JP2006186088A - 研磨装置および研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 研磨対象物の被研磨面への薬液の均一な供給と研磨対象物の面内における研磨速度の均一性を両立することができる研磨装置を提供する。
【解決手段】 研磨装置３０は、研磨面３２と、ウェハＷを保持するトップリング３６と、研磨面３２とトップリング３６に保持されたウェハＷとを相対移動させるモータ４６，５６と、トップリング３６に保持されたウェハＷを研磨面３２に対して押圧する上下動機構５４と、研磨面３２をコンディショニングするコンディショナ６０とを備えている。この研磨装置３０においては、コンディショナ６０により研磨面３２のコンディショニングを行いつつ、ウェハＷを研磨面３２に対して押圧する圧力と、研磨面３２とウェハＷとの相対速度との積に研磨速度が比例しない非プレストン領域内の条件下で研磨を行う。
【選択図】 図２

Description

本発明は、研磨装置および研磨方法に係り、特に半導体ウェハなどの研磨対象物を平坦に研磨する研磨装置および研磨方法に関するものである。

半導体基板上に配線回路を形成するための配線材料としては、加工容易性、生産性等の観点からアルミニウムまたはアルミニウム合金が一般に用いられているが、半導体デバイスの微細化・高速化が進むにつれ、近年、銅を用いる動きが顕著になってきている。これは、銅の電気抵抗率は、１．７２μΩｃｍとアルミニウムの電気抵抗率より４０％近く低いので、信号遅延現象に対して有利となるばかりでなく、銅のエレクトロマイグレーション耐性が現用のアルミニウムより遙かに高い等の理由による。エレクトロマイグレーションとは、電流が流れることによって原子が移動し配線の断線が生じる現象である。

この銅材料にあっては、隣り合う絶縁材料への拡散が容易に起こりやすく、このため、この銅拡散を防止するための拡散防止膜（銅配線プロセスの場合、一般にバリアメタル（ＢＭ）と呼ばれる）が必要とされる。このため、銅配線形成プロセスとして、絶縁材料の上面（内部）に形成した配線溝やビアホールの表面にバリアメタル（バリア材料）を成膜（堆積）し、この配線溝やビアホールの内部に配線材料としての銅を埋め込んだ後、余分な金属を化学機械研磨法（ＣＭＰ法）により除去する、いわゆるデュアルダマシンプロセスと呼ばれる方法が採用される。

ここで、配線材料に隣り合う絶縁材料として、高速化の観点から電気が漏れにくく、しかもデバイス構造に起因する余分な回路を形成しにくい低誘電率材料を使用することが望まれており、このような低誘電率材料としてlow-k膜またはultra low-k膜（ＵＬＫ）が注目されてきている。つまり、従来のアルミニウム配線デバイスでは、一般に、絶縁材料としてＳｉＯ_２膜を使用していたが、ＳｉＯ_２の比誘電率は４．１で、銅配線にはそれより低い比誘電率の絶縁膜を使用することが望まれている。一般に、low-k膜は、比誘電率が３．０以下の膜である。

この低誘電率材料として、無機系材料と有機系材料が開発されており、無機系材料としては、ＳｉＯＦ系ＦＳＧ、ＳｉＯＣ系ブラックダイヤモンド（Applied Materials社の商標）やAurora（ASM International社の商標）などが、有機系材料としては、SiLK（Dow
Chemical社の商標）などが採用され始めている。さらに、低誘電率化を進めるため、これらの材料のポーラス化が検討され始めている。

ここで、デュアルダマシンプロセスによって半導体ウェハＷ内に銅配線を形成する工程を図１（ａ）から図１（ｆ）を参照して説明する。まず、図１（ａ）に示すように、下層の完成した配線１０上に積層した導電層１２の上に、ＳｉＯ_２からなる酸化膜やＳｉＦ、ＳｉＯＨ、ポーラスシリカ等のlow-k材（ＵＬＫ材）膜等の絶縁膜（絶縁材料）１４を堆積する。次に、図１（ｂ）に示すように、レジスト１６を用いたリソグラフィーおよびＲＩＥなどのエッチング法によって、絶縁膜１４の内部に配線溝やビアホール等の配線用凹部（配線パターン）１８を形成する。その後、図１（ｃ）に示すように、レジスト１６を除去して洗浄する。

次に、図１（ｄ）に示すように、配線溝やビアホール等の配線用凹部１８の表面に、銅のシリコンへの拡散を抑える拡散防止膜としてのバリアメタル（バリア材料）２０をスパッタリング法等で成膜する。そして、図１（ｅ）に示すように、電解めっき法や無電解めっき法など（銅めっき法の一種）で、配線用凹部１８の全てが埋め込まれるまでの必要厚さの銅めっきを行って、配線用凹部１８の内部に、配線材料としての銅２２を充填するとともに、絶縁膜１４上に銅２２を堆積させる。その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁膜１４上の銅２２およびバリアメタル２０を除去して、配線用凹部１８内に充填させた銅２２の表面と絶縁膜１４の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図１（ｆ）に示すように、銅からなる配線（銅配線）２４が形成される。

ここで、上述したように、最近では絶縁膜１４の材料として機械的強度の弱いlow-k材などが使用されるため、ＣＭＰ時の加工圧力を高くすることができず、低い加工圧力で研磨を行う必要がある。しかしながら、低い加工圧力でウェハを研磨する場合には、ウェハ全面への薬液（スラリ）の均一な供給とウェハの面内における研磨速度の均一性を両立することが困難であった。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、研磨対象物の被研磨面への薬液の均一な供給と研磨対象物の面内における研磨速度の均一性を両立することができる研磨装置および研磨方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、研磨対象物の被研磨面への薬液の均一な供給と研磨対象物の面内における研磨速度の均一性を両立することができる研磨装置が提供される。この研磨装置は、研磨面と、表面に研磨すべき膜が形成された研磨対象物を保持するトップリングと、上記研磨面と上記トップリングに保持された研磨対象物とを相対移動させる駆動機構と、上記トップリングに保持された研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する押圧機構とを備えている。さらに、研磨装置は、上記研磨面をコンディショニングするコンディショナを備えている。上記研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する圧力と、上記研磨面と上記研磨対象物との相対速度との積に研磨速度が比例しない非プレストン領域内の条件下で上記研磨対象物の研磨を行いつつ、上記コンディショナにより上記研磨面のコンディショニングを行う。

本発明の第２の態様によれば、研磨対象物の被研磨面への薬液の均一な供給と研磨対象物の面内における研磨速度の均一性を両立することができる研磨方法が提供される。この研磨方法によれば、表面に研磨すべき膜が形成された研磨対象物と研磨面とを相対移動させつつ、上記研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する。上記研磨面のコンディショニングを行いつつ、上記研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する圧力と、上記研磨面と上記研磨対象物との相対速度との積に研磨速度が比例しない非プレストン領域内の条件下で上記研磨対象物の研磨を行う。

本発明の第３の態様によれば、研磨対象物の被研磨面への薬液の均一な供給と研磨対象物の面内における研磨速度の均一性を両立することができる研磨装置が提供される。この研磨装置は、研磨面と、表面に研磨すべき膜が形成された研磨対象物を保持するトップリングと、上記研磨面と上記トップリングに保持された研磨対象物とを相対移動させる駆動機構と、上記トップリングに保持された研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する押圧機構とを備えている。さらに、研磨装置は、上記研磨面をコンディショニングするコンディショナを備えている。研磨前に上記コンディショナにより上記研磨面のコンディショニングを行う。上記研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する圧力と、上記研磨面と上記研磨対象物との相対速度との積に研磨速度が比例しない非プレストン領域内の条件下で上記研磨対象物の研磨を行う。

本発明の第４の態様によれば、研磨対象物の被研磨面への薬液の均一な供給と研磨対象物の面内における研磨速度の均一性を両立することができる研磨方法が提供される。この研磨方法によれば、表面に研磨すべき膜が形成された研磨対象物の研磨前に研磨面のコンディショニングを行う。上記研磨対象物と上記研磨面とを相対移動させつつ、上記研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する。上記研磨対象物を上記研磨面に対して押圧する圧力と、上記研磨面と上記研磨対象物との相対速度との積に研磨速度が比例しない非プレストン領域内の条件下で上記研磨対象物の研磨を行う。

本発明によれば、非プレストン領域内の条件下で研磨を行うことができる。したがって、研磨対象物の面内で加工圧力や相対速度が不均一となっても、研磨対象物の面内のいずれの点においても研磨速度が一定になるので、均一な研磨を実現することが可能となる。このように、相対速度にかかわらず一定の研磨速度が実現されるので、研磨対象物全面への薬液の均一な供給と研磨対象物の面内における研磨速度の均一性を両立することが可能となる。

また、非プレストン領域内の条件下で研磨をしながら、研磨面のコンディショニングを行うことができる（in-situコンディショニング）。あるいは、非プレストン領域内の条件下で研磨をする前に、研磨面のコンディショニングを行うことができる（ex-situコンディショニング）。

以下、本発明に係る研磨装置の一実施形態について図２から図１７を参照して詳細に説明する。なお、図２から図１７において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図２は、本発明の一実施形態における研磨装置３０を示す模式図である。図２に示すように、研磨装置３０は、上面に研磨面３２を有する研磨テーブル３４と、下面に研磨対象物としての半導体ウェハＷを保持するトップリング３６と、旋回軸３８を中心に旋回可能なトップリングヘッド４０と、研磨面３２上に薬液（研磨液）を供給する薬液供給機構としての薬液供給ノズル４２と、研磨装置３０の運転を制御する制御部４４とを備えている。研磨テーブル３４の研磨面３２は一般に樹脂で構成され、発泡ポリウレタンまたは砥粒を固定もしくは含浸させたもので構成されている。

研磨テーブル３４は、研磨テーブル３４の下方に配置されたモータ４６に連結されており、このモータ４６の駆動により回転するようになっている。このように、モータ４６は研磨テーブル３４および研磨面３２を回転させる回転機構として機能する。また、トップリング３６は、タイミングプーリ４８および５０を介してトップリングヘッド４０内のモータ５２に連結されており、このモータ５２の駆動により回転するようになっている。このように、モータ５２はトップリング３６を回転させる回転機構として機能する。

これらのモータ４６，５２は制御部４４に接続されており、制御部４４は、研磨テーブル３４およびトップリング３６の回転速度を任意の回転速度に調整する。このように、モータ４６，５２は、研磨面３２とトップリング３６に保持されたウェハＷとを任意の相対速度で相対移動させる駆動機構として機能する。

また、旋回軸３８は上下動機構５４に連結されており、この上下動機構５４によりトップリングヘッド４０およびトップリング３６が上下動するようになっている。この上下動機構５４は制御部４４に接続されており、制御部４４は、トップリング３６に保持されたウェハＷを研磨面３２に対して押圧する圧力を任意の圧力に調整する。このように、上下動機構５４は、トップリング３６に保持されたウェハＷを研磨面３２に対して任意の圧力で押圧する押圧機構として機能する。

本実施形態においては、薬液供給ノズル４２から供給される薬液（研磨液）は、シリカ、セリア、アルミナ、ジルコニアなどの金属酸化物や高分子材料粒子などの砥粒を純水に分散させた液であって、必要に応じて分散剤を加えた砥粒分散液と、過酸化水素水やアンモニアなどの銅を酸化させる酸化剤と、酸化された銅の錯体を生成するキレート剤とを含んでいる。また、薬液供給ノズル４２は制御部４４に接続されており、制御部４４は、供給する薬液の量、濃度、温度を調整する。なお、上述した砥粒分散液、酸化剤、キレート剤に加えて、分散剤や選択比調整剤、防食剤などを薬液に添加してもよい。上述した砥粒は研磨面の物性や構造によって適宜、選択的に使用される。

例えば、５００ｎｍ以上の厚さの膜を研磨する場合の研磨プロセスは、膜の酸化、膜の錯体化、錯体の除去というステップから構成される。このため、例えば砥粒や研磨屑、錯体などの研磨副生成物が研磨面３２上に連続して発生し、多量の研磨副生成物が研磨面３２に付着する。このように多量の研磨副生成物が研磨面３２に付着すると、研磨面３２の特性が変化して研磨性能が劣化する。したがって、研磨を安定的に行うためには、研磨面３２の性能（物性）を安定させることが必要となる。

研磨中の研磨面３２の性能の変化を抑えるためには、研磨面３２のサイズを大きくして単位面積当たりの副生成物の付着量を少なくしたり、研磨面３２に副生成物を排出するための溝を形成したり、副生成物の付着を防止する薬液を研磨面３２に添加して副生成物の付着量を少なくしたり、研磨面３２をコンディショニングするコンディショナを設けて副生成物を研磨面３２から除去したりすることが有効である。本実施形態では、下面に取り付けられたコンディショニング部材を研磨面３２に押圧して研磨副生成物を研磨面３２から除去する機械的コンディショナ６０を設けて、研磨面３２に付着した研磨副生成物の除去と研磨面３２全体の平坦化を行っている。なお、後述するように、機械的コンディショナ以外にも、溶解などを利用した化学的コンディショナや、電解・帯電制御などを利用した電気化学的コンディショナなどを用いることもできる。

ここで、一般に、研磨工程においては、加工速度（研磨速度）が以下のプレストンの式（１）に従うことが知られている。
Ｒ＝ｋＰＶ ・・・（１）
式（１）において、Ｒは加工速度、Ｐは研磨対象物を研磨面に対して押圧する圧力（加工圧力）、Ｖは研磨面と研磨対象物との相対速度、ｋはプレストン係数である。

式（１）からわかるように、研磨対象物を研磨面に対して均一の圧力で押圧して研磨する場合には、研磨速度を研磨対象物の面内で均一にするために、研磨面と研磨対象物との相対速度を研磨対象物の面内で均一にする必要がある。このためには、研磨テーブル３４とトップリング３６の回転方向を同一方向とし、トップリング３６の回転速度に対する研磨テーブル３４の回転速度の比を１にする、あるいは１に近づけることが好ましい。

すなわち、図３に示すように、研磨テーブル３４の速度ｖ_ｐ、ウェハＷの速度ｖ_ｈ、研磨テーブル３４の回転速度をｗ_ｐ、ウェハＷの回転速度をｗ_ｈ、研磨テーブル３４の中心ＯとウェハＷの中心Ｐとの間の距離をｒ_ｐ、ウェハＷの中心Ｐと任意の点ｈとの間の距離をｒ_ｈとすると、点ｈにおけるウェハＷと研磨面の相対速度Ｖは、以下の式（２）で示される。

したがって、上記式（２）からわかるように、研磨テーブル３４の回転速度ｗ_ｐとウェハＷの回転速度ｗ_ｈとを同一にすれば、ウェハＷ上の任意の点ｈにおける相対速度の大きさを均一にすることができる。

最近では、半導体デバイスの動作を高速にするために、半導体デバイスの絶縁膜として、例えばlow-k材などの低誘電率の材料が使用されるようになっている。このlow-k材は機械的強度が弱いため、半導体デバイスの被加工面の強度も弱くなる。したがって、ＣＭＰプロセスでは、加工圧力を高くできず、低圧、例えば６．９ｋＰａ（１．０ｐｓｉ）以下の圧力で研磨を行う必要がある。このような低圧の条件下で所定の加工速度を確保するためには、プレストンの式（１）からわかるように、研磨面と研磨対象物との相対速度を上げる必要がある。

この場合において、上述した研磨テーブル３４とトップリング３６の回転速度の比を１に近づけた状態で相対速度を上げようとすると、研磨テーブル３４の回転速度とともにトップリング３６の回転速度も上げなければならない。しかしながら、トップリング３６の回転速度を上げると、ウェハＷの被研磨面に供給される研磨液に遠心力が働き、研磨液がウェハＷの中央部から外周側に排除され、研磨が阻害される。すなわち、ウェハＷの中央部は遠心力の作用により研磨液が届きにくい領域となり、この結果、ウェハＷの中央部が他の部分に比べて研磨されにくくなるという不具合が生じる。

このような不具合を防止するため、トップリング３６の回転速度を低く設定し、研磨テーブル３４の回転速度だけを上げれば、研磨液に作用する遠心力が弱まるので、研磨液をウェハＷの中央部まで供給することが可能となる。しかしながら、この場合には、トップリング３６の回転速度に対する研磨テーブル３４の回転速度の比が非常に大きくなってしまい、ウェハＷの外周部と中央部との間で相対速度に差が生じることとなる。すなわち、ウェハＷの外周部における研磨速度がウェハＷの中央部における研磨速度よりも大きくなってしまい、研磨が不均一になってしまう。

このように、低圧でウェハを研磨する場合には、ウェハ全面への研磨液の均一な供給とウェハの面内における研磨速度の均一性を両立することが難しい。本発明者等は、ＣＭＰなどの研磨が、研磨液（薬液）による酸化（エッチング）および錯体生成という化学的作用と、研磨面による錯体の除去という物理的作用とにより進行する点に着目し、ウェハ全面への研磨液の均一な供給とウェハの面内における研磨速度の均一性を両立できる技術を開発した。

例えば、銅を研磨する場合、銅の表面を薬液中の酸化剤により酸化すると同時に、この酸化した銅を薬液中のキレート剤により銅の錯体にする化学反応と、これらの銅錯体を研磨面により機械的に除去するプロセスとにより銅が研磨されていく。このため、機械的除去プロセスの速度（研磨速度）は、上記化学反応の速度以上にはならない。例えば、上記化学反応の速度がａ_Ｃであったとすると、加工圧力と相対速度の積（以下、ＰＶ積という）と研磨速度との関係は、図４に示すようになる。すなわち、研磨速度がａ_ＣとなるｘよりもＰＶ積が小さい範囲では、研磨速度は上述したプレストンの式によりＰＶ積に比例するが、ＰＶ積がｘよりも大きい範囲においては、研磨速度は化学反応速度ａ_Ｃを超えることなく一定となる。ここで、図４に示すグラフにおいて、ＰＶ積がｘよりも小さい範囲を「プレストン領域」、ＰＶ積がｘよりも大きい範囲を「非プレストン領域」と呼ぶ。

したがって、この非プレストン領域内の条件下で研磨を行えば、研磨対象物の面内で加工圧力や相対速度が不均一となっても、研磨対象物の面内のいずれの点においても研磨速度が一定（ａ_Ｃ）になるので、均一な研磨を実現することが可能となる。このように、相対速度にかかわらず一定の研磨速度が実現されるので、上述した低圧での研磨において、トップリング３６の回転速度を低くし、研磨テーブル３４の回転速度を高くしたとしても、ウェハＷの外周部と中央部で研磨速度が同一になる。したがって、ウェハ全面への研磨液の均一な供給とウェハの面内における研磨速度の均一性を両立することが可能となる。

ここで、上記化学反応の速度ａ_Ｃは、供給する各々の薬液の量、組成、濃度、温度などに依存する。したがって、供給する薬液の量、組成、濃度、温度などを適切に調整することで、所望の圧力において、ウェハ全面への薬液（研磨液）の均一な供給とウェハの面内における研磨速度の均一性を両立した研磨を行うことができる。

上述したように、非プレストン領域の条件下で研磨を行うことにより、トップリング３６の回転速度を低くし、研磨テーブル３４の回転速度を高くした状態で均一な研磨を行うことができる。本実施形態では、この非プレストン領域の条件下での研磨中にコンディショナ６０による研磨面３２のコンディショニングが行われる（in-situコンディショニング）。

通常、研磨面をコンディショニングするコンディショナは、研磨面を平坦に加工するため、研磨テーブルの回転速度の０．５〜２倍程度の回転速度で回転させる。上述したように、非プレストン領域内の条件下での研磨では、研磨テーブル３４が高速で回転されるため、in-situコンディショニングを行うためには、コンディショナ６０を研磨テーブル３４の回転速度と同程度ないし２倍程度という高速で回転させる必要がある。しかしながら、コンディショナ６０を高速で回転させると、研磨面３２の減耗量が大きくなり、研磨面３２の寿命が短くなってしまうおそれがある。また、研磨面３２の平坦性の制御や表面粗さの制御などが難しくなってしまう。

例えば、コンディショナ６０を高速で回転させると、コンディショナ６０の回転中心の軌跡付近における研磨面３２の研削量が多くなり、研磨面３２が凹形状になってしまうことが考えられる。このように研磨面３２が凹形状になると、研磨面３２の凹部に押圧される半導体ウェハの内周部の面圧が低くなり、非プレストン領域の条件下での研磨ができない場合がある。一方、半導体ウェハの外周部では面圧が高くなり、機械的強度の弱いデバイス構造を有する半導体ウェハを研磨した場合に、そのデバイス構造を破壊してしまうおそれがある。

したがって、研磨面３２の研削量が多くなりすぎないように、コンディショナ６０の回転速度を研磨テーブル３４の回転速度に対して遅くしたり、コンディショナ６０の押圧力を非常に小さくしたり、研削速度が非常に低いコンディショナを使用したりするなどの工夫が必要となる。

図５は、コンディショナ６０の構造を示す模式図である。本実施形態のコンディショナ６０は、直径４０〜１２５ｍｍの小径の円板状コンディショナである。図５に示すように、コンディショナ６０には中空シャフト６２が取り付けられており、この中空シャフト６２はモータ６４に連結されている。したがって、モータ６４の駆動によりコンディショナ６０が回転するようになっている。

中空シャフト６２はコンディショナヘッド６６に取り付けられており、このコンディショナヘッド６６は、モータ６８により回転される旋回軸７０の上端に取り付けられている。したがって、モータ６８の駆動によりコンディショナ６０が水平方向に揺動するようになっている。このように、モータ６８、旋回軸７０、およびコンディショナヘッド６６は、コンディショナ６０を研磨面３２上で揺動させる揺動機構として機能する。

コンディショナヘッド６６には、コンディショナ６０の上下方向位置を調整するボールねじ７２と、ボールねじ７２を回転させるモータ７４とが設けられている。このボールねじ７２には、中空シャフト６２の上端に取り付けられたナット７６が螺合されており、モータ７４の駆動によりコンディショナ６０が上下動するようになっている。本実施形態では、上述したボールねじ機構によりコンディショナ６０の高さを制御して、コンディショナ６０の研磨面３２に対する押圧を制御している（高さ制御）。なお、コンディショナ６０が研磨面３２に押圧する圧力を制御して、コンディショナ６０の研磨面３２に対する押圧を制御してもよい（圧力制御）。

例えば、ボールねじ機構によりコンディショナ６０を下方に移動させ、コンディショナ６０を研磨面３２に接触させる。コンディショナ６０が研磨面３２に接触すると、コンディショナ６０を回転させているモータ６４に負荷がかかる。このモータ６４にかかるトルクが検知され、このトルクに基づいてコンディショナ６０の下方向への移動位置が制御される。すなわち、検知されるトルクが予め設定した閾値になるように、コンディショナ６０の位置が制御され、これにより研磨面３２の過剰な研削および不十分な研削が防止される。

このような高さ制御によりコンディショナ６０の押圧を制御する場合、コンディショナ６０を中空シャフト６２に対して固定的に取り付けることにより、コンディショニング後の研磨面３２を平坦にすることができる。例えば、コンディショナ６０と中空シャフト６２とをボールを介さずに接続し、中空シャフト６２に対してコンディショナ６０の下面がほぼ垂直になるように固定する。このようにすることで、半導体ウェハを押圧する面を平坦にできるので、研磨テーブル３４を高速で回転させた場合であっても、振動が起きて研磨ができなくなることがない。また、ボールねじ機構によりコンディショナ６０を下方向（または上方向）へ送った量を測定することによっても高さ制御を行うことができる。具体的にはモータ７４を駆動させる電流（例えばパルス電流）の値をモニタリングすることによりコンディショナ６０の高さ位置を制御する。

図６は、コンディショナ６０の底面図である。図６に示すように、コンディショナ６０は、下面にダイヤモンドを固定した複数の円分状コンディショニング部材７８を備えている。これらのコンディショニング部材７８は隣接する部材と所定の間隔を置いて配置されている。また、コンディショナ６０の下面の回転中心近傍には、例えば４つの貫通孔８０が形成されており、この貫通孔８０は中空シャフト６２内の中空部に連通されている。図５に示すように、中空シャフト６２内の中空部にはコンディショニング液（例えば純水（ＤＩＷ）や薬液）が供給されるようになっており、コンディショナ６０の貫通孔８０からコンディショニング液がコンディショナ６０の下面に供給されるようになっている。なお、コンディショニング部材７８の表面からコンディショニング液が供給されるように構成してもよい。

本実施形態では、複数の円分状コンディショニング部材７８を用いた例について説明したが、これに限られるものではなく、リング状のコンディショニング部材や円板状のコンディショニング部材などを用いることもできる。

このようなコンディショナ６０を回転させながら研磨面３２に押圧し、コンディショニング部材７８と研磨面３２とを摺動させて研磨面３２を平坦にコンディショニングする。このときのコンディショナ６０の回転速度は、研磨テーブル３４の回転速度に対して低くすることが好ましく、例えば研磨テーブル３４の回転速度の１／２以下にすることが好ましい。また、コンディショナ６０の押圧力は、例えば１０Ｎ以下とし、低圧でコンディショニングすることが好ましい。

コンディショニング中には、コンディショナ６０を研磨面３２の中心部から外周側に揺動させてもよく、あるいは、研磨面３２の外周部から内周側に揺動させてもよい。また、コンディショナ６０を研磨面の中心部と外周部との間で往復揺動させてもよい。このようにコンディショナ６０を揺動させる場合には、研磨面３２を平坦かつ均一にコンディショニングするために、研磨面３２の中心とコンディショナ６０の中心との間の距離に応じてコンディショナ６０を揺動させる速度（揺動速度）を変化させることが好ましい。

より具体的には、コンディショナ６０の揺動速度Ｖが以下の式で表される値になるようにモータ６８の速度を制御する。
Ｖ＝Ａ×Ｒ^（−Ｃ）
ここで、Ｒはコンディショナ６０の中心と研磨面３２の中心との間の距離、ＡとＣは定数である。ここで、定数Ｃは０．８〜１．２の範囲にあることが好ましい。

また、研磨テーブル３４とコンディショナ６０との回転速度の比、コンディショナ６０の揺動速度、コンディショナ６０による研磨面３２の研削量などを適切に調整することにより、コンディショニング後の研磨性能を左右する研磨面３２の表面粗さを研磨対象物に応じて好適化することができる。

コンディショナ６０の形態は上述したものに限られるものではない。例えば、コンディショナ６０としてロール型コンディショナを用いることもできる。例えば、図７に示すような円筒形状のコンディショナ６０ａや、図８に示すような円錐台形状のコンディショナ６０ｂ、あるいは、円錐形状のコンディショナを用いることができる。この場合には、円筒、円錐、または円錐台の外周面にダイヤモンドなどの砥粒や樹脂製のブラシが設けられる。このとき、円筒、円錐、または円錐台の回転軸を研磨面３２に対して傾斜させてもよい。このようなコンディショナを用いることにより、研磨面をほぼ平坦にコンディショニングすることができる。

また、回転軸を中心としてロール型コンディショナを回転させてもよい。このとき、研磨面３２の研削量が低減されるようにコンディショナの回転速度を制御することが好ましい。このように回転速度を制御することにより、研磨面３２の寿命を長くすることができる。例えば、コンディショナが研磨面３２に接触する部分の相対速度を高くすると研削量が多くなり、低くすると研削量が小さくなるので、コンディショナの回転速度を適切に調整して研磨面３２の研削量を低減することが好ましい。

また、ロール型コンディショナを用いる場合には、コンディショナ６０の研磨面３２に対する位置を固定してコンディショニングを行ってもよい。この場合には、コンディショナ６０の外周面（作用面）に付着する研削屑を除去する必要が生じる。このため、例えば、コンディショナ６０の作用面にコンディショニング液を供給したり、超音波振動を与えたり、研削屑を外部に導くための溝を形成したり、あるいはコンディショナ６０の作用面のうち研磨面３２に接触していない部分を水洗したりして、コンディショナ６０の作用面に付着する研削屑を除去してもよい。このように構成することにより、コンディショニングを連続的に行うことができる。

また、図９に示すような円分形状のコンディショナ６０ｃを使用することもできる。このような円分形状のコンディショナ６０ｃを研磨面３２上の所定の位置に固定的に配置し、研磨面３２に押圧することで、研磨面３２をほぼ平坦にコンディショニングすることができる。この円分形状のコンディショナ６０ｃの押圧制御は、圧力制御または高さ制御によって行うことができる。また、円分形状のコンディショナ６０ｃに代えて、扇形形状のコンディショナを用いることもできる。

また、研磨面３２の平坦性を悪化させないで研磨面３２上の研磨副生成物（例えば錯体）を除去する方法は、上述した機械的コンディショナによるコンディショニングに限られない。例えば、純水や薬液によるジェット噴流を研磨面３２に噴射して錯体を除去する方法、砥粒粉末を研磨面３２に噴射して錯体を除去する方法、超音波振動を与えた純水や薬液を研磨面３２に供給して錯体を除去する方法、超音波振動子を接触させて錯体を除去する方法、水、薬液、またはスラリを凍らせて固体にした粉末を研磨面３２に噴射して錯体を除去する方法、アルゴン、酸素、二酸化炭素などの固定粉末を研磨面３２に噴射して錯体を除去する方法などのように、研磨面３２に物理力を与えて錯体を除去する方法を用いることができる。あるいは、光や赤外線などの電磁気力により研磨面３２に熱衝撃を与えて錯体を除去する方法や、研磨面３２に熱源を接触させ、研磨面３２に熱衝撃を与えて錯体を除去する方法なども用いることもできる。なお、熱衝撃を与えて錯体を除去する場合には、熱衝撃を与える部分を好ましくは０〜３０℃に冷却した後に熱衝撃を加えると効果的である。さらに、これらの方法のうちのいくつかの方法を組み合わせてもよい。

また、上述した機械式コンディショナなどにより研磨面３２の表面から剥がされた錯体は、研磨テーブル３４の回転により研磨テーブル３４の外部に排出される。研磨液として粘性の高い液体を使用する場合には、除去された錯体を真空吸引したり、研磨面に純水や薬液を噴射したり、あるいは上述した固形粉末を研磨面３２に噴射したりして錯体を研磨テーブル３４の外部に排出してもよい。また、錯体が静電気を帯びている場合には、電極を近づけてこの電極に錯体を吸着および析出させてもよい。

また、図１０に示すように、研磨面３２にイオン交換樹脂９０（例えばキレート樹脂）を接触させ、電気分解により研磨面３２からイオン交換樹脂９０に錯体を移動させてもよい。このイオン交換樹脂９０には、図１１に示すように、陽極９２と陰極９４とが交互に取り付けられており、回転方向の上流側には電解液供給口９６が設けられ、下流側には電解液吸引口９８が設けられている。このイオン交換樹脂９０を、研磨を行っている領域とは異なる領域の研磨面３２に接触させて研磨面３２上の錯体を除去する。

また、研磨面３２に薬液を添加して不溶解性錯体を溶解性錯体に変えて研磨液やコンディショニング液とともに研磨テーブル３４の外部に排出してもよい。例えば、図１２に示すように、研磨面３２に薬液を噴射するノズル１００を複数設け、薬液を研磨面３２に噴射することで研磨副生成物を研磨面３２から除去してもよい。例えば、クエン酸やシュウ酸などの有機酸を研磨面３２に添加することにより、上述した効果を実現することができる。

また、キレート剤やキレート樹脂を薬液として使用することもできる。この場合、例えば、図１３に示すように、研磨面３２上に２つの遮蔽板１０２を配置し、これらの遮蔽板１０２で区画された領域にノズル１０４を介してキレート剤やキレート樹脂を供給する。これにより、研磨面３２に付着する副生成物（錯体）をキレート剤またはキレート樹脂に吸着させて系外に排出することができる。

ここで、キレート剤またはキレート樹脂としては、好ましくはアミノカルボン酸型のキレート剤またはキレート樹脂、より好ましくはイミノジ酢酸型のキレート剤またはキレート樹脂、さらに好ましくはエチレンジアミンテトラ酢酸を用いることができる。

イミノジ酢酸型キレート樹脂では、Ｃｕ^２＋の金属イオンに対するキレート生成の安定度定数ｐＫ（２５℃）が１０．５４であり（C. Eger, W. N. Anspach, J. A. Marinsky, J. Inorg. Nucl. Chem., 30, 1911(1968)）、これより安定度定数の小さい錯体を吸着（置換）することができる。さらに、エチレンジアミンテトラ酢酸（ＥＤＴＡ）では、Ｃｕ^２＋の金属イオンに対するキレート生成の安定度定数ｐＫ（２５℃）が１８．８３であり、より強力に錯体を吸着することができる。

また、公知文献（日本化学会編、「化学便覧応用化学編」、丸善、改訂３版、図１０．１２２）に記載されているキレート樹脂の特性から、研磨副生成物に対する吸着性と研磨性能を高めるために、キレート樹脂を研磨面３２に作用させる前に酸性雰囲気から弱酸性雰囲気に変え、弱酸性雰囲気で副生成物をキレート樹脂に吸着・置換した後、研磨に好適な酸性雰囲気に戻すことが好ましい。したがって、研磨に必要な酸化剤はキレート樹脂を研磨面３２に作用させた後に供給することが効果的である。

ここで、研磨面３２上の研磨副生成物の付着量をモニタし、研磨副生成物の付着量を上述したコンディショナ６０の運転の制御にフィードバックすることが好ましい。図１４は、図９に示す円分形状のコンディショナ６０ｃをフィードバック制御する場合の構成を示す模式図である。図１４に示すように、研磨面３２の状態を測定する測定器１１０と、演算処理装置１１２と、プロセス管理装置１１４と、入力インターフェイス装置１１６と、コンディショナ６０の押圧力、回転速度、高さなどを制御するコンディショナ制御装置１１８とを備えている。

例えば、測定器１１０により研磨面３２に光を照射し、その反射光を測定することにより研磨副生成物の付着量をモニタしてもよいし、測定器１１０としてＣＣＤカメラを用い、研磨面３２の画像をＣＣＤカメラによって取り込み、演算処理装置で画像を解析することにより、研磨副生成物の付着量をモニタしてもよい。あるいは、測定器１１０を受光素子とし、この受光素子における受光量の変化を光学的にモニタして研磨副生成物の付着量を測定してもよい。

フィードバック制御する対象としては、コンディショナ６０の押圧力、コンディショニング時間、揺動速度、コンディショナ６０の高さ（位置）、各種モータの回転速度などを挙げることができる。また、上述した機械的コンディショナ以外のコンディショナを用いる場合には、純水や薬液のジェット噴流の流量や、研磨面３２に噴射する砥粒の量やその噴射圧力、超音波の振動数やその出力、研磨面３２に噴射する各種粉末の量やその噴射圧力、サイズ、熱衝撃を与える加熱源の温度や加熱する時間などを制御対象とすることができる。

このような方法によれば、研磨副生成物の付着量の最大許容値を制御すること、あるいは、研磨副生成物の付着量を好適な量に制御することが可能となる。したがって、例えば、柔らかすぎる研磨パッドの表面を硬くするなど、研磨面３２の物性を好適なものに制御することが可能となる。

また、一般に、銅配線を形成する際のＣＭＰ工程は、段差解消ステップ、バルク加工ステップ、銅クリアステップ、バリアメタル露出ステップなどからなるが、これらのステップごとに研磨面の物性をそれぞれのステップに最適な物性に制御することが好ましい。

また、研磨面３２上の研磨副生成物の付着量を直接モニタせずに、例えば、ウェハが研磨される速度（研磨速度）をモニタし、この研磨速度から研磨面３２上の研磨副生成物の付着量を推測してもよい。この推測された研磨副生成物の付着量をコンディショナ６０の運転の制御にフィードバックすることができる。あるいは、経験的に算出された閾値または上記研磨速度から算出された閾値に基づいてコンディショナ６０をフィードバック制御してもよい。

半導体ウェハの研磨速度を測定する測定器としては、例えば、半導体ウェハに光を照射して膜厚を測定する光学式モニタを用いることができる。例えば、光学式モニタに投光素子と受光素子を設け、投光素子から半導体ウェハの被研磨面に光を照射し、この被研磨面からの反射光を受光素子で受光するように構成することができる。図２に示す例では、半導体ウェハＷの膜厚を測定する光学式モニタ５６が研磨テーブル３４に埋設されている。

研磨により半導体ウェハの導電性膜（銅膜）が所定の厚さの薄膜になってくると、光学式モニタの投光素子から被研磨面に照射された光の一部が導電性膜を透過する。したがって、導電性膜の下にある酸化膜（ＳｉＯ_２）で反射した反射光と、導電性膜の表面で反射した反射光との２種類の反射光が存在することになる。この２種類の反射光を受光素子で受光し処理することにより導電性膜の膜厚を測定する。また、単色光だけでなく、白色光など複数の波長成分を含む光を利用し、波長ごとに測定することで、様々な光学特性を有する膜種（材料）に対応することができることは言うまでもない。

また、半導体ウェハに発生する渦電流を検出して膜厚を測定する渦電流式モニタや、研磨テーブルの回転トルクを検出して膜厚を測定するトルク検知モニタ、半導体ウェハに超音波を当てて膜厚を測定する超音波モニタなどを用いることもできる。

このように、研磨面３２に付着した研磨副生成物の量を測定または推測してコンディショナ６０の運転の制御にフィードバックすることにより、研磨面３２上に付着する研磨副生成物の量を制御することが可能となる。このような制御は、上述した非プレストン領域の条件下での研磨に限らず、プレストン領域の条件下での研磨にも適用することができる。

ここで、研磨面３２を構成する研磨パッドとしては、液の供給、排出、置換の観点から、複数の同心状の溝が形成された研磨パッドや螺旋状の溝が形成された研磨パッドを用いることが好ましい。また、研磨テーブル３４が高速で回転される場合には、遠心力によって薬液が流出してしまい、均一な加工ができない場合があるので、溝が形成された研磨パッドはこのような場合に特に有効である。また、薬液を保持する上では、溝を同心状または螺旋状にすることが好ましい。また、研磨パッドの材質としても、薬液保持に有利な物性を有する材料が好ましく、親水性を有する材料も有効である。

図１５は、螺旋状の溝が形成された研磨パッド１２０の一例を示す平面図である。図１５に示す研磨パッド１２０は、アルキメデス渦巻線（アルキメデス螺線）で表される螺旋溝１２２を有している。このアルキメデス渦巻線は、
Ｘ＝ａ×Ｔ×ｃｏｓ（Ｔ）
Ｙ＝ａ×Ｔ×ｓｉｎ（Ｔ）
で表される線である。なお、ａは任意の定数である。

図１５では、アルキメデス渦巻線を用いた例を示したが、対数渦巻線（対数螺線）を用いてもよい。研磨パッドの螺旋溝の形状としては、一般にアルキメデス螺線が好ましいが、等角螺線、すなわち、螺線上の任意の点と研磨パッドの中心とを結ぶ線と、この点における螺線の接線とがなす角が常に一定である螺線（ベルヌーイ螺線）であってもよい。このベルヌーイ螺線は、外周側において螺線間の幅が広がる性質を有しており、
Ｘ＝ａ×ｅｘｐ(ｂＴ)×ｃｏｓ(Ｔ)
Ｙ＝ａ×ｅｘｐ(ｂＴ)×ｓｉｎ(Ｔ)
で表される線である。なお、ａ，ｂは任意の定数である。

ここで、図１６に示すように、図８に示す円錐台形状のコンディショナ６０ｂを用いた場合に、研磨面３２に同心円状の溝１２４が形成されるように、コンディショナ６０ｂの外周面にダイヤモンドなどの砥粒を配置してもよい。このようにすることで、コンディショナ６０ｂによって研磨面３２のコンディショニングをすると同時に、研磨面３２に同心円状の溝１２４を形成することができる。なお、研磨面３２に螺旋状の溝が形成されるようにダイヤモンドを配置してもよいことは言うまでもない。さらに、図１７に示すように、棒材１２６の下部にダイヤモンドを配置したコンディショナ６０ｄを用いて、研磨面３２に同心円状の溝１２４または螺旋状の溝を形成してもよい。

なお、研磨面３２をほぼ平坦にコンディショニングする場合には、研磨面３２の中央部からトップリング３６の半導体ウェハを保持する保持リングに至るまでの領域を他の領域よりも例えば１μｍ以上深く研削してもよい。このようにすることで、上述した同心円状の溝や螺旋状の溝がなくても、研磨液を半導体ウェハに供給することが容易になり、少量の研磨液で半導体ウェハの研磨を行うことが可能となる。また、このようにすることで、劣化しやすい研磨液を使用することも容易になる。

１０００ｎｍ以下の厚さの膜を研磨する場合には、研磨中に研磨面に付着する研磨副生成物の量が少ないため、研磨中にコンディショナ６０によるコンディショニングをすることなく加工を行うことができる。この場合には、半導体ウェハを研磨する前にコンディショナ６０によるコンディショニング（ex-situコンディショニング）を行えばよい。このex-situコンディショニングにおいては、研磨テーブル３４の回転速度に対して約０．５〜２倍で、かつ、低い回転速度でコンディショナ６０を回転させてコンディショニングを行うことができる。また、このようなex-situコンディショニングを行うときには、多くの研磨副生成物が研磨面上に蓄積されているが、上述した研磨副生成物の付着量を測定あるいは推測してコンディショナ６０の運転の制御にフィードバックさせる方法を適用することで、生産性を上げることができる。

なお、銅の加工には化学反応が大きく影響するため、温度を下げると加工を抑制することができる。一方、銅層の下にあるバリアメタル層については、物理的に加工するのが一般的である。したがって、銅クリアステップおよびバリアメタル露出ステップにおいては、研磨が行われる雰囲気、研磨面３２、研磨液、半導体ウェハＷ、トップリング３６などを例えば約０〜３０℃に冷却することにより、銅配線部分のディッシングを抑制しつつ、バリアメタル層を加工することが可能となる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

図１（ａ）から図１（ｆ）は、デュアルダマシンプロセスによって銅配線を形成する工程を示す図である。 本発明の一実施形態における研磨装置を示す模式図である。 図２のウェハと研磨テーブルとの関係を示す図である。 図２の研磨装置におけるＰＶ積と研磨レートとの関係を示すグラフである。 図２の研磨装置におけるコンディショナの構造を示す模式図である。 図５のコンディショナの底面図である。 図２の研磨装置におけるコンディショナの変形例を示す斜視図である。 図２の研磨装置におけるコンディショナの他の変形例を示す斜視図である。 図２の研磨装置におけるコンディショナの他の変形例を示す斜視図である。 図２の研磨装置にイオン交換樹脂を設けた例を示す斜視図である。 図１０のイオン交換樹脂の底面図である。 図２の研磨装置に薬液を供給するノズルを設けた例を示す斜視図である。 図２の研磨装置にキレート剤やキレート樹脂を供給するノズルを設けた例を示す斜視図である。 図９に示すコンディショナをフィードバック制御する場合の構成を示す模式図である。 本発明の研磨装置で用いる研磨パッドの一例を示す平面図である。 図８に示すコンディショナの変形例を示す斜視図である。 図２の研磨装置におけるコンディショナの他の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

３０ 研磨装置
３２ 研磨面
３４ 研磨テーブル
３６ トップリング
４２ 薬液供給ノズル（薬液供給機構）
４４ 制御部
４６ モータ（回転機構）
５４ 上下動機構（押圧機構）
５６ 光学式モニタ
６０ コンディショナ
７８ コンディショニング部材
８０ 貫通孔
９０ イオン交換樹脂
１００，１０４ ノズル
１０２ 遮蔽板
１１０ 測定器
１２２，１２４ 同心円溝

Claims (18)

1. 研磨面と、
   表面に研磨すべき膜が形成された研磨対象物を保持するトップリングと、
   前記研磨面と前記トップリングに保持された研磨対象物とを相対移動させる駆動機構と、
   前記トップリングに保持された研磨対象物を前記研磨面に対して押圧する押圧機構と、
   前記研磨面をコンディショニングするコンディショナと、
   を備え、
   前記コンディショナにより前記研磨面のコンディショニングを行いつつ、前記研磨対象物を前記研磨面に対して押圧する圧力と、前記研磨面と前記研磨対象物との相対速度との積に研磨速度が比例しない非プレストン領域内の条件下で前記研磨対象物の研磨を行うことを特徴とする研磨装置。
2. 前記研磨対象物の表面に形成された膜の厚さは５００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. コンディショニング中に前記コンディショナを前記研磨面上で揺動させる揺動機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
4. 前記揺動機構は、Ｒを前記コンディショナの中心と前記研磨面の中心との間の距離、ＡとＣを定数として、Ｖ＝Ａ×Ｒ^（−Ｃ）で示される揺動速度Ｖで前記コンディショナを揺動させることを特徴とする請求項３に記載の研磨装置。
5. 前記定数Ｃは０．８〜１．２の範囲にあることを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
6. 表面に研磨すべき膜が形成された研磨対象物と研磨面とを相対移動させつつ、前記研磨対象物を前記研磨面に対して押圧し、
   前記研磨面のコンディショニングを行いつつ、前記研磨対象物を前記研磨面に対して押圧する圧力と、前記研磨面と前記研磨対象物との相対速度との積に研磨速度が比例しない非プレストン領域内の条件下で前記研磨対象物の研磨を行うことを特徴とする研磨方法。
7. 前記研磨対象物の表面に形成された膜の厚さは５００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の研磨方法。
8. 前記研磨面に付着した研磨副生成物の量を測定し、
   前記測定の結果を前記研磨面のコンディショニングの制御にフィードバックすることを特徴とする請求項６または７に記載の研磨方法。
9. 前記研磨面のコンディショニングの制御においては、前記研磨面に付着する研磨副生成物の量を制御することを特徴とする請求項８に記載の研磨方法。
10. 多段の研磨ステップにおいて前記研磨面のコンディショニングを行い、前記研磨面に付着する研磨副生成物の量を研磨ステップごとに調整することを特徴とする請求項９に記載の研磨方法。
11. 前記研磨面のコンディショニングにおいては、前記研磨面に物理力を与えることにより前記研磨面上の研磨副生成物を除去することを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載の研磨方法。
12. 前記研磨面のコンディショニングにおいては、前記研磨面にキレート剤またはキレート樹脂を供給することにより前記研磨面上の研磨副生成物を除去することを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載の研磨方法。
13. 前記研磨面のコンディショニングにおいては、前記研磨面に物理力を与えること、および、前記研磨面にキレート剤またはキレート樹脂を供給することにより前記研磨面上の研磨副生成物を除去することを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載の研磨方法。
14. 弱酸性雰囲気で前記研磨面にキレート剤またはキレート樹脂を供給して前記研磨面上の研磨副生成物を該キレート剤またはキレート樹脂に吸着し、
    酸性雰囲気で前記研磨対象物の研磨を行うことを特徴とする請求項１２または１３に記載の研磨方法。
15. 研磨面と、
    表面に研磨すべき膜が形成された研磨対象物を保持するトップリングと、
    前記研磨面と前記トップリングに保持された研磨対象物とを相対移動させる駆動機構と、
    前記トップリングに保持された研磨対象物を前記研磨面に対して押圧する押圧機構と、
    前記研磨面をコンディショニングするコンディショナと、
    を備え、
    研磨前に前記コンディショナにより前記研磨面のコンディショニングを行い、
    前記研磨対象物を前記研磨面に対して押圧する圧力と、前記研磨面と前記研磨対象物との相対速度との積に研磨速度が比例しない非プレストン領域内の条件下で前記研磨対象物の研磨を行うことを特徴とする研磨装置。
16. 前記研磨対象物の表面に形成された膜の厚さは１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１５に記載の研磨装置。
17. 表面に研磨すべき膜が形成された研磨対象物の研磨前に研磨面のコンディショニングを行い、
    前記研磨対象物と前記研磨面とを相対移動させつつ、前記研磨対象物を前記研磨面に対して押圧し、
    前記研磨対象物を前記研磨面に対して押圧する圧力と、前記研磨面と前記研磨対象物との相対速度との積に研磨速度が比例しない非プレストン領域内の条件下で前記研磨対象物の研磨を行うことを特徴とする研磨方法。
18. 前記研磨対象物の表面に形成された膜の厚さは１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１７に記載の研磨方法。

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