JP5924090B2 - Single crystal pulling method - Google Patents
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本発明は、チョクラルスキー法(以下、CZ法と記す)による単結晶の引き上げ方法に関し、特に、引き上げ中の融液の液面位置を測定する方法に関する。 The present invention relates to a method for pulling a single crystal by the Czochralski method (hereinafter referred to as CZ method), and more particularly, to a method for measuring a liquid surface position of a melt being pulled.
半導体の材料となる単結晶を成長させる方法の一つとしてCZ法がある。CZ法では、ワイヤに吊設された種結晶を、ルツボ内に収容された融液に接触させながらゆっくりと引き上げ、融液を凝固させることによって円柱状の単結晶を成長させる。 One method for growing a single crystal as a semiconductor material is a CZ method. In the CZ method, a seed crystal suspended from a wire is slowly pulled up while being brought into contact with a melt contained in a crucible, and the melt is solidified to grow a columnar single crystal.
ルツボ内の融液は引き上げが進むにつれて徐々に減少するが、ヒータによる融液の加熱量を一定にするためには、融液の液面位置がヒータや熱遮蔽構造に対して所定の位置となるようにルツボを上昇させる必要がある。ヒータ等に対する融液の液面位置が所定の位置でない場合には、成長した単結晶の温度履歴が変化し、結晶欠陥等が発生して良質の単結晶を製造できなくなるからである。 The melt in the crucible gradually decreases as the pulling proceeds, but in order to keep the amount of melt heated by the heater constant, the position of the melt surface is at a predetermined position with respect to the heater and the heat shield structure. It is necessary to raise the crucible to become. This is because when the melt surface position with respect to the heater or the like is not a predetermined position, the temperature history of the grown single crystal changes, and crystal defects or the like are generated, making it impossible to manufacture a high-quality single crystal.
このため、単結晶の引き上げ中に融液の液面位置を光学的に測定し、この液面位置からルツボの上昇量を算出する方法が提案されている。この方法は、融液の液面位置を直接的に求めるので、測定誤差が少なく、単結晶の品質を向上させることが可能である。 For this reason, a method has been proposed in which the liquid surface position of the melt is optically measured during the pulling of the single crystal, and the rising amount of the crucible is calculated from the liquid surface position. In this method, the liquid surface position of the melt is obtained directly, so that there is little measurement error and the quality of the single crystal can be improved.
例えば、特許文献1では、単結晶と融液との固液界面に発生するフュージョンリングの位置から単結晶の中心位置を算出し、この中心位置から液面位置を測定する方法が提案されている。この方法では、画像検出手段を用いて検出したフュージョンリングの画像に、ネッキング工程における種結晶の着液位置よりも垂直方向手前に、第1および第2の所定距離だけ離間している第1および第2の測定ラインを設定し、それぞれの測定ラインとフュージョンリングとの両側の交点間の2つの間隔、並びに、第1および第2の所定距離から、前記画像における垂直方向に沿う単結晶の中心位置を算出し、この中心位置に基づいて融液の液面位置を測定する。この方法は、液面の傾きの影響を受けないので、融液の液面位置の測定方法として有効である。特に、単結晶の引き上げ工程においてフュージョンリングが一部しか観察できない場合においても、単結晶の中心位置を少ない演算量で算出でき、その結果、従来法と比較して高精度に融液の液面位置を測定することができる。
For example,
しかしながら、上述した従来の液面位置測定方法では、第1および第2の測定ラインとフュージョンリングとの両側の交点を検出するときに用いるフュージョンリングの輝度の参照値によっては、液面位置を正確に測定できない場合がある。すなわち、フュージョンリングは様々な放射光によりメニスカスが光輝いて見えるものであるが、フュージョンリングの輝度分布の変化は、結晶育成中においては、輝度分布の波形全体が上下にシフトする相対的な変化のみであると考えられており、輝度分布の波形自体が変形することは想定していなかった。しかし、実際には原料チャージ量や熱遮蔽構造の変更等によりフュージョンリングの輝度分布の波形が変化する事実が確認された。このようなフュージョンリングから誤った液面位置を算出し、この液面位置情報に基づいて引き上げ制御を行った場合、単結晶の品質不良を招くおそれがある。 However, in the above-described conventional liquid surface position measurement method, the liquid surface position is accurately determined depending on the reference value of the brightness of the fusion ring used when detecting the intersections on both sides of the first and second measurement lines and the fusion ring. May not be measured. In other words, the fusion ring appears that the meniscus is brilliant due to various synchrotron radiation, but the change in the luminance distribution of the fusion ring is only a relative change in which the entire waveform of the luminance distribution shifts up and down during crystal growth. The waveform of the luminance distribution itself was not assumed to be deformed. However, it was confirmed that the waveform of the luminance distribution of the fusion ring changes due to changes in the amount of raw material charge and the heat shield structure. If an incorrect liquid surface position is calculated from such a fusion ring and the pulling up control is performed based on the liquid surface position information, the quality of the single crystal may be deteriorated.
上記課題を解決するため、本発明による単結晶引き上げ方法は、チョクラルスキー法により引き上げられる単結晶とルツボ内に収容された原料融液との境界を形成するメニスカス部の画像を撮像し、撮像した画像の輝度分布に基づき前記メニスカス部に表れるフュージョンリングを検出し、前記フュージョンリングの位置に基づいて前記融液の液面位置を算出し、算出された前記液面位置に基づいて、前記融液を収容するルツボの高さ位置を制御すると共に、前記単結晶の周囲を囲繞するように前記ルツボの上方に配置した筒状の熱遮蔽体の下端と前記液面との間隔を調整する単結晶引き上げ方法において、前記ルツボの周囲に設けられたヒータからの光が前記メニスカス部に映り込む第1の期間において、第1の参照値を用いて前記フュージョンリングを検出し、前記ルツボの周囲に設けられたヒータからの光が前記メニスカス部に映り込まない第2の期間において、前記第1の参照値よりも大きな第2の参照値を用いて前記フュージョンリングを検出することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the single crystal pulling method according to the present invention picks up an image of a meniscus portion that forms a boundary between a single crystal pulled by the Czochralski method and a raw material melt contained in the crucible, A fusion ring appearing in the meniscus portion is detected based on the brightness distribution of the image, and a liquid level position of the melt is calculated based on the position of the fusion ring, and the melt level is calculated based on the calculated liquid level position. A single unit that controls the height position of the crucible containing the liquid and adjusts the distance between the lower end of the cylindrical heat shield disposed above the crucible so as to surround the single crystal and the liquid surface. In the crystal pulling method, in the first period in which light from a heater provided around the crucible is reflected on the meniscus portion, the fuse is used using a first reference value. The fusion is detected using a second reference value larger than the first reference value in a second period in which light from a heater provided around the crucible is detected and is not reflected on the meniscus portion. It is characterized by detecting a ring.
本発明によれば、単結晶の引き上げ開始から終了までの間にフュージョンリングの検出の際に用いる参照値を変化させるので、第1及び第2の期間において融液の液面位置を高精度に測定し、制御することができ、高品質な単結晶を製造することができる。 According to the present invention, since the reference value used when detecting the fusion ring is changed from the start to the end of the pulling of the single crystal, the liquid level position of the melt is accurately determined in the first and second periods. It can be measured and controlled, and high quality single crystals can be produced.
本発明において、前記第1の期間中に設定する前記第1の参照値は、前記熱遮蔽体の下面からの光が前記メニスカス部に映り込むときの輝度範囲内に設定し、前記第2の期間中に設定する前記第2の参照値は、前記液面位置よりも上方に突出する前記ルツボの側壁部からの光が前記メニスカス部に映り込むときの輝度範囲内に設定することが好ましい。 In the present invention, the first reference value set during the first period is set within a luminance range when light from the lower surface of the thermal shield is reflected on the meniscus portion, and the second reference value is set. The second reference value set during the period is preferably set within a luminance range when light from the side wall portion of the crucible protruding above the liquid level position is reflected on the meniscus portion.
本発明において、前記第1の期間および前記第2の期間中は、前記液面位置よりも上方に突出する前記ルツボの側壁部からの光が前記メニスカス部に映り込むときの検出輝度の最大値に対して前記第1の参照値および前記第2の参照値を設定することが好ましい。 In the present invention, during the first period and the second period, the maximum value of the detected luminance when light from the side wall part of the crucible protruding above the liquid level position is reflected on the meniscus part. Preferably, the first reference value and the second reference value are set.
本発明において、前記第1の参照値の係数は0.6以上0.8未満であり、前記第2の参照値の係数は0.8以上0.95以下であることが好ましい。 In the present invention, the coefficient of the first reference value is preferably 0.6 or more and less than 0.8, and the coefficient of the second reference value is preferably 0.8 or more and 0.95 or less.
本発明においては、前記単結晶の画像の中心を通過する基準ラインと直交し、前記中心から第1の距離だけ離間した第1の測定ラインを設定すると共に、前記基準ラインと直交し、前記中心から前記第1の距離よりも長い第2の距離だけ離間した第2の測定ラインを設定し、前記第1の測定ラインと前記フュージョンリングとの2つの交点を検出すると共に、前記第2の測定ラインと前記フュージョンリングとの2つの交点を検出し、前記第1の測定ライン上の前記2つの交点間の第1の間隔、前記第2の測定ライン上の前記2つの交点間の第2の間隔、前記第1の距離、および前記第2の距離に基づいて、前記基準ライン上に位置する前記単結晶の中心位置を算出し、前記単結晶の中心位置から前記融液の液面位置を算出することが好ましい。これによれば、単結晶の引き上げ中にフュージョンリングが一部しか観察できない場合においても、従来法と比較して高精度に融液の液面位置を測定することができる。 In the present invention, a first measurement line orthogonal to the reference line passing through the center of the single crystal image and spaced from the center by a first distance is set, and orthogonal to the reference line, the center A second measurement line separated from the first measurement line by a second distance longer than the first distance to detect two intersections of the first measurement line and the fusion ring, and the second measurement line Detecting two intersections of the line and the fusion ring, a first distance between the two intersections on the first measurement line, a second interval between the two intersections on the second measurement line. Based on the interval, the first distance, and the second distance, the center position of the single crystal located on the reference line is calculated, and the liquid surface position of the melt is calculated from the center position of the single crystal. Preferably to calculate . According to this, even when only a part of the fusion ring can be observed during the pulling of the single crystal, the liquid level position of the melt can be measured with higher accuracy than in the conventional method.
本発明においては、前記単結晶の引き上げ中に監視する当該単結晶の長さから前記第1の期間か前記第2の期間かを判断してもよく、前記単結晶の引き上げ中に監視する前記ルツボ内の融液の残量から前記第1の期間か前記第2の期間かを判断してもよい。さらに、前記単結晶の引き上げ中に監視する前記ルツボの高さ方向の位置から前記第1の期間か前記第2の期間かを判断してもよい。いずれの場合にであっても、第1の期間及び第2の期間を容易に判断することができる。 In the present invention, the first period or the second period may be determined from the length of the single crystal monitored during the pulling of the single crystal, and the monitoring is performed during the pulling of the single crystal. You may judge whether it is the said 1st period or the said 2nd period from the residual amount of the melt in a crucible. Furthermore, it may be determined whether the first period or the second period from the height direction position of the crucible monitored during the pulling of the single crystal. In any case, the first period and the second period can be easily determined.
このように、本発明の単結晶引き上げ方法によれば、単結晶の引き上げ開始から終了までの間において、原料チャージ量や熱遮蔽構造の影響を受けることなく、撮影画像中のフュージョンリングから単結晶の中心位置を少ない演算量で算出でき、単結晶の中心位置から融液の液面位置を算出することができる。 As described above, according to the method for pulling a single crystal of the present invention, the single crystal is removed from the fusion ring in the photographed image without being affected by the amount of raw material charge or the heat shielding structure between the start and end of pulling of the single crystal. The center position of the melt can be calculated with a small amount of calculation, and the liquid level position of the melt can be calculated from the center position of the single crystal.
また、本発明の単結晶引き上げ装置によれば、単結晶の引き上げ開始から終了までの間において、原料チャージ量や熱遮蔽構造の影響を受けることなく、撮影画像中のフュージョンリングから単結晶の中心位置を少ない演算量で算出でき、単結晶の中心位置から融液の液面位置を算出することができる。 Further, according to the single crystal pulling apparatus of the present invention, the center of the single crystal from the fusion ring in the photographed image is not affected by the charge amount of the raw material or the heat shielding structure between the start and end of pulling of the single crystal. The position can be calculated with a small amount of calculation, and the liquid level position of the melt can be calculated from the center position of the single crystal.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の好ましい実施の形態による単結晶引き上げ装置の構成を概略的に示す側面断面図である。 FIG. 1 is a side sectional view schematically showing a configuration of a single crystal pulling apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
図1に示すように、単結晶引き上げ装置10は、チャンバ11と、チャンバ11内において融液1を支持するルツボ12と、ルツボ12の外周側に設けられたヒータ15と、ヒータ15及びルツボ12からの輻射熱による単結晶2の加熱を防止すると共に融液1の温度変動を抑制するための熱遮蔽体16と、融液1の液面を撮影するCCDカメラ18と、各構成要素を制御する制御部30とを備えている。
As shown in FIG. 1, the single
ルツボ12は、石英ルツボ13と、石英ルツボ13を支持するグラファイトサセプタ14からなり、単結晶の原料である融液1は石英ルツボ13内に収容されている。石英ルツボ13の口径は例えば800mmであり、非常に大型のルツボが使用される。ヒータ15の外側には、円筒状の断熱材20が設けられている。ルツボ12はチャンバ11の底部中央を貫通して鉛直方向に設けられたシャフト21の上端部に固定されており、シャフト21はシャフト駆動機構22によって昇降及び回転駆動される。シャフト駆動機構22は制御部30からの命令に従って動作する。
The
ルツボ12の上方には、種結晶を保持するシードチャック23と、シードチャック23を吊設するワイヤ24と、ワイヤ24を巻き取るためのワイヤ巻き取り機構25が設けられている。ワイヤ巻き取り機構25はまたワイヤを回転させる機能を有している。単結晶の引き上げ時には種結晶が融液1に浸漬され、ルツボ12と種結晶とを互いに逆方向に回転させながら徐々に引き上げる。ワイヤ巻き取り機構25は制御部30からの命令に従って動作する。
Above the
熱遮蔽体16はルツボ12の上方に配置された筒状の部材であり、上方から下方に向かって直径が縮小した逆円錐台形状を有している。熱遮蔽体16の下りの傾斜角度は緩やかであってもよく、例えば水平面に対して10〜45°であってもよい。熱遮蔽体16はルツボ12の内側に配置されており、ルツボ12を上昇させたときルツボ12の側壁部は熱遮蔽体16の外側に位置するので、ルツボ12を上昇させても熱遮蔽体16と干渉することがない。熱遮蔽体16の材料としてはグラファイトを用いることができる。
The
熱遮蔽体16は、融液1の表面付近におけるガスの流れを整流するガス整流部材としても機能する。単結晶2の成長にあわせてルツボ12の位置(上昇速度)を適宜調節することにより、融液表面から熱遮蔽体16の下端部までの距離(ギャップΔG)を制御することができ、融液の表面近傍(パージガス誘導路)を流れるガスの流速を一定に制御することができる。したがって、融液からのドーパントの蒸発量を制御することができ、単結晶の引き上げ方向での抵抗率分布の安定性を向上させることができる。
The
チャンバ11の上部には、融液1の液面を観察するための覗き窓11aが設けられており、CCDカメラ18は覗き窓11aの外側に設置されている。CCDカメラ18はフュージョンリングの画像を撮像する撮像装置であり、覗き窓11aから熱遮蔽体16内を通して見えるルツボ12内の単結晶2および融液1の液面を撮影する。CCDカメラ18の画像はグレースケールであることが好ましいが、カラー画像であってもよい。CCDカメラ18は制御部30に接続されており、撮影された二次元画像データは制御部30に入力され、液面位置の制御に用いられる。
A
CCDカメラ18は、二次元CCDカメラであることが好ましいが、一次元CCDカメラであってもよい。この場合、一次元CCDカメラを機械的に水平方向に移動させる方法または一次元CCDカメラの測定角度を変化させてフュージョンリングの画像を走査する方法により、二次元画像を得ることができる。また、CCDカメラ18を用いて液面位置の測定と単結晶の直径の測定の両方を行ってもよい。
The
CCDカメラ18によって得られた画像は、単結晶引き上げ装置10の斜め上方から観察しているためひずんでいる。このひずみは、幾何光学から算出される理論式を用いて補正することができる。また、目盛を記入した基準板を用いて事前に作成された補正テーブルを用いることで補正することもできる。この補正テーブルは、画像中において1画素数あたりの距離を示す換算係数を垂直方向と水平方向でそれぞれ求めたものである。
The image obtained by the
融液1の液面位置には二つの意味があり、一つはルツボ12内(特に石英ルツボ13内)の液面位置であり、これは主に単結晶の引き上げに伴う融液1の消耗によって変化するが、さらにルツボ12の変形によってその容積が変化した場合にも変化することがある。もう一つは、ヒータ15や熱遮蔽体16などの固定設備に対する液面位置(ギャップΔG)であり、これは上述したルツボ12内の液面位置の変化に加えて、ルツボ12の上下方向の位置(高さ)の移動によっても変化する。なお本明細書において「液面位置」と言うときは、特に断らない限り、固定設備、特に熱遮蔽体16に対する液面位置のことを言うものとする。
The liquid surface position of the
図2は、単結晶の中心位置と融液の液面位置との関係を模式的に示す斜視図である。 FIG. 2 is a perspective view schematically showing the relationship between the center position of the single crystal and the liquid surface position of the melt.
図2に示すように、制御部30は、単結晶2と融液との固液界面に発生するフュージョンリング4から単結晶2の中心C0の位置を算出し、この中心C0の位置から融液の液面3の位置を算出する。単結晶の2中心C0は、単結晶2の引き上げ軸5と融液の液面3との交点である。CCDカメラ18や熱遮蔽体16が設計上の決められた位置に決められた角度で正確に設置されていれば、画像内に表れたフュージョンリング4の位置から液面3の位置を幾何光学的に算出することが可能である。
As shown in FIG. 2, the
図3は、図1に示した単結晶引き上げ装置10を用いて融液1の液面位置を測定する方法を説明するための模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a method of measuring the liquid surface position of the
図3に示すように、まず、CCDカメラ18によって撮影された二次元画像中に2本の測定ラインL1,L2を設定する。測定ラインL1,L2は、単結晶の中心C0を通過する基準ラインL0と直交し、二次元画像のX座標方向に沿った互いに平行な直線であることが好ましい。
As shown in FIG. 3, first, two measurement lines L 1 and L 2 are set in a two-dimensional image photographed by the
ここで、測定ラインL1を単結晶の中心C0付近に設定すると、単結晶の直径が減少した際にフュージョンリング4が単結晶の陰になり、中心C0を検出できなくなる。そこで、測定ラインL1は、中心C0より外周面側、すなわち画像中では下側の位置に設定する。さらに、測定ラインL2は、測定ラインL1に対して表面側、すなわち画像中では下側に設定する。なお、測定ラインL1,L2の設定時には、基準とすべき単結晶の中心C0の位置が不明であることから、ネッキング工程での種結晶の着液位置を単結晶の中心C0の位置として使用する。
Here, if the measurement line L 1 should be set near the center C 0 of the single crystal, the
次に、上記の測定ラインL1,L2とフュージョンリング4との両側の交点、すなわち、交点C1,C1'および交点C2,C2'を検出する。これらの交点の検出には、フュージョンリングの輝度の予測値(参照値)を用いる。この参照値には、撮影画像中の最大輝度に所定の係数を乗じて得られる値を用いる。参照値はフュージョンリングを正しく特定できる適切な値とする必要があり、引き上げ状況に応じて変更することが好ましい。参照値の設定については後述する。
Next, the intersections on both sides of the measurement lines L 1 and L 2 and the
撮影画像中の最大輝度は、一つの画素が単独で最大輝度を持つものを対象としてもよく、あるいは、ノイズの影響を防止するため、最大輝度又はこれに近い輝度を持つ画素が複数連続するものを対象としてもよい。後述するように、液面位置よりも上方に突出するルツボの側壁部からの光がメニスカス部に映り込むとき、検出輝度の最大値は複数画素にわたり連続する傾向があることから、このような輝度分布を最大輝度の対象とすることにより、ノイズの影響を防止することができる。 The maximum brightness in the captured image may be targeted for one pixel having the maximum brightness alone, or in order to prevent the influence of noise, a plurality of pixels having the maximum brightness or a brightness close to it are consecutive. May be targeted. As described later, when the light from the side wall of the crucible protruding above the liquid level is reflected on the meniscus, the maximum value of the detected luminance tends to be continuous over a plurality of pixels. The influence of noise can be prevented by setting the distribution as the target of the maximum luminance.
交点C1,C1'間の間隔をW1とし、交点C2,C2'間の間隔をW2とし、さらに単結晶の中心C0のY座標の位置をY0、測定ラインL1のY座標の位置をY1、測定ラインL2のY座標の位置をY2とし、フュージョンリングの半径をRとすると、(1)式および(2)式の関係が得られる。 The interval between the intersection points C 1 and C 1 ′ is W 1 , the interval between the intersection points C 2 and C 2 ′ is W 2 , the Y-coordinate position of the center C 0 of the single crystal is Y 0 , and the measurement line L 1 If the position of the Y coordinate of Y 1 is Y 1 , the position of the Y coordinate of the measurement line L 2 is Y 2, and the radius of the fusion ring is R, the relationship of Expressions (1) and (2) is obtained.
R2=(W1/2)2+(Y0−Y1)2 ・・・(1) R 2 = (W 1/2 ) 2 + (Y 0 -Y 1) 2 ··· (1)
R2=(W2/2)2+(Y0−Y2)2 ・・・(2) R 2 = (W 2/2 ) 2 + (Y 0 -Y 2) 2 ··· (2)
数1式および数2式の関係から、二次元画像中のY方向における単結晶の中心C0のY座標の位置Y0は、(3)式で表される。
From the relationship of
Y0={Y1+Y2+(W1 2−W2 2)/4(Y1−Y2)}/2 ・・・(3) Y 0 = {Y 1 + Y 2 + (W 1 2 −W 2 2 ) / 4 (Y 1 −Y 2 )} / 2 (3)
さらに、単結晶の中心C0のY座標の位置Y0から融液1の液面位置を求める。融液1の液面位置は、融液表面から熱遮蔽体16の下端までの距離(ギャップΔG)と画像中のY座標との関係を示す一次回帰直線(校正直線)を用いて、位置Y0をギャップΔGに換算することにより求めることができる。
Further, the liquid surface position of the
本実施形態では、上記2本の測定ラインL1,L2の組み合わせを2組以上(例えば10組)設定し、それぞれの組み合わせに対応する単結晶の中心の位置を平均した値を、単結晶の中心C0の位置とすることが好ましい。単結晶2の断面形状が真円の場合、測定誤差は非常に小さい。しかし、引き上げ条件によっては単結晶2が変形して真円ではなくなり、測定誤差が大きくなることがある。また、単結晶の晶壁線が測定ライン上に現われると、その部分では測定誤差が大きくなる。このような測定誤差は、複数の測定値の平均値を用いることによってその影響を小さくすることができる。
In the present embodiment, two or more (for example, 10) combinations of the two measurement lines L 1 and L 2 are set, and a value obtained by averaging the center positions of the single crystals corresponding to each combination is determined as a single crystal. It is preferable to set the center C 0 position. When the cross-sectional shape of the
ルツボ12の高さ方向の位置は単結晶2の成長(融液1の消費)に合わせて変化するが、単結晶の原料の初期チャージ量を増やして一回の引き上げで得られる単結晶を大きくすると、ルツボ12の高さ方向の位置の変化量も大きくなる。また、熱遮蔽体16がルツボ12や融液1と干渉しないように配慮する必要がある。このような引き上げ条件の変化により、以下に示すような撮影画像の条件がみられる。
Although the position of the
図4は、単結晶引き上げ装置10内のルツボ12の状態を示す略断面図であって、左半分は融液残が比較的多い場合、右半分は融液残が比較的少ない場合をそれぞれ示すものである。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the state of the
図4に示すように、液面位置は融液量に関係なく常に一定位置に制御される。すなわち、単結晶の成長に伴ってルツボ12内における液面位置が低下する分、ルツボ12を上昇させて、ヒータ15や熱遮蔽体16に対して液面の位置が一定(ギャップΔGが一定)となるように制御される。なお、同図において単結晶の図示は省略している。
As shown in FIG. 4, the liquid level position is always controlled at a fixed position regardless of the melt amount. That is, the position of the liquid surface in the
融液量が多い引き上げ開始直後は、液面位置から上方に突出するルツボ12の側壁部の突出量が少なく、ヒータ15の位置に対してルツボ12の側壁部の上端の高さ位置は低い。よって、ルツボ12(厳密にはグラファイトサセプタ14)の側壁部の上端と熱遮蔽体16との間に隙間が生じて、矢印rで示すように、この隙間からヒータ15からの光(輻射光及び放射光)がメニスカス部に向かって入射する。
Immediately after the start of pulling with a large amount of melt, the protruding amount of the side wall portion of the
一方、単結晶の成長が進み、融液量が少なくなると、液面位置から上方に突出するルツボ12の側壁部の突出量が増大し、ヒータ15の位置に対するルツボ12の側壁部の上端の高さ位置は高くなるので、ルツボ12の側壁部の上端と熱遮蔽体16との隙間が無くなり、ヒータ15からの光(輻射光及び放射光)がメニスカス部に向かって入射しなくなる。
On the other hand, as the growth of the single crystal progresses and the amount of melt decreases, the protruding amount of the side wall portion of the
図5は、フュージョンリングの光源について説明するための概念図である。 FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining the light source of the fusion ring.
図5に示すように、フュージョンリングは、メニスカス3mに入射した様々な光が反射してリング状に光輝く部分であり、その入射光源は主に、ヒータ15からの光E1、ルツボ12からの光E2、及び熱遮蔽体16の下端からの光E3であると考えられる。引き上げ開始直後においては、ルツボ12、ヒータ15、及び熱遮蔽体16は図4の左側に示した位置関係となり、メニスカス3mには光E1、E2、E3のすべてが映り込む。一方、単結晶の成長が進み、ルツボ12、ヒータ15、及び熱遮蔽体16が図4の右側のような位置関係になると、光E2、E3のみがメニスカス3mに映り込む。そしてこれらの光E1、E2、E3の入射位置はメニスカス内で少しずつずれているので、撮影画像中にも光源に応じた輝度分布が現れることになる。
As shown in FIG. 5, the fusion ring is a portion where various light incident on the
図6は、撮影画像中のフュージョンリング付近の輝度分布を示すグラフであり、横軸は画像中のX座標方向の画素、縦軸は輝度(相対値)をそれぞれ示している。 FIG. 6 is a graph showing the luminance distribution in the vicinity of the fusion ring in the photographed image, where the horizontal axis represents pixels in the X coordinate direction in the image, and the vertical axis represents luminance (relative value).
融液残が例えば210kgと少ない(図4右側)のときには、図6の波形Aで示すように、大きな1つのピークの頂部に2つの小さなピークが表れる。この2つのピークは図5中の光E2、E3によるものと考えられる。 When the melt residue is as small as 210 kg (right side in FIG. 4), two small peaks appear at the top of one large peak, as shown by the waveform A in FIG. These two peaks are considered to be caused by the lights E2 and E3 in FIG.
一方、融液残が例えば290kgと多い(図4左側)のときには、図6の波形Bで示すように、大きな1つのピークの頂部に3つの小さなピークが表れ、波形Aに比べて小さなピークが一つ追加されている。この3つ目のピークは、単結晶の引き上げの初期において、他の2つのピークよりも輝度が高く、単結晶の育成が進行するにつれて徐々に低下していき、融液残260kgのときに3つのピークの輝度はほぼ同じになり、220kgにおいて消滅することが確認された。この現象は、図4左側に示したように、ヒータ15の輻射光がルツボ12により遮られることなく、融液1の液面に照射されることによるものと推測できる。つまり、3つ目のピークは、図5中の光E1によるものと考えられる。
On the other hand, when the melt residue is as large as 290 kg (left side in FIG. 4), three small peaks appear at the top of one large peak as shown by the waveform B in FIG. One has been added. This third peak has higher brightness than the other two peaks in the initial stage of pulling up the single crystal, and gradually decreases as the growth of the single crystal proceeds. It was confirmed that the luminance of the two peaks was almost the same and disappeared at 220 kg. As shown on the left side of FIG. 4, this phenomenon can be presumed to be due to the radiation of the
このように、ヒータ15からの輻射光の有無はメニスカスを表すフュージョンリングの撮影誤差に影響を与える。ヒータ15の輻射光の影響を受けた画像中のフュージョンリングの輝度分布は不安定であり、液面位置を正確に測定することができない。誤ったギャップの計測値をもとに制御が行われると、固液界面の温度勾配が変化し、単結晶の品質が低下するおそれがある。
Thus, the presence or absence of radiation from the
そこで本発明においては、液面がヒータ15からの輻射光の影響を受けているときには、フュージョンリングと2本の測定ラインL1,L2との交点の検出に用いる参照値のレベルを低くし(図6の参照値ラインTH1)、ヒータ15からの輻射光を受けていないときには参照値のレベルを高くして(図6の参照値ラインTH2)、ノイズの影響をできるだけ抑え、これによりフュージョンリングをより正確に特定できるようにしている。そして、このようなフュージョンリングの画像を用いて融液の液面位置を正確に測定するものである。以下、単結晶の引き上げ方法について詳細に説明する。
Therefore, in the present invention, when the liquid level is affected by the radiation from the
図7は、単結晶引き上げ装置10を用いたCZ法による単結晶の引き上げ方法を説明するためのフローチャートである。
FIG. 7 is a flowchart for explaining a method of pulling a single crystal by the CZ method using the single
図7に示すように、単結晶の引き上げでは、まずルツボ12内に多量の原料を充填し、このルツボ12をチャンバ11内に設置する(ステップS11)。次に、チャンバ11内を減圧下のArガス雰囲気とした後、ルツボ12内の原料をヒータ15で加熱して溶融する(ステップS12)。このとき、ワイヤ24の先端に装着された種結晶はルツボ12よりも十分に高い位置にあり、溶融中の原料から引き離されている。
As shown in FIG. 7, in pulling up the single crystal, first, a large amount of raw material is filled in the
次に、融液1が安定するまで温度調整を行った後、ルツボ12の高さを調整して融液の初期液面位置を設定する(ステップS13)。特に限定されるものではないが、初期液面位置の設定は自動で行ってもよく、オペレータが融液の液面を観察しながらルツボを昇降させることにより行ってもよい。
Next, after adjusting the temperature until the
次に、初期設定としてフュージョンリングの検出に用いる参照値の係数として、第1の係数K1を設定する(ステップS14)。この第1の係数K1は、後述する第2の係数K2よりも小さい値であり、0.6以上0.8未満に設定することが好ましく、0.75に設定することが特に好ましい。参照値の係数K1が0.8以上の場合、ヒータからの光の影響を受けたフュージョンリングにより誤った液面位置が算出されるおそれがあるからであり、参照値の係数K1が0.6未満の場合、フュージョンリングの検出精度に低下して液面位置の誤差が大きくなるからである。 Then, as the coefficient of the reference values used to detect the fusion ring as an initial setting, and it sets the first coefficient K 1 (step S14). The first coefficient K 1 is smaller than a second coefficient K 2 described later, and is preferably set to 0.6 or more and less than 0.8, and particularly preferably set to 0.75. This is because if the reference value coefficient K 1 is 0.8 or more, an incorrect liquid level position may be calculated by the fusion ring affected by the light from the heater, and the reference value coefficient K 1 is 0. If it is less than .6, the detection accuracy of the fusion ring is lowered and the error of the liquid surface position becomes large.
次に、単結晶の引き上げを開始する(ステップS15)。CZ法による単結晶の引き上げでは、シャフト21及びワイヤ24を互いに逆方向に回転させながら、種結晶をゆっくりと引き上げることにより、種結晶の下端に単結晶を成長させていく。
Next, the pulling of the single crystal is started (step S15). In the pulling of the single crystal by the CZ method, the single crystal is grown on the lower end of the seed crystal by slowly pulling the seed crystal while rotating the
単結晶の成長では、まず単結晶を無転位化するためダッシュ法によるシード絞り(ネッキング)を行う。次に、必要な直径の単結晶を得るためにショルダー部を育成し、単結晶が所望の直径になったところで直径を一定にしてボディ部を育成する。ボディ部を所定の長さまで育成した後、無転位の状態で単結晶を融液から切り離すためにテール絞り(テール部の形成)を行なう。 In the growth of a single crystal, seed drawing (necking) is first performed by a dash method in order to make the single crystal dislocation-free. Next, in order to obtain a single crystal having a required diameter, a shoulder portion is grown, and when the single crystal has a desired diameter, the body portion is grown with a constant diameter. After growing the body part to a predetermined length, tail drawing (formation of the tail part) is performed in order to separate the single crystal from the melt without dislocation.
ネッキングでは、種結晶に元から含まれる転位や、着液時の熱衝撃により種結晶中に生じるスリップ転位を消滅させるため、種結晶を相対的に回転させながら上方にゆっくりと引き上げてその最小直径が3〜5mm程度になるまで細く絞り込む。ネック部の長さが10〜20mmとなりスリップ転位が完全に除去されたら、種結晶の引き上げ速度と融液1の温度を調整してネック部の直径を拡大し、ショルダー部の育成に移行する。
In necking, in order to eliminate dislocations originally contained in the seed crystal and slip dislocations generated in the seed crystal due to thermal shock at the time of landing, the minimum diameter of the seed crystal is slowly pulled upward while rotating the seed crystal relatively. Narrow it down until it becomes about 3-5mm. When the length of the neck portion becomes 10 to 20 mm and the slip dislocation is completely removed, the neck crystal diameter is enlarged by adjusting the pulling speed of the seed crystal and the temperature of the
ショルダー部が所定の直径に達すると、今度はボディ部の育成に移行する。ウェーハ収率を高めるためボディ部の直径は一定とする必要があり、単結晶育成中は、ボディ部がほぼ一定の直径を維持して育成されるように、ヒータ15の出力、引き上げ速度、ルツボ12の上昇速度等が制御される。特に、単結晶の成長に伴って融液1が減少し、液面が下がるので、液面の低下に合わせてルツボ12を上昇させる。
When the shoulder portion reaches a predetermined diameter, the body portion is now brought up. The diameter of the body portion needs to be constant in order to increase the wafer yield. During the growth of the single crystal, the output of the
単結晶の引き上げ中においては、液面位置を制御するため、CCDカメラ18で液面の画像を撮影し、画像中に2本の測定ラインを設定し、測定ライン上の輝度分布を参照値と比較してその一致・不一致を判定することにより、メニスカス部に表れるフュージョンリングと2本の測定ラインとの交点を検出する(ステップS16)。次いで、画像中のフュージョンリングと2本の測定ラインとの交点の位置から単結晶の中心の位置を算出し、さらにこの中心の位置から液面位置(ギャップ値)を算出する(ステップS17)。上記のように、融液面の画像は歪んでいるため、直線換算式(又は換算テーブル)を用いて画像を補正する。制御部30は、算出した液面位置に基づいてシャフト駆動機構22を制御してルツボ12の高さを制御し、液面位置が初期液面位置からずれないように制御する。
During the pulling of the single crystal, in order to control the position of the liquid level, an image of the liquid level is taken with the
引上げ中においては、ルツボ12の高さ方向の位置が所定の位置よりも高いかどうかが監視され、所定の位置よりも高くなった場合には、参照値の係数が第1の係数K1から第2の係数K2に変更される(ステップS19,S20)。ここにいう所定の位置とは、ルツボが上昇して、ルツボの側壁部の上端と熱遮蔽体との隙間がなくなり、ヒータの輻射光が直接的に液面に入射しなくなる位置である。
During the pulling, the height position of the
参照値の係数の変更タイミングは、単結晶の引き上げ中において常に監視されている単結晶の長さからルツボの高さ位置を間接的に求めて判断することができる。また、融液量を監視し、融液量からルツボの高さ位置を間接的に求めて判断することもできる。もちろん、ルツボの高さ位置を直接的に求めて判断してもよい。 The timing of changing the reference value coefficient can be determined by indirectly obtaining the height position of the crucible from the length of the single crystal that is constantly monitored during the pulling of the single crystal. It is also possible to monitor the melt amount and indirectly determine the height position of the crucible from the melt amount. Of course, the height position of the crucible may be directly obtained and determined.
この第2の係数K2は、第1の係数K1よりも大きい値であり、0.8以上0.95以下に設定することが好ましく、0.9に設定することが特に好ましい。単結晶の引き上げの後半では、融液表面から熱遮蔽体16の下端までのギャップΔGを変更させることがあり、この場合、参照値が高い方がより正確な測定が可能となるからである。また、参照値が高すぎるとフュージョンリングを抽出できなくなるからである。
Coefficient K 2 of the second is the first value larger than the coefficient K 1, preferably set to 0.8 to 0.95, particularly preferably set to 0.9. This is because the gap ΔG from the melt surface to the lower end of the
ボディ部が所定の長さに達すると、その後はテール部の形成に移行する。結晶成長界面に存在した融液1と単結晶2との間の熱均衡が崩れて結晶に急激な熱衝撃が加わり、スリップ転位や異常酸素析出等の品質異常が発生することを防止するため、直径を徐々に縮小して円錐状のテール部を形成し、融液1からの単結晶を切り離し、単結晶引き上げが完了する(ステップS21)。その後、融液1から切り離した単結晶インゴットは所定の条件で冷却され、単結晶インゴットから切り出されたウェ−ハは種々の半導体デバイスの基板材料として用いられる。
When the body part reaches a predetermined length, the process proceeds to the formation of the tail part. In order to prevent the thermal balance between the
以上説明したように、本実施形態によれば、CZ法による単結晶引き上げにおいて融液の液面位置の正確な制御が可能となり、単結晶の製造歩留まりを高めることができる。 As described above, according to the present embodiment, the liquid surface position of the melt can be accurately controlled in the single crystal pulling by the CZ method, and the production yield of the single crystal can be increased.
本発明は以上の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能であり、それらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。 The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention. Yes.
例えば、上記実施形態においては、CCDカメラ18で撮影したフュージョンリングが映る画像中に2つの測定ラインL1,L2 を設定し、フュージョンリングと測定ラインとの交点の位置から単結晶の中心の位置を算出し、さらに単結晶の中心C0の位置から液面位置を算出しているが、本発明はこのような方法に限定されるものではなく、フュージョンリングの画像を用いて液面位置を算出する種々の方法に適用可能である。
For example, in the above embodiment, two measurement lines L 1 and L 2 are set in an image showing a fusion ring photographed by the
また、上記実施形態においては、ヒータからの輻射光の影響を受けるか否かで参照値を変更しているが、他の様々な条件の変化に合わせて参照値を変更することが可能である。 In the above embodiment, the reference value is changed depending on whether it is affected by the radiation from the heater. However, the reference value can be changed in accordance with changes in various other conditions. .
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, although the Example of this invention is described, this invention is not limited to this Example at all.
(実施例1)
図1に示す構成による単結晶引き上げ装置10を用いて、直径300mmφのシリコン単結晶の引き上げを行った。引き上げには直径800mmの石英ルツボを用い、これに多結晶シリコン330kgを装填した。
Example 1
A single
引上げ中はCCDカメラによってフュージョンリングの二次元画像を撮影し、これを用いて液面位置を算出した。液面位置の算出では、まず二次元画像データに2本の測定ラインL1,L2を設定した。このうち、単結晶の中心C0側に近い測定ラインL1は、単結晶の中心C0から見て表面側、すなわち種結晶の着液位置よりも下側に150画素離れた位置に設定した。一方、他の1本の測定ラインL2は、測定ラインL1よりも表面側、すなわち画像中では下側に150画素離れた位置に設定した。
During pulling, a two-dimensional image of the fusion ring was taken with a CCD camera, and the liquid level position was calculated using this. In the calculation of the liquid surface position, first, two measurement lines L 1 and L 2 were set in the two-dimensional image data. Among these, the measurement line L 1 close to the center C 0 side of the single crystal was set at a
次に、参照値を用いてフュージョンリングと測定ラインL1、L2との4つの交点C1,C1',C2,C2'を求め、これらの交点から単結晶の中心C0の位置を求めた。参照値は、画像中の最大輝度に係数0.9を乗じた値とし、引き上げ開始から終了まで同じ値を用いた。 Next, four intersections C 1 , C 1 ′, C 2 , C 2 ′ of the fusion ring and the measurement lines L 1 and L 2 are obtained using the reference values, and the center C 0 of the single crystal is determined from these intersections. The position was determined. The reference value was a value obtained by multiplying the maximum luminance in the image by a coefficient of 0.9, and the same value was used from the start to the end of the pulling.
単結晶の中心C0の位置は、数3式を用いて算出した。ここで、2本の測定ラインL1,L2の組み合わせを10画素ピッチで10組設定し、第1および第2の測定ラインL1,L2間の幅=150画素、第1の測定ラインL1の画素座標を833〜743の範囲で設定し、それぞれの組み合わせに対応する単結晶の中心位置の平均値を最終的な単結晶の中心位置とした。さらに、この最終的な単結晶の中心位置から、融液の液面位置を求めた。
The position of the center C 0 of the single crystal was calculated using Equation 3. Here, ten combinations of two measurement lines L 1 and L 2 are set at a pitch of 10 pixels, the width between the first and second measurement lines L 1 and
図8に融液の液面位置の測定結果を示すグラフであり、横軸は測定回数(10秒ピッチ)、縦軸は液面位置の変化量(mm)をそれぞれ示している。なお、各データ傾向を判別しやすくするため、L1=833mmのときの液面位置を基準値(変化量=0)とした。 FIG. 8 is a graph showing the measurement result of the liquid surface position of the melt, where the horizontal axis indicates the number of measurements (10-second pitch), and the vertical axis indicates the amount of change (mm) in the liquid surface position. In addition, in order to make each data tendency easy to discriminate, the liquid level position when L 1 = 833 mm was set as a reference value (change amount = 0).
図8から明らかなように、引き上げ開始から融液の残量が220kgに達するまでの第1の期間では、液面位置に約7mmのばらつきが発生した。しかし、残量が220kg以下となる第2の期間では、液面位置のばらつきは約0.5mmとなった。 As apparent from FIG. 8, in the first period from the start of pulling up until the remaining amount of the melt reaches 220 kg, a variation of about 7 mm occurred in the liquid surface position. However, in the second period when the remaining amount was 220 kg or less, the variation in the liquid level position was about 0.5 mm.
(実施例2)
引き上げ開始から融液の残量が220kgに達するまでの第1の期間での参照値の係数を0.75とし、残量が220kg以下となる第2の期間での参照値の係数を0.9とした点以外は実施例1と同一条件下でシリコン単結晶の引き上げを行った。図9に融液の液面位置の測定結果を示す。
(Example 2)
The reference value coefficient in the first period from the start of pulling up until the remaining amount of the melt reaches 220 kg is 0.75, and the reference value coefficient in the second period in which the remaining amount is 220 kg or less is 0. The silicon single crystal was pulled up under the same conditions as in Example 1 except for the point set to 9. FIG. 9 shows the measurement result of the liquid surface position of the melt.
図9から明らかなように、引き上げ開始から終了までの全期間において、液面位置のばらつきは1mmとなった。すなわち、ルツボの周囲に設けられたヒータからの光がメニスカス部に映り込む第1の期間では、参照値の係数を0.75としたほうがよく、ヒータからの光がメニスカス部に映り込まない第2の期間では、参照値の係数を0.9としたほうがよいことが明らかとなった。 As is clear from FIG. 9, the variation in the liquid level position was 1 mm in the entire period from the start to the end of the pulling. That is, in the first period in which the light from the heater provided around the crucible is reflected on the meniscus portion, the coefficient of the reference value should be set to 0.75, and the light from the heater is not reflected on the meniscus portion. In the period of 2, it became clear that the reference value coefficient should be 0.9.
1 融液
2 単結晶
3 融液の液面
3m メニスカス部
4 フュージョンリング
10 単結晶引き上げ装置
11 チャンバ
11a 覗き窓
12 ルツボ
13 石英ルツボ
14 グラファイトサセプタ
15 ヒータ
16 熱遮蔽体
18 CCDカメラ
20 断熱材
21 シャフト
22 シャフト駆動機構
23 シードチャック
24 ワイヤ
25 ワイヤ巻き取り機構
30 制御部
C0 単結晶の中心位置
C1,C1' 測定ラインL1とフュージョンリングとの交点
C2,C2' 測定ラインL2とフュージョンリングとの交点
K1,K2 参照値の係数
L0 基準ライン
L1,L2 測定ライン
r 矢印
TH1,TH2 参照値ライン
ΔG 液面位置(ギャップ)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
撮像した画像の輝度分布に基づき前記メニスカス部に表れるフュージョンリングを検出し、前記フュージョンリングの位置に基づいて前記融液の液面位置を算出し、
算出された前記液面位置に基づいて、前記融液を収容するルツボの高さ位置を制御すると共に、前記単結晶の周囲を囲繞するように前記ルツボの上方に配置した筒状の熱遮蔽体の下端と前記液面との間隔を調整する単結晶引き上げ方法において、
前記ルツボの周囲に設けられたヒータからの光が前記メニスカス部に映り込む第1の期間において、第1の参照値を用いて前記フュージョンリングを検出し、
前記ルツボの周囲に設けられたヒータからの光が前記メニスカス部に映り込まない第2の期間において、前記第1の参照値よりも大きな第2の参照値を用いて前記フュージョンリングを検出することを特徴とする単結晶引き上げ方法。 Taking an image of the meniscus part that forms the boundary between the single crystal pulled up by the Czochralski method and the raw material melt contained in the crucible,
Detecting a fusion ring appearing in the meniscus portion based on the luminance distribution of the imaged image, and calculating a liquid surface position of the melt based on the position of the fusion ring;
A cylindrical heat shield disposed above the crucible so as to surround the periphery of the single crystal while controlling the height position of the crucible containing the melt based on the calculated liquid level position. In the single crystal pulling method for adjusting the interval between the lower end of the liquid and the liquid level,
In the first period in which light from a heater provided around the crucible is reflected on the meniscus portion, the fusion ring is detected using a first reference value;
Detecting the fusion ring by using a second reference value larger than the first reference value in a second period in which light from a heater provided around the crucible is not reflected in the meniscus portion. A single crystal pulling method characterized by the above.
前記第2の期間中に設定する前記第2の参照値は、前記液面位置よりも上方に突出する前記ルツボの側壁部からの光が前記メニスカス部に映り込むときの輝度範囲内に設定する、請求項1に記載の単結晶引き上げ方法。 The first reference value set during the first period is set within a luminance range when light from the lower surface of the thermal shield is reflected on the meniscus portion,
The second reference value set during the second period is set within a luminance range when light from the side wall portion of the crucible protruding above the liquid level position is reflected on the meniscus portion. The single crystal pulling method according to claim 1.
前記第2の参照値の係数は0.8以上0.95以下である、請求項3に記載の単結晶引き上げ方法。 The coefficient of the first reference value is not less than 0.6 and less than 0.8;
The single crystal pulling method according to claim 3, wherein the coefficient of the second reference value is 0.8 or more and 0.95 or less.
前記第1の測定ラインと前記フュージョンリングとの2つの交点を検出すると共に、前記第2の測定ラインと前記フュージョンリングとの2つの交点を検出し、
前記第1の測定ライン上の前記2つの交点間の第1の間隔、前記第2の測定ライン上の前記2つの交点間の第2の間隔、前記第1の距離、および前記第2の距離に基づいて、前記基準ライン上に位置する前記単結晶の中心位置を算出し、
前記単結晶の中心位置から前記融液の液面位置を算出する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の単結晶引き上げ方法。 A first measurement line orthogonal to the reference line passing through the center of the single crystal image and spaced from the center by a first distance is set, orthogonal to the reference line, and the first measurement line from the center. Set a second measurement line separated by a second distance longer than the distance;
Detecting two intersections of the first measurement line and the fusion ring, and detecting two intersections of the second measurement line and the fusion ring;
A first distance between the two intersections on the first measurement line, a second distance between the two intersections on the second measurement line, the first distance, and the second distance. Based on the above, the center position of the single crystal located on the reference line is calculated,
The single crystal pulling method according to any one of claims 1 to 4 , wherein a liquid surface position of the melt is calculated from a center position of the single crystal.
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