初阶段与研磨终阶段几乎看不出台阶。但是，在研磨中阶段，在半径位置约50mm的位置，因光谱群的切换而在膜厚轮廓上产生台阶。膜厚轮廓有台阶时，特别是在控制残留膜厚的分布(轮廓)时可能使控制性能恶化。
因此，处理部32在参考晶片的面内各参考区域，以参考晶片研磨中的研磨率视为一定的方式修正对应的参考光谱。图14是用于说明这种参考光谱的修正图。关于各光谱群，图14的单点划线是表示假设参考晶片研磨中的研磨率为一定时膜厚依时间变化的假设线。如该假设线所示，假设研磨率一定时的膜厚，随研磨时间而从符号○所示的初期膜厚(研磨前的测定膜厚)直线状变化成最后膜厚(研磨后的测定膜厚)。初期膜厚及最后膜厚以独立或联机的膜厚测定器测定。另外，实线所示的曲线是表示参考晶片的膜厚依时间变化的估计线，且反映研磨率的变化。该估计线通过同样以符号○表示的初期膜厚与最后膜厚。后述关于估计线的求出方法。
研磨台3旋转次数N时的参考光谱按如下修正。首先，求出旋转次数N时的假想线上的A点的膜厚。其次，求出在估计线上的膜厚与A点相等的B点。通常，B点在相邻的旋转次数N1与N2(＝N1+1)之间。因此，从对应于旋转次数N1与旋转次数N2的参考光谱插补，求出相当于B点的光谱，将其作为在旋转次数N的修正参考光谱。关于研磨台3的各旋转数反复进行同样的操作时，所求出的一连串修正参考光谱可视为对应的参考晶片的参考区域的研磨率在研磨时间中一定时的参考光谱。
其次，使用图15说明如此求出的修正参考光谱的效果。θ1表示在某个时刻的目标晶片的膜厚。不修正参考光谱时，对应于膜厚θ1的光谱相当于(等于或接近)在估计线上的B点的参考光谱。通常，由于参考晶片在研磨中其膜厚是直线状变化，也即假设研磨率为一定，因此算出的目标晶片的膜厚是θ2，与实际的膜厚θ1不同。反之，如上述修正参考光谱时，对应于膜厚θ1的光谱相当于在假设线上的D点的修正参考光谱。因此，算出的膜厚是θ1，而可知正确求出目标晶片的膜厚。
图16是表示用于求出上述估计线的一种方法的曲线图。横轴表示研磨时间，纵轴表示膜厚。除了参考晶片W4之外，还在不同的设定时间研磨同一规格的多片晶片(晶片W1～W3)，并以独立或联机的膜厚测定器测定研磨前后的膜厚。晶片W1～W3的初期膜厚(研磨前的测定膜厚)等于参考晶片W4时，初期膜厚以纵轴上的符号○表示。也在曲线图上标注晶片W1～W3的最后膜厚(研磨后的测定膜厚，图中以符号●表示)及参考晶片W4的最后膜厚(图中以符号○表示)。而后，通过插补参考晶片W4的初期膜厚、晶片W1～W3的最后膜厚、及参考晶片W4的最后膜厚间的膜厚，可获得上述估计线。晶片W1～W3的初期膜厚与参考晶片W4的初期膜厚不同情况下，通过对晶片W1～W3的最后膜厚加上与参考晶片W4的初期膜厚的偏差，可进行同样操作。
图17是说明为了获得估计线的另外方法的曲线图。参考晶片研磨中来自各区域的反射光的光谱随膜厚减少而变化。乘上每个短时间Δt的相对反射率的变化ΔS而获得的值与研磨量也即与膜厚的减少量近似一致。
[数学式3]
ΔS(t)＝|Rp(λ,t)-Rp(λ,t-Δt)| (3)
θ(t)＝θpre+S(t)(θpost-θpre) (5)
此处，Rp(λ,t)是在波长λ、时间t的相对反射率，且也可实施公式(2)同样的前处理。S(t)是将光谱对总研磨时间T的变化量设为1时在时间t的光谱的相对变化量，θpre、θpost是以独立或联机的膜厚测定器所测定的研磨前后的膜厚，也即是初期膜厚及最后膜厚。θ(t)相当于上述的估计线。
图18是表示关于图13所示的目标晶片与光谱群，通过利用上述光谱变化量的方法修正参考光谱来估计膜厚轮廓的结果图。从图18可知，在图13所见的光谱群边界的台阶消除，而获得可信赖的膜厚轮廓。
适用的光谱群为1个时，不产生上述膜厚轮廓的台阶，所获得的膜厚轮廓相对正确。另外，若参考晶片研磨后的膜厚与目标晶片研磨后的膜厚相等，则用于决定研磨终点的膜厚绝对值也应正确。但是，即使此时，通过研磨率视为一定的方式修正参考光谱，仍可使膜厚估计精度提高。
上述估计膜厚轮廓的台阶也可利用研磨中的测定光谱的极端点(顶点或低点)的波长变化来改善。一般而言，模式(Pattern)晶片中，极端点的波长未必随被研磨膜的膜厚减少而直线状变化，以定量值表示研磨率的变化困难。但是，以某个参考晶片的一个光谱群为基准作选择，使用其极端点的波长在研磨中扫描的曲线作为假设线，通过进行图14说明的操作，即使在参考区域间研磨率的增减情况不同，仍可降低对膜厚估计的影响。
以上是说明反射光的光谱不仅因研磨膜的膜厚，也因基底层的构造而变化的情况。但是，即使被研磨膜的膜厚相同，仍有其他因素造成反射光的光谱改变。例如被研磨膜包含金属配线时，光谱也会因配线图案或配线密度而变化。这种情况下，与上述同样地，通过准备对应于配线图案或配线密度的差异的多个光谱群，与目标晶片的各抽样光谱比较，选择最佳光谱群，可求出正确膜厚。特别是使用CANON闪光灯等脉冲点灯光源时，由于可缩小1次测定时的测定区域，各测定区域中包含的配线图案及配线密度一致的频率增大，因此容易求出更正确的膜厚。
上述实施方式是以具有本发明所属的技术领域中一般知识的人可实施本发明为目的而记载的。本领域技术人员当然可实施上述实施方式的各种变形例，且本发明的技术性思想也可适用于其他实施方式。因此，本发明不限定于记载的实施方式，而应按照通过权利要求范围所定义的技术性思想作最广泛的解释。
产业上的可利用性
本发明可利用于一边依据来自晶片等基板的反射光中包含的光学信息而测定膜厚一边研磨该基板的研磨方法及研磨装置。

Claims (16)

1.一种研磨方法，其特征在于：
准备分别包含对应于不同膜厚的多个参考光谱的多个光谱群，
在基板上照射光，并接收来自该基板的反射光，
根据前述反射光生成用于选择光谱群的抽样光谱，
选择包含形状与前述抽样光谱最接近的参考光谱的光谱群，
研磨前述基板，并生成用于取得膜厚的测定光谱，
从被选出的前述光谱群中选择形状与研磨前述基板的过程中所生成的前述测定光谱最接近的参考光谱，
取得对应于被选出的前述参考光谱的膜厚。
2.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于：
选择前述光谱群的工序是选择包含与前述抽样光谱的偏差最小的参考光谱的光谱群的工序。
3.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于：
选择前述光谱群的工序是在研磨前述基板时执行的。
4.根据权利要求3所述的研磨方法，其特征在于：
选择前述光谱群的工序是使用预设的研磨时间内所生成的前述抽样光谱来执行的。
5.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于：
选择前述光谱群的工序是在研磨前述基板前执行的。
6.根据权利要求5所述的研磨方法，其特征在于：
选择前述光谱群的工序是在前述基板与研磨垫之间存在纯水的状态下对前述基板进行水研磨时执行的。
7.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于：
进一步包含：在研磨前述基板的过程中再次生成抽样光谱，再次选择包含形状与再次生成的前述抽样光谱最接近的参考光谱的光谱群的工序，
从再次选出的前述光谱群中选择形状与研磨前述基板的过程中所生成的测定光谱最接近的参考光谱。
8.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于：
按如下方法取得前述多个光谱群：
研磨具有与前述基板的膜厚相同或比前述基板的膜厚大的膜厚的参考基板，并在该参考基板上所定义的多个区域照射光，
根据从前述多个区域反射的光生成多个参考光谱，
将前述多个参考光谱按照前述多个区域分类。
9.根据权利要求8所述的研磨方法，其特征在于：
预先选择在靠近要监视前述基板的膜厚的区域的区域所取得的多个光谱群。
10.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于：
按如下方法取得前述多个光谱群：
从具有与前述基板的膜厚相同或比前述基板的膜厚大的膜厚的多个参考基板中选择一个参考基板，
研磨被选出的前述参考基板，并在该参考基板上照射光，
根据从前述参考基板反射的光生成多个参考光谱而取得一个以上光谱群，
逐片改变所选择的参考基板，并反复进行在前述参考基板上照射光的工序及取得一个以上光谱群的工序。
11.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于：
分别包含于前述多个光谱群的前述多个参考光谱是通过光反射的模拟而取得的光谱。
12.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于：
进一步包含：预先排除前述多个光谱群中的包含形状彼此接近的参考光谱的光谱群的工序。
13.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于：
前述多个光谱群储存于多个研磨装置所共用的数据库中。
14.根据权利要求13所述的研磨方法，其特征在于：
共用的前述数据库包含关于前述多个光谱群的选择的历史记录信息。
15.一种研磨方法，其特征在于：
研磨参考基板而取得包含多个参考光谱的至少一个光谱群，
以将前述参考基板的研磨率视为一定的方式修正前述多个参考光谱，取得对应于不同膜厚的多个修正参考光谱，
在基板上照射光，并接收来自该基板的反射光，
研磨前述基板，并生成用于取得膜厚的测定光谱，
从前述至少一个光谱群中选择形状与研磨前述基板的过程中所生成的前述测定光谱最接近的修正参考光谱，
取得对应于被选出的前述修正参考光谱的膜厚。
16.一种研磨装置，其特征在于，具备：
研磨台，该研磨台支撑研磨垫；
研磨头，该研磨头将基板按压于前述研磨垫来研磨前述基板；
存储装置，该存储装置存储有分别包含对应于不同膜厚的多个参考光谱的多个光谱群；及
光学式膜厚测定器，该光学式膜厚测定器取得前述基板的膜厚，
前述光学式膜厚测定器按如下方法取得前述基板的膜厚：
在基板上照射光，并接收来自该基板的反射光，
根据前述反射光生成用于选择光谱群的抽样光谱，
选择包含形状与前述抽样光谱最接近的参考光谱的光谱群，
研磨前述基板，并生成用于取得膜厚的测定光谱，
从被选出的前述光谱群中选择形状与研磨前述基板的过程中所生成的前述测定光谱最接近的参考光谱，
取得对应于被选出的前述参考光谱的膜厚。
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