JP2006315137A - Polishing pad - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリコンウェハなどの半導体ウェハの研磨に使用される研磨パッドに関する。 The present invention relates to a polishing pad used for polishing a semiconductor wafer such as a silicon wafer.
一般に半導体ウェハの表面は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)方式の研磨装置により研磨される。同研磨装置では、ウェハが保持された上定盤を、研磨パッドを装着した下定盤上に置き、ウェハと研磨パッドとを加圧した状態で、その間にスラリーを供給しながら、ウェハと研磨パッドとを相対的に摺動させることで研磨を行う(例えば、特許文献1参照)。
上記のようなウェハの研磨では、研磨パッドやスラリー中の砥粒と、被研磨物であるウェハとの摩擦、およびスラリーの化学反応による発熱等により、ウェハの温度が上昇する。ウェハの全体の温度が高温となったり、あるいは温度分布が不均一になったりすると、研磨を安定的に行うことが難しくなる。 In the polishing of the wafer as described above, the temperature of the wafer rises due to friction between the polishing pad or abrasive grains in the slurry and the wafer that is the object to be polished, and heat generated by the chemical reaction of the slurry. If the temperature of the entire wafer becomes high or the temperature distribution becomes non-uniform, it becomes difficult to perform polishing stably.
そのため、ウェハの温度を検出する必要があるが、研磨中、ウェハは研磨パッドと接触した状態にあり、その温度を直接的に測定することは非常に困難である。 Therefore, it is necessary to detect the temperature of the wafer, but the wafer is in contact with the polishing pad during polishing, and it is very difficult to directly measure the temperature.
そこで、従来は、研磨パッドの上方に放射温度計を配置して、この放射温度計により、研磨パッドの研磨面(表面)の温度を測定し、この研磨パッドの研磨面の温度からウェハの温度を推定するようにしている。 Therefore, conventionally, a radiation thermometer is arranged above the polishing pad, and the temperature of the polishing surface (surface) of the polishing pad is measured by this radiation thermometer, and the temperature of the wafer is calculated from the temperature of the polishing surface of the polishing pad. I try to estimate.
しかしながら、上記の方式で測定されるのは、研磨パッドの研磨面各部分のうち、研磨中で実際にウェハに接触している部分の温度ではなく、ウェハから外れた位置にある研磨前もしくは研磨後の部分の温度である。特に、研磨パッドの研磨前の部分は、新しく供給されたスラリーにより冷却されており、その温度は、研磨中の部分の温度よりかなり低下しているはずである。 However, what is measured by the above method is not the temperature of each part of the polishing surface of the polishing pad that is actually in contact with the wafer before polishing, but before polishing or polishing at a position off the wafer. It is the temperature of the latter part. In particular, the pre-polishing part of the polishing pad is cooled by the newly supplied slurry, and its temperature should be much lower than the temperature of the part being polished.
しかも、放射温度計では、広い範囲の平均的な温度を測定できるにとどまり、研磨パッドの局部的な温度変化、温度分布を測定することができなかった。 Moreover, the radiation thermometer can only measure a wide range of average temperatures, and cannot measure a local temperature change and temperature distribution of the polishing pad.
そのため、従来では、研磨中のウェハの温度を的確にモニターすることができず、研磨を安定的に行う上で、研磨条件を適正に調整するのが難しかった。 Therefore, conventionally, the temperature of the wafer being polished cannot be accurately monitored, and it has been difficult to properly adjust the polishing conditions in order to stably perform the polishing.
本発明は、上記の問題点に鑑み、研磨中のウェハ等の被研磨物の実際の温度により近い温度を、研磨パッドを介してモニターできるようにすることを課題とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to enable a temperature closer to the actual temperature of an object to be polished such as a wafer being polished to be monitored via a polishing pad.
本発明は、被研磨物を研磨する研磨パッドにおいて、研磨面に近接するように、温度センサの収容部が形成され、該収容部に、温度センサが配置されることを特徴としている。 The present invention is characterized in that, in a polishing pad for polishing an object to be polished, a temperature sensor housing portion is formed so as to be close to the polishing surface, and the temperature sensor is disposed in the housing portion.
ここで、近接とは、近くにあることをいい、当該研磨パッドの研磨面(表面)近くに収容部が形成されることをいい、研磨性能に影響を与えない範囲で可及的に近接して形成されるのが好ましい。この収容部は、研磨パッドの厚みを利用して、研磨パッドの内部あるいは裏面側に、形成されるのが好ましい。 Here, the proximity means that it is close, means that the accommodating portion is formed near the polishing surface (surface) of the polishing pad, and is as close as possible within a range that does not affect the polishing performance. Is preferably formed. This housing part is preferably formed inside or on the back side of the polishing pad using the thickness of the polishing pad.
上記構成によれば、研磨面に近接して配置された温度センサにより、研磨中の研磨パッドの研磨面各部分のうち、ウェハ等の被研磨物が圧接されている領域の温度を測定することができる。 According to the above configuration, the temperature of the polishing pad of the polishing pad being polished is measured with the temperature sensor disposed in the vicinity of the polishing surface in the region where the object to be polished such as a wafer is pressed. Can do.
この場合、温度センサが設けられている部分の温度を局部的に検出することができ、この局部的な温度検出を複数個所で行うことにより、研磨パッドの温度分布の測定が可能になる。 In this case, the temperature of the portion where the temperature sensor is provided can be locally detected, and the temperature distribution of the polishing pad can be measured by performing this local temperature detection at a plurality of locations.
しかも、温度センサは、研磨パッドの表層のごく薄い部分を介して間接的に被研磨物の表面に接することになるから、被研磨物の実際の温度に極めて近似した温度をモニターすることができる。 Moreover, since the temperature sensor indirectly contacts the surface of the object to be polished through a very thin portion of the surface layer of the polishing pad, it is possible to monitor a temperature very close to the actual temperature of the object to be polished. .
上記構成中、温度センサとしては、熱電対やサーミスタ等の接触式の温度センサが好適である。接触式温度センサではほかに、白金測温抵抗体、銅測温抵抗体、IC化温度センサ、水晶温度計等がある。 In the above configuration, as the temperature sensor, a contact type temperature sensor such as a thermocouple or a thermistor is suitable. In addition to the contact type temperature sensor, there are a platinum resistance thermometer, a copper resistance thermometer, an IC temperature sensor, a crystal thermometer, and the like.
上記構成の研磨パッドにおいて、前記収容部は、当該研磨パッドの裏面側に、中心側から外径側に延びる溝状に形成され、前記収容部内に前記温度センサが収容固定されるのが好ましい。 In the polishing pad having the above configuration, it is preferable that the housing portion is formed in a groove shape extending from the center side to the outer diameter side on the back surface side of the polishing pad, and the temperature sensor is housed and fixed in the housing portion.
この構成によれば、温度センサを容易に設けることができるばかりでなく、温度センサの信号線を研磨パッドの中心側に導いて、他の電子部材、例えば、研磨パッドの研磨面側あるいは定盤に配置される回転コネクタに接続することにより、温度センサのセンサ信号を常時、継続的に外部に取り出せるようになる。 According to this configuration, not only the temperature sensor can be easily provided, but also the signal line of the temperature sensor is guided to the center side of the polishing pad, and other electronic members, for example, the polishing surface side of the polishing pad or the surface plate By connecting to the rotary connector arranged at the position, the sensor signal of the temperature sensor can be continuously taken out constantly.
前記溝状の収容部は単数でも複数でもよいが、単一の溝状の収容部内に、複数の温度センサが互いに径方向に間隔をおいて収容固定されていることが好ましい。このように、単一の収容部内に複数の温度センサが配列されていると、同一径方向の複数個所の温度を一度に測定することができ、正確な温度分布の測定に役立つ。 Although the groove-shaped housing portion may be singular or plural, it is preferable that a plurality of temperature sensors are housed and fixed in the single groove-shaped housing portion at intervals in the radial direction. As described above, when a plurality of temperature sensors are arranged in a single housing portion, the temperatures at a plurality of locations in the same radial direction can be measured at a time, which is useful for accurate temperature distribution measurement.
本発明によれば、研磨パッドの各部分のうち、被研磨物に接している部分の温度を検出し、研磨中の被研磨物の実際の温度に極めて近似した温度を測定することができる。 According to the present invention, the temperature of the portion of the polishing pad that is in contact with the object to be polished can be detected, and the temperature very close to the actual temperature of the object being polished can be measured.
以下、本発明の最良の実施の形態を、図を参照して説明する。図1は、最良の実施の形態に係る研磨パッドを装着した研磨装置の概略構成図である。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a polishing apparatus equipped with a polishing pad according to the best embodiment.
図1において、研磨装置は、上面に本発明の研磨パッド1が装着される下定盤2と、下面に被研磨物であるウェハWが保持される上定盤3とを備えている。
In FIG. 1, the polishing apparatus includes a
下定盤2は縦軸周りに回転するもので、その軸部2aは、ベルト4等の伝動手段を介して下定盤2用のモータ5に連動連結している。この下定盤2上には、研磨用スラリーを供給するノズル6が配設されている。上定盤3は、下定盤2の上側に設けられており、その軸部3aは、ベルト7等の伝動手段を介して上定盤3用のモータ8に連動連結している。
The
研磨パッド1には、研磨面(表面)側とは反対側である裏面側(図では下面側)に熱電対のような接触式の温度センサ9が、研磨パッド1の厚み内に収まるよう埋設されている。一方、研磨パッド1の研磨面側の中央部には、前記温度センサ9のセンサ信号の取り出しのために、回転コネクタ11が配置されている。温度センサ9と回転コネクタ11との接続構造は後述する。
In the
次に、図2および図3に基づいて研磨パッド1の構造を説明する。図2は研磨パッド1の要部の裏面図、図3は、同要部を下側から見た斜視図である。
Next, the structure of the
図2および図3に示すように、研磨パッド1の裏面には、中心部から外周縁にかけて径方向に延びる溝状の収容部12が形成されており、中心部には、温度センサ9のリード線9aを研磨面側に引き出すための透孔13が形成されている。温度センサ9とそのリード線(信号線)9aは、収容部12の内部に収容されて、図示省略した接着剤もしくは充填樹脂により収容部12内に固定されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, a groove-
単一の収容部12に収容固定される温度センサ9は、一つでも複数でもよいが、図示の実施形態では、単一の収容部12内に3個の温度センサ9,9,9が互いに径方向に間隔をおいて配列されている。
One or a plurality of
これら温度センサ9の径方向位置は、研磨パッド1に対するウェハWの圧接位置に応じて設定されており、研磨パッド1の中心から該中心寄りの温度センサ9までの径方向距離D1は、ウェハWの最内側の圧接位置に対応している。研磨パッド1の径方向中間位置に設けられる温度センサ9までの径方向距離D2は、ウェハWの中心部の圧接位置に対応している。研磨パッド1の外径側に設けられる温度センサ9までの径方向距離D3は、ウェハWの最外側の圧接位置に対応している。これら温度センサ9のリード線9aは、収容部12から中心側の凹部13に導出されている。
The radial positions of these
上記実施形態の図では、研磨パッド1の研磨側である表面側は平坦面としているが、スラリーを保持するための溝、もしくは凹部が形成されていてもよい。
In the figure of the said embodiment, although the surface side which is the grinding | polishing side of the
研磨パッド1は、特に図示しないが、この実施の形態では、層構造を有し、概略、表面側の研磨層と、その裏面側に貼り付けられる下地層とからなる。
Although not particularly illustrated, the
表面側の研磨層は、ポリウレタン等の発泡性樹脂を発泡硬化して得られた樹脂層である。この樹脂層を構成するウレタン重合体としては、ポリエーテル系ウレタン樹脂、ポリエステル系ウレタン樹脂、ポリエステルエーテル系ウレタン樹脂、ポリカーボネート系ウレタン樹脂のいずれも使用することができる。各ウレタン樹脂の製造に使用されるポリオール成分としては、例えば、ポリオキシエチレングリコール、ポリオキシプロピレングリコール、ポリオキシテトラメチレングリコール、ポリエチレンアジペート、ポリプロピレンアジペート、ポリオキシテトラメチレンアジペート等が挙げられる。また、イソシアネート成分としては、例えば、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、2,4−トリレンジイソシアネート等が挙げられる。 The polishing layer on the front side is a resin layer obtained by foaming and curing a foamable resin such as polyurethane. As the urethane polymer constituting the resin layer, any of a polyether urethane resin, a polyester urethane resin, a polyester ether urethane resin, and a polycarbonate urethane resin can be used. Examples of the polyol component used in the production of each urethane resin include polyoxyethylene glycol, polyoxypropylene glycol, polyoxytetramethylene glycol, polyethylene adipate, polypropylene adipate, polyoxytetramethylene adipate, and the like. Examples of the isocyanate component include 4,4'-diphenylmethane diisocyanate and 2,4-tolylene diisocyanate.
研磨パッドの下地層は、ウレタンを含浸させた不織布タイプの軟質層、もしくはフォームタイプの軟質層である。この軟質層としては、例えば、ウレタン重合体とジメチルホルムアミドとを含有する組成物を用い、湿式凝固法により発泡体としたものを用いることができる。もしくは、ウレタン重合体と、塩化ビニル重合体、塩化ビニル−酢酸共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル−ビニルアルコール三元共重合体等のビニル重合体と、ジメチルホルムアミドとを含有する組成物を用い、湿式凝固法により発泡体としたものを用いることができる。この発泡体の外面、特に研磨層側の表面に形成されるスキン層はバフ加工して、表面に発泡構造が現れるようにするのがよい。 The undercoat layer of the polishing pad is a non-woven fabric type soft layer impregnated with urethane or a foam type soft layer. As this soft layer, for example, a composition containing a urethane polymer and dimethylformamide and made into a foam by a wet coagulation method can be used. Alternatively, a composition containing a urethane polymer, a vinyl polymer such as a vinyl chloride polymer, a vinyl chloride-acetic acid copolymer, a vinyl chloride-vinyl acetate-vinyl alcohol terpolymer, and dimethylformamide is used. A foamed product obtained by a wet coagulation method can be used. The skin layer formed on the outer surface of the foam, particularly the surface on the polishing layer side, is preferably buffed so that a foamed structure appears on the surface.
次に、図4に基づいて回転コネクタ11の構造を説明する。図4は、回転コネクタ11装着部分の縦断側面図である。
Next, the structure of the
研磨パッド1の研磨面側には、前記したように、中央に透孔13が形成されており、この透孔13内に、温度センサ9のリード線9a、もしくはこれらリード線9aに接続された接続ケーブル14が引き込まれている。
As described above, the through
回転コネクタ11は、研磨パッド1の研磨面側に透孔13と同心位置に取付けられている。この回転コネクタ11は、スリップリングを利用したもので、下側に開いた配線空間10を有する装着筒22と、この装着筒22の外周に固着される絶縁体からなる回転筒16と、この回転筒16の外周側で装着筒22に軸受17を介して取り付けられる固定ケース18とからなる。装着筒22は、研磨パッド1の研磨面に接着剤等により固定される。装着筒22内の配線空間10は、周方向の一部に開口15を有する。回転筒16には、導電性に優れた金属からなる複数(図示例では3つ)のリング19が一体に設けられており、これらリング19の周方向一部分は、配線空間10の開口15に臨むよう内周側に露出している。そして、これらリング19の内周側への露出部に接続ケーブル14(もしくは温度センサ9のリード線9a)が接続されている。固定ケース18には、リング19に対応して複数の端子20が設けられ、各端子20には、リング19に摺接するブラシ21が接続されている。これにより、各温度センサ9のリード線9aは、常時、回転コネクタ11の対応する端子20に接続されており、温度センサ9のセンサ信号は、回転コネクタ11の端子20から取り出せるように構成されてい。
The
上記構成において、研磨に当たっては、温度センサ9および回転コネクタ11が取付けられた研磨パッド1が、下定盤2の上面に接着により装着される。
In the above configuration, when polishing, the
上定盤3の下面にはウェハWが保持され、このウェハWが下定盤2側の研磨パッド1に押し付けられる。この状態で、下定盤2と上定盤3とがそれぞれ回転駆動されるとともに、研磨パッド1上にノズル6からスラリーが供給され、研磨が行われる。
A wafer W is held on the lower surface of the
上記の研磨動作中、温度センサ9のセンサ信号は、回転コネクタ11を介して、外部の接続機器であるモニター装置、もしくは研磨装置の制御部等に入力する。この場合、温度センサ9は、研磨パッド1の収容部12内で表面部の温度を検出しており、図1のように、温度センサ9が設けられている部分の上にウェハWが位置している場合は、ウェハWと接触している状態の研磨パッド1の表面部の温度が測定される。また、温度センサ9は、表面(研磨面)に近接して配置されており、ウェハWとの間に研磨パッド1表面のごく薄い部分を介在させているにすぎないから、ウェハWの実際の温度に近似した温度が測定されることになる。
During the above polishing operation, the sensor signal of the
さらに、実施形態のように、複数の温度センサ9が互いに異なる位置に設けられている場合は、各温度センサ9のセンサ信号を、温度センサ9の位置と関連付けて処理することで、研磨パッド1の表面部の温度分布が得られる。
Further, when the plurality of
本発明の研磨パッド1を用いて、実際に研磨を行いながら、各温度センサ9により温度測定をすることで、図5に示すような結果を得た。図5は、研磨時の温度変化図である。
The results shown in FIG. 5 were obtained by measuring the temperature with each
なお、研磨装置の下定盤2の直径は200mmであり、したがって、研磨パッド1も直径200mmである。研磨パッド1には、上記したように中心から径方向距離D1の位置と、径方向距離D2の位置と、径方向距離D3の位置とに、それぞれ温度センサ9として熱電対が設けられている。研磨は約2分間継続した。
The diameter of the
図5に示す測定結果では、各温度センサ9の検出温度は、研磨が進む毎に同様の上昇傾向を示すが、D2の温度センサ9の検出温度が最も高く、D1の温度センサ9の検出温度が最も低い。これは、D1の温度センサ9は研磨パッド1の中心寄りで、ウェハWとの相対的な摺接速度が低いために、温度が上昇せず、D2の温度センサ9では、他の位置より周方向に広い範囲でウェハWと接触するために、温度が上昇するため、と考えられる。
In the measurement result shown in FIG. 5, the detected temperature of each
図5に示す測定結果からは、各温度センサ9は、それぞれが設けられている部分の温度を局部的に精確に検出していることが分かる。したがって、各温度センサ9の検出温度のデータを、各温度センサ9の位置と関連付けて処理することで、研磨パッド1表面部の温度分布が得られる。
From the measurement results shown in FIG. 5, it can be seen that each
図6は、研磨の終点を示すための温度変化図である。この実験では、図5の場合よりも長い時間にわたって研磨を行った。測定結果では、研磨を始めて30秒から50秒までの間に、温度上昇が緩やかになる状態が現れるが、ほぼ90秒の時点T0で、温度変化に変曲点が現れ、そこから温度の上昇勾配が急になる。これは、研磨の当初、ウェハW表面の酸化膜(SiO2)を研磨するため温度はさほど上がらないが、90秒を過ぎると、酸化膜が研磨により消失してシリコンの素地が露出し、研磨する表面状態が変わり、摩擦抵抗が増すことで、温度が急に上昇するためと考えられる。 FIG. 6 is a temperature change diagram for showing the end point of polishing. In this experiment, polishing was performed for a longer time than in the case of FIG. In the measurement results, a state where the temperature rises gradually appears from 30 seconds to 50 seconds after the polishing is started, but an inflection point appears in the temperature change at the time T 0 of about 90 seconds, from which the temperature changes. The ascending slope becomes steep. This is because the oxide film (SiO 2 ) on the surface of the wafer W is polished at the beginning of polishing, but the temperature does not rise so much, but after 90 seconds, the oxide film disappears by polishing and the silicon substrate is exposed, and polishing is performed. This is probably because the surface state changes and the frictional resistance increases, causing the temperature to rise suddenly.
このように、検出温度が緩やかな上昇勾配から急な上昇勾配に移る時点で、酸化膜が消失したと判断することができ、検出温度の変化から、研磨の終点を検出することができる。 In this way, it can be determined that the oxide film has disappeared when the detected temperature shifts from a gentle rising gradient to a steep rising gradient, and the polishing end point can be detected from the change in the detected temperature.
従来、このような研磨の終点を検出するには、研磨パッドに予め窓孔を形成しておいて、この窓孔を通じてウェハの表面状態を、反射を利用して検査したり、あるいは、下定盤を駆動するモータのトルク変化を検査していた。本発明では、研磨パッド1の表面部の精確な温度測定により、温度勾配の変曲点が明確に現れるので、これにより、研磨の終点を検出することができる。
Conventionally, in order to detect such an end point of polishing, a window hole is formed in the polishing pad in advance, and the surface state of the wafer is inspected using the reflection through the window hole, or a lower surface plate is used. The torque change of the motor that drives was inspected. In the present invention, since the inflection point of the temperature gradient appears clearly by accurate temperature measurement of the surface portion of the
図7は、荷重対応の研磨時の温度変化図である。この温度測定では、研磨パッド1に対してウェハにかける荷重(圧力)を種々に変化させて研磨を行い、その場合の所定位置の温度センサ9(ウェハWの中心部と接触する位置に設けられたD2の温度センサ)の検出温度を測定した。この実験結果からは、荷重を高めるほど、高い温度となることが分かるが、また、温度変化の態様と荷重との関係から、どの程度の荷重をかければ、研磨が円滑に進行するか否かが分かる。
FIG. 7 is a temperature change diagram during polishing corresponding to a load. In this temperature measurement, polishing is performed by variously changing the load (pressure) applied to the wafer with respect to the
上記実施形態では、単一の溝状の収容部12内に複数の温度センサ9を収容固定したが、研磨パッド1の裏面側に、中心から互いに異なる方向に延びる溝状の収容部を複数形成し、各収容部に一つもしくは複数の温度センサを収容固定するようにしてもよい。このようにして、研磨パッドの裏面の各所に多数の温度センサを設けると、より詳細な温度分布が得られる。
In the above embodiment, a plurality of
上述の実施の形態では、研磨パッド1の研磨面側に回転コネクタ11を配置して温度センサ9のセンサ信号を取り出したけれども、本発明の他の実施の形態として、図8および図9に示すように、研磨パッド1の裏面側の下定盤2の軸部2aに回転コネクタ11を設けて温度センサ9のセンサ信号を取り出すようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the
すなわち、下定盤2には、上面の中央部から軸部2aの内部にかけて配線空間10が形成されており、この空間10内に、温度センサ9のリード線9a、もしくはこれらリード線9aに接続された接続ケーブル14が引き込まれている。配線空間10には、周方向一部に開口15が設けられ、この開口15を通じて、配線空間10は軸部2aの外側と連通している。回転コネクタ11は、配線空間10の開口15と径方向に対応する位置に取り付けられており、その他の構成は、上述の実施の形態と同様であるので、対応する部分に同一の参照符号を付してその説明を省略する。
That is, a
(その他の実施の形態)
温度センサ9のセンサ信号を取り出す手段としては、図示の回転コネクタ11のほかに、センサ信号を無線で送出する発信機や、センサ信号を一旦記憶するメモリ装置を用いてもよく、これら発信機やメモリ装置を小型化して温度センサと共に、研磨パッドに設けるようにしてもよい。
(Other embodiments)
As means for taking out the sensor signal of the
上述の実施の形態では、研磨パッド1の裏面に、溝状の収容部を形成して温度センサ9を収容したけれども、他の実施の形態として、孔状の収容部を形成して研磨パッドの内部に温度センサを設けてもよい。
In the above-described embodiment, the groove-shaped housing portion is formed on the back surface of the
温度センサ9からのセンサ信号の内、該温度センサ9が、ウェハWが圧接される領域に位置したときのセンサ信号のみを取り出すようにしてもよい。
Of the sensor signals from the
本発明は、化学的機械研磨に用いる研磨パッドとして有用である。 The present invention is useful as a polishing pad used for chemical mechanical polishing.
1 研磨パッド 2 下定盤
3 上定盤 9 温度センサ
9a リード線 11 回転コネクタ
12 収容部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
研磨面に近接するように、温度センサの収容部が形成され、該収容部に、温度センサが配置されることを特徴とする研磨パッド。 In a polishing pad for polishing an object to be polished,
A polishing pad, wherein a temperature sensor housing portion is formed so as to be close to a polishing surface, and the temperature sensor is disposed in the housing portion.
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