JP6062145B2 - 熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等（以下、単に「基板」と称する）に対してフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法に関する。

従来より、イオン注入後の半導体ウェハーのイオン活性化工程においては、ハロゲンランプを使用したランプアニール装置が一般的に使用されていた。このようなランプアニール装置においては、半導体ウェハーを、例えば、１０００℃ないし１１００℃程度の温度に加熱（アニール）することにより、半導体ウェハーのイオン活性化を実行している。そして、このような熱処理装置においては、ハロゲンランプより照射される光のエネルギーを利用することにより、毎秒数百度程度の速度で基板を昇温する構成となっている。

一方、近年、半導体デバイスの高集積化が進展し、ゲート長が短くなるにつれて接合深さも浅くすることが望まれている。しかしながら、毎秒数百度程度の速度で半導体ウェハーを昇温する上記ランプアニール装置を使用して半導体ウェハーのイオン活性化を実行した場合においても、半導体ウェハーに打ち込まれたボロンやリン等のイオンが熱によって深く拡散するという現象が生ずることが判明した。このような現象が発生した場合においては、接合深さが要求よりも深くなり過ぎ、良好なデバイス形成に支障が生じることが懸念される。

このため、キセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」とするときにはキセノンフラッシュランプを意味する）を使用して半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射することにより、イオンが注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリセカンド以下）に昇温させる技術が提案されている（例えば、特許文献１，２）。フラッシュランプの放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、従来のハロゲンランプよりも波長が短く、シリコンの半導体ウェハーの基礎吸収帯とほぼ一致している。よって、フラッシュランプから半導体ウェハーにフラッシュ光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリセカンド以下の極めて短時間のフラッシュ光照射であれば、半導体ウェハーの表面近傍のみを選択的に昇温できることも判明している。このため、キセノンフラッシュランプによる極短時間の昇温であれば、イオンを深く拡散させることなく、イオン活性化のみを実行することができるのである。

特開２００４−５５８２１号公報 特開２００４−８８０５２号公報

上記のように、キセノンフラッシュランプを使用した熱処理装置は本来浅い接合(shallow junction)の熱処理に適したアニール装置なのであるが、近年キセノンフラッシュランプを使用して従来よりも若干深い接合のイオン活性化を行いたいという要望も生じている。従来よりも深い接合の活性化を行うためには、フラッシュランプの発光時間を従来よりも長くすることにより、半導体ウェハーの表面（浅い領域）だけでなく、より深い領域をも熱伝導によって昇温する手法が考えられる。その結果、半導体ウェハーの表面からより深い領域でのイオン活性化、すなわち深い接合の活性化が可能となる。

しかしながら、キセノンフラッシュランプの発光時間を長くして深い領域まで昇温しようとすると、半導体ウェハーの表面温度は必要以上に上昇することとなり、その結果表面に大きな熱応力が作用してウェハー反りが生じたり、最悪の場合急激な熱膨張によってウェハー割れが発生するという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板に反りや割れを生じさせることなく深い接合の活性化を行うことができる熱処理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、イオンが注入された半導体基板に対してフラッシュ光を照射することによって該半導体基板を加熱する熱処理方法において、前記半導体基板の表面の全領域に少なくとも第１のピーク強度を有するフラッシュ光を第１のフラッシュランプから照射して前記半導体基板の表面温度を前記半導体基板に注入されたイオンの活性化温度以上の処理温度にまで昇温してイオンを活性化させる昇温工程と、前記昇温工程の後、前記第１のピーク強度を有するフラッシュ光の強度が低下しているときに前記第１のピーク強度よりも弱い第２のピーク強度に到達するフラッシュ光を第２のフラッシュランプから前記半導体基板の表面の全領域に照射して少なくとも前記第２のピーク強度を有するフラッシュ光照射によって前記半導体基板の表面温度を前記活性化温度以上に所定時間以上維持する保温工程と、を備えることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、基板の表面の全領域にフラッシュ光を照射して基板の表面温度を注入されたイオンの活性化温度以上の処理温度にまで昇温した後、フラッシュ光照射の保温効果によって基板の表面温度を前記活性化温度以上に所定時間以上維持するため、基板に反りや割れを生じさせることなく深い接合の活性化を行うことができる。

本発明に係る熱処理装置の構成を示す側断面図である。 図１の熱処理装置のガス路を示す断面図である。 保持部の構成を示す断面図である。 ホットプレートを示す平面図である。 図１の熱処理装置の構成を示す側断面図である。 キセノンフラッシュランプの駆動回路を示す図である。 第１実施形態における複数のフラッシュランプの配置構成を示す図である。 制御部の構成を示すブロック図である。 半導体ウェハーの表面における光強度の推移を示す図である。 発光開始からの半導体ウェハーの表面温度の推移を示す図である。 第２実施形態における複数のフラッシュランプの配置構成を示す図である。 第３実施形態における複数のフラッシュランプの配置構成を示す図である。 パルス幅の異なるフラッシュランプの発光開始タイミングをずらしたときの光強度の推移の一例を示す図である。 パルス幅の異なるフラッシュランプの発光開始タイミングをずらしたときの光強度の推移の他の例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜１．第１実施形態＞
まず、本発明に係る熱処理装置の全体構成について概説する。図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す側断面図である。熱処理装置１は基板として略円形の半導体ウェハーＷに閃光（フラッシュ光）を照射してその半導体ウェハーＷを加熱するフラッシュランプアニール装置である。

熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容する略円筒形状のチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するランプハウス５と、を備える。また、熱処理装置１は、チャンバー６およびランプハウス５に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。

チャンバー６は、ランプハウス５の下方に設けられており、略円筒状の内壁を有するチャンバー側部６３、および、チャンバー側部６３の下部を覆うチャンバー底部６２によって構成される。また、チャンバー側部６３およびチャンバー底部６２によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。熱処理空間６５の上方は上部開口６０とされており、上部開口６０にはチャンバー窓６１が装着されて閉塞されている。

チャンバー６の天井部を構成するチャンバー窓６１は、石英により形成された円板形状部材であり、ランプハウス５から出射されたフラッシュ光を熱処理空間６５に透過する。チャンバー６の本体を構成するチャンバー底部６２およびチャンバー側部６３は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されており、チャンバー側部６３の内側面の上部のリング６３１は、光照射による劣化に対してステンレススチールより優れた耐久性を有するアルミニウム（Ａｌ）合金等で形成されている。

また、熱処理空間６５の気密性を維持するために、チャンバー窓６１とチャンバー側部６３とはＯリングによってシールされている。すなわち、チャンバー窓６１の下面周縁部とチャンバー側部６３との間にＯリングを挟み込むとともに、クランプリング９０をチャンバー窓６１の上面周縁部に当接させ、そのクランプリング９０をチャンバー側部６３にネジ止めすることによって、チャンバー窓６１をＯリングに押し付けている。

チャンバー底部６２には、保持部７を貫通して半導体ウェハーＷをその下面（ランプハウス５からの光が照射される側とは反対側の面）から支持するための複数（本実施の形態では３本）の支持ピン７０が立設されている。支持ピン７０は、例えば石英により形成されており、チャンバー６の外部から固定されているため、容易に取り替えることができる。

チャンバー側部６３は、半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部６６を有し、搬送開口部６６は、軸６６２を中心に回動するゲートバルブ１８５により開閉可能とされる。チャンバー側部６３における搬送開口部６６とは反対側の部位には熱処理空間６５に処理ガス（例えば、窒素（Ｎ₂）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス、あるいは、酸素（Ｏ₂）ガス等）を導入する導入路８１が形成され、その一端は弁８２を介して図示省略の給気機構に接続され、他端はチャンバー側部６３の内部に形成されるガス導入バッファ８３に接続される。また、搬送開口部６６には熱処理空間６５内の気体を排出する排出路８６が形成され、弁８７を介して図示省略の排気機構に接続される。

図２は、チャンバー６をガス導入バッファ８３の位置にて水平面で切断した断面図である。図２に示すように、ガス導入バッファ８３は、図１に示す搬送開口部６６の反対側においてチャンバー側部６３の内周の約１／３に亘って形成されており、導入路８１を介してガス導入バッファ８３に導かれた処理ガスは、複数のガス供給孔８４から熱処理空間６５内へと供給される。

また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部において半導体ウェハーＷを水平姿勢にて保持しつつフラッシュ光照射前にその保持する半導体ウェハーＷの予備加熱を行う略円板状の保持部７と、保持部７をチャンバー６の底面であるチャンバー底部６２に対して昇降させる保持部昇降機構４と、を備える。図１に示す保持部昇降機構４は、略円筒状のシャフト４１、移動板４２、ガイド部材４３（本実施の形態ではシャフト４１の周りに３本配置される）、固定板４４、ボールネジ４５、ナット４６およびモータ４０を有する。チャンバー６の下部であるチャンバー底部６２には保持部７よりも小さい直径を有する略円形の下部開口６４が形成されており、ステンレススチール製のシャフト４１は、下部開口６４を挿通して、保持部７（厳密には保持部７のホットプレート７１）の下面に接続されて保持部７を支持する。

移動板４２にはボールネジ４５と螺合するナット４６が固定されている。また、移動板４２は、チャンバー底部６２に固定されて下方へと伸びるガイド部材４３により摺動自在に案内されて上下方向に移動可能とされる。また、移動板４２は、シャフト４１を介して保持部７に連結される。

モータ４０は、ガイド部材４３の下端部に取り付けられる固定板４４に設置され、タイミングベルト４０１を介してボールネジ４５に接続される。保持部昇降機構４により保持部７が昇降する際には、駆動部であるモータ４０が制御部３の制御によりボールネジ４５を回転し、ナット４６が固定された移動板４２がガイド部材４３に沿って鉛直方向に移動する。この結果、移動板４２に固定されたシャフト４１が鉛直方向に沿って移動し、シャフト４１に接続された保持部７が図１に示す半導体ウェハーＷの受渡位置と図５に示す半導体ウェハーＷの処理位置との間で滑らかに昇降する。

移動板４２の上面には略半円筒状（円筒を長手方向に沿って半分に切断した形状）のメカストッパ４５１がボールネジ４５に沿うように立設されており、仮に何らかの異常により移動板４２が所定の上昇限界を超えて上昇しようとしても、メカストッパ４５１の上端がボールネジ４５の端部に設けられた端板４５２に突き当たることによって移動板４２の異常上昇が防止される。これにより、保持部７がチャンバー窓６１の下方の所定位置以上に上昇することはなく、保持部７とチャンバー窓６１との衝突が防止される。

また、保持部昇降機構４は、チャンバー６の内部のメンテナンスを行う際に保持部７を手動にて昇降させる手動昇降部４９を有する。手動昇降部４９はハンドル４９１および回転軸４９２を有し、ハンドル４９１を介して回転軸４９２を回転することより、タイミングベルト４９５を介して回転軸４９２に接続されるボールネジ４５を回転して保持部７の昇降を行うことができる。

チャンバー底部６２の下側には、シャフト４１の周囲を囲み下方へと伸びる伸縮自在のベローズ４７が設けられ、その上端はチャンバー底部６２の下面に接続される。一方、ベローズ４７の下端はベローズ下端板４７１に取り付けられている。べローズ下端板４７１は、鍔状部材４１１によってシャフト４１にネジ止めされて取り付けられている。保持部昇降機構４により保持部７がチャンバー底部６２に対して上昇する際にはベローズ４７が収縮され、下降する際にはべローズ４７が伸張される。そして、保持部７が昇降する際にも、ベローズ４７が伸縮することによって熱処理空間６５内の気密状態が維持される。

図３は、保持部７の構成を示す断面図である。保持部７は、半導体ウェハーＷを予備加熱（いわゆるアシスト加熱）するホットプレート（加熱プレート）７１、および、ホットプレート７１の上面（保持部７が半導体ウェハーＷを保持する側の面）に設置されるサセプタ７２を有する。保持部７の下面には、既述のように保持部７を昇降するシャフト４１が接続される。サセプタ７２は石英（あるいは、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）等であってもよい）により形成され、その上面には半導体ウェハーＷの位置ずれを防止するピン７５が設けられる。サセプタ７２は、その下面をホットプレート７１の上面に面接触させてホットプレート７１上に設置される。これにより、サセプタ７２は、ホットプレート７１からの熱エネルギーを拡散してサセプタ７２上面に載置された半導体ウェハーＷに伝達するとともに、メンテナンス時にはホットプレート７１から取り外して洗浄可能とされる。

ホットプレート７１は、ステンレススチール製の上部プレート７３および下部プレート７４にて構成される。上部プレート７３と下部プレート７４との間には、ホットプレート７１を加熱するニクロム線等の抵抗加熱線７６が配設され、導電性のニッケル（Ｎｉ）ロウが充填されて封止されている。また、上部プレート７３および下部プレート７４の端部はロウ付けにより接着されている。

図４は、ホットプレート７１を示す平面図である。図４に示すように、ホットプレート７１は、保持される半導体ウェハーＷと対向する領域の中央部に同心円状に配置される円板状のゾーン７１１および円環状のゾーン７１２、並びに、ゾーン７１２の周囲の略円環状の領域を周方向に４等分割した４つのゾーン７１３〜７１６を備え、各ゾーン間には若干の間隙が形成されている。また、ホットプレート７１には、支持ピン７０が挿通される３つの貫通孔７７が、ゾーン７１１とゾーン７１２との隙間の周上に１２０°毎に設けられる。

６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、相互に独立した抵抗加熱線７６が周回するように配設されてヒータが個別に形成されており、各ゾーンに内蔵されたヒータにより各ゾーンが個別に加熱される。保持部７に保持された半導体ウェハーＷは、６つのゾーン７１１〜７１６に内蔵されたヒータにより加熱される。また、ゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、熱電対を用いて各ゾーンの温度を計測するセンサ７１０が設けられている。各センサ７１０は略円筒状のシャフト４１の内部を通り制御部３に接続される。

ホットプレート７１が加熱される際には、センサ７１０により計測される６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が予め設定された所定の温度になるように、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が制御部３により制御される。制御部３による各ゾーンの温度制御はＰＩＤ(Proportional,Integral,Derivative)制御により行われる。ホットプレート７１では、半導体ウェハーＷの熱処理（複数の半導体ウェハーＷを連続的に処理する場合は、全ての半導体ウェハーＷの熱処理）が終了するまでゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が継続的に計測され、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が個別に制御されて、すなわち、各ゾーンに内蔵されたヒータの温度が個別に制御されて各ゾーンの温度が設定温度に維持される。なお、各ゾーンの設定温度は、基準となる温度から個別に設定されたオフセット値だけ変更することが可能とされる。

６つのゾーン７１１〜７１６にそれぞれ配設される抵抗加熱線７６は、シャフト４１の内部を通る電力線を介して電力供給源（図示省略）に接続されている。電力供給源から各ゾーンに至る経路途中において、電力供給源からの電力線は、マグネシア（マグネシウム酸化物）等の絶縁体を充填したステンレスチューブの内部に互いに電気的に絶縁状態となるように配置される。なお、シャフト４１の内部は大気開放されている。

次に、ランプハウス５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では３０本）のキセノンフラッシュランプＦＬからなる光源と、その光源の上方を覆うように設けられたリフレクタ５２と、を備えて構成される。また、ランプハウス５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。ランプハウス５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状部材である。ランプハウス５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３がチャンバー窓６１と相対向することとなる。ランプハウス５は、チャンバー６内にて保持部７に保持される半導体ウェハーＷにランプ光放射窓５３およびチャンバー窓６１を介してフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射することにより半導体ウェハーＷを加熱する。

複数のフラッシュランプＦＬは、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。第１実施形態においては、複数のフラッシュランプＦＬのそれぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。

図６は、キセノンフラッシュランプＦＬの駆動回路を示す図である。キセノンフラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサー９３に接続された陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）９２と、該ガラス管９２の外周面上に付設されたトリガー電極９１とを備える。コンデンサー９３には、電源ユニット９５によって所定の電圧が印加され、その印加電圧に応じた電荷が蓄積されている。また、コンデンサー９３とガラス管９２の電極とを接続する回路にはコイル９４が設けられている。

キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、コンデンサー９３に電荷が蓄積されていたとしても通常の状態ではガラス管９２内に電気は流れない。しかしながら、トリガースイッチＳＷをＯＮ状態にしてトリガー電極９１に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサー９３に蓄えられた電気がガラス管９２内に瞬時に流れ、そのときのジュール熱でキセノンガスが加熱されて光が放出される。つまり、キセノンフラッシュランプＦＬの発光開始タイミングはトリガースイッチＳＷをＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り換えるタイミングで定まる。このようなキセノンフラッシュランプＦＬにおいては、予めコンデンサー９３に蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。なお、トリガースイッチＳＷとしては例えばサイリスター等の電気的なスイッチ素子を用いる。

ところで、第１実施形態においては、３０本のフラッシュランプＦＬが設けられており、それぞれのフラッシュランプＦＬについて図６の如き駆動回路が１つ設けられている。キセノンフラッシュランプＦＬの発光時間はコンデンサー９３のキャパシタンス（容量）およびコイル９４のインダクタンスによって定まる。フラッシュランプＦＬから出射されるフラッシュ光のパルスの周期、すなわち閃光照射１回あたりのフラッシュランプＦＬの発光時間は、コンデンサー９３の容量とコイル９４のインダクタンスとの積の１／２乗に比例することが知られており、コンデンサー９３の容量が大きくなるほど、またコイル９４のインダクタンスが大きくなるほど、フラッシュランプＦＬの発光時間は長くなる。

第１実施形態においては、コイル９４のインダクタンスが異なる２種類のランプ駆動回路を使用しており、３０本のフラッシュランプＦＬのそれぞれは２種のうちのいずれかの駆動回路に接続されている。図７は、第１実施形態における複数のフラッシュランプＦＬの配置構成を示す図である。図７に示すように、３０本のフラッシュランプＦＬのそれぞれはショートパルス回路ＳＰまたはロングパルス回路ＬＰのいずれかに接続されている。ショートパルス回路ＳＰは、図６の構成において容量７５０μＦのコンデンサー９３およびインダクタンス２６０μＨのコイル９４を使用した駆動回路である。また、ロングパルス回路ＬＰは、図６の構成において容量７５０μＦのコンデンサー９３およびインダクタンス２２００μＨのコイル９４を使用した駆動回路である。ショートパルス回路ＳＰに接続されたフラッシュランプＦＬ１の発光時間は約１．０ミリセカンドであり、ロングパルス回路ＬＰに接続されたフラッシュランプＦＬ２（理解の容易のために図７にはハッチングを付している）の発光時間は約３．０ミリセカンドである。すなわち、ロングパルス回路ＬＰは、ショートパルス回路ＳＰよりも大きなインダクタンスのコイル９４を備えており、ショートパルス回路ＳＰに接続されたフラッシュランプＦＬ１の発光時間よりもロングパルス回路ＬＰに接続されたフラッシュランプＦＬ２の発光時間の方が長い。

ここで、第１実施形態においては図７に示すように、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とが交互に一列に配列されている。すなわち、３０本のフラッシュランプＦＬ（フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とを特に分けて指定する必要のないときは単に「フラッシュランプＦＬ」と総称する）を１５本ずつの２つのランプ群に区分し、そのうちの一方のランプ群（第１ランプ群）をショートパルス回路ＳＰに接続するとともに、他方のランプ群（第２ランプ群）をロングパルス回路ＬＰに接続し、第１ランプ群を構成するフラッシュランプＦＬ１と第２ランプ群を構成するフラッシュランプＦＬ２とを交互に配置しているのである。なお、図７では図示の便宜上、１５本のフラッシュランプＦＬ１が１つのショートパルス回路ＳＰに接続され、１５本のフラッシュランプＦＬ２が１つのロングパルス回路ＬＰに接続されているが、上述のように１つのフラッシュランプＦＬには１つの駆動回路が設けられており、図７のショートパルス回路ＳＰおよびロングパルス回路ＬＰはそれぞれ１５個の駆動回路を包括して記載したものである。

また、リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光を保持部７の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプＦＬに臨む側の面）はブラスト処理により粗面化加工が施されて梨地模様を呈する。このような粗面化加工を施しているのは、リフレクタ５２の表面が完全な鏡面であると、複数のフラッシュランプＦＬからの反射光の強度に規則パターンが生じて半導体ウェハーＷの表面温度分布の均一性が低下するためである。

制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。図８は、制御部３の構成を示すブロック図である。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行うＣＰＵ３１、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ３２、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭ３３および制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスク３４をバスライン３９に接続して構成されている。

また、バスライン３９には、チャンバー６内にて保持部７を昇降させる保持部昇降機構４のモータ４０やトリガー制御回路３８が電気的に接続されている。トリガー制御回路３８は、複数のフラッシュランプＦＬのそれぞれのトリガースイッチＳＷと接続されており、各トリガースイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御する。制御部３のＣＰＵ３１は、磁気ディスク３４に格納された制御用ソフトウェアを実行することにより、モータ４０を制御して保持部７の高さ位置を調整するとともに、複数のフラッシュランプＦＬのそれぞれが所定のタイミングにて発光するように、つまり所定のタイミングにてトリガースイッチＳＷがＯＮ状態となるようにトリガー制御回路３８を制御する。

さらに、バスライン３９には、表示部２１および入力部２２が電気的に接続されている。表示部２１は、例えば液晶ディスプレイ等を用いて構成されており、処理結果やレシピ内容等の種々の情報を表示する。入力部２２は、例えばキーボードやマウス等を用いて構成されており、コマンドやパラメータ等の入力を受け付ける。装置のオペレータは、表示部２１に表示された内容を確認しつつ入力部２２からコマンドやパラメータ等の入力を行うことができる。なお、表示部２１と入力部２２とを一体化してタッチパネルとして構成するようにしても良い。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にフラッシュランプＦＬおよびホットプレート７１から発生する熱エネルギーによるチャンバー６およびランプハウス５の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６のチャンバー側部６３およびチャンバー底部６２には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ランプハウス５は、内部に気体流を形成して排熱するための気体供給管５５および排気管５６が設けられて空冷構造とされている（図１参照）。また、チャンバー窓６１とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、ランプハウス５およびチャンバー窓６１を冷却する。

次に、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について簡単に説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷはイオン注入法により不純物（イオン）が添加された半導体基板であり、添加された不純物の活性化が熱処理装置１によるフラッシュ加熱処理により実行される。

まず、保持部７が図５に示す処理位置から図１に示す受渡位置に下降する。「処理位置」とは、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷに閃光照射が行われるときの保持部７の位置であり、図５に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。また、「受渡位置」とは、チャンバー６に半導体ウェハーＷの搬出入が行われるときの保持部７の位置であり、図１に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。熱処理装置１における保持部７の基準位置は処理位置であり、処理前にあっては保持部７は処理位置に位置しており、これが処理開始に際して受渡位置に下降するのである。図１に示すように、保持部７が受渡位置にまで下降するとチャンバー底部６２に近接し、支持ピン７０の先端が保持部７を貫通して保持部７の上方に突出する。

次に、保持部７が受渡位置に下降したときに、弁８２および弁８７が開かれてチャンバー６の熱処理空間６５内に常温の窒素ガスが導入される。続いて、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介してイオン注入後の半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入され、複数の支持ピン７０上に載置される。

半導体ウェハーＷの搬入時におけるチャンバー６への窒素ガスのパージ量は約４０リットル／分とされ、供給された窒素ガスはチャンバー６内においてガス導入バッファ８３から図２中に示す矢印ＡＲ４の方向へと流れ、図１に示す排出路８６および弁８７を介してユーティリティ排気により排気される。また、チャンバー６に供給された窒素ガスの一部は、べローズ４７の内側に設けられる排出口（図示省略）からも排出される。なお、以下で説明する各ステップにおいて、チャンバー６には常に窒素ガスが供給および排気され続けており、窒素ガスの供給量は半導体ウェハーＷの処理工程に合わせて様々に変更される。

半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されると、ゲートバルブ１８５により搬送開口部６６が閉鎖される。そして、保持部昇降機構４により保持部７が受渡位置からチャンバー窓６１に近接した処理位置にまで上昇する。保持部７が受渡位置から上昇する過程において、半導体ウェハーＷは支持ピン７０から保持部７のサセプタ７２へと渡され、サセプタ７２の上面に載置・保持される。保持部７が処理位置にまで上昇するとサセプタ７２に載置された半導体ウェハーＷも処理位置に保持されることとなる。

ホットプレート７１の６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれは、各ゾーンの内部（上部プレート７３と下部プレート７４との間）に個別に内蔵されたヒータ（抵抗加熱線７６）により所定の温度まで加熱されている。保持部７が処理位置まで上昇して半導体ウェハーＷが保持部７と接触することにより、その半導体ウェハーＷはホットプレート７１に内蔵されたヒータによって予備加熱されて温度が次第に上昇する。

この処理位置にて約６０秒間の予備加熱が行われ、半導体ウェハーＷの温度が予め設定された予備加熱温度Ｔ１まで上昇する。予備加熱温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷに添加された不純物が熱により拡散する恐れのない、２００℃ないし８００℃程度、好ましくは３５０℃ないし５５０℃程度とされる。また、保持部７とチャンバー窓６１との間の距離は、保持部昇降機構４のモータ４０の回転量を制御することにより任意に調整することが可能とされている。

約６０秒間の予備加熱時間が経過した後、保持部７が処理位置に位置したまま制御部３の制御によりランプハウス５のフラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷへ向けてフラッシュ光が照射される。具体的には、制御部３がトリガー制御回路３８を制御して全てのフラッシュランプＦＬに接続されたショートパルス回路ＳＰおよびロングパルス回路ＬＰのトリガースイッチＳＷを一斉に同時にＯＮ状態とする。このとき、フラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光の一部は直接にチャンバー６内の保持部７へと向かい、他の一部は一旦リフレクタ５２により反射されてからチャンバー６内へと向かい、これらのフラッシュ光の照射により半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が行われる。フラッシュ加熱は、フラッシュランプＦＬからの閃光照射により行われるため、半導体ウェハーＷの表面温度を短時間で上昇することができる。

ここで、第１実施形態においては、相対的に発光時間の短いフラッシュランプＦＬ１と発光時間の長いフラッシュランプＦＬ２とが交互に一列に配列されている（図７）。すなわち、パルス幅（フラッシュ光のパルスの周期）の異なるフラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とが相互に隣接するように配置されている。このため、処理位置の保持部７に保持された半導体ウェハーＷの表面の全領域において、フラッシュランプＦＬ１から照射されたフラッシュ光とフラッシュランプＦＬ２から照射されたフラッシュ光とが相互に均一に重なり合う。その結果、半導体ウェハーＷ表面における発光開始（トリガースイッチＳＷがＯＮ状態となった時点）からの光強度は図９に示すように推移する。同図において、点線はパルス幅の短いフラッシュランプＦＬ１から照射されたフラッシュ光の強度を示し、一点鎖線はパルス幅の長いフラッシュランプＦＬ２から照射されたフラッシュ光の強度を示し、それらの双方を重ね合わせた光強度を実線にて示している。

パルス幅の短いフラッシュランプＦＬ１から照射されたフラッシュ光は、強いピーク強度を示すものの、短時間で強度が減衰する。逆に、パルス幅の長いフラッシュランプＦＬ２から照射されたフラッシュ光は、ピーク強度はフラッシュランプＦＬ１より低いものの、比較的長時間に渡って光強度を維持する。そして、これらフラッシュランプＦＬ１，ＦＬ２から照射されたフラッシュ光が重ね合わされた結果、図９に示すように、発光開始直後においてはフラッシュランプＦＬ１からの閃光照射が支配的となって強いピーク強度が得られ、その後フラッシュランプＦＬ１からのフラッシュ光強度が減衰した後はフラッシュランプＦＬ２からの閃光照射が支配的となって比較的長時間に渡ってある程度の光強度が維持される。

図１０は、発光開始からの半導体ウェハーＷの表面温度の推移を示す図である。発光開始直後においては、主としてパルス幅の短いフラッシュランプＦＬ１から照射された強いピーク強度を有するフラッシュ光によって半導体ウェハーＷの表面が急速にイオンの活性化温度以上の処理温度Ｔ２（１０００℃ないし１１００℃程度）にまで昇温される。その後は、主としてパルス幅の長いフラッシュランプＦＬ２から照射されたなだらかなピークを有するフラッシュ光による保温効果によって比較的長時間に渡って活性化温度以上の温度を維持した後に次第に降温する。その結果、半導体ウェハーＷの表面から比較的深い領域をも活性化温度以上にまで昇温することができ、深い接合の活性化を行うことが可能となる。一方、半導体ウェハーＷの表面（浅い領域）の温度が必要以上に上昇することもなく、半導体ウェハーＷの反りや割れを防止することができる。

このようにして、半導体ウェハーＷの浅い接合のみならず、比較的深い接合も活性化されることとなる。なお、フラッシュランプＦＬ２の発光時間は約３．０ミリセカンドと比較的長いものの、添加した不純物の熱拡散に必要な時間と比較すれば極めて短いため、半導体ウェハーＷの表面（浅い領域）であっても不純物の拡散が生じることはない。

また、フラッシュ加熱の前に保持部７により半導体ウェハーＷを予備加熱しておくことにより、フラッシュランプＦＬからの閃光照射によって半導体ウェハーＷの表面温度を処理温度Ｔ２まで速やかに上昇させることができる。

フラッシュ加熱が終了し、処理位置における約１０秒間の待機の後、保持部７が保持部昇降機構４により再び図１に示す受渡位置まで下降し、半導体ウェハーＷが保持部７から支持ピン７０へと渡される。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、支持ピン７０上に載置された半導体ウェハーＷは装置外部の搬送ロボットにより搬出され、熱処理装置１における半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱処理が完了する。

既述のように、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスがチャンバー６に継続的に供給されており、その供給量は、保持部７が処理位置に位置するときには約３０リットル／分とされ、保持部７が処理位置以外の位置に位置するときには約４０リットル／分とされる。

以上、説明したように、第１実施形態においては、パルス幅の短いフラッシュランプＦＬ１とパルス幅の長いフラッシュランプＦＬ２とを交互に一列に配列している（図７）。従来のように、３０本のフラッシュランプＦＬのパルス幅を一定とした場合には、半導体ウェハーＷの表面から深い領域までをも活性化温度以上に昇温しようとすると、浅い領域の温度が必要以上に高くなり過ぎて熱応力に起因したウェハー反りや割れが生じることは既述した通りである。逆に、半導体ウェハーＷの表面の浅い領域を適温に昇温したときには、深い領域は活性化温度に到達せず、深い接合の活性化を行うことはできなかった。

本実施形態のようにパルス幅の短いフラッシュランプＦＬ１とパルス幅の長いフラッシュランプＦＬ２とを交互に一列に配列すれば、半導体ウェハーＷの表面全面において、フラッシュランプＦＬ１から照射された強いピーク強度のフラッシュ光とフラッシュランプＦＬ２から照射されたなだらかなピークを有するフラッシュ光とが均一に重なり合い、半導体ウェハーＷの表面の浅い領域を必要以上に加熱することなく深い領域をも活性化温度以上に昇温することができ、半導体ウェハーＷに反りや割れを生じさせることなく深い接合の活性化を行うことができる。

＜２．第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の熱処理装置の全体構成は概ね図１，５に示した第１実施形態の装置構成と同じであり、また第２実施形態の熱処理装置における半導体ウェハーＷの処理手順についても第１実施形態と同一である。第２実施形態の熱処理装置が第１実施形態と相違するのは、フラッシュランプＦＬの配置態様である。

図１１は、第２実施形態における複数のフラッシュランプＦＬの配置構成を示す図である。第２実施形態においては、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とが井桁状に交差して配列されている。すなわち、複数のフラッシュランプＦＬを同数の２つのランプ群に区分し、そのうちの一方のランプ群（第１ランプ群）をショートパルス回路ＳＰに接続するとともに、他方のランプ群（第２ランプ群）をロングパルス回路ＬＰに接続する。第１ランプ群を構成するフラッシュランプＦＬ１は水平方向に沿って互いに平行となるように平面上に配列されている。また、第２ランプ群を構成するフラッシュランプＦＬ２も水平方向に沿って互いに平行となるように平面上に配列されいる。そして、第１ランプ群の配列面と第２ランプ群の配列面とを、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とが井桁状に交差するように重ねて配置するのである。なお、ショートパルス回路ＳＰおよびロングパルス回路ＬＰは第１実施形態と同様のものであり、フラッシュランプＦＬの配置以外の残余の構成についても第１実施形態と同じである。また、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２との配列の上下関係はいずれが上であっても良い。

第２実施形態の如き交差配列としても、処理位置の保持部７に保持された半導体ウェハーＷの表面全面において、フラッシュランプＦＬ１から照射されたフラッシュ光とフラッシュランプＦＬ２から照射されたフラッシュ光とが相互に均一に重なり合う。その結果、半導体ウェハーＷ表面における発光開始からの光強度は図９に示すように推移し、半導体ウェハーＷの表面温度は図１０に示すように推移する。すなわち、第２実施形態のように、パルス幅の短いフラッシュランプＦＬ１とパルス幅の長いフラッシュランプＦＬ２とを井桁状に交差して配列すれば、半導体ウェハーＷの表面全面において、フラッシュランプＦＬ１から照射された強いピーク強度のフラッシュ光とフラッシュランプＦＬ２から照射されたなだらかなピークを有するフラッシュ光とが均一に重なり合い、半導体ウェハーＷの表面の浅い領域を必要以上に加熱することなく深い領域をも活性化温度以上に昇温することができ、半導体ウェハーＷに反りや割れを生じさせることなく深い接合の活性化を行うことができる。

＜３．第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態の熱処理装置の全体構成も概ね図１，５に示した第１実施形態の装置構成と同じであり、また第３実施形態の熱処理装置における半導体ウェハーＷの処理手順についても第１実施形態と同一である。第３実施形態の熱処理装置が第１実施形態と相違するのは、フラッシュランプＦＬの形状および配置態様である。

図１２は、第３実施形態における複数のフラッシュランプＦＬの配置構成を示す図である。第１および第２実施形態ではフラッシュランプＦＬを円筒状のガラス管９２を備えた棒状ランプとしていたが、第３実施形態においてはフラッシュランプＦＬを点光源ランプ（例えば球状ランプ）としている。点光源ランプである複数のフラッシュランプＦＬを同数の２つのランプ群に区分し、そのうちの一方のランプ群（第１ランプ群）をショートパルス回路ＳＰに接続するとともに、他方のランプ群（第２ランプ群）をロングパルス回路ＬＰに接続する点は第１および第２実施形態と同じである。そして、第３実施形態においては、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とを縦方向および横方向の双方について交互に配列している。すなわち、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とを市松模様に配列しているのである。なお、ショートパルス回路ＳＰおよびロングパルス回路ＬＰは第１実施形態と同様のものであり、フラッシュランプＦＬの形状および配置以外の残余の構成についても第１実施形態と同じである。

第３実施形態の如きランプ配列としても、処理位置の保持部７に保持された半導体ウェハーＷの表面全面において、フラッシュランプＦＬ１から照射されたフラッシュ光とフラッシュランプＦＬ２から照射されたフラッシュ光とが相互に均一に重なり合う。その結果、半導体ウェハーＷ表面における発光開始からの光強度は図９に示すように推移し、半導体ウェハーＷの表面温度は図１０に示すように推移する。すなわち、第３実施形態のように、パルス幅の短いフラッシュランプＦＬ１とパルス幅の長いフラッシュランプＦＬ２とを市松模様状に配列すれば、半導体ウェハーＷの表面全面において、フラッシュランプＦＬ１から照射された強いピーク強度のフラッシュ光とフラッシュランプＦＬ２から照射されたなだらかなピークを有するフラッシュ光とが均一に重なり合い、半導体ウェハーＷの表面の浅い領域を必要以上に加熱することなく深い領域をも活性化温度以上に昇温することができ、半導体ウェハーＷに反りや割れを生じさせることなく深い接合の活性化を行うことができる。

＜４．変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記各実施形態においては、フラッシュランプＦＬ１の発光開始タイミングとフラッシュランプＦＬ２の発光開始タイミングとを同時としていたが、これをずらすようにしても良い。図１３は、パルス幅の短いフラッシュランプＦＬ１の発光開始タイミングをパルス幅の長いフラッシュランプＦＬ２よりも早くしたときの半導体ウェハーＷ表面における光強度の推移を示す図である。具体的には、制御部３がトリガー制御回路３８を制御してフラッシュランプＦＬ１に接続されたショートパルス回路ＳＰのトリガースイッチＳＷをＯＮ状態とした後にフラッシュランプＦＬ２に接続されたロングパルス回路ＬＰのトリガースイッチＳＷをＯＮ状態とする。

一方、図１４は、パルス幅の短いフラッシュランプＦＬ１の発光開始タイミングをパルス幅の長いフラッシュランプＦＬ２よりも遅くしたときの半導体ウェハーＷ表面における光強度の推移を示す図である。具体的には、制御部３がトリガー制御回路３８を制御してフラッシュランプＦＬ２に接続されたロングパルス回路ＬＰのトリガースイッチＳＷをＯＮ状態とした後にフラッシュランプＦＬ１に接続されたショートパルス回路ＳＰのトリガースイッチＳＷをＯＮ状態とする。なお、図１３および図１４においては、図９と同様に、点線はパルス幅の短いフラッシュランプＦＬ１から照射されたフラッシュ光の強度を示し、一点鎖線はパルス幅の長いフラッシュランプＦＬ２から照射されたフラッシュ光の強度を示し、それらの双方を重ね合わせた光強度を実線にて示している。また、フラッシュランプＦＬの配列は上記第１実施形態から第３実施形態のいずれであっても良い。

図１３または図１４のように、フラッシュランプＦＬ１の発光開始タイミングとフラッシュランプＦＬ２の発光開始タイミングとをずらしても、フラッシュランプＦＬ１から照射された強いピーク強度のフラッシュ光とフラッシュランプＦＬ２から照射されたなだらかなピークを有するフラッシュ光とが重なり合い、半導体ウェハーＷの表面の浅い領域を必要以上に加熱することなく深い領域をも活性化温度以上に昇温することができ、半導体ウェハーＷに反りや割れを生じさせることなく深い接合の活性化を行うことができる。さらに、発光開始タイミングをずらす時間に応じて活性化温度以上に昇温する領域の深さや半導体ウェハーＷの表面温度を適宜調整することが可能となり、熱処理パターンのバリエーションを豊富なものとすることができる。

また、フラッシュランプＦＬの配列態様は図７，１１，１２のパターンに限定されるものではなく、種々のパターンを採用することが可能である。但し、パルス幅の短いフラッシュランプＦＬ１またはパルス幅の長いフラッシュランプＦＬ２が偏在する配置（例えば、図７において紙面右側半分にフラッシュランプＦＬ１のみを配置し、左側半分にフラッシュランプＦＬ２のみを配置）とすると、半導体ウェハーＷの表面に強いピーク強度のフラッシュ光のみが照射される領域となだらかなピークを有するフラッシュ光のみが照射される領域とが生じ、活性化処理が不均一となる。このため、半導体ウェハーＷの表面全面において、フラッシュランプＦＬ１から照射された強いピーク強度のフラッシュ光とフラッシュランプＦＬ２から照射されたなだらかなピークを有するフラッシュ光とが均一に重なり合う図７，１１，１２の如きランプ配置とする方が好ましい。

また、上記各実施形態においては、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とを同数としていたが、これに限定されるものではなく、いずれかの数が多くても良い。すなわち、複数のフラッシュランプのうちの一部にて構成される第１ランプ群をショートパルス回路ＳＰに接続するとともに、残部にて構成される第２ランプ群をロングパルス回路ＬＰに接続する構成であれば良い。

また、上記各実施形態のショートパルス回路ＳＰおよびロングパルス回路ＬＰにおいては、図６の構成における電源ユニット９５を定電圧電源で構成し、所定の定電圧をコンデンサー９３に供給するようにしていたが、これに限られるものではなく、ショートパルス回路ＳＰ、ロングパルス回路ＬＰのそれぞれの電源ユニット９５を可変電源で構成し、所望の電圧をコンデンサー９３に印加できるようにしてコンデンサー９３に蓄えるチャージ電圧を可変にできるようにしても良い。このように構成すれば、電源ユニット９５から印加される電源電圧の値を可変にすることでそれぞれショートパルス回路ＳＰと、ロングパルス回路ＬＰとでコンデンサー９３に蓄電するチャージ電圧を自由に設定でき、ショートパルス回路ＳＰとロングパルス回路ＬＰとのチャージ電圧の任意の組み合わせによって、各ショートパルス回路ＳＰとロングパルス回路ＬＰにおける放電量を変えることができる。これにより、ショートパルス回路ＳＰに接続されたフラッシュランプＦＬ１から放電される光の強度と、ロングパルス回路ＬＰに接続されたフラッシュランプＦＬ２から放電される光の強度とを可変にすることができ、上述した発光時間を可変にすることと組み合わせて必要な熱量を必要な時間半導体ウェハーＷに与えることをより自由に選択でき、必要なプロセスに応じて半導体ウェハーＷの表面の所望の深さの領域を自由に活性化させることができる。

また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。

また、上記各実施形態においては、アシスト加熱手段としてホットプレート７１を使用していたが、半導体ウェハーＷを保持する保持部７の下方に複数のランプ群（例えば複数のハロゲンランプ）を設け、それらからの光照射によってアシスト加熱を行うようにしても良い。

また、上記各実施形態においては、半導体ウェハーに光を照射してイオン活性化処理を行うようにしていたが、これに限られるものではなく、コバルトシリサイド層やニッケルシリサイド層を形成する構成においても本発明にかかる熱処理装置を使用することにより、十分な膜厚のシリサイド層を形成することができる。さらに、本発明にかかる熱処理装置による処理対象となる基板は半導体ウェハーに限定されるものではない。例えば、窒化シリコン膜や多結晶シリコン膜等の種々のシリコン膜が形成されたガラス基板に対して本発明にかかる熱処理装置による処理を行っても良い。一例として、ＣＶＤ法によりガラス基板上に形成した多結晶シリコン膜にシリコンをイオン注入して非晶質化した非晶質シリコン膜を形成し、さらにその上に反射防止膜となる酸化シリコン膜を形成する。この状態で、本発明にかかる熱処理装置により非晶質のシリコン膜の全面に光照射を行い、非晶質のシリコン膜が多結晶化した多結晶シリコン膜を形成することもできる。

また、ガラス基板上に下地酸化シリコン膜、アモルファスシリコンを結晶化したポリシリコン膜を形成し、そのポリシリコン膜にリンやボロン等の不純物をドーピングした構造のＴＦＴ基板に対して本発明にかかる熱処理装置により光照射を行い、ドーピング工程で打ち込まれた不純物の活性化を行うこともできる。

１ 熱処理装置
３ 制御部
４ 保持部昇降機構
５ ランプハウス
６ チャンバー
７ 保持部
５２ リフレクタ
５３ ランプ光放射窓
６１ チャンバー窓
６５ 熱処理空間
７１ ホットプレート
７２ サセプタ
ＦＬ，ＦＬ１，ＦＬ２ フラッシュランプ
ＬＰ ロングパルス回路
ＳＰ ショートパルス回路
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (1)

1. イオンが注入された半導体基板に対してフラッシュ光を照射することによって該半導体基板を加熱する熱処理方法であって、
   前記半導体基板の表面の全領域に少なくとも第１のピーク強度を有するフラッシュ光を第１のフラッシュランプから照射して前記半導体基板の表面温度を前記半導体基板に注入されたイオンの活性化温度以上の処理温度にまで昇温してイオンを活性化させる昇温工程と、
   前記昇温工程の後、前記第１のピーク強度を有するフラッシュ光の強度が低下しているときに前記第１のピーク強度よりも弱い第２のピーク強度に到達するフラッシュ光を第２のフラッシュランプから前記半導体基板の表面の全領域に照射して少なくとも前記第２のピーク強度を有するフラッシュ光照射によって前記半導体基板の表面温度を前記活性化温度以上に所定時間以上維持する保温工程と、
   を備えることを特徴とする熱処理方法。

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