JP2004511109A - 活性スラリによるｃｍｐシステムおよびｃｍｐシステムの実装方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】化学機械平坦化（ＣＭＰ）システム（２００ａ）において、ウェハの上層の物質を除去する速度を促進するための方法が開示されている。この方法は、スラリ（２１８）がウェハ（２０２）の上層に投与される前にスラリ（２１８）に放射線をあてることを含む。一実施例によれば、その方法には、研磨パッド（２０８）とウェハ（２０２）を保持するキャリアヘッドを備えることも含まれる。この方法はさらに、研磨パッド（２０８）とキャリアヘッドを接触させることによって、研磨パッド（２０８）、ウェハの上層および被放射スラリ（２１８）間の機械的研磨界面を作り出すことを含む。
【選択図】図３Ｂ−１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して、化学機械平坦化（ＣＭＰ）システムおよびＣＭＰ工程の性能と効率性を向上する技術に関する。具体的には、本発明は金属ＣＭＰシステムにおける性能向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造においては、平滑化、バフ研磨およびウェハ洗浄を含む化学機械平坦化（ＣＭＰ）を行う必要がある。集積回路デバイスは一般に、多層構造の形態をとる。基板層には、拡散領域を有するトランジスタ素子が形成される。続く層には、金属配線がパターニングされ、所望の機能素子を定義するためにトランジスタ素子に電気的に接続される。周知のように、パターニングされた導電層は、二酸化シリコンのような絶縁体によって、他の導電層から絶縁されている。金属層と関連する誘電体層が数多く形成されるほど、誘電材料を平坦化する必要性が増す。平坦化工程を行わない場合、表面のトポグラフィのばらつきが一段と多くなるため、金属層の積層が実質的により困難となる。その他の実装例では、まず絶縁物質に金属配線パターンが形成され、続いて余分な金属を除去するために金属ＣＭＰ工程が行われる。銅（Ｃｕ）ＣＭＰは、他の技術では不可能な銅プラグや銅ワイヤの形削りを可能とする銅のデュアルダマシン技術となった。
【０００３】
ＣＭＰシステムは、通例、ベルト方式、オービタル方式、またはブラシ方式のステーションを実装しており、ステーション内では、ベルト、パッド、またはブラシによって、ウェハの片面もしくは両面が、スクラブ、バフ研磨、または研磨される。通常、余分な絶縁層や金属層の除去は、処理されたウェハ表面を化学修飾したその場所で実現され、これによってウェハ表面からより多くの金属除去が行われる。スラリは、ＣＭＰ工程の化学修飾の促進および向上を目的として用いられる。スラリは通常、パッドなど動作する処理面に導入され、バフ研磨、研磨、またはＣＭＰ処理によってその他の処理を施される半導体ウェハの表面だけでなく、処理面にも散布される。一般に、スラリの散布は、処理面の動作、半導体ウェハの動作および半導体ウェハと処理面の間に生じる摩擦との組み合わせにより実現する。続いて、化学修飾された余分な金属層や絶縁層がウェハの表面から除去される。金属層と絶縁層はそれぞれ異なる化学特性を有するため、金属層と絶縁層では、実施される化学機械平坦化工程が異なる。両者のＣＭＰ工程について、以下で簡単に説明する。
【０００４】
絶縁層の化学機械平坦化工程は、ポリヒドロキシケートを緩めるために、圧力をかけた状態で絶縁層（酸化層など）を熱湯に溶かすことによって実現される。その後、ポリヒドロキシケートは簡単にウェハの表面から除去され得る。一方、金属層の化学機械平坦化（ＣＭＰ）工程では、金属の延性という特性により余分な金属層の除去がほとんど不可能になるという、重大な問題が生じる。電子が原子間に局在する非金属製素子とは対照的に、金属素子の価電子は原子間に局在しないで、「伝道帯」、「電子雲」もしくは「電子層」を形成する。その結果、自由金属イオンが電子層に結合される。従って、生成された金属原子は原子間の結合や電子雲を壊さずに、金属層の表面全域を簡単に移動し得る。このことは、金属の性質である「延性」としばしば関連し、本明細書中において「延性」は、生成原子と金属層表面間の金属結合を壊すことなく、金属層表面上の各平衡位置から簡単に動く結合生成金属原子の機能という意味で用いられる。これに対して、局在化電子を有する非金属素子では、通常、分子結合は、単に原子角度を２０％から３０％変更するだけで簡単に破壊され得る。
【０００５】
従って、金属層でＣＭＰ工程を行うためには、金属層は、分子結合を有する化学化合物（例えば酸化物）に変換されなければならない。つまり、生成金属原子と金属層との金属結合は、電子が特定の二つの原子間で局在化される分子結合の形態に変換されなければならない。従って、金属ＣＭＰ工程では金属層を酸化し、それによって酸化物層を生成する。酸化物分子は分子結合を有するため、酸化物層は簡単に機械的に除去され得る。
【０００６】
図１は、従来技術のＣＭＰシステム１００の典型例を示す。図１のＣＭＰシステム１００はベルト型のシステムである。そのように表されるのは、研磨パッド回転方向矢印１１６で示される回転運動で、研磨パッド１０８を駆動する２つのドラム１１４上に取り付けられた研磨パッド１０８が処理面となっているからである。ウェハ１０２は、キャリア１０４に取り付けられている。キャリア１０４は、方向１０６の向きに回転される。次いで、ＣＭＰプロセスを実現するために、回転するウェハ１０２が回転する研磨パッド１０８に対して力Ｆで押し付けられる。ＣＭＰプロセスによっては、かなり大きな力Ｆを加える必要がある。プラテン１１２は、研磨パッド１０８を安定させ、ウェハ１０２を押し付ける部分にソリッド面を供給するために設けられている。除去される余分な金属の種類に応じて、拡散した研磨粒子を含むＮＨ_４ＯＨもしくはＤＩ水などの水溶液を含んだスラリ１１８は、ウェハ１０２の上流に導入される。
【０００７】
金属ＣＭＰ工程においては、第一に金属層を酸化しなければならないため、スラリ１１８の成分は金属ＣＭＰ工程にとって重要な側面である。さらにスラリ１１８は、それによってウェハ１０２の表面上に光侵食や不完全な部分が生じないようなものを選ばなければならない。従って、一般に金属ＣＭＰで用いられるスラリは、酸化性物質と酸を含み、両者によって金属層から酸化物層への変換が促進される。通常は、こうしたスラリは「非常に安定」し、以下の二つの基本的特性を有する。第一に、スラリは長いシェルフライフタイムをもつ。第２に、スラリを活性化するには、かなり大量のエネルギを要す。金属スラリの高い安定性という特性は、極めて低い酸化速度をもたらすため、全体的な除去速度は低下する。その結果、金属ＣＭＰプロセスに費やされる全体的な時間は極めて長くなり、それによってスループットが低下する。
【０００８】
以上の点を考慮した結果、従来の化学機械平坦化システムを改良し、従来のスラリを利用しつつより高いスループットを実現するシステムが必要である。
【０００９】
【発明の概要】
概して、本発明は、スラリの成分を操作し、それによってウェハ面に形成された余分な層の除去速度を向上することによってこれらの要求を満たす。一態様において、化学機械平坦化（ＣＭＰ）システムのスループットは、導入されたスラリの活性化を介して余分な層の除去速度を向上することにより増加する。好適な実施態様において、ウェハ面の金属層の除去速度は、光誘発されたスラリの活性化を介し、自動抑制ＣＭＰシステムにおいて高くなる。自動抑制ＣＭＰシステムは、ここでは酸化物形成速度が金属酸化溶解速度より高いＣＭＰシステムとして定義される。当然のことながら、本発明は、プロセス、装置、システム、デバイス、または方法を含む種々の態様で実施できる。以下では、本発明の実施態様をいくつか説明する。
【００１０】
一実施形態において、化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置が開示されている。そのＣＭＰ装置は、スラリ薬剤を受ける研磨パッドを含む。ＣＭＰ装置はさらに、金属表層を有するウェハを保持するキャリアヘッドを含む。キャリアヘッドと研磨パッドは、スラリ薬剤を用いて金属表層を研磨する間、機械的に接触される。ＣＭＰ装置はさらに、スラリ供給される位置より後ろで且つパッドがウェハの下に入る位置よりも前で研磨パッド上に適用される放射ユニットを含む。放射ユニットは、ウェハの金属表層と研磨パッドとが機械的に接触する直前にスラリ薬剤を放射線にさらす。
【００１１】
別の実施態様において、化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置が開示されている。そのＣＭＰ装置は、回転する研磨パッドと、研磨されるウェハを保持するキャリアを含む。そのＣＭＰ装置はさらに、キャリアの近くに配置された調整パッドを含む。研磨パッドは、前記キャリアと前記調整パッドの両方に部分的に重なった状態から、徐々に前記キャリアから完全に離れて前記調整パッドに完全に重なる状態へと、回転しながら移動する。そのＣＭＰ装置には、スラリ供給ユニットも含まれる。スラリ供給ユニットは、研磨パッドによってウェハと研磨パッドとの間にスラリを供給できるように、回転しながら調整パッドにスラリを供給する。そのＣＭＰ装置はさらに、ウェハと研磨パッドとの間に供給されるスラリに放射線をあてる放射源を含む。
【００１２】
さらに別の実施態様において、化学機械平坦化処理（ＣＭＰ）システムにおいて、ウェハのウェハ層除去を促進する方法が開示されている。その方法は、スラリがウェハ層に投入される前にスラリに放射線をあてることを含む。
【００１３】
さらに別の実施形態において、化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置が開示されている。そのＣＭＰ装置は、スラリ薬剤を受ける研磨パッドを含む。ＣＭＰ装置はさらに、金属表層を有するウェハを保持するためのキャリアヘッドを含む。キャリアヘッドと研磨パッドは、スラリ薬剤を用いて金属表層を研磨する間、機械的に接触される。ＣＭＰ装置はさらに、スラリが供給される位置の後ろで研磨パッド上に適用される放射ユニットを含む。放射ユニットは、ウェハの金属表層と研磨パッドが機械的に接触する直前に、スラリ薬剤を放射線にさらす。
【００１４】
本発明には、数多くの利点がある。とりわけ本発明では、スラリを現状のまま導入するかわりに、放射線を介してそのままの位置で活性化し、こうすることによってＣＭＰシステムにおける金属の除去速度を促進することができる。従って、本発明によって、紫外線または赤外線照射等の適用される放射線を介してエネルギを導入することにより、スラリと除去すべき層の化学反応の活性化障壁を容易かつ円滑に越えることができる。従って、これまでと同量のスラリを同じ期間供給しても、本発明の実施例は、ウェハ表面の品質を落とすことなく、より高いスループットを実現できる。一実施態様において、マルチセグメント光源は有益である。というのも、マルチセグメント光源構造によって、ＣＭＰシステムでは処理されるウェハの異なった部分において、異なる除去速度の採用が可能となり、これによってウェハ表面に対応した所望の平坦化プロフィールを達成し得るからである。マルチセグメント光源構造はさらに、本発明の活性化効率の再配分を可能とし、研磨される半導体のある部分の除去速度を、他の部分と区別して高めることを可能とする。本発明のその他の実施態様の利点によると、より安定した酸化剤や、さらには気体酸素も供給され得るため、一段と改良されたシェルフライフタイムを持つスラリの使用が可能となる。
【００１５】
本発明のその他の態様および利点は、本発明の原理を例示した添付図面と関連付ながら行う以下の詳細な説明から明らかになる。
【００１６】
【好ましい実施態様の詳細な説明】
以下において、ウェハ表面上に形成された余分な堆積層の除去速度を向上することにより、システムのスループットを最適化する化学機械平坦化（ＣＭＰ）の種々の態様を説明する。好適な実施態様において、ＣＭＰシステムは、活性化スラリを導入することにより除去率を向上させる。一実施態様において、スラリは、赤外線（ＩＲ）放射もしくは紫外線（ＵＶ）放射を介して活性化される。好ましくは、自動抑制型の金属ＣＭＰシステムにおいて、複数の酸化剤を含んだスラリは、酸化剤と金属層の化学反応を促進するために活性化される。その結果、ウェハ表面上での機構の動き、例えば研磨パッド、スラリおよびウェハ間での摩擦によって一層除去が容易となる金属酸化物層が形成される。従って、好適な実施態様において、照射金属ＣＭＰシステムの酸化物形成率は、非照射システムの酸化物形成率よりも高く、よって照射ＣＭＰシステムの除去率を向上し、これによりスループットも向上させる。
【００１７】
以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、数々の具体例が示されている。しかしながら、当業者にとっては、本発明がこれらの具体的な詳細の一部もしくはすべてがなくとも実行可能であることが理解される。そのほか、本発明が不必要に不明瞭となることを避けるため、周知の処理工程の説明は省略した。
【００１８】
図２Ａは、金属層と複数の酸化剤の化学反応の結果として溶解金属と金属層の副生成物が生成されたことを示す化学反応式のテーブル１５０である。化学反応式１に示すように、一態様によれば、ウェハの金属層Ｍ_{ｌａｙｅｒ}の金属ＣＭＰ工程の間、可溶性金属化合物溶液Ｍ_{ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ}および副生成物は、複数の酸化剤、溶剤および金属層Ｍ_{ｌａｙｅｒ}間の化学反応と相互作用の結果として生成される。化学反応式２に示すように、２つの実質的に連続した段階において、化学反応式１よりやや単純な化学反応が実際に進んでいる。酸化物形成速度Ｒ_ｏｘを有する最初の酸化段階において、固体の金属_（ｓ）は一種類以上の酸化剤と化学反応を起こし始め、それによって固体の金属酸化物Ｍ−ｏｘｉｄｅ_（ｓ）を生成する。その結果、溶解速度Ｒ_ｄｉｓを有する溶解段階において、一種類以上の溶剤が、第１段階で生成された固体の金属酸化物Ｍ−ｏｘｉｄｅ_（ｓ）と化学反応を起こし始め、これによって溶解金属溶液Ｍ_ｄｉｓおよび副生成物を生成する。
【００１９】
ＣＭＰ工程の目的は、実質的に平坦化された面を実現することなので、生成された固体の金属酸化物層Ｍ−ｏｘｉｄｅ_（ｓ）は、化学成分よりもむしろＣＭＰ工程の金属成分によって除去される方が好ましい。固体の金属酸化物層Ｍ−ｏｘｉｄｅ_（ｓ）の機械的除去が好ましい理由としては、以下が挙げられる。第１に、化学化合物は感圧性ではないが、ＣＭＰ工程における化学化合物は感圧性である。つまり、ウェハを機械研磨する間、ウェハのトポグラフィ形状が高ければ高いほど研磨面に発生する圧力が増し、これによって素子の最上層から除去される固体の金属酸化物Ｍ−ｏｘｉｄｅ_（ｓ）の除去速度が高くなるため、平坦化されたトポグラフィが達成される。第２に、ＣＭＰ工程は、酸化物形成速度Ｒ_ｏｘよりも高い溶解速度Ｒ_ｄｉｓを用いる場合、好適でないウェハの銅侵食を起こす可能性がある。このことは、図２Ａのテーブル１５０の化学反応式３を参照するとさらに理解できる。図示のように、酸化物がゆっくり形成される状況では、酸化物形成速度Ｒ_ｏｘは、溶解速度Ｒ_ｄｉｓよりも低くなる。そのような状況では、連続した銅の酸化または溶解を妨げるものがないため、銅侵食が起こり得る。それに対し、酸化物が急速に生成される状況では、酸化物形成速度Ｒ_ｏｘは溶解速度Ｒ_ｄｉｓよりも高くなるため、一旦非浸透性の酸化物層が形成されると、反応を抑制し、実質的には完全に反応を中断する。この結果、銅侵食を引き起こすことなく機械的に固体の金属酸化物層Ｍ−ｏｘｉｄｅ_（ｓ）を除去する目的を実現するためには、酸化物形成速度Ｒ_ｏｘを溶解速度Ｒ_ｄｉｓより高くするのが好ましい。
【００２０】
従って、好ましい実施態様において、本発明のＣＭＰ工程は、金属層の酸化速度が、生成された固体の金属酸化物層の溶解速度より高いＣＭＰ処理として定義される、自動抑制型である。しかしながら、そのようなＣＭＰシステムにおいては、生成された固体の金属酸化層は、実質的には瞬時に除去されるのが好ましい。さもなければ、生成された固体の金属酸化層がウェハの表面を完全に覆ってしまい（すなわち、抑制してしまい）、酸化プロセスを中断してしまうからである。従って、「ウェットエッチング」プロセスは酸化物形成速度Ｒ_ｏｘが溶解速度Ｒ_ｄｉｓよりも低いため、金属のＣＭＰ工程においては好ましくない。酸化物形成速度に関する詳細については、図２Ｂと関連してさらに説明される。
【００２１】
自動抑制型ＣＭＰプロセスを実装する好適な点は、適正なスラリ成分を選択できることである。溶解速度Ｒ_ｄｉｓよりも高い酸化物形成速度Ｒ_ｏｘを有することは好都合なため、好ましくは導入されるスラリは、酸化剤（例えば、過酸化水素、硝酸酸化鉄、過マンガン酸塩、溶存気体酸素、溶存気体オゾン、硝酸アンモニウム、硝酸カリウム、硝酸銅、重クロム酸カリウム等）を含む。例えば、銅ＣＭＰにおいて、様々な酸化剤をスラリに用いることが可能である（例えば、過酸化水素、硝酸酸化鉄、過マンガン酸塩、溶存気体酸素、溶存気体オゾン、硝酸アンモニウム、硝酸カリウム、硝酸銅、重クロム酸カリウム等）。好適な実施態様において、過酸化物はまさに効果的な銅酸化物質である。スラリのほとんどが過酸化物を含んでいるが、企業によっては、金属層Ｍ_{ｌａｙｅｒ}を酸化するために異なる酸化剤を導入するところもある。
【００２２】
図２Ｂは、本発明の一実施態様において、図２Ａのテーブル１５０における化学反応式をグラフ表示したもので、温度の上昇に伴って活性化障壁を超えるために必要とされるエネルギ量が減少する様子を示している。図示のように、グラフの縦軸は、分析されたシステムに適用できるエネルギ変化を反映したもので、横軸は、化学反応経路での異なる段階を示す。一実施態様において、プロット１５０ａ’は点１５２で始まり、点１５２は、照射を受けていない金属層Ｍ_{ｌａｙｅｒ}と酸化性物質についての位置エネルギ面の最小値を示す。通常、分子間の反発力は、金属層Ｍ_{ｌａｙｅｒ}と酸化性物質の相互の化学反応を妨げる。従って、反応を促進し、これらの反発力に打ち勝つために、大量のエネルギをシステムに導入する必要がある。図示のように、プロット１５０ａ’の最大点１５６は、システムが製造段階に入る前に越えるべき位置エネルギ面を示す。「活性化エネルギ」または「活性化障壁」として知られる分子間斥力を越えるためには、かなり大量のエネルギをシステムに導入しなければならない。活性化障壁より高いエネルギを有する分子のみが活性化障壁を越え、製造段階に進むことが可能である。活性化障壁が高くなればなるほど、障壁を越え得る分子の数は減り、金属層Ｍ_{ｌａｙｅｒ}と酸化性物質間の反応は遅くなる。
【００２３】
図示のように、Ｅ_ａｃｔ１５０ａ’’は、金属層Ｍ_{ｌａｙｅｒ}と酸化性物質間の化学反応を進めるため、そこに必要なエネルギ量を示す。大雑把に言えば、酸化反応Ｅ_ａｃｔに必要なエネルギ量である。１５０ａ’’は、活性酸化物原子を開放し、それによって自由に金属層と反応させるため、酸化性物質内の所定の分子結合を壊すのに必要なエネルギ量を示す。図示のように、一旦活性障壁を越えると、システムは自発的に酸化銅（ｓ）とそれに対応する副生成物を生成する。その結果、最も励起された分子は、活性化障壁を越えることによって互いに反応することが可能となり、それによって反応速度が決まる。図示のように、システムの温度が高くなればなるほど、より多くの分子が活性化障壁を越えることができる。別の方法としては、任意の温度に設定されても、活性化障壁が低くなればなるほど、より多くの分子が活性化障壁を越えることができる。
【００２４】
反応速度は、触媒速度の向上もしくは反応励起のどちらかを介して促進することが可能である。触媒速度向上において、プロット１５０ｂ’に示すように、活性化障壁を越えるのに必要なエネルギ量は、触媒との相互作用を介して減少する。図示のように、プロット１５０ｂ’のピーク点１５８到達に必要なエネルギ量は、実質的にはプロット１５０ａ’の最大点１５６の到達に必要とされるエネルギ量より少ない。つまり、触媒速度促進システムＥ_{ａｃｔ．−ｃａｔ．}の活性化エネルギ１５０ｂ’’は、実質的には、非触媒システムＥ_ａｃｔのための活性化エネルギ１５０ａ’’より低い。
【００２５】
さらに別の実施態様において、反応速度は反応励起を介したシステムのエネルギを増加することによって向上され得る。このことは、図２Ｂのプロット１５０ｃ’によって図示されている。図示のように、プロット１５０ｃ’はいくつかの外部エネルギが励起エネルギとして定義されている状態１５４で始まる。１５０ｄは外部エネルギ源（例えば加熱、照射、圧力衝撃等）を利用したシステムに供給されている。図示のように、システムに導入されるエネルギが高ければ高いほど、活性化エネルギＥ_{ａｃｔ．−ｅｘ．}１５０ｃ’’（例えば、活性化障壁１６４を越えるために必要なエネルギ量）は低くなり、反応速度が高くなる。従って、金属層Ｍ_{ｌａｙｅｒ}の内部エネルギと酸化性物質を増加させることにより、活性化障壁を越えるのに必要なエネルギ量は著しく減少し、酸化物形成速度だけでなく、最終的にはＣＭＰ除去速度が向上する。
【００２６】
活性化障壁を越えるために必要なエネルギの低下は、過酸化物（例えばＨ_２Ｏ_２もしくはＨ−Ｏ−Ｏ−Ｈ）を有するスラリを利用した典型的な銅ＣＭＰシステムに関する理解をさらに促すことができる。周知のように、過酸化物は二つの酸化性原子を含み、そのうちの一つは金属層の酸化プロセスに関与するために分離されなければならない。従って、適切な分子結合を破壊するか少なくとも弱めるためにエネルギが必要となるため、酸素を開放し、それによって銅の金属層Ｍ_ａｙｅｒと自由に化学反応を起こし始める。よって、金属層Ｍ_{ｌａｙｅｒ}と過酸化物間の化学反応を起こすために、過酸化物内の分子結合を弱めるか破壊するエネルギが必要となる。一態様において、金属層Ｍ_{ｌａｙｅｒ}と酸化性物質間の化学反応は、赤外線放射や紫外線放射を用いて酸化性物質をさらに活性化することにより促進される。赤外線放射は、スラリ内の分子の励起並進運動や振動運動をもたらし、紫外線放射は、価電子の励起と反応分子内での化学結合を弱めたり壊すことによって、反応速度を向上させる。
【００２７】
図３Ａ−１は、本発明の一実施態様におけるベルト型ＣＭＰシステム２００ａを簡略化して示す平面図で、ウェハと研磨パッド２０８との接触面に到達する前のスラリの活性化を示す。図示のように、ウェハ２０２は研磨パッド２０８が回転方向２１６に動くのに合わせて研磨パッド２０８に当てられる。本実施例においては、ウェハ２０２と研磨パッド２０８が接触する前に、スラリ２１８は研磨パッド２０８の面上に導入される。スラリ２１８は、実質的に研磨パッド２０８の幅を覆うように、研磨パッド２０８上に導入され、それによって研磨パッド２０８を濡らす。ランプ２２０は、スラリ２１８がウェハ２０２と研磨パッド２０８の研磨界面に到達する前に、ランプ２２０によって生成された放射線がスラリ２１８にあたるよう、実質的には動作研磨パッド２０８の上方に配置される。好ましくは、ランプ２２０は赤外線ランプもしくは紫外線ランプで構成される。しかしながら、別の実施態様においては、ランプ２２０は、銅侵食やウェハの表面２０２上に不完全部分を生じさせずにスラリを活性化するのに必要なエネルギを供給する機能を有する限り、任意の種類のランプもしくは放射ユニットであっても良い。好ましくは一実施態様において、スラリ２１８は過酸化物もしくは溶存酸素を含む。しかしながら、別の実施態様においては、スラリ２１８は任意の種類の過酸化物を含んでも良い。
【００２８】
本実施例の構成に示されるように、従来の銅ＣＭＰシステムとは異なり、本実施例のスラリ２１８は、赤外線光の赤外線放射または紫外線ランプ２２０の放射によって急速に活性化される。従来技術における銅ＣＭＰシステムによれば、一般に、活性化障壁を越えるために必要なエネルギは、全て機械的構成要素によって生成される。つまり、ウェハと研磨パッドとの研磨界面にスラリが導入されると、パッド、ウェハ、スラリの動きによって研磨界面の温度が上昇するため、活性化障壁を越え得る分子の数が増加する。従って、そうした状況では、金属層Ｍ_{ｌａｙｅｒ}と酸化性物質間の化学反応が長期間起こらない可能性がある。さらに、活性化障壁を破るために必要な時間が極めて長くなるため、金属層Ｍ_{ｌａｙｅｒ}上に銅酸化物層を形成するために時間を要し、従って、金属酸化物の全体としての除去速度（例えば、銅ＣＭＰプロセスでの速度）が低下する。よって、ＣＭＰプロセス全体に費やされる時間が増大し、スループットに悪影響を及ぼす。
【００２９】
従来技術における銅ＣＭＰプロセスとは対照的に、本発明では、きわめて高い除去速度を実現する。本発明の一面において、紫外線光の光量子によって生成される大量のエネルギは、過酸化物の原子間もしくは導入されるその他の酸化性物質における結合を切断するために十分な量であり、銅ＣＭＰ工程の酸化物形成速度が向上する。動作する研磨パッド２０８がウェハ２０２に適用されると、過酸化物を含む活性化スラリ２１８は、ウェハ２０２の銅層と化学反応を起こし始める。スラリ２１８が活性化されると、活性化スラリ２１８’はウェハ２０２の金属層Ｍ_{ｌａｙｅｒ}と今にも化学反応を起こす状態にある自由酸化物原子を含むため、より迅速に銅層から銅酸化物層を形成する。つまり、化学反応の結果として、銅層の金属結合は銅酸化物中により一般的に存在する分子結合に変化する。従って、本発明では、活性化障壁を破るために、二通りの形態のエネルギを利用する。第１のエネルギ形態は、銅ＣＭＰシステムの研磨パッド２０８に対するウェハ２０２表面の機械的動作によって生成されるエネルギである。第２のエネルギ形態は、赤外線放射もしくは紫外線放射によって生成されるエネルギである。二通りの形態のエネルギを利用することにより、本発明は生成された固形の酸化金属層の形成を加速し、これによって酸化物形成速度Ｒ_ｏｘを高める。その結果、ウェハ２０２の銅ＣＭＰ工程に費やされる全体時間が著しく減少する。
【００３０】
さらに、生成される固体酸化金属層の除去速度は銅層の酸化物形成速度Ｒ_ｏｘに直接依存する。従って、酸化物形成速度が高まれば高まるほど、生成される固体酸化金属層を銅層の表面からより速く除去することが可能となる。同じことは、続く金属酸化物層においても当てはまる。具体的には、銅ＣＭＰ工程の全体的な除去速度は、銅層上に酸化物を形成する速度によって制限され、酸化物形成速度自体はスラリ２１８の活性化速度に直接関係する。酸化物形成速度および銅ＣＭＰシステムの全体的な除去速度の信頼性に関しては、図３Ｃ−１から３Ｃ−５と関連付けて、さらに詳細を以下で説明する。
【００３１】
図３Ａ−２は、本発明の一実施態様における図３Ａ−１のＣＭＰシステム２００ａを簡略化して示す部分断面図で、単ランプを利用したスラリの活性化を示している。図示のように、本実施例において、単ランプ２２０はスラリ２１８上に、実質的に均一に赤外線放射もしくは紫外線放射をあて、これによってスラリ２１８を活性化する。ランプ２２０の長さは、およそ６．５インチ〜１２．５インチ（１６．５１ｃｍ〜３１．７５ｃｍ）程度の幅で、好適にはウェハの大きさよりやや大きい程度に構成される。詳述されたように、活性化したスラリ２１８’は、酸化物層を形成するために、研磨されて活性化されたウェハ２０２の銅層と化学反応を直ちに起こし始める状態にある増量された活性酸化剤分子を含む。
【００３２】
図３Ｂ−１は、ベルト型ＣＭＰシステム２００ａ’の一部を上から見た状態を簡略化して示す透視図である。このシステムにおいてスラリは、（例えば、強度をプログラム可能な）強度の異なる複数のランプを用いて活性化される。図示のように、スラリ２１８は、研磨パッド２０８が回転方向２１６に動く際に研磨パッド２０８上に導入される。サイドランプ２２２ａ、センターランプ２２０ｂ、サイドランプ２２０ｃは、おおよそ一本の縦線上に隣合わせで並ぶように配置され、実質的に研磨パッド２０８の上方に配備される。一実施態様において、サイドランプ２２２ａ、センターランプ２２０ｂ、サイドランプ２２０ｃは、異なる活性強度を有する、対応する活性化スラリを生成するために、それぞれ互いに異なる放射強度を有する。再び図３Ｂ−１の実施態様において、スラリ２１８は、ウェハ２０２と研磨パッド２０８間の研磨界面に到達する前に急速に活性化される。スラリは研磨界面に到達する前に紫外線によって活性化されるため、スラリ活量の活性化は、他のＣＭＰプロセス消耗品の感熱特性やウェハ表面には影響しない。例えば、研磨パッド２０８の温度は可能な限り低く維持することが有益なため、本発明は研磨パッド２０８の温度を上げることなくスラリの活量を増大する。
【００３３】
図３Ｂ−２は、本発明の一実施態様における図３Ｂ−１のＣＭＰシステム２００ａ’の一部を展開した断面図で、異なる活性化レベルを有するスラリを生成する本発明の特性を示している。図示のように、線強度２２０ａ’を有するサイドランプ２２０ａは、スラリ２１８のうちウェハ２０２の側方部分の下に移動される部分を活性化するために利用され、活性化スラリ２１８ａを生成する。センターランプ２２０ｂは放射強度２２０ｂ’を有し、活性化センタースラリ２１８ｂを生成するために、スラリ２１８のうちウェハ２０２の中央部分の下に移動される部分を活性化する。放射強度２２０ｃ’を有するサイドランプ２２０ｃは、スラリ２１８のうちウェハ２０２の側方部分の下に移動される部分を活性化し、活性化サイドスラリ２１８ｃを生成する。本好適な実施例において、ランプ強度２２０ａ’、２２０ｂ’、２２０ｃ’は、強度２２０ｂ’が強度２２０ａ’および強度２２０ｃ’よりも高く、かつ強度２２０ｃ’は強度２２０ａ’より高くなるよう予めプログラムされ、選択される。
【００３４】
マルチセグメント光源構造の使用は、マルチセグメント光源構造がＣＭＰシステムに対して、処理されるウェハの異なる部分において、異なる除去速度を促進することを許容するため、有益である。これによって研磨される特定の層を考慮して、所望の平坦化された表面を実現する。周知のように、ウェハ表面トポグラフィは、ウェハ２０２の端部とウェハ２０２の中心部とでは異なる場合がある。本発明の実施態様によれば、ある部分の除去速度を他の部分と区別して高く設定できる（例えば、ウェハ２０２の端部に対し、ウェハ２０２の中心部の除去レートを高くする）。本実施例は、３つの別個のランプを利用するよう設計されたが、本発明は、任意の個数のランプもしくはマルチセグメントユニットによって、スラリを活性化するために実装可能であることは、当業者に理解されるだろう。
【００３５】
図３Ｃ−１から図３Ｃ−５は、本発明の一実施態様における、銅層を有するウェハのある部分に行う化学機械平坦化の様々な段階を示す分解部分断面図である。図３Ｃ−１は、絶縁部２０２ａおよび銅層２０２ｂを有するウェハ２０２を示す。図３Ｃ−２は、ウェハ２０２の最上層部分２０２’の分解断面図を示す。この図によれば、銅層２０２ｂ内にはいくつかの破線の層が示されるが、銅が研磨除去されるときには最上層だけが活性化される。この点を念頭に置いて、活性化スラリ２１８’は銅層２０２ｂ上に導入される。説明のために、図３Ｃ−２の銅層２０２ｂは、深さ１：２０２ｂ_ｄ１、深さ２：２０２ｂ_ｄ２、深さ３：２０２ｂ_ｄ３、深さ４：２０２ｂ_ｄ４、深さ５：２０２ｂ_ｄ５として定義される複数の銅層の深さに破線で分けられており、深さ１：２０２ｂ_ｄ１は最もウェハ２０２の表面に近く、深さ５：２０２ｂ_ｄ５は最もウェハ絶縁部２０２ａに近い。図３Ｃ−２に示すように、活性化スラリは、深さ２０２ｂ_ｄ１の上面に、研磨パッドとの機械的接触によって加えられる。
【００３６】
図３Ｃ−３の実施態様を参照すると、銅層の深さ１：２０２ｂ_ｄ１は活性化スラリ２１８’と反応しており、これによって銅酸化スラリ膜２０２ｃを生成する。図示のように、銅酸化スラリ層２０２ｃは、実質的にはウェハ２０２の表面全域を覆う。この時点で深さ１：２０２ｂ_ｄ１は、従来の金属ＣＭＰに関連した前述の問題もなく除去される。つまり、銅の除去は本質的に酸化物の除去に近く、延性金属の除去とは異なる。図示のとおりこの段階では、図３Ｃ−３の銅層２０２ｂは、深さ２：２０２ｂ_ｄ２、深さ３：２０２ｂ_ｄ３、深さ４：２０２ｂ_ｄ４、深さ５：２０２ｂ_ｄ５を含む。図３Ｃ−４は、活性化スラリが銅層２０２ｂの深さ３：２０２ｂ_ｄ３の表面上に定義されている時点でのウェハ２０２を示す。本実施例では、銅層の深さ３：２０２ｂ_ｄ３が活性スラリ２１８’と反応しており、これによってウェハ２０２の表面付近に銅酸化スラリ層２０２ｃを生成する。図示のように、この段階では、図３Ｃ−４の銅層２０２ｂは、深さ４：２０２ｂ_ｄ４および深さ５：２０２ｂ_ｄ５のみを含む。従って、深さ２０２ｂ_ｄ１および２０２ｂ_ｄ２は、すでに活性化スラリ２１８’と反応して機械的に除去されている。最後に、図３Ｃ−５の実施態様において、銅層２０２ｂはほとんど除去され、実質的には平坦化されて均一になったウェハ絶縁部２０２ａのみが残っている。
【００３７】
図示のように、銅ＣＭＰシステムの除去速度は、ウェハ２０２の表面上での銅酸化物層の形成によって決まる。さらに図示されるように、活性化スラリ２１８’は、任意の時点で、活性化銅層２０２ｂの特定の深さに限定した化学反応を起こし得る。従って、銅ＣＭＰシステムの全体的な質は、酸化物形成速度によって決まる。つまり、銅酸化物層の形成速度が速ければ速いほど、より速く金属層Ｍ_{ｌａｙｅｒ}をウェハ２０２の表面から除去することが可能となる。
【００３８】
図４は、本発明の一実施態様における可変パーシャルオーバーラッピング（例えばサブアパーチャ）ＣＭＰシステム２００ｂの簡略化された断面図である。図４の実施態様には研磨ヘッド２０８’が含まれる。研磨ヘッド２０８’は、研磨回転方向２１６に回転しながらウェハ２０２の中心部からウェハ２０２の端部へ移動方向２１６’の向きに移動する際、ウェハ２０２の表面を研磨する。研磨ヘッド２０８’はさらに、振動運動を起こすために、振動方向２１６’’に往復動する。図示のように、本実施例には、キャリア２０６が研磨ヘッド２０８’の下に配備されている。キャリア２０６は、留めリング２０４を用いてウェハ２０２をはめ込んでいる。図示のように、一実施態様において、留めリング２０４は、ウェハ２０２が研磨パッド２０８’によって研磨される間、ウェハ２０２との共面関係を維持する。本実施例において、ウェハ２０２の露出した表面は、研磨ヘッド２０８’と向き合うよう構成される。一実施態様において、ジンバル２２２はキャリア２０６の下に配備され、ＣＭＰプロセスの間、動作する研磨ヘッド２０８’にキャリア２０６を合わせるよう定義される。ジンバル２２２はウェハの回転方向２０７に回転する拡張軸２２４に取り付けられている。拡張軸はキャリア２０６に対して力Ｆを加える。
【００３９】
調整ヘッド２１０は、研磨ヘッド２０８’を調整するために、キャリア２０６の右側（もしくはどちら側でも可）であると同時に研磨ヘッド２０８の下方に配備されている。研磨ヘッド２０８’と類似した調整ヘッド２１０は、研磨ヘッド２０８’と同じ回転方向（例えば研磨回転方向２１６）に回転する。調整ヘッド２１０は、調整スピンドル２２６に取り付けられている。調整スピンドル２２６は、調整ヘッド２１０に力Ｆを加える。コンテナ２１９ａ内に入っているスラリ２１８の供給は、スラリ送出ユニット２１９ｂを通り、調整器２１０の表面に向けて行われる。ランプ２２０は、スラリ２１８が調整ヘッド２１０と研磨ヘッド２０８’の調整接合面に配向され、続いて研磨ヘッド２０８’とウェハ２０２との研磨接触面に配向されると、スラリ２１８を活性化するために、調整ヘッド２１０の一部分の上方に配備される。さらに別の態様において、活性化状態にあるスラリは、研磨ヘッド２０８’に形成された送出経路（図示せず）を介してウェハ表面に供給可能である。一実施態様において、ランプ２２０は赤外線ランプもしくは紫外線ランプであっても良い。
【００４０】
本実施例のスラリ２１８は、調整ヘッド２１０に導入された後に活性化されているが、別の態様において、スラリ２１８がコンテナ２１９ａに位置する間に、供給するスラリを活性するものとしてもよい。その後、一旦スラリ２１８が活性化されると、活性化スラリ２１８’を調整界面を介して研磨界面に導入できるように、活性スラリ２１８’を調整ヘッド２１０上に導入することが可能である。研磨ヘッド２０８’の温度は、出来る限り低く維持するのが好ましいため、研磨ヘッド２０８’よりも調整ヘッド２１０に導入されたスラリ２１８に対して光を当てることが有益である。
【００４１】
赤外線ランプおよび紫外線ランプは、スラリの活性化に有益なものとして説明されたが、他の種類の光照射システムをＣＭＰシステムにおけるスラリの活性化に使用し得ることは、当業者にとって明らかである。さらに、実装例によっては、ランプの強度をＲ_ｄｉｓに関連付けながら所望のレベルＲ_ｏｘを実現するように制御しながら調整することが可能である。
【００４２】
理解を深めるために従来技術をある程度詳しく説明したが、添付の特許請求の範囲内で一定の変更や修正が可能であることは明らかである。例えば、本明細書に記載された実施態様は、主にウェハの化学機械研磨を目的としたものであるが、本発明の化学機械平坦化工程は、どの種類の基板研磨にとっても大変都合がよい。さらに、本明細書に記載された実装は、特に銅の化学機械研磨を目的としているが、本発明の化学機械平坦化工程は、任意の種類の絶縁体や金属研磨に適するものであると理解すべきである。したがって、本実施態様は、例示的なものであって、制限的なものではないとみなされ、本発明は、本明細書に示した詳細に限定されず、添付の特許請求の範囲および等価物の範囲内で変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な従来技術のＣＭＰシステムを示す。
【図２Ａ】本発明の一実施態様における金属層と複数の酸化剤の化学反応の結果として溶解金属と金属層の副生成物が生成されたことを示す化学反応式のテーブルである。
【図２Ｂ】本発明の別の実施態様における図２Ａの化学反応式をグラフ表示したもので、温度の上昇に伴って活性化障壁を超えるために必要とされるエネルギ量が減少する様子を示す。
【図３Ａ−１】本発明のさらに別の実施態様におけるベルト型ＣＭＰシステムを上からみた透視図で、ウェハと研磨パッドとの接合面に到達する前のスラリの活性化を示す。
【図３Ａ−２】本発明のさらに別の実施態様における図３Ａ−１のＣＭＰシステム２００ａを簡略化して示す部分断面図で、単ランプを利用したスラリの活性化を示す。
【図３Ｂ−１】本発明の一実施面におけるベルト型ＣＭＰシステムの一部を上から見た状態を簡略化して示す透視図である。
【図３Ｂ−２】本発明の別の実施面における図３Ｂ−１のＣＭＰシステムの一部の展開断面図で、異なる活性化レベルを有するスラリを生成するという本発明の特性を示す。
【図３Ｃ−１】本発明のさらに別の実施面における銅層を有するウェハの一部の展開断面図である。
【図３Ｃ−２】本発明のさらに別の実施面における活性化された銅層を有するウェハの上層の一部分の展開断面図で、活性化された銅層は複数の深さを有する。
【図３Ｃ−３】本発明のさらに別の実施面における活性化された銅層を有するウェハの上層の一部分の展開断面図で、活性化された銅層の深さの一つは、活性化したスラリと反応している。
【図３Ｃ−４】本発明のさらに別の実施面における活性化された銅層を有するウェハの上層の一部分の展開断面図で、活性化された銅層の深さの一つは除去されている。
【図３Ｃ−５】本発明のさらに別の実施面における活性化された銅層を有するウェハの上層の一部分の展開断面図で、活性化された銅層のすべての深さは除去されている。
【図４】本発明の一実装例における可変パーシャルオーバーラッピング（例えばサブアパーチャ）ＣＭＰシステムを示す。

Claims (23)

1. 化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって
   スラリ薬剤を受ける研磨パッドと、
   金属表層を有するウェハを保持するキャリアヘッドと、そのキャリアヘッドと前記研磨パッドとは、前記スラリ薬剤を用いて前記金属表層を研磨する間、機械的に接触し、
   前記ウェハの前記金属表層と前記研磨パッドとが前記機械的に接触する直前に、前記スラリ薬剤を放射線にさらすために、スラリが供給される位置の後ろで且つパッドがウェハの下に入る位置よりも前で前記研磨パッド上に適用される放射ユニットと
   を備える化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
2. 請求項１に記載の化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、前記放射ユニットは赤外線ランプ（ＩＲ）もしくは紫外線ランプ（ＵＶ）のいずれかである化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
3. 請求項１に記載の化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、前記研磨パッドはベルト型パッドであって、前記スラリ供給位置は、ウェハ実装位置より上流に定義され、前記放射ユニットは前記スラリ供給位置と前記ウェハ実装位置との間に配備される化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
4. 請求項１に記載の化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、前記研磨パッドは回転ＣＭＰパッドであって、前記スラリ供給位置はウェハ実装位置より上流に定義され、前記放射ユニットは前記スラリ供給位置と前記ウェハ実装位置との間に配備される化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
5. 請求項３に記載の化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、前記放射ユニットはマルチセグメントユニットであって、そのマルチセグメントユニットの各セグメントは、前記ベルト型パッド上を伝わる前記スラリ薬剤に対し、異なるか、もしくは同じ放射能レベルを適用する化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
6. 請求項１に記載の化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、前記金属表層は銅もしくはタングステンのいずれかである化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
7. 化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、
   回転する研磨パッドと、
   研磨されるウェハを保持するキャリアと、
   前記キャリアの傍らに配置された調整パッドと、前記研磨パッドは、前記キャリアと前記調整パッドの両方に部分的に重なった状態から、徐々に前記キャリアから完全に離れると共に前記調整パッドに完全に重なる状態へと、回転しながら移動し、
   前記研磨パッドが回転しながら前記ウェハと前記研磨パッドとの間にスラリを供給できるように、前記調整パッドにスラリを供給するスラリ供給ユニットと、
   前記ウェハと前記研磨パッドとの間に供給される前記スラリに放射線をあてる放射源と
   を備える化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
8. 請求項７に記載の化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、前記放射源はスラリを活性化する化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
9. 請求項７に記載の化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、前記放射源は、赤外線（ＩＲ）ランプもしくは紫外線（ＵＶ）ランプのいずれかである化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
10. 請求項７に記載の化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、前記あてられる放射線は、前記スラリが前記ウェハと前記研磨パッドとの間に供給される際、前記スラリに配向される化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
11. 請求項７に記載の化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、前記ウェハは金属表層を有し、その金属表層では被放射スラリを用いて研磨されるのに応じて酸化レベルの増加が起こる化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
12. 請求項１１に記載の化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、前記金属表層は銅もしくはタングステンのいずれかである化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
13. 請求項７に記載の化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、前記研磨パッドはプログラム可能な速度で振動し、その振動は、前記研磨パッドが前記キャリアと前記調整パッドとに部分的に重なった状態から、前記キャリアから完全に離れると共に前記調整パッドに完全に重なる状態へと移動する際に発生する化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
14. 請求項７に記載の化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、前記あてられる放射線は、スラリが前記スラリ供給ユニットを介して前記調整パッドに供給される前に前記スラリに配向される化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
15. 請求項１０に記載の化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、前記金属表層の酸化物層の機械的除去レベルは前記金属表層の酸化レベルが増大することにより増加する化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。
16. 化学機械平坦化（ＣＭＰ）システムにおいてウェハのウェハ層の除去を促進するための制御方法であって、
    スラリがウェハ層に供給される前にスラリに放射線をあてること
    を備える制御方法。
17. 請求項１６記載の制御方法であって、さらに、
    研磨パッドを備え、
    ウェハを保持するキャリアヘッドを備え、
    前記研磨パッドと前記キャリアヘッドを接触させることによって、前記研磨パッド、前記ウェハ層および前記被放射スラリ間に機械的研磨界面を作り出すこと
    を備える制御方法。
18. 請求項１７記載の制御方法であって、前記ウェハ層は金属表層である制御方法。
19. 請求項１８記載の制御方法であって、前記研磨パッドと前記キャリアヘッドを接触させることによって前記研磨パッド、前記ウェハ層および前記スラリ間に機械的研磨界面を作り出すことは、さらに、
    上面層を形成するために前記金属表層上に前記被放射スラリを供給することと、
    前記上面層を前記研磨パッドと接触させることによって機械的にその上面層を除去すること
    を備える制御方法。
20. 請求項１９記載の制御方法であって、上面層を形成するために前記金属表層上に前記被放射スラリを投入することは、さらに、
    金属結合を有する前記金属表層を分子結合を有する前記上面層に変換すること
    を備える制御方法。
21. 請求項１９記載の制御方法であって、上面層を形成するために前記金属表層上に前記被放射スラリを投入することは、さらに、
    酸化金属表層を形成するために前記金属表層を酸化すること
    を備える制御方法。
22. 請求項２１記載の制御方法であって、前記金属表層上に前記被放射スラリを投入することは、前記金属表層の酸化レベルの増大に応じて前記金属表層の機械的な除去レベルを増加する制御方法。
23. 化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置であって、
    スラリ薬剤を受ける研磨パッドと、
    金属表層を有するウェハを保持するキャリアヘッドと、そのキャリアヘッドと前記研磨パッドとは、前記スラリ薬剤を用いて前記金属表層を研磨する間、機械的に接触し、
    前記ウェハの前記金属表層と前記研磨パッドとが前記機械的に接触する直前に、前記スラリ薬剤を放射線にさらすためにスラリが供給される位置の後ろで前記研磨パッド上に適用される放射ユニットと
    を備える化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置。

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