JP2011040674A - ウエハ研磨装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ウエハ2のベベルの下半分を研磨するには、回転砥石41を41aに示す位置まで移動させて、ウエハ2の端面に回転する砥石研磨面43を接触させる。
そしてステージ31側を回転させることによって、回転砥石41はウエハ2の端面全周と接触してベベルを研磨する。
ステージ31が一回転する間に、回転砥石41をウエハ2の下面に向かって、ベベルに沿って一定の速度で移動させ、これを連続して回転砥石41が図2、41bの位置に来るまで続ける。研磨中はウエハ上方に備えたノズルからクーラント液を研磨位置直前の砥石に向かって噴射する。
ベベル上半分を研磨するときはウエハの下方に設置したノズルからクーラントを噴射しながら同様に研磨する。
【選択図】図1
Description
近年の半導体デバイスは微細化、高集積化が急速に進んだ結果、微細、微量のパーティクルが引き起こすデバイス不良が大きな問題となっており、この問題の一つにウエハの外周部に起因するパーティクルの発生があげられる。
半導体デバイスの製造では多くの材料が複雑に積層されており、製膜、除去が繰り返される。ウエハ表面は鏡面に仕上げられているため、製膜、除去工程後の積層膜表面やウエハ表面の異常は少ない。しかし、ベベルは曲面や面取り領域が存在するうえに、ウエハ製造直後においては鏡面には仕上げられておらず凹凸が存在しており、製膜工程では結晶の異常成長が発生する。
除去工程では膜残りが発生し、積層膜表面やウエハ表面に荒れが発生する。さらに、この荒れが次の異常を引き起こすことにより、工程を重ねるごとにベベルの状況はより悪化していく。
ベベルはウエハの保持やカセットへの収納時などに接触が多い部位でもあるため、接触時の衝撃で異常成長部や膜残りが剥離してウエハ表面に付着する。また、剥離した異常成長部や膜残りがカセットやウエハ保持冶具に付着することで、他ウエハに異物付着が起こるクロスコンタミネーションの原因にもなっている。
通常、ベベル研磨は、ウエハの中心軸を回転軸として回転させるウエハ回転手段のステージの上にウエハを載置し、円盤状の回転砥石や、砥粒を表面に付着させた研磨テープを、回転するウエハのベベルに押し当てることによって行っている。
この時、研磨部位には摩擦熱が発生し、ウエハや砥石にひずみ等の悪影響を与えるため、一般的には冷却の為にクーラント液を供給する。
しかし、ベベル研磨により発生した研磨粉がウエハ表面に付着し新たな汚染源となることが問題となるため、ベベル研磨後の洗浄工程で研磨粉を除去する必要がある。これは研磨工程全体でのタクトタイム、コストの増加に繋がっている。そこで、ベベル研磨時に研磨粉がウエハに付着することを防ぐ手法として、特許文献1に開示されたものが提案されている。
その流体噴射手法としては、噴射流路形成板をウエハの表面に対し所定の隙間を有して対向する位置に設置し、この隙間を流体の噴射流路とするため噴射流路形成板の中心に設けた開口部に流体供給パイプを接続し、これを通して流体を噴射流路に供給する手法を採用している。
ここで、噴射流路形成板の中心より供給する流体が液体(以下クーラント液)である場合、研磨箇所で研磨粉を巻き込んだ液体(以下汚染水)が回転砥石に付着する。この汚染水は回転砥石と共に回転し、再度ウエハと接する箇所でウエハによって削ぎ取られる。この削ぎ取られた汚染水は回転砥石により十分に加速されており、クーラント液を押しのけて、ウエハ表面上をウエハ中心方向に向かって逆流する。
しかし、ウエハのサイズが大きくなるにつれて噴射流路の外周は長くなり、外周での噴射流路の断面積は増加する。さらに、ウエハと噴射流路形成板にクーラント液が触れる面積が増加することで圧力損失が増える。その結果、ウエハ外周の噴射流路の単位断面積あたりに到達するクーラント液は流量、流速共に減少する。
また、ステージに吸着されているウエハ下面に対しては、汚染水の付着に対する対策が何らされていないため大量の研磨粉が付着する。
このように、従来技術ではウエハ裏面、ウエハベベル周辺に研磨粉が付着することを防止することは難しく、洗浄工程の削減を達成することはできず、仮に液体、圧力を増加させることにより付着防止が達成された場合でも設備投資、ランニングコストの増加が発生するためコスト低減ができないという問題があった。
ウエハの外周エッジ部を、回転軸と90度の角度をなす回転軸を有する回転砥石で研磨する研磨手段と、
回転砥石がウエハを研磨する直前部にクーラント液を噴射するクーラント液噴射手段とを備えたことを特徴とするものである。
ウエハの外周エッジ部を、回転軸と90度の角度をなす回転軸を有する回転砥石で研磨する研磨手段と、
回転砥石がウエハを研磨する直前部にクーラント液を噴射するクーラント液噴射手段とを備えたことを特徴とするものなので、ウエハ研磨後に回転砥石に付着した研磨粉や異物を確実に飛散させることができ、ウエハ表面に異物が付着することを防止できる。
図1は、本発明のウエハ研磨装置1の実施の形態1における一部カット図を含む側面図である。
図2は、半導体ウエハ2(以下ウエハ2という)のベベルの下半分を研磨中のウエハ研磨装置1の要部拡大断面図である。
ウエハ研磨装置1は、円形のウエハ2の中心軸と同心の回転軸Cを有するウエハ回転手段3と、ウエハ2の外周エッジ部を研磨する研磨手段4と、研磨中の砥石にクーラント液を噴射するクーラント液噴射手段5とで構成されている。
研磨手段4の回転砥石41は、厚さ数mmの円盤に近い円柱形をしており、回転砥石41の回転軸42がウエハ2の回転軸と90度の角度をなす状態で、回転砥石41の砥石研磨面43がウエハ2と接触するように配置されている。
また、回転砥石41はサーボモータやボールねじを用いた砥石移動ユニット44X、44Y、44Zに保持されることで、XYZ軸方向への移動が可能となっている。また回転砥石41は回転軸42を中心としてモータで回転する。
このモータは、モータコントローラを備えており、モータの回転速度、回転方向を可変にする事ができる。回転砥石41の厚さに制約はないが、ウエハ2の外周が曲面であるため、実質的にウエハ2と接するのは回転砥石の狭小な範囲であるため、数mm程度の厚さにしておけばよい。
図3は、図2のウエハ2の左端部と回転砥石41との接触部の拡大図である。
原点Pは、ウエハ2を軸方向に垂直に2等分した面と、ベベルとウエハ2の上面との境界上の最も回転砥石41に近い1点から前記の面に降ろした垂線とが交わる点である。
そして、回転砥石41の中心と研磨点Kとを結ぶ線分の延長線と、原点Pとウエハ2の中心を結ぶ直線が成す角度をθとする。
砥石移動ユニット44X、44Y、44Zにより回転砥石41を図1における上下方向、左右及び前後方向に移動させることができ、回転砥石41を原点Pの真上の位置から原点Pの真下の位置まで移動することができる。つまり原点Pから見ると、回転砥石41の中心は、θ=π/2から3π/2までの範囲を移動できることになる。
そしてステージ31側を回転させることによって、回転砥石41はウエハ2の端面全周と接触してベベルを研磨する。
ステージ31が一回転する間に、回転砥石41をウエハ2の下面に向かって、ベベルに沿って一定の速度で移動させ、これを連続して回転砥石41が図2、41bの位置に来るまで続ける。
これをウエハ2側から見ると、回転砥石41がウエハ2の中心軸を回転軸として螺旋を描くように移動し、ウエハ2のベベルの下半分を研磨するように見える。
同様にして回転砥石41をウエハ2の上面側に移動させることでウエハ2のベベルの上半分を研磨する。
また、ベベルの下半分を研磨する際には、回転砥石41はウエハ2との接触箇所でウエハ2の上面から下面に向けて時計回りに回転するようにし、ベベルの上半分を研磨する際には回転砥石41はウエハ2との接触箇所でウエハの下面から上面に向けて反時計回りに回転するようにする。この研磨手法は一例であり、回転砥石41を用いてベベルが正確に研磨できるのであれば、どのような研磨手法を用いても構わない。
ベベルの下半分を研磨する場合、回転砥石41は時計回りに回転している。
この時、図3に示す位置でウエハ2のベベルを回転砥石41が研磨すると、研磨粉は回転砥石41の砥石研磨面43に付着して一緒に回転する。そして再度ベベル研磨位置に近づく。
研磨粉が再度研磨部に接触する直前に、上部のノズル51から噴射するクーラント液で洗浄して汚染水と一緒にこれを飛散させ、ウエハ2の表面への汚染水の流入を阻止し、汚染水に含まれる研磨粉等の異物がウエハ2上面へ付着することを防止する。
回転砥石41を直撃した研磨粉を含む汚染水は回転砥石41のウエハ2の研磨点における接線に対して±10度の範囲に飛散するのが理想である。
ここで、クーラント液が回転砥石41の砥石研磨面43を直撃する位置は、実際に回転砥石41がウエハ2を研磨する位置と若干異なるが、ウエハ2は極薄いものなので、接線の角度の誤差は僅かなものである。
しかし、クーラント液は回転砥石41に向かう流速が速いほど効率よく汚染水を飛散させることができるため、ノズル51は回転砥石41の正面に近い位置に配置するとよく、ウエハ2と、ノズル51から供給されるクーラント液の軌跡がなす角度はできるだけ小さい方が良い。
ここで、砥石研磨面43の幅よりも、著しくノズル51の径を小さくした場合、砥石研磨面43の幅方向でクーラント液が当たらない場所が出てくる。この場合、飛散させることができない汚染水が発生する可能性がある。
したがって、ノズル51の径は、研磨位置でクーラント液が砥石研磨面43の幅方向の全体に当たるようにする必要がある。
クーラント液がウエハ2上面側から見て45度の角度で当たるようにノズル51を設置した場合、ノズル51の径は3.5mm程度にすればよいが、流速の都合上、ノズル51の径を小さくする必要がある場合は、研磨位置に直接クーラント液を供給するのではなく、研磨位置の少し手前でウエハ2の表面に衝突させて砥石研磨面43の幅方向に広がるようにしてやればよい。また、径の大きいノズルを使用することはクーラントの無駄であり、汚染水を飛散する能力には影響しない。
図4は、ウエハ2のベベルの上半分を研磨中のウエハ研磨装置1の要部拡大断面図である。
ベベルの上半分を研磨する場合、すなわち回転砥石41の中心がθ=π/2からπまでにある場合は、回転砥石41の回転方向は反時計回り、クーラント液を噴射するノズルは下側のノズル52となる。
また、クーラント液を噴射する方向、その飛散方向等は、重力の影響を除いて図2と上下対称となる。その他の設定等は上半分を研磨する場合と同様である。
先述したように、ベベルの下半分を研磨する際に上部のノズル51からクーラント液を供給することは必須である。
この時、下部のノズル52からクーラント液を供給することが必要であるかは発生する異物数によって判断する。
研磨によって発生する異物が、ウエハ2の上面の内側に付着するのは主に砥石からの汚染水の逆流による。ノズル51からクーラント液を供給することでウエハ2の上面の大部分の異物付着は防止できる。しかし、ベベルを研磨する際に巻き上げられた研磨粉が、クーラント液と混ざってウエハ2の下面に回り込む場合がある。
この汚染が問題となる場合は、下部のノズル52から研磨位置にクーラント液を供給することでこれを防止できる。
ベベルの上半分を研磨する際には、ウエハ2の上面に研磨粉が回り込む場合があるため、上部のノズル51からクーラント液を同様に供給すればよい。
このように、本発明のウエハ研磨装置は、回転砥石にクーラント液を噴射して研磨粉等の異物を飛散させることができるので、研磨粉等の異物がウエハ表面に付着することを防止できる。
また、本発明のウエハ研磨装置1は、ウエハの上方と下方にノズルを備えているので、ウエハの上半分を研磨するときは下側から、下半分を研磨するときは上側からクーラント水を供給することで、効果的に回転砥石41の研磨面に付着した異物を飛散させることができる。
本発明のウエハ研磨装置の実施の形態2について、実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。
図6は、実施の形態2に係るウエハ研磨装置(全体は図示せず)の要部平面図である。
本実施の形態では、図6に示すようにウエハ2上部に一対のノズル51a、51bを備えている。図示しないが下部のノズルも一対のノズル52a、52bとなる。
この場合、図6に示すように、回転砥石41を対称軸として対称に各ノズルを配置する。
ノズル51aとノズル51bからそれぞれ放出されるクーラント液同士が、ウエハ2の研磨箇所の直前、すなわち回転砥石41の砥石研磨面43の直前で衝突するようにノズル51aとノズル51bを設定する。下部のノズル52a、52bについても同様である。
その他の研磨工程等については実施の形態1と同様である。
また、クーラント液の一部はウエハ2の内側に向かい飛散するが、このクーラント液には研磨粉は含まれていないため、ウエハ2の内側に侵入しても特に問題はない。
本発明のウエハ研磨装置の実施の形態3について、実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。
図7は、本発明のウエハ研磨装置201の実施の形態3における一部カット図を含む側面図である。
図8は、本発明のウエハ研磨装置201要部拡大平面図である。
実施の形態1と同様に、回転砥石41はサーボモータやボールねじを用いた砥石移動ユニット44X、44Y、44Zに保持されることで、XYZ軸方向への移動が可能となっている。
図8のウエハ研磨装置201の伸縮アームの先端にはサーボモータを備えたノズル回転ユニット56aを設けており、ノズル51を2軸で回転させることも可能である。
このウエハ研磨装置201では、説明のためにノズル移動ユニットとノズル回転ユニットの双方を備えた構成としたが、実際にはどちらか一方のユニットを備えていれば良い。
ノズル51へのクーラント液の供給はノズル51の移動を妨げないように、テフロン(登録商標)製や電解研磨したSUS316製のクリーンかつフレキシブルな配管を使用する。
言うまでもないが、ノズル51は回転砥石41との干渉を避ける位置に配置する。
下部のノズル52についても上部のノズル51と同様の構成で保持されている。
本実施の形態のウエハ研磨装置201は、ウエハのオリエンテーションフラット(以下オリフラという)やノッチの研磨に対応している。
ウエハ202の外周にはウエハ202の位置決めに用いるオリフラが存在する。この時、一定の曲率を持つ外周部分と、オリフラ部分は分けて研磨する必要がある。
図8に示すように、ウエハ202のオリフラ部分の研磨時は、回転砥石41をウエハ202のエッジに接触させ、オリフラに沿って水平に回転砥石41を往復させる。この往復移動の間に、回転砥石41を少しずつベベルに沿ってウエハ202の下面側に移動させることで、オリフラの下半分の研磨を行う。
次に回転砥石41を少しずつベベルに沿ってウエハ202の上面側に移動させることで、オリフラの上半分の研磨を行う。
そこで、ノズル51,52から供給するクーラント液を実施の形態1で説明した所定の方向へ噴射し、回転砥石41から飛散させるために、回転砥石41の往復運動に同期して各ノズルを回転砥石41に追従させる必要がある。
なお、上部と下部ともに設置するノズルは1つに限らず、複数のノズルを設置しても良い。
本発明のウエハ研磨装置の実施の形態4について、実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。
図9は、ウエハ2の上方に中央ノズル57を備えたウエハ研磨装置の要部断面図である。
この中央ノズル57は、実施の形態1乃至実施の形態3で説明した各ウエハ研磨装置に適用できる。
中央ノズル57は、ウエハ302がステージ31と接触していない側、つまりウエハ302の表面側に設置する。この中央ノズル57はテフロン(登録商標)やSUS製の配管を介してクーラント供給装置(図示せず)に接続されている。
クーラント液はウエハ302の中心側からウエハ302の外周側へ向かうように供給されるが、中央ノズル57の位置は必ずしもウエハ302の中心と一致するように設置する必要は無い。
ノズル51から供給されるクーラント液は、回転砥石41と衝突した後に、実施の形態1で説明した方向に研磨粉を含んだ汚染水となって飛散するのであるが、ウエハ研磨装置内の空間が狭い場合、このクーラント液と汚染水の混合物が装置の天井に付着し、それがウエハ302上に落下したり、壁面で跳ね返ってウエハ302上に落下したりする場合がある。
汚染水のウエハ302上への落下は、装置内の研磨作業空間を広く取ることで解消されるが、各ユニットの配置の関係から十分なスペースを確保できない場合がある。
このような場合、中央ノズル57を設置してウエハ302の表面、中心側から外周側へとクーラント液を流すことで、ウエハ302の表面に落下した汚染水に含まれる異物がウエハ302に到達する前に、クーラント液と共に外部へ排出できる。
なお、この実施の形態では、ベベルの上半分を研磨する場合に補助的に上部のノズル51を使用する必要はなくなる。
本発明のウエハ研磨装置の実施の形態5について、図を用いて説明する。
図10は、この発明のウエハ研磨装置401の一部カット図を含む側面図である。
図11は、中央ノズル457に、カバー58を装着したウエハ研磨装置401の要部断面図である。
まず、図11に示すカバー58について説明する。
図11は、ウエハ402の、ステージ31と接触していない表面側に、ウエハ402の表面と対向するよう、カバー58を設置する例を示している。カバー58には中央ノズル457を接続しており、中央ノズル457はテフロン(登録商標)やSUS製の配管を介してクーラント供給装置(図示せず)に接続されている。クーラント液はウエハ402の中心側からウエハ402の外周側へ向かうように供給するが、中央ノズル457の位置は必ずしもウエハ402の中心と一致するように設置する必要は無く、クーラント液がウエハ402の中心側から外周側に向かって、ウエハ402とカバー58で形成された隙間を流れればよい。
小径のウエハ402を削る際に、中央ノズル457にクーラント液を供給する配管やカバー58の保持、退避ユニット、或いはその他の部材とノズル51が干渉する場合がある。このような場合には、ノズル51を回転砥石41の正面ではなく、中央ノズル457と干渉しない位置に設置する。
また、実施の形態2で示したように、ノズル51を複数設置しても良い。
また、ウエハ402とカバー58の隙間を小さくすることで、この隙間からの汚染水の侵入も防止できる。
万一汚染水が侵入した場合でも、隙間を流れるクーラント液により外周側へ押し戻されウエハ402の表面への研磨粉の付着を防止することができる。
これによりウエハ402のサイズが大きくなった場合でも、ノズル51やノズル52によって研磨箇所に供給されるクーラント液の流量、流速は変更無く維持することができる。
また、カバー58の中心から供給されるクーラント液は、ウエハ402の表面中心側から外周側に向けて放射状に広がって流れるだけで良く、使用するクーラント液の量を先行技術よりも低く抑えることが可能である。
この場合、外周の一部からのみクーラント液が放出されてしまう場合がある。
従って、カバー58とウエハ402の間の間隔はクーラント供給装置の能力とバランスを取りながら決定する。
特にSiウエハで採用されている直径300mmのウエハなどは特に流路が長くなるため注意を要する。
本発明のウエハ研磨装置の実施の形態6について、実施の形態5と異なる部分を中心に説明する。
図12は中央ノズル457に装着したカバー59断面図である。
図13は、図12に示したカバー59及びその上方にあるノズル51近傍の要部平面図である。
図12に示すカバー59は、実施の形態5のカバー58のバリエーションの一例であり、カバー59の直径はウエハ402の直径より大きい。またカバー59の上面には傾斜をつけて最適化してある。
実施の形態5のカバー58のように、カバーの直径がウエハ402の直径より小さい場合にカバーの上面に汚染水が付着すると、カバー58を退避する時の振動で汚染水がウエハ402の表面に落下する恐れがある。
そこで、本実施の形態ではカバー59の直径をウエハ402の直径より大きくして汚染水が直接ウエハ402の表面に落下しないようにした。
なお、この場合、回転砥石41とカバー59が干渉するため、カバー59には図13に示すように、回転砥石41が移動するための切り欠き部8を設ける必要がある。
この時、切り欠き部8ではウエハ402の表面が露出しているが、回転砥石41との関係を考慮すると、カバー59のサイズ拡大前から露出している個所にあたるため問題はない。
切り欠き部8への汚染水の流れ込みを防止するため、カバー59の上面は、切り欠き部8側からカバー59のその他の外周側へ向けて傾斜する構造にするのが最適である。
3 ウエハ回転手段、31 ステージ、32 サーボモータ、4 研磨手段、
41 回転砥石、42 回転軸、43 砥石研磨面、
44X,44Y,44Z 砥石移動ユニット、5 クーラント液噴射手段、
51,52,51a,51b,52a,52b ノズル、
55aX,55aY,55aZ,55bX,55bY,55bZ ノズル移動ユニット、56a,56b ノズル回転ユニット、57,457 中央ノズル、
58,59 カバー、8 切り欠き部、9 カバー退避ユニット、P 原点、
K 研磨点、C 回転軸。
Claims (14)
- 円形のウエハの中心軸を回転軸としてこのウエハを回転させるウエハ回転手段と、
前記ウエハの外周エッジ部を、前記回転軸と90度の角度をなす回転軸を有する回転砥石で研磨する研磨手段と、
前記回転砥石が前記ウエハを研磨する直前部にクーラント液を噴射するクーラント液噴射手段とを備えたことを特徴とするウエハ研磨装置。 - 前記ウエハをその回転軸の垂直方向に2等分した面と、前記ウエハのベベルと前記ウエハの上面との境界上の最も前記回転砥石に近い1点から前記面に降ろした垂線とが交わる点を原点とし、この原点と前記ウエハの中心とを結ぶ直線をX軸とし、このX軸の原点から前記ウエハ中心側を正とし、前記面に垂直かつ前記原点を通る直線をY軸とし、X軸及びY軸に直交する直線をZ軸とするとき、x>0を満たす空間からクーラント液を噴射することを特徴とする請求項1に記載のウエハ研磨装置。
- 前記回転砥石の回転軸の中点と、前記回転砥石が前記ウエハに接触する部分の中心とを結ぶ線分を線分Aとし、線分Aと正のX軸が成す角度θがπ/2からπの間となる位置に前記回転砥石がある時は、XYZ座標系におけるy<0を満たす空間からクーラント液を噴射することを特徴とする請求項2に記載のウエハ研磨装置。
- 前記線分Aと正の前記X軸が成す角度θがπから2/3πの間となる位置に前記回転砥石がある時は、y>0を満たす空間からクーラント液を噴射することを特徴とする請求項2に記載のウエハ研磨装置。
- 線分AとX軸が成す角度θがπ/2からπの間となる位置に前記回転砥石がある時は、y<0を満たす位置からクーラント液を噴射し、角度θがπから2/3πの間となる位置に前記回転砥石がある時は、y>0を満たす空間からクーラント液を噴射することを特徴とする請求項2に記載のウエハ研磨装置。
- 前記回転砥石に衝突したクーラント液が、前記回転砥石が前記ウエハに接する部分における、前記回転砥石の周方向接線に対して±10度の範囲内の空間に飛散することを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のウエハ研磨装置。
- 前記クーラント液噴射手段は、前記ウエハの両面側にそれぞれ複数の噴射ノズルを備えることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のウエハ研磨装置。
- 前記クーラント液噴射手段及び前記研磨手段は同期して前記回転砥石軸方向に平行移動することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のウエハ研磨装置。
- 前記クーラント液噴射手段は前記研磨手段の移動に追従してクーラント液を噴射する方向を変えることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のウエハ研磨装置。
- 前記ウエハ中心部からウエハ外周方向へクーラント液を供給する中央ノズルを備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載のウエハ研磨装置。
- 前記ウエハと対向する位置にカバーを設け、
このカバーと前記ウエハとの間に前記中央ノズルから供給されるクーラント液が導通する間隙を形成することを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載のウエハ研磨装置。 - 前記カバーは一部に切欠部を有することを特徴とする請求項11に記載のウエハ研磨装置。
- 前記カバーの上面は前記切欠部からカバーの外周に向けて次第に低くなるよう傾斜していることを特徴とする請求項11又は請求項12に記載のウエハ研磨装置。
- 前記カバーの直径は前記ウエハの直径より大であることを特徴とする請求項11乃至請求項12のいずれか1項に記載のウエハ研磨装置。
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