JP4482061B2 - 半導体素子の耐圧測定装置および耐圧測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の耐圧を測定する耐圧測定装置および耐圧測定方法に関し、特に、高耐圧を有する炭化珪素半導体素子などのパワーデバイスの耐圧を、パッケージに実装する前のウェハ状態で測定することのできる耐圧測定装置および耐圧測定方法に関する。

半導体素子は、通常、ウェハ上に複数形成され、個別の素子に分離された後、樹脂製のパッケージなどに封入される。各半導体素子は、測定装置を用いて所定性能を備えているかどうかが評価され、評価基準を満たしている半導体素子のみが製品として販売される。

このような評価をパッケージ後に行う場合、個別になっている半導体素子を測定装置のテストヘッドにひとつひとつ挿入する作業が必要であり、素子のハンドリングに労力と時間を要する。この作業を効率的に行うには、ハンドラーと呼ばれる大型の搬送機構が必要となる。

これに対し、素子を分離する前のウェハ状態で半導体素子を評価すれば、効率的に多数の素子を評価することができるため、好都合である。ウェハ上では素子が近接して規則正しく周期的に並んでいるので、個々の素子に検査用のプローブを接触させて特性の測定を行い、測定後、プローブを隣接する素子に相対的に移動させるだけで、効率的に多数の素子を評価することができるからである。

図８は、ウェハ状態の半導体素子の特性を測定する従来の一般的な測定装置２００を模式的に示している。測定装置２００は、ステージ２０１と、プローブ２０２および２０３と、電圧印加部２０４と、電流計測部２０５とを備えている。図９は測定装置２００を用いた半導体素子の特性、特に、耐圧の測定手順を示すフローチャートである。

まず、複数のウェハ１が入ったカセットから１つのウェハ１をステージ２０１にロードする（Ｓ２１０）。次に、ウェハのアライメントを行う（Ｓ２１１）。例えば、図示しないＣＣＤカメラ等により、ウェハ１上において離間させて設けられた複数のアライメントマーク（これは通常前もって設定されたウェハ上の特定パターンである。）を検出し、ステージ２０１の移動方向（例えばＸ、Ｙ方向）とウェハ１における複数の半導体素子の配列方向とが一致するようにステージ２０１を回転させる（θ方向）。

次に、あらかじめ設定されたウェハマップに従い、プローブ２０２および２０３が最初の測定対象の半導体素子上に位置するようにステージを移動させる（Ｓ２１２）。続いて、例えば、ステージ２０１を上昇させ、プローブ２０２および２０３との先端と半導体素子の電極パッドとを接触させる（Ｓ２１３）。

その後、電圧印加部２０４によってプローブ２０２および２０３またはステージ２０１に電圧を印加する。電圧を増加させながら電流計測部２０５で流れる電流を計測し、所望の電流値となったときの電圧を耐圧として記録する（Ｓ２１４）。

耐圧測定の終了後、ステージ２０１を降下させ（Ｓ２１５）、ウェハ１上の次の素子の測定を行う（Ｓ２１６、Ｓ２１２〜Ｓ２１５）。

最後の素子を測定後（Ｓ２１６）、ウェハ１をアンロードして（Ｓ２１７）、次のウェハ１をカセットからロードする（Ｓ２１０）。これらの動作を繰り返し（Ｓ２１２〜Ｓ２１６）、カセット内のすべてのウェハ１の半導体素子の耐圧を測定する。

近年、地球温暖化が問題となり、二酸化炭素低減のために省エネルギー技術が必要とされている。このため、例えば、ハイブリッド車や電気自動車などに用いられるモータをインバータ制御するための、動作電圧および動作電流の高いＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ダイオード、バイポーラトランジスタ、ＪＦＥＴ、ＳＩＴなどのパワーデバイスの開発が盛んになっている。

これらのパワーデバイスにとって耐圧は重要な性能のひとつであり、必ず評価すべき項目である。ところが、パワーデバイスには数百Ｖ以上の耐圧を有するものも多いため、耐圧を測定するために高電圧をプローブ間やプローブ・筐体間に印加すると、これらの間で大気放電がおこり、測定装置の電源が破壊されるなどの問題があった。また、耐圧の測定が、沿面距離や空間距離、湿度などによって左右され正確に耐圧を測定することが困難であるという問題があった。このため、半導体素子の耐圧をウェハ上で検査できず、耐圧特性が不十分なものであっても、素子分離を行ってパッケージに収めてからでなければ評価できず、検査効率を低下させる原因にもなっていた。

特許文献１は、このような課題を解決するために図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す耐圧検査装置を開示している。図１０（ａ）に示す検査装置は、ステージ３０２、プローブ３１１Ｐおよび３１２Ｐを備え、ステージ３０２上にウェハ３０１が支持される。ウェハ３０１の全体は絶縁溶液３５１で覆われている。ステージ３０２とプローブ３１１Ｐおよび３１２Ｐとは、ウェハ３５１上の半導体素子のコレクタ３１３Ｃとゲート３１１Ｇおよびエミッタ３１２Ｅとにそれぞれ電気的に接続される。このため、これらの間で電圧を印加することによって耐圧を測定することができると開示している。また、図１０（ｂ）に示す検査装置は、絶縁液３２２を満たした槽３２１を備え、ステージ３０２上に支持されたウェハ３０１全体が、絶縁溶液３２２中に浸漬された状態で耐圧が測定される。

特許文献１によれば、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す耐圧検査装置を用いることによって、耐圧検査装置自体の測定耐圧が従来２０００Ｖ程度であったものを１０ｋＶ程度に向上させることができると記載されている。

特開２００３−１００８１９号公報

近年、開発が進められている炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）などのワイドバンドギャップ半導体材料は、シリコンに比べて１桁以上大きい絶縁破壊電界を有する。このため、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いたパワーデバイスは、シリコンを用いたパワーデバイスに比べて半導体材料自体の絶縁破壊電界が高いことを考慮して素子の耐圧構造が設計される。

本願発明者は、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いたパワーデバイスの１つである、炭化珪素を用いたＭＯＳＦＥＴの耐圧測定をウェハ上で行うことを検討し、種々の実験を行った。その結果、炭化珪素を用いたＭＯＳＦＥＴでは、設計耐圧よりも低い電圧でＭＯＳＦＥＴが破壊することが分かった。これは、大気放電が関連していると考えられる。

大気放電を防止し、正しく耐圧を測定するためには、特許文献１に開示される装置を用いて耐圧を測定することが考えられる。しかしながら、特許文献１の図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す装置では、ウェハ表面全面が絶縁液で覆われているため、ウェハ３０１に設けられたアライメントマークの正しい検出が困難となる可能性がある。このため、ウェハ３０１のアライメントが正しく行えない場合にはそのウェハ３０１を検査することができなくなる。

また、特許文献１は、このような絶縁液としてフッ素系不活性液を例示している。しかし、フッ素系不活性液の中には、例えばハイドロフルオロエーテルのように比較的短時間（数秒）で気化してしまうものもある。このため、図１０（ａ）に示すようにウェハ３０１全体を絶縁溶液３５１で覆う場合、ウェハ３０１上の素子を測定中に絶縁溶液３５１が徐々に蒸発し、測定の途中で絶縁溶液３５１が完全になくなることも考えられる。

また、ウェハ３０１のすべての素子の耐圧を測定するためには、ステージ３０２を移動させる必要がある。通常、このような測定装置は、多くの素子の測定を短時間で行うために高速でステージが移動可能である。このため、ステージの移動が高速で行われると、図１０（ａ）に示す装置では、絶縁溶液３５１がステージ３０２の移動によってこぼれてしまう可能性がある。また、絶縁溶液３５１がこぼれないようにステージ３０２の移動速度を低下させた場合には、ウェハ３０１全体の素子の測定を完了するのに要する時間が長くなり、上述したように絶縁溶液３５１が蒸発してしまう。

また、図１０（ｂ）に示す装置の場合、ステージ３０２全体を絶縁溶液３２２に浸漬する必要があるため、測定装置が大掛りになり、装置も高価になる。

本発明はこのような従来技術の課題の少なくとも１つを解決し、高耐圧の半導体素子の耐圧測定を行うことのできる耐圧測定装置および耐圧測定方法を提供することを目的とする。

本発明の耐圧測定方法は、ウェハ表面に形成された複数の半導体素子の耐圧を測定する耐圧測定方法であって、ステージに前記ウェハを固定する工程（Ａ）と、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記複数の半導体素子から選ばれる１つの半導体素子に設けられた、耐圧を測定する大気に露出した１つ以上の電極を絶縁液で覆い、かつ、プローブと接触させる工程（Ｂ）と、前記絶縁液で覆われ、かつ、前記プローブと接触した前記１つ以上の電極および前記ステージ表面から選ばれる２つの間の耐圧を測定する工程（Ｃ）とを包含する。

ある好ましい実施形態において、前記工程（Ｂ）は、前記１つの半導体素子と前記１つの半導体素子を囲む大気に露出したスクライブラインとを前記絶縁液で覆う。

ある好ましい実施形態において、前記絶縁液は、大気よりも高い絶縁性を有する。

ある好ましい実施形態において、前記複数の半導体素子から異なる１つの半導体素子を繰り返し選択し、選択した半導体素子に対して、前記工程（Ｂ）および（Ｃ）を行う。

ある好ましい実施形態において、耐圧測定方法は、前記工程（Ａ）と（Ｂ）との間に、前記ウェハ表面に設けられた２つ以上のアライメントマークを用いて、前記ウェハに設けられた前記複数の半導体素子の配列方向と前記ステージの移動可能な方向が一致するように前記ステージを回転させる工程をさらに包含する。

ある好ましい実施形態において、前記工程（Ｂ）は、前記１つの半導体素子の前記耐圧を測定する大気に露出した１つ以上の電極にプローブを接触させる工程（Ｂ１）と、前記工程（Ｂ１）の後、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記１つの半導体素子に設けられた、前記大気に露出し、プローブと接触した１つ以上の電極を絶縁液で覆う工程（Ｂ２）とを含む。

ある好ましい実施形態において、前記工程（Ｂ）は、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記１つの半導体素子に設けられた前記耐圧を測定する大気に露出した１つ以上の電極を絶縁液で覆う工程（Ｂ３）と、前記工程（Ｂ３）の後、前記１つの半導体素子の前記絶縁液で覆われた１つ以上の電極にプローブを接触させる工程（Ｂ４）とを含む。

ある好ましい実施形態において、前記工程（Ｂ３）は、前記ウェハが前記プローブに近接するように前記ステージを移動させる工程と、前記絶縁液をウェハ上に吐出する工程とを含む。

ある好ましい実施形態において、前記半導体素子は炭化珪素半導体パワー素子である。

本発明の耐圧測定装置は、ウェハ表面に形成された複数の半導体素子の耐圧を測定する耐圧測定装置であって、制御部と、少なくとも１つのプローブと、前記ウェハを固定するステージを含み、前記制御部からの指令に基づき、前記ステージに固定したウェハの前記複数の半導体素子のうち、選択した１つの半導体素子に設けられた耐圧を測定する１つ以上の電極と、前記少なくとも１つのプローブとが接触可能なように前記ステージを移動させるウェハ位置制御部と、前記制御部からの指令に基づき、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記選択した１つの半導体素子の大気に露出した前記１つ以上の電極を絶縁液で覆うように絶縁液を吐出する絶縁液吐出部と、前記制御部からの指令に基づき、前記少なくとも１つのプローブおよび前記ステージ表面から選ばれる２つの間の耐圧を測定する電圧印加部とを備える。

ある好ましい実施形態において、前記絶縁液吐出部は、少なくとも１つのプローブに近接した吐出口を有するノズルを含む。

ある好ましい実施形態において、前記絶縁液吐出部は、前記選択した１つの半導体素子と前記１つの半導体素子を囲む大気に露出したスクライブラインとを覆うように前記絶縁液を吐出する。

ある好ましい実施形態において、前記絶縁液は、大気よりも高い絶縁性を有する。

本発明によれば、ウェハに形成された複数の半導体素子の耐圧を測定する場合、ウェハの全体ではなく、測定対象となる半導体素子の耐圧を測定する電極を絶縁液で覆うため、装置が大掛りになることなく、大気放電を防止することができ、半導体素子の正しい耐圧を測定することが可能となる。

また、ウェハ表面全体を絶縁液で覆う必要がないため、アライメントマークが絶縁液によって見えにくくなることがない。また、測定すべき半導体素子のみに対し、測定の直前に絶縁液を吐出することができるため、１つのウェハの測定に長い時間がかかる場合でも、絶縁液を蒸散させずに大気放電を防止することができる。

また、ステージの移動に伴う振動によって絶縁液が流れ落ちてしまうことも防げる。

特にワイドバンドギャップ半導体からなるパワーデバイスの耐圧測定において効果的である。

本発明による耐圧測定装置の第１の実施形態を示す図であって、主要部の構成を示す概念的な図である。 本発明による耐圧測定装置の第１の実施形態を示すブロック図である。 図１に示す耐圧測定装置において、耐圧を測定する際のＭＯＳＦＥＴの状態を示す平面図である。 図３におけるＢ−Ｂ’断面図である。 本発明による耐圧測定方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。 第１の実施の形態の耐圧測定方法によって測定された炭化珪素パワーＭＯＳＦＥＴの耐圧測定時におけるＩＶ特性図である。 第２の実施形態において、耐圧を測定する際のＭＯＳＦＥＴの状態を示す平面図である。 従来の耐圧測定装置の構成を示す模式図である。 従来の耐圧測定方法を示すフローチャートである。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ従来の耐圧測定装置の他の構成を示す模式図である。 従来の耐圧測定方法における測定状態の半導体素子を示す平面図である。 従来の半導体素子の構造を示す断面図である。 従来の半導体素子の耐圧測定時におけるＩＶ特性図である。

本願発明者は、炭化珪素を用いたＭＯＳＦＥＴにおいて、設計耐圧よりも低い電圧でＭＯＳＦＥＴが破壊する原因について詳細に検討した。

図１１は、本願発明者が試作した炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ２のウェハ状態の平面図である。複数のＭＯＳＦＥＴ２がウェハ上に配置されている。各ＭＯＳＦＥＴ２は、ソース電極パッド９とゲート電極パッド１０とを備えており、ウェハの裏面が複数のＭＯＳＦＥＴ２に共通に接続されたドレイン電極（図示せず）になっている。各ＭＯＳＦＥＴ２は隣接するＭＯＳＦＥＴ２とスクライブライン１１によって分離されている。ここで、スクライブラインとは、素子を切り離す（ダイシング）ために、半導体表面の層間絶縁膜や保護膜を除去している領域のことであり、したがって、スクライブラインでは半導体表面が大気に露出している。

ＭＯＳＦＥＴ２は複数の微小なユニットセルを集積しており、各ユニットセルがそれぞれＭＯＳＦＥＴを構成している。ＭＯＥＦＥＴ２において、各ユニットセルのゲート、ソースおよびドレインは、ゲート電極パッド１０、ソース電極パッド９、ウェハ裏面のドレイン電極に接続されており、ユニットセルによって構成されるＭＯＳＦＥＴが並列に接続されたパワートランジスタを構成している。また、ウェハの裏面に設けられたドレイン電極とウェハの表面に設けられたソース電極パッド９との間で電流が流れる縦型構造を備えている。

ウェハ状態のＭＯＳＦＥＴ２のオフ状態における耐圧を、図８に示す従来の耐圧測定装置２００を用いて測定した。耐圧を測定する場合、ステージ２０１にＭＯＳＦＥＴ２が形成されたウェハ１を真空吸着等で固定し、ゲート電極パッド１０およびソース電極パッド９にプローブ２０２および２０３を接触させる。ＭＯＳＦＥＴ２はエンハンスメント型であり、ゲートとソースを接地電位にすることによって、ＭＯＳＦＥＴ２はオフ状態となる。したがって、プローブ２０２および２０３を接地電位に設定する。図示しないウェハ裏面のドレイン電極はウェハ１を固定するステージ２０１を介して、測定装置２００の電圧印加部２０４および電流測定部２０５に電気的に接続される。

電流測定部２０５でドレイン電流を測定しながら、電圧印加部２０４でドレイン電圧を少しずつ増加させ、ドレイン電流が所定の閾値電流を越えたときのドレイン電圧を耐圧と規定する。あるいは電流測定部２０５、電圧印加部２０４に代えて定電流源、電圧測定部を接続し、所定のドレイン電流を流したときのドレイン電圧を耐圧と定義してもよい。

図１３はＭＯＳＦＥＴ２のオフ時（ゲート電圧Ｖｇ＝０）のドレイン電流とドレイン電圧のＩＶ特性を示した図である。設計耐圧は１４００Ｖである。

図１３から分かるように、ドレイン電圧が１１００Ｖになるまでは、ドレイン電流はほとんど流れていない。しかし、ドレイン電圧が約１１００Ｖに達すると電流が急激に流れ１μＡに達した。このときＩＶ測定器の電力リミッタが働き、印加電圧は６００Ｖまで低下した。電流の急増は大気放電により、半導体素子が破壊されたためである。もう一度このＭＯＳＦＥＴ２のＩＶ特性の測定を行ったところ、２度目のＩＶ測定では数Ｖでも大きなリーク電流が流れてしまった(図示せず)。これは、大気放電による破壊によって、炭化珪素に大電流が流れ、これに伴う温度上昇により、半導体素子にリークパスが形成されたからだと思われる。

破壊に至ったＭＯＳＦＥＴ２を光学顕微鏡で観察したところ、素子の周辺部での破壊が認められた。具体的には図１１に示すソース電極パッド９の保護膜開口端１３ａと、周辺のシールリングが変色し、ＡＬ配線が溶融した痕跡が見られた。

検討の結果、本願発明者は大気放電の原因を以下のように推論した。図１２は図１１に示すＭＯＳＦＦＥＴ２のＡ−Ａ’断面を矢印方向に見た図である。低抵抗のｎ型半導体基板１４上に高抵抗のｎ型半導体ドリフト層１５が形成されており、ドリフト層１５の内部には選択的にｐ型半導体領域１６が形成されている。ユニットセル内のｐ型半導体領域１６の表面にはソース電極１８が形成されており、各ユニットセルのソース電極１８は、厚膜のソース電極パッド９によって互いに接続されている。ソース電極パッド９は上述したようにプローブ２０３と接触しており、すべてのソース電極１８は接地電位に固定される。

ｎ型半導体基板１４はドレインとして機能し、この裏面に形成されたドレイン電極（裏面電極）２０を介してドレイン電位に固定される。通常ドレイン電位は正電圧であるので、ｐ型半導体領域１６とｎ型半導体ドリフト層１５との界面であるｐｎ接合には逆バイアス電圧が印加される。このため、ドリフト層１５には空乏層１７が広がる。

ドリフト層１５のうち空乏層１７内部には電界が存在し、電位分布を生じるが、空乏層１７以外の領域では電界が生じず、電位は同一である。すなわち、ドリフト層１５の空乏層１７以外の領域はドレイン電位となっている。

ドリフト層１５の表面にはゲート絶縁膜２１を介してゲート電極１９が形成されている。さらに、ゲート電極１９を覆うように層間絶縁膜１２が設けられている。層間絶縁膜１２上にはソース電極パッド９が位置しており、層間絶縁膜１２に設けられた開口を介して、ソース電極パッド９がソース電極１８と接続される。

ソース電極パッド９上には主にシリコン窒化膜やポリイミドからなる保護膜１３が形成されている。保護膜１３にはソース電極パッド９を露出させるために、開口端１３ａによって規定される開口が設けられている。

スクライブライン１１は、ウェハ上に設けられた複数のＭＯＳＦＥＴ２を切断するための領域である。スクライブライン１１上には、ゲート絶縁膜２１、層間絶縁膜１２および保護膜１３が設けられておらず、半導体ドリフト層１５の表面が大気に露出している。上述したようにドリフト層１５は空乏層１７以外、同電位になっているため、耐圧測定中、スクライブライン１１の表面もドレイン電位となっている。ソース電極パッド９は接地電位であり、スクライブライン１１はドレイン電位となって大気に露出されている。これらの電位差によって生じる電界は半導体内部だけでなく、大気にも印加されることになる。

このため、耐圧測定中、ドリフト層１５およびｎ型半導体基板１４の絶縁破壊電界よりも保護膜１３の開口端１３ａからスクライブライン１１の端部までの距離Ｌにおける大気の絶縁破壊電界が小さければ、ドレイン電位の上昇によって、ソース電極パッド９の開口端１３ａからスクライブライン１１の端部まで大気を介して電流が流れる。この電流が流れると、開口端１３ａからスクライブライン１１の端部間の大気と接した保護膜１３表面の温度が急上昇する。これにより、ドリフト層１５表面近傍のこれらの間にある素子構造が熱によって破壊され、低抵抗な導電性パスが形成され、ＭＯＳＦＥＴ２として正しく機能しなくなる。

このように、ソース電極パッド９とドレイン電極パッド２０との間に高い電圧が印加された場合に大気を介した放電が生じるのは、ウェハ状態でＭＯＳＦＥＴ２の耐圧を測定するからである。通常、個々のＭＯＳＦＥＴ２はパッケージに収められ、ＭＯＳＦＥＴ２の表面はパッケージ樹脂が覆われるため、このように大気を介して電流が流れることはない。

表１は、シリコン、炭化珪素、大気およびパッケージ樹脂の絶縁破壊電界を示している。

表１に示すように、炭化珪素の絶縁破壊電界は、シリコンよりも１桁程度大きい。表１には示していないが、窒化ガリウムの絶縁破壊電界もシリコンよりも１桁程度大きいことが知られている。このように、ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンに比べ１０倍程度、絶縁破壊電界が大きいため、理論的には、素子のサイズを小さくしても素子の耐圧を確保することができる。

しかし、大気の絶縁破壊電界はシリコンに比べ１桁ほど小さい。したがって、シリコンから炭化珪素へ半導体材料を変更することによって、より小型で耐圧の高い半導体素子を実現することができるが、素子表面が大気に接している状況では、半導体素子の耐圧測定によって大気を介した放電が、ウェハ状態での半導体素子の耐圧測定における問題となる。

特にウェハ状態では、半導体基板の表面が露出したスクライブラインが存在する。このため、図１１および図１２に示すように、ワイドバンドギャップ半導体を用いて半導体素子を作製し、素子サイズを小さくするほど、スクライブライン１１の端部とソース電極パッド９の開口端部１３ａとの距離Ｌが短くなり、耐圧測定中の大気放電が生じやすくなる。

したがって、スクライブライン１１が大気放電に関係している場合には、耐圧測定中、スクライブライン１１を絶縁液で覆うことによって、スクライブライン１１が大気に対して露出しなくなり、上述した大気放電は防止できると考えられる。

図１１に示すＭＯＳＦＥＴ２では、耐圧測定中、ゲート電極パッド１０とソース電極パッド９とが同電位に設定される。このため、これらの電極パッド間では高電位差は生じず、大気放電も生じない。しかし、半導体素子によっては（例えば、横型のパワーＭＯＳＦＥＴ）、耐圧測定中、ウェハ表面に形成された２つの電極で耐圧を測定することも考えられる。この場合、２つの電極間で大気を介して電流が流れる可能性もある。この場合には、大気に対し露出した２つの電極のうち少なくとも一方の電極を絶縁液で覆っておけば、２つの電極の少なくとも一方が大気に対して露出しないため、大気放電は防止できる。

つまり、ウェハ状態で半導体素子の耐圧を測定する場合、少なくとも耐圧を測定する１つ以上の大気に対して露出した電極または大気に対して露出したスクライブライン１１を絶縁液で覆うことによって上述した大気放電の発生を抑制できる。特許文献１に開示されているように、ウェハの表面全体を絶縁液で覆う必要はない。また、このために絶縁液は、測定する素子に、測定直前に滴下すればよい。

これにより、ウェハのアライメントが困難となる問題や、ステージの移動によって絶縁液がこぼれたり、測定中に絶縁液が蒸発することによる問題も解決し得る。このような知見に基づき、本願発明者は以下において詳細に説明する耐圧測定装置および耐圧測定方法を発明した。

（第１の実施の形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による耐圧測定装置および耐圧測定方法の実施形態を説明する。

図１は、本発明の耐圧測定装置における第１の実施形態の主要部を模式的に示している。また図２は、第１の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の耐圧測定装置５０は、ウェハ位置制御部５１と、絶縁液吐出部５２と、電圧印加部５３と、電流測定部５４、制御部５５と、プローブ５８および５９とを備えている。制御部５５は、ウェハ位置制御部５１、絶縁液吐出部５２、電圧印加部５３および電流測定部５４を制御する。

本実施形態では、半導体素子として、ウェハ上１に作製された複数の縦型パワーＭＯＳＦＥＴ２の耐圧を測定する。通常、ウェハ状態の半導体装置を検査する装置は、プローバーと呼ばれ、検査を行う半導体素子に応じて、耐圧以外に、閾値電圧、オン抵抗や順方向および逆方向Ｉ−Ｖ特性など種々の素子特性が検査される。本発明の耐圧測定装置は、このようなプローバーに好適に組み込むことができる。

ウェハ位置制御部５１はステージ５７を含む。ウェハ位置制御部５１は、制御部５５からの指令に基づき、例えば吸着によってウェハ１をステージ５７に固定する。ステージ５７は、制御部５５からの指令、つまり制御信号により、例えば図１に示すように、Ｘ、Ｙ、Ｚの三軸方向に移動可能である。さらにステージ５７は、Ｘ−Ｙ平面内でθ方向に回転することが可能である。

プローブ５８および５９は、図示しない架台に固定されており、ステージ５７に固定されたウェハ１に形成された複数の半導体素子の耐圧を測定するために、半導体素子に設けられた電極と接触し、電極と電気的に接続することによって、電極に電圧を印加したり、電流を流す。本実施形態では、プローブ５８および５９は、ＭＯＳＦＥＴ２のゲート電極パッドおよびソース電極パッドに接触し、所定の電位に設定される。本実施形態では、ＭＯＥＦＥＴ２の耐圧測定の際、ゲートおよびソースを接地電位に設定する必要があるため、２つのプローブ５８および５９を備えている。しかし、プローブの数は、測定する半導体素子の端子の数、耐圧測定時に電位を設定すべき端子数などに応じて決定され、１つあるいは３つ以上であってもよい。例えば、検査を行う半導体素子が縦型ダイオードである場合、ウェハ１の裏面がアノードまたはカソードとなり、ウェハ１の表面にカソード電極パッドまたはアノード電極パッドが形成される。この場合、ウェハ１の表面に設けられたカソード電極パッドまたはアノード電極パッドと接触する１つのプローブを耐圧測定装置は備えていればよい。

図３は、ウェハ１上に複数形成されたＭＯＳＦＥＴ２の平面図である。図１１を参照して説明したように、各ＭＯＳＦＥＴ２は、ソース電極パッド９とゲート電極パッド１０とを備えており、ウェハの裏面が複数のＭＯＳＦＥＴ２に共通に接続されたドレイン電極（図示せず）になっている。各ＭＯＳＦＥＴ２は隣接するＭＯＳＦＥＴ２とスクライブライン１１によって分離されている。

ＭＯＳＦＥＴ２は複数のユニットセルを含み、各ユニットセルがそれぞれＭＯＳＦＥＴを構成している。ＭＯＥＦＥＴ２において、各ユニットセルのゲート、ソースおよびドレインは、ゲート電極パッド１０、ソース電極パッド９、ドレイン電極に接続されており、ユニットセルによって構成されるＭＯＳＦＥＴが並列に接続されパワートランジスタを構成している。また、ＭＯＳＦＥＴ２はウェハの裏面に設けられたドレイン電極とウェハの表面に設けられたソース電極パッド９との間で電流が流れる縦型構造を備えている。

プローブ５８および５９は、それぞれの先端がゲート電極パッド１０およびソース電極パッド９と接触するように配置される。ステージ５７の表面は、例えば、金などの導体で被覆されており、ウェハの裏面に設けられたドレイン電極と電気的に接続している。プローブ５８および５９およびステージ５７の表面は、電圧印加部５３および電流測定部５４を含む耐圧測定部に接続されている。制御部５５の指令に基づき、プローブ５８および５９は接地電位に固定され、ステージ５７の表面にドレイン電圧が印加される。

絶縁液吐出部５２は、ノズル５６を有するディスペンサを含む。ノズル５６は、図示しない架台に固定され、プローブ５８および５９に近接して配置されている。ディスペンサは、絶縁液を保持したタンクをさらに含み、制御部５５からの指令に基づき、所定量の絶縁液６０を吐出する。

図４は、図３に示すＭＯＳＥＦＥＴ２のＢ−Ｂ’断面を示している。図３および図４に示すように、概略的に説明すれば、吐出する絶縁液６０は、ウェハ１に形成された複数のＭＯＳＦＥＴ２のうち、これから測定するＭＯＳＦＥＴ２の測定において大気放電が生じないように、絶縁液６０でウェハ１の表面の一部のみであるＭＯＳＦＥＴ２を覆う。具体的には、少なくともこれから測定するＭＯＳＦＥＴ２に設けられた耐圧を測定する１つ以上の大気に露出した電極を絶縁液６０で覆う。本実施形態の場合、絶縁液６０でソース電極パッド９およびゲート電極パッド１０を覆う。より好ましくは、ソース電極パッド９およびゲート電極パッド１０ならびに測定位置にあり、これから測定するＭＯＳＦＥＴ２（破線２４で示している）を囲む大気に露出したスクライブライン１１を絶縁液６０で完全に覆うように絶縁液６０の量が調整される。例えば、スクライブライン１１の外周の大きさが、３ｍｍ×３ｍｍ程度である場合、絶縁液６０の量は１〜２ｍｌ程度である。より好ましくは、絶縁液６０の端はスクライブライン１１を越えて隣接する素子にまで達している。これにより、確実に測定対象であるＭＯＳＦＥＴ２およびこれを囲むスクライブライン１１が完全に絶縁液６０で覆われる。このような条件を満たしている限り、絶縁液６０は、測定位置にあるＭＯＳＦＥＴ２に隣接するＭＯＳＦＥＴ２も覆っていてもよい。

絶縁液６０は、少なくとも大気よりも高い絶縁性を有している。例えば、大気の絶縁破壊電界よりも大きな絶縁破壊電界を持つ絶縁液を用いる。具体的には、フッ素系不活性液体（ハイドロフルオロエーテル、パーフルオロポリエーテルなど）やシリコンオイルなどを用いることが好ましい。例えば住友スリーエム社製のフロリナート（登録商標）ＦＣ４０は０．１８ＭＶ／ｃｍの絶縁破壊電界を有している。この値は、大気の絶縁破壊電界の６倍である。

絶縁液の絶縁性を示す指標として絶縁耐力を用いてもよい。絶縁耐力は、２．５４ｍｍのギャップを設けた電極間に印加可能な電圧で定義される。上述のフロリナートＦＣ４０の０．１８ＭＶ／ｃｍという絶縁耐力は、４６ｋＶ／２．５４ｍｍである。またパーフルオロエーテルであるソルベイ ソレクシスカ社製 ガルデン（登録商標）も４０ｋＶ／２．５４ｍｍという大気の６倍程度の絶縁耐力を有している。

絶縁液６０は、耐圧測定の際、測定中のＭＯＳＦＥＴ２を覆っていればよい。絶縁液６０でＭＯＳＦＥＴ２を覆った後、プローブ５８および５９をゲート電極パッド１０およびソース電極パッド９に接触させてもよいし、プローブ５８および５９をゲート電極パッド１０およびソース電極パッド９に接触させた後、そのＭＯＳＦＥＴ２を絶縁液６０で覆ってもよい。ただし、絶縁液６０の粘性が高く、プローブ５８および５９をゲート電極パッド１０およびソース電極パッド９に先に接触させると、絶縁液６０の回り込みにくく、これらのパッドを完全に絶縁液６０で覆えなくなる可能性がある場合には、プローブ５８および５９の接触の前に絶縁液６０でＭＯＳＦＥＴ２を覆うことが好ましい。フッ素系不活性液体の粘性は一般に低いため、プローブ５８および５９の接触と絶縁液６０の吐出はいずれが先であってもよい。

絶縁液６０としてフッ素系不活性液体を用いる場合、粘度が低いため、圧力をかけて吐出量を調整するタイプのディスペンサを用いることは一般には難しい。この場合には、ディスペンサはエアーバルブを備え、バルブの開閉によって吐出を制御することが好ましい。エアーバルブはエアーの圧力により、ニードルバルブを開閉し、定量の液体を吐出する。エアーはディスペンサコントローラから供給される。ディスペンサコントローラは制御部５５からのトリガ信号によってあらかじめ設定された圧力と時間でエアーをニードルバルブに供給する。この圧力と時間を調整することによって吐出量を調整することが可能である。低粘度の液体を長距離飛ばすことは難しく、むしろ、測定すべきＭＯＳＥＦＴ２の直上から自然落下させることが好ましい。このため、ノズル５６は測定すべきＭＯＳＦＥＴ２の概ね真上に位置することが好ましい。より具体的には、ノズル５６から定量吐出された絶縁液６０が、測定すべきＭＯＳＦＥＴ２およびこれを囲むスクライブライン１１の全体を自然に覆うことができるように、ノズル５６は概ね測定すべきＭＯＳＦＥＴ２の中心上にあることが好ましい。

次に図１〜図４および図５を参照しながら本実施形態による耐圧測定方法を説明する。

まず、図１には図示しないウェハカセットからウェハ１を取り出し、ステージ５７にロードする（Ｓ１０１）。

次に、ウェハ１のアライメントを行う。図示しないＣＣＤカメラを用いてウェハ１上の２つ以上の離れたアライメントマークを読み込んで、Ｘ−Ｙ平面におけるロードされたウェハ１の方位を決定する。決定した方位から、ウェハ１に形成された複数のＭＯＳＦＥＴ２の配列の方向と、ステージ５７の移動方向とが一致するように、ステージ５７をθ方向に回転させる（Ｓ１０２）。

さらに、あらかじめ制御部５５に記憶させた各ＭＯＳＦＥＴ２のウェハ１上における座標および測定順に基づき、制御部５５からの制御信号によって、ウェハ位置制御部５１がステージ５７を移動させ、測定順で指定されたＭＯＳＦＥＴ２をプローブ５８および５９が接触できる測定位置に移動させる（Ｓ１０３）。

次に、制御部５５の指令に基づき、絶縁液吐出部５２がウェハ１の測定位置に位置しているＭＯＳＦＥＴ２に絶縁液６０を吐出する。上述したように、少なくとも、測定位置にあるＭＯＳＥＦＥＴ２における耐圧を測定する１つ以上の大気に露出した電極を絶縁液６０で覆う。好ましくは、絶縁液６０で測定位置にあるＭＯＳＦＥＴ２およびこれを囲む大気に露出したスクライブライン１１を完全に覆う（Ｓ１０４）。

次に、ステージ５７をＺ方向に上昇させることにより、プローブ５８および５９の先端を絶縁液６０で覆われたＭＯＳＦＥＴ２のゲート電極パッド１０およびソース電極パッド９にそれぞれ接触させる（Ｓ１０５）。ゲート電極パッド１０とソース電極パッド９はそれぞれプローブ５８および５９を介して接地電位に固定される。上述したように、絶縁液６０の吐出（Ｓ１０４）の前に、プローブ５８および５９をゲート電極パッド１０およびソース電極パッド９に接触させてもよい（Ｓ１０５）。

次に、耐圧測定を行う（Ｓ１０６）。制御部５５は耐圧測定部である電流測定部５４と電圧印加部５３に制御信号を送り、電流測定部５４によってステージ５７に流れる電流（これはＭＯＳＦＥＴ２のドレイン電流となる）を測定しながら、電圧印加部５３によってステージ５７のドレイン電位を徐々に増加させる。ドレイン電流が閾値（例えば１ｍＡ）を越えた時点でのドレイン電圧を耐圧とし、制御部５５がそのときの電圧印加部５３が印加した電圧を記憶する。例えばドレイン電圧の印加は５０Ｖ／ｓ程度のレートで上昇させればよい。

耐圧測定が終了したら、ウェハ位置制御部５１は、ステージ５７を下降させ、プローブ５８および５９をゲート電極パッド１０およびソース電極パッド９から離間させる（Ｓ１０７）。

直前に測定したＭＯＳＦＥＴ２がウェハ１における測定すべき最後ＭＯＳＦＥＴ２でなければ（Ｓ１０８）、次の測定順に指定されているＭＯＳＦＥＴ２が測定位置に来るように、制御部５５の指令に基づき、ウェハ位置制御部５１がステージ５７を移動させる（Ｓ１０３）。その後、絶縁液６０の吐出（Ｓ１０４）、プローブ５８および５９の接触（Ｓ１０５）、耐圧測定（Ｓ１０６）、プローブ５８および５９の離間（Ｓ１０７）を繰り返す。

測定したＭＯＳＦＥＴ２が測定順で指定される最後のＭＯＳＦＥＴ２である場合（Ｓ１０９）には、そのウェハ１における測定を終了し、ウェハをアンロードする。次の別のウェハ１をロードして、そのウェハ１に対して上述の手順（Ｓ１０１からＳ１０９）を繰り返す。カセットに収納された最後のウェハ１の測定が終了したら、全工程を終了する。なお、測定後、ウェハ１の表面に絶縁液６０が残っている場合には、例えば、窒素ガスを吹きつけて、絶縁液６０をウェハ１の表面から除去してもよい。

図６は、図１および図２に示す耐圧測定装置を用い、上述した本実施形態の耐圧測定方法により、炭化珪素パワーＭＯＳＦＥＴの耐圧を測定した結果を示している。図６には、１２個の炭化珪素パワーＭＯＳＦＥＴのＩＶ特性（ドレイン電流とドレイン電圧との関係）を示している。従来では、図１３に示すように、大気放電が生じ、放電によって破壊した素子の抵抗は急激に低下するため、電圧が急激に低くなるＩＶ特性を示す。また、再度測定すると同じＩＶ特性は再現せず、低い電圧で電流が流れてしまっていた。

本実施形態の耐圧測定方法によれば、電流が流れ始めても電圧が下がることはなく半導体内部のいわゆるアバランシェ電流が流れていることが分かる。また、再度測定しても同じＩＶ特性が再現性よく得られた。したがって、大気放電でなく本来の半導体素子の耐圧が測定できているといえる。なお、この測定ではドレイン電流の閾値を１μＡとした。

このように本発明によれば、少なくとも測定を行う半導体素子の耐圧を測定する電極を絶縁液で覆うので、耐圧測定中に大気放電が起こることなく、ウェハ状態で各半導体素子の耐圧を測定することが可能となる。またチップ状態に切離すことなく、ウェハ上に規則正しく並んだ状態で測定するので、効率的な測定が可能である。

また、本発明ではウェハ全体を絶縁液に浸漬しないため、ステージ全体を浸漬させる大型の槽を必要とせず、ディスペンサなどの小型の絶縁液吐出部を追加するだけでよい。

また、ウェハの表面全体を絶縁液で覆わず、素子を測定するたびに必要な領域のみを絶縁液で覆うため、ステージが移動することによって絶縁液がこぼれたりすることがない。また、耐圧測定の直前にウェハ上に絶縁液が供給されるので、耐圧測定時に絶縁液が蒸散していることがない。

また、ウェハのアライメントマークは絶縁液で覆われないため、耐圧測定装置におけるウェハの位置あわせを確実に行うことができる。

なお、本実施の形態では耐圧測定部は、電圧印加部５３によりドレイン電圧を印加しながら電流測定部５４によりドレイン電流を測定している。しかし、耐圧測定部は、電流印加部（例えば定電流源）および電圧測定部を備え、電流印加部により一定電流を印加して、このときのドレイン電圧を測定して耐圧としてもよい。耐圧測定部は、電流印加部と電圧印加部とを備えていてもよい。

また、本実施形態では、ウェハ位置制御部５１がステージ５７を移動させることにより、ウェハ１に形成された半導体素子の電極パッドをプローブ５８および５９に接触させ、また、絶縁液６０を吐出するノズル５６に近接させていた。しかし、プローブ５８および５９およびノズル５６を測定すべき半導体素子の位置に移動させ、プローブ５８および５９を半導体素子の電極パッドに接触させてもよい。

（第２の実施の形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による耐圧測定装置および耐圧測定方法の他の実施形態を説明する。

本実施形態は、耐圧を測定すべき半導体素子が横型パワーＭＯＳＦＥＴである点で第１の実施形態と異なっている。横型パワーＭＯＳＦＥＴでは、ウェハの表面にゲート電極パッド、ドレイン電極パッドおよびソース電極パッドが形成されている。このため、横型パワーＭＯＳＦＥＴの耐圧を測定する場合、耐圧測定装置は、３つのプローブを備えている。

図７は、耐圧測定装置のステージに固定されたウェハ１に形成された複数の横型パワーＭＯＳＦＥＴ２’の平面図である。各横型パワーＭＯＳＦＥＴ２’は、ゲート電極パッド４２、ソース電極パッド４４およびドレイン電極パッド４６を備えている。本実施形態の耐圧測定装置は、プローブ５８および５９、６２を備えており、プローブ５８および５９、６２が、ゲート電極パッド４２、ソース電極パッド４４、ドレイン電極パッド４６にそれぞれ接触する。絶縁液６０は、測定すべきＭＯＳＦＥＴ２’の耐圧を測定する１つ以上の大気に露出した電極を覆っている。

プローブ５８および５９を接地電位に固定し、プローブ５９に流れる電流（ソース電流）またはプローブ６２に流れる電流（ドレイン電流）を測定しながら、プローブ６２に電圧（ドレイン電圧）を印加していき、ドレイン電流またはソース電流がある所定の値に達したときのプローブ５９とプローブ６２間の電圧（ドレイン―ソース電圧）を耐圧とする。その他の耐圧測定装置の構成および耐圧の測定手順は第１の実施形態と同じである。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様、ウェハ状態で横型パワーＭＯＳＦＥＴの耐圧を正しく測定することが可能となる。このため、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上、第１の実施形態および第２の実施形態では、縦型パワーＭＯＳＦＥＴおよび横型パワーＭＯＳＦＥＴの耐圧測定を例に挙げて本発明を説明した。しかし、本発明はこれらの半導体素子に限らず、様々な半導体素子をウェハ状態で測定することが可能である。例えば、ウェハに複数形成されたショットキーダイオードの耐圧を測定する場合は、１つのプローブを用い、プローブとステージ間に例えば電圧を印加する。この場合にも、絶縁液吐出部によって測定を行うショットキーダイオードのみ、つまり、ウェハ表面の一部のみが絶縁液で覆われる。このため、耐圧測定時に絶縁液が蒸散したり、ステージの移動に伴う振動によって絶縁液がこぼれることなく、耐圧測定時の大気放電を防止することができる。したがって、ウェハ状態のショットキーダイオードの耐圧を正しく測定することができる。同様に、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＪＦＥＴ、ＳＩＴなどのパワーデバイスにも本発明を好適に用いることができる。

また、第１の実施形態および第２の実施形態では炭化珪素半導体素子を例に挙げて本発明を説明した。上述したように、ＧａＮなど他のワイドバンドギャップ半導体からなるパワー半導体素子においてもチップサイズの縮小に伴って、同様の問題が生じるため、本発明はＧａＮなど他のワイドバンドギャップ半導体からなるパワー半導体素子にも好適に用いることができる。

本発明によれば、大気放電を起こすことなくウェハ状態にある種々のパワーデバイスの耐圧測定を効率よく行うことができる。このため、本発明は、高耐圧を有するパワーデバイスの検査工程に好適に用いられる。

１ ウェハ
２ 半導体素子
９ ソース電極パッド
１０ ゲート電極パッド
１１ スクライブライン
１２ 層間絶縁膜
１３ 保護膜
１３ａ 開口端部
１４ 基板
１５ ｎ型半導体ドリフト層
１６ ｐ型半導体領域
１７ 空乏層
１８ ソース電極
１９ ゲート電極
２１ ゲート絶縁膜
５０ 耐圧測定装置
５１ ウェハ位置制御部
５２ 絶縁液吐出部
５３ 電圧印加部
５４ 電流測定部
５５ 制御部
５６ ノズル
５７ ステージ
５８、５９ プローブ
６０ 絶縁液

Claims (13)

1. ウェハ表面に形成された複数の半導体素子の耐圧を測定する耐圧測定方法であって、
   ステージに前記ウェハを固定する工程（Ａ）と、
   前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記複数の半導体素子から選ばれる１つの半導体素子に設けられた、耐圧を測定する大気に露出した１つ以上の電極を絶縁液で覆い、かつ、プローブと接触させる工程（Ｂ）と、
   前記絶縁液で覆われ、かつ、前記プローブと接触した前記１つ以上の電極および前記ステージ表面から選ばれる２つの間の耐圧を測定する工程（Ｃ）と、
   を包含する耐圧測定方法。
2. 前記工程（Ｂ）において、前記１つの半導体素子と前記１つの半導体素子を囲む大気に露出したスクライブラインとを前記絶縁液で覆う請求項１に記載の耐圧測定方法。
3. 前記絶縁液は、大気よりも高い絶縁性を有する請求項１または２に記載の耐圧測定方法。
4. 前記複数の半導体素子から異なる１つの半導体素子を繰り返し選択し、選択した半導体素子に対して、前記工程（Ｂ）および（Ｃ）を行う請求項１から３のいずれかに記載の耐圧測定方法。
5. 前記工程（Ａ）と（Ｂ）との間に、前記ウェハ表面に設けられた２つ以上のアライメントマークを用いて、前記ウェハに設けられた前記複数の半導体素子の配列方向と前記ステージの移動可能な方向が一致するように前記ステージを回転させる工程をさらに包含する請求項１から４のいずれかに記載の耐圧測定方法。
6. 前記工程（Ｂ）は、
   前記１つの半導体素子の前記耐圧を測定する大気に露出した１つ以上の電極にプローブを接触させる工程（Ｂ１）と、
   前記工程（Ｂ１）の後、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記１つの半導体素子に設けられた、前記大気に露出し、プローブと接触した１つ以上の電極を絶縁液で覆う工程（Ｂ２）と、
   を含む請求項５に記載の耐圧測定方法。
7. 前記工程（Ｂ）は、
   前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記１つの半導体素子に設けられた前記耐圧を測定する大気に露出した１つ以上の電極を絶縁液で覆う工程（Ｂ３）と、
   前記工程（Ｂ３）の後、前記１つの半導体素子の前記絶縁液で覆われた１つ以上の電極にプローブを接触させる工程（Ｂ４）と、
   を含む請求項５に記載の耐圧測定方法。
8. 前記工程（Ｂ３）は、
   前記ウェハが前記プローブに近接するように前記ステージを移動させる工程と、
   前記絶縁液をウェハ上に吐出する工程と、
   を含む請求項７に記載の耐圧測定方法。
9. 前記半導体素子は炭化珪素半導体パワー素子である請求項１から８のいずれかに記載の耐圧測定方法。
10. ウェハ表面に形成された複数の半導体素子の耐圧を測定する耐圧測定装置であって、
    制御部と、
    少なくとも１つのプローブと、
    前記ウェハを固定するステージを含み、前記制御部からの指令に基づき、前記ステージに固定したウェハの前記複数の半導体素子のうち、選択した１つの半導体素子に設けられた耐圧を測定する１つ以上の電極と、前記少なくとも１つのプローブとが接触可能なように前記ステージを移動させるウェハ位置制御部と、
    前記制御部からの指令に基づき、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記選択した１つの半導体素子の大気に露出した前記１つ以上の電極を絶縁液で覆うように絶縁液を吐出する絶縁液吐出部と、
    前記制御部からの指令に基づき、前記少なくとも１つのプローブおよび前記ステージ表面から選ばれる２つの間の耐圧を測定する電圧印加部と、
    を備える耐圧測定装置。
11. 前記絶縁液吐出部は、少なくとも１つのプローブに近接した吐出口を有するノズルを含む請求項１０に記載の耐圧測定装置。
12. 前記絶縁液吐出部は、前記選択した１つの半導体素子と前記１つの半導体素子を囲む大気に露出したスクライブラインとを覆うように前記絶縁液を吐出する請求項１１に記載の耐圧測定装置。
13. 前記絶縁液は、大気よりも高い絶縁性を有する請求項１０から１２のいずれかに記載の耐圧測定装置。

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