KR20020091325A - 화학적 기계적 평탄화 기계의 폴리싱 헤드 및 그것을이용한 폴리싱방법 - Google Patents
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Abstract
화학적 기계적 평탄화(CMP) 장치에서 캐리어와 멤브레인으로 구성되는 그리고 지지부의 상기 연마 패드상에 위치하는 폴리싱 헤드는 캐리어 내부 중앙부에 설치되는 서포터와 캐리어와 서포터 사이에 위치하는 척킹 링 그리고 이 척킹 링을 상하로 이동시키는 수단을 갖는다. 서포터는 상기 멤브레인과 함께 밀폐된 공간을 형성한다. 척킹 링은 웨이퍼를 진공으로 척킹할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 웨이퍼를 제조하는 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로는 반도체 웨이퍼의 표면을 화학적, 기계적으로 연마하는 장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 장치가 고집적화 됨에 따라 배선구조가 다층화 되어 반도체 기판 상에 적층된 단위 셀들 사이의 표면 단차가 점점 증가되고 있으며, 이들 단위 셀들 사이의 표면 단차를 줄이기 위하여 다양한 웨이퍼 공정면의 연마 방법들이 제시되고 있다. 이들 중 웨이퍼를 화학적 기계적인 연마를 동시에 실시하는 웨이퍼의 연마면(공정면)을 평탄화하는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 장비가 널리 사용되고 있다.
통상적으로, CMP 공정에서는, 웨이퍼가 그것의 연마면(공정면)이 턴 테이블을 향하도록 폴리싱 헤드에 장착되고, 웨이퍼의 연마면(공정면)은 연마 패드가 설치된 턴테이블 상에 놓여진다. 폴리싱 헤드는 턴 테이블의 연마 패드에 대향해 웨이퍼의 후면을 누르도록 웨이퍼 상에 제어 가능한 누르는 힘(로드)를 제공한다. 또, 폴리싱 헤드는 웨이퍼와 턴테이블 사이의 추가적인 운동을 제공하도록 회전할 수도 있다.
효과적인 CMP 공정은 높은 연마 속도로 균일한 편평도의 웨이퍼를 가공하는데 있다. 웨이퍼 연마면의 균일도, 평탄도 및, 연마 속도 등의 특성은 웨이퍼와 연마 패드 사이의 상대속도, 연마 패드에 대향해 웨이퍼를 누르는 힘에 따라 많은 영향을 받는다. 특히, 연마 속도는 연마 패드에 대향해 웨이퍼를 누르는 힘을 크게 하면 할수록 폴리싱 속도는 더 빨라진다. 따라서, 폴리싱 헤드로부터 웨이퍼로 불균일한 누르는 힘이 가해지는 경우 상대적으로 큰 압력을 받는 웨이퍼의 특정 영역이 상대적으로 작은 압력을 받는 다른 영역에 비해서 더 빨리 연마될 것이다.
CMP 공정에서의 연마 균일도는 설비적인 측면, 즉 헤드 구조에 대해 의존적이 특징을 가지고 있다. 따라서, CMP 업체에서는 연마 균일도가 우수한 멤블인 타입의 헤드를 개발, 적용이 활발히 진행되고 있다. 또한, 웨이퍼의 대구경화는 웨이퍼 에지 영역의 CMP 특성을 조절할 수 있는 설비를 요구하고 있다.
본 발명의 목적은 높은 연마 균일도를 갖는 폴리싱 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연마 공정 중에 웨이퍼의 각 영역들로 가해지는 압력을 가변적으로 제어할 수 있는 폴리싱 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연마 공정 중에 웨이퍼의 각 영역들의 연마속도를 가변적으로 제어할 수 있는 폴리싱 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 안정적으로 웨이퍼를 고정할 수 있는 헤드를 갖는 폴리싱 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 웨이퍼의 불균일한 연마 상태를 보여주는 그래프;
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMP 장비의 전개 사시도;
도 3은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 폴리싱 헤드의 분해 사시도;
도 4는 도 3에 도시된 폴리싱 헤드의 외관도;
도 5a는 도 3에 도시된 폴리싱 헤드의 저면도;
도 5b는 도 5a에 표시된 5b-5b선을 따라 취한 폴리싱 헤드의 단면도;
도 6a 내지 도 6C는 제 1 실시예에 따른 CMP 장비에서의 폴리싱 과정을 설명하기 위한 도면들;
도 7은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예의 변형예에 따른 폴리싱 헤드의 단면도;
도 8은 도 7에 도시된 폴리싱 헤드의 저면도;
도 9는 도 7에 도시된 폴리싱 헤드를 이용한 폴리싱 단계를 보여주는 도면;
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 폴리싱 헤드의 단면도;
도 11은 도 10에 도시된 폴리싱 헤드를 이용한 폴리싱 단계를 보여주는 도면;
도 12 및 도 13은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 변형예에 따른 폴리싱 헤드의 단면도들이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
110 : 폴리싱 스테이션 112 : 연마 패드
114 : 턴 테이블120 : 폴리싱 헤드 어셈블리
122 : 구동축 124 : 모터
130 : 폴리싱 헤드132 : 매니폴드
134 : 캐리어136 : 제 2 챔버
140 : 리테이너 링150 : 서포터
152 : 상면154 : 저면
156 : 제 1 홀158 : 제 1 챔버
160 : 척킹 링170, 170a : 멤브레인
172 : 베큠홀174 : 간막이벽
184 : 척킹 링186 : 센터 서포터
188 : 미들 서포터190 : 척킹 링
196 : 탄성 부재X1 : 제 1 영역
X2 : 제 2 영역X3 : 제 3 영역
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 웨이퍼를 연마하기 위한 장치는 상부면에 연마 패드가 장착되어 있는 지지부 및; 캐리어와 멤브레인으로 구성되는 그리고 상기 연마 패드 상에 위치하는 폴리싱 헤드를 구비할 수 있다. 상기 폴리싱 헤드는, 상기 캐리어 내부 중앙부에 설치되는 그리고 상기 멤브레인과 함께 밀폐된 공간을 형성하는 서포터와; 상기 캐리어와 상기 서포터 사이에 위치하는 그리고 웨이퍼를 진공으로 척킹하기 위한 척킹 링 그리고 상기 척킹 링을 상하로 이동시키는 수단으로 이루어진다. 여기서, 상기 이동 수단은 상기 캐리어와 상기 척킹 링 사이에 설치되며, 이 이동 수단은 외부로부터 공급되는 공기압에 의해 부풀어지면서 상기 척킹 링을 상하 이동시키는 탄성 부재를 구비한다.
이와 같은 본 발명에서 상기 척킹 링은 상기 멤브레인에 의해 피복될 수 있다. 상기 멤브레인은 제 1 및 제 2 영역들로 분할되며, 상기 제 1 및 제 2 영역들은 상기 캐리어와 함께 밀폐된 공간들을 각각 확보하고, 상기 밀폐된 제 1 및 제 2 영역들로의 진공 및 공기압의 조절이 상호 독립적으로 이루어질 수 있다. 여기서 상기 제 1 영역은 상기 멤브레인의 중앙에 위치하고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역을 감싸도록 위치할 수 있으며, 상기 제 1 영역은 제 2 영역보다 그 폭이 작을 수 있다.
이와 같은 본 발명에서 상기 멤브레인은 웨이퍼 척킹/릴레이즈를 위한 베큠홀과, 구획을 위한 간막이 벽을 갖을 수 있다. 이 베큠홀은 상기 멤브레인의 상기 제 1 영역에 또는 상기 멤브레인의 상기 제 2 영역에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 웨이퍼를 연마하기 위한 장치는 상부면에 연마 패드가 장착되어 있는 지지부와; 캐리어와, 제 1 및 제 2 영역들로 분할되는 멤브레인으로 구성되는 그리고 상기 지지부의 상기 연마 패드 상에 위치하는 폴리싱 헤드를 포함한다. 상기 폴리싱 헤드는 상기 캐리어의 내부 중앙부에 설치되어서 제 1 챔버를 제공하는 서포터와, 상기 서포터와 동일선상의 캐리어 내부에 설치되어서 제 2 챔버를 제공하는 척킹 링을 갖고, 상기 멤브레인은 상기 서포터와 상기척킹 링으로부터 이격 가능하도록 상기 서포터와 상기 척킹 링을 피복한다.
이와 같은 본 발명에서 상기 제 1 영역은 상기 멤브레인의 중앙에 위치하고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역을 감싸도록 위치하되; 상기 제 1 영역은 링 형태로 이루어질 수 있다. 이 링 형태의 상기 제 1 영역의 중앙부에는 진공 및 공기압의 조절이 상기 제 1 및 제 2 영역들과는 독립적으로 이루어지는 센터 영역이 형성될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 영역들로 분할되는 상기 멤브레인은 링 타입으로 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명에서 상기 제 1 챔버 및 제 2 챔버에는 별도의 기체 유출입 라인이 연결될 수 있다. 그리고, 상기 서포터는 상기 제 1 챔버와 상기 제 1 영역을 연결하는 제 1 홀들을 갖고, 상기 척킹 링은 상기 제 2 챔버와 상기 제 2 영역을 연결하는 제 2 홀들을 갖을 수 있다.
이와 같은 본 발명에서 상기 멤브레인은 웨이퍼 컥킹/릴레이즈를 위한 베큠홀들을 갖되; 이 베큠홀들은 상기 척킹 링의 제 2 홀들과 대응되게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 웨이퍼를 폴리싱 하는 방법에 관한 것으로, 웨이퍼를 폴리싱 헤드의 하부에 위치한 멤브레인의 베큠홀을 통하여 진공 흡착하는 단계; 폴리싱 패드위에 멤브레인에 진공 흡착된 웨이퍼를 위치시키는 단계; 캐리어의 제 1 및 제 2 기체 출입구들로 기체를 주입하여 상기 폴리싱 헤드의 하부에 위치한 멤브레인의 제 1 영역 및 제 2 영역을 팽창시켜 웨이퍼에 제1의 공기압 및 제2의 공기압을 가하는 단계; 상기 폴리싱 헤드를 회전시킴으로써 웨이퍼를 폴리싱 시키는 단계로 이루어진다.
이와 같은 발명에서 상기 제 1 기체 출입구와 상기 제 2 기체 출입구의 기체 유입이 개별적으로 이루어져 상기 멤브레인의 제 1 영역과 제 2 영역에 가해지는 압력은 독립적일 수 있다.
이와 같은 본 발명에서 상기 폴리싱 헤드는 매니폴드와, 캐리어, 서포트 그리고 멤브레인 순으로 구성되어 폴리싱하며, 상기 캐리어는 오목한 형태이고, 상기 서포트는 상기 캐리어의 오목한 안쪽에 배치되며, 상기 서포트에는 상기 멤브레인의 제 1 영역과 제 2 영역으로 가는 기체가 개별적이면서 균일하게 전달되도록 제 1 챔버와 제 2 챔버 그리고 복수개의 홀들을 가지고 있어, 상기 멤브레인에 균일한 압력이 가해지도록 할 수 있다.
본 발명의 다른 특징은 웨이퍼를 폴리싱 하는 방법은 웨이퍼를 폴리싱 헤드내의 제 1 기체 출입구와 연통되는 상기 폴리싱 헤드의 하부에 위치한 척킹 링을 통하여 진공을 형성하여 웨이퍼를 잡아 폴리싱 패드 위로 위치시키는 단계; 캐리어의 제 1 및 제 2 기체 출입들구로 기체를 주입하여 상기 폴리싱 헤드의 하부에 위치한 멤브레인의 제 1 영역 및 제 2 영역을 팽창시켜 웨이퍼에 제1의 공기압 및 제2의 공기압을 가하는 단계; 상기 폴리싱 헤드를 회전시킴으로써 웨이퍼를 폴리싱 시키는 단계로 이루어진다. 여기서 상기 멤브레인은 상기 폴리싱 헤드의 중앙부분에 위치하며, 상기 척킹 링은 상기 멤브레인의 외곽에 배치된다.
이와 같은 본 발명에서 웨이퍼에 공기압을 가하는 단계에서 척킹 링을 하방향으로 이동시켜 웨이퍼의 가장자리에 로드를 가할 수 있다.
이와 같은 본 발명에서 상기 척킹 링은 캐리어와 척킹 링 사이에 위치한 탄성부재로 가해지는 공기압에 의해 상하 이동될 수 있다.
예컨대, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 고안을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부도면 도 2 내지 도 13에 의거하여 상세히 설명한다. 또 도면들에서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다.
[제 1 실시예]
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 CMP 장치(100)는 연마 패드(112)가 부착되어진 회전 가능한 턴 테이블(114)이 설치된 폴리싱 스테이션(110)과 폴리싱 헤드 어셈블리(120)를 갖는다.
상기 턴 테이블(114)은 턴 테이블을 회전시키기 위한 수단(미도시됨)에 연결되어지며, 가장 양호한 폴리싱 과정에서, 상기 회전 수단은 상기 턴 테이블(114)을 분당 약 50 내지 80회전수로 회전시킨다. 물론, 이보다 낮거나 높은 회전속도를 사용할 수 있다. 상기 연마 패드(112)는 거친 폴리싱 면을 갖는 복합재료일 수 있다. 상기 폴리싱 스테이션(110)은 통상의 패드 컨디셔닝 수단(116) 및 반응시약(예, 산화폴리싱용 탈이온수)과 마찰 입자(예, 산화폴리싱용 이산화규소)와 화학 반응 촉매(예, 산화폴리싱용 수산화칼륨)를 포함하는 슬러리를 연마 패드의 표면에 공급하기 위한 슬러리 공급 수단(118)을 포함한다. 여기서, 패드 컨디셔닝 수단 및 슬러리 공급 수단은 이 발명의 요지에 해당하지 않을 뿐만 아니라 공지된 기술이므로 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
상기 폴리싱 헤드 어셈블리(120)는 폴리싱 헤드(130), 구동축(122) 그리고 모터(124)를 포함한다. 폴리싱 헤드(130)는 연마 패드(112)에 대향해서 웨이퍼(10)를 유지하고 웨이퍼(10)의 후면으로 하향 압력을 균일하게 분포시킨다. 폴리싱 헤드(130)는 모터(124)에 연결된 구동축(122)에 의해 분당 40 내지 70 회전수로 회전할 수 있다. 물론, 이보다 낮거나 높은 회전속도를 사용할 수 있다. 또, 폴리싱 헤드(130)에는 공기압을 제공하거나, 또는 웨이퍼를 진공으로 흡착하기 위한 진공을 제공하는 적어도 2개의 유체 공급 채널들이 연결될 수 있다. 물론, 이들 유체 공급 채널들에는 펌프들이 각각 연결된다.
다음에는 도 3 및 도 5b를 참조하면서 폴리싱 헤드(130)를 구체적으로 설명한다. 폴리싱 헤드(130)는 매니폴드(132), 그릇형의 캐리어(134), 리테이너 링(140), 서포터(150), 척킹 링(160) 그리고 유연한 재질의 멤브레인(170)을 포함한다.
매니폴드(132)는 외부로부터 공급되는 2개의 유체 공급채널들을 캐리어의 제 1 및 제 2 기체 출입구(134a,134b)로 분산시키기 위한 부분이다.
서포터(150)는 캐리어(134) 내부에 설치된다. 서포터(150)는 상면(152), 저면(154), 복수의 제 1 홀(156)들 그리고 제 1 챔버(158)를 구비한다. 제 1챔버(158)는 제 1 기체 출입구(134a)와 연통되며, 제 1 홀(156)들은 멤브레인(170)의 제 1 영역(X1)과 연통된다.
척킹 링(160)은 캐리어(134)의 내면 및 서포터(150)의 상면(152)과 함께 제 2 기체 출입구(134b)와 연통되는 제 2 챔버(136)를 제공한다. 제 2 챔버(136)는 척킹 링(160)에 형성된 복수의 제 2 홀(162)들을 통해 맴브레인(170)의 제 2 영역(X2)과 연통된다.
멤브레인(170)은 웨이퍼의 후면(10a)과 직접적으로 면 접촉하는 얇은 고무막으로, 압력을 받으면 팽창하여 웨이퍼(10)의 후면(10a)으로 로드를 가한다. 이 멤브레인(170)은 제 1 영역(space)(X1) 및 제 2 영역(X2)으로 분할된다. 멤브레인의 상기 제 1 및 제 2 영역들(X1,X2)은 서포터(150) 및 척킹 링(160)과 함께 각각 밀폐된 공간들을 각각 확보하고, 밀폐된 제 1 및 제 2 영역들(X1,X2)로의 진공 및 공기압의 조절이 상호 독립적으로 이루어진다. 제 1 영역(X1)은 상기 멤브레인(170)의 중앙에 위치한다. 그리고 제 2 영역(X2)은 제 1 영역(X1)을 감싸도록 위치한다. 제 2 영역(X2)은 제 1 영역(X1)보다 그 폭이 좁다.
이처럼, 상기 척킹 링(160)이 상기 멤브레인에 의해 피복됨으로써, 제 2 영역(X2)으로 제공되는 공기압이 외부로 세어나가지 못하게 되고, 따라서 그 영역으로 제공되는 공기압에 상응하는 만큼 웨이퍼에 로드를 제공할 수 있어 웨이퍼 균일도를 증가시킬 수 있다.
한편, 멤브레인(170)은 웨이퍼 척킹/릴레이즈를 위한 베큠홀(172)들과, 제 1 영역과 제 2 영역을 구획하기 위한 간막이 벽(174)을 갖는다. 베큠홀(172)들은 멤브레인의 제 2 영역(X2)에 형성될 수 있다. 예컨대, 베큠홀(172)은 멤브레인의 제 1 영역(X1)에 형성될 수 있으며, 제 1 영역과 제 2 영역에 모두 형성될 수도 있음을 유념해야 한다. 그리고 이 베큠홀(172)은 상기 척킹 링(160)의 제 2 홀(162)과 동일선상에 형성될 수 있다.
본 발명의 CMP 장치에서는 AMAT(Applied materials)사의 40duro(탄성력을 나타내는 단위)의 멤브레인을 사용하는 것이 바람직하다. 멤브레인의 탄성력은 연막 균일도에 영향을 준다. 예컨대, 멤브레인의 탄성력이 높은 경우, 웨이퍼의 센터 부분이 에지 부분에 비해 상대적으로 더 큰 힘이 가해져서 센터 부분의 연마율이 높아질 수 있으나, 더욱 더 공기압을 크게 하면 센터 부분에 가해짐과 동시에 옆으로 퍼져나가려는 경향도 커지기 때문에 전체적으로 웨이퍼의 연마 균일도를 증가시킬 수 있다. 여기서 멤브레인의 탄성력은 두께와 재질에 의해 조절되어질 수 있음은 물론이며, 그 두께와 재질을 국부적으로 조절하여 웨이퍼의 연마 균일도를 향상시킬 수 도 있다는 것을 유념해야 한다.
한편, 캐리어(134)의 하단 가장자리에는 리테이너 링(140)이 설치된다. 이 리테이너 링(140)은 연마 공정시 웨이퍼(10)가 폴리싱 헤드(130)에서 이탈하는 것을 방지한다.
이러한 CMP 장치에서의 웨이퍼 연마 과정은 다음과 같다.
연마 과정을 크게 나누어보면, 폴리싱 헤드(130)에 진공 흡착된 웨이퍼(10)를 턴 테이블(114)의 연마 패드(112)상으로 로딩하는 단계, 멤브레인(170)의 제 1 영역(X1)과 제 2 영역(X2)에 공기압을 가하여 웨이퍼의 연마면(10b;제 2 표면)에대한 연마를 수행하는 폴리싱 단계, 폴리싱된 웨이퍼(10)를 다시 폴리싱 헤드(130)에 진공 흡착하는 단계, 진공 흡착된 웨이퍼를 턴 테이블(114)의 연마 패드(112)상으로부터 대기 스테이지(미도시됨)로 언로딩하는 단계로 이루어진다.
다음 표 1을 참조하면서 각 단계를 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.
[표 1]
제 1 챔버 | 제 2 챔버 | |
로딩 단계 | vacuum | vacuum |
폴리싱 단계 | pressure | pressure |
척킹 단계 | vacuum or zero | vacuum |
언로딩 단계 | pressure | pressure, zero 중 아무거나(가능한 pressure) |
먼저, 로딩 단계에서는 상기 멤브레인(170)이 웨이퍼의 후면(10a)상에 위치되도록 폴리싱 헤드(130)를 이동시킨다. 그리고, 상기 제 1 기체 출입구(134a)를 통해 제 1 챔버(158)내에 진공(vacuum)을 제공하고, 제 2 기체 출입구(134b)를 통해 상기 제 2 챔버(136)에도 진공을 제공한다. 그러면, 웨이퍼(10)는 멤브레인(170)의 베큠홀(172)들을 통해 상기 멤브레인(170)에 안정적으로 맞닿은 상태로 진공 흡착된다. 이렇게 안정적으로 흡착된 웨이퍼(10)는 상기 턴 테이블(114)의 연마 패드(112) 상으로 로딩되고, 폴리싱 헤드(130)는 웨이퍼(10)가 연마 패드(112)에 접촉할 때까지 하강된다. 도 6b에서와 같이, 폴리싱 단계에서는 제 1 기체 출입구(134a) 및 제 2 기체 출입구(134b)를 통해 상기 제 1 챔버(158) 및 제 2 챔버(134)로 독립적으로 제어 가능한 공기압(pressure)이 가해진다. 이 공기압은 제 1 홀(156)들 및 제 2 홀(162)들을 통해 상기 멤브레인(170)을 팽창시켜, 제 1 영역(서포터와 멤브레인에 의한 공간;X1)와 제 2 영역(척킹 링과 멤브레인에 의한 공간;X2)으로 압력을 제공하고, 각 영역들(X1,X2)로 제공된 공기압은 이 영역들(X1,X2)과 대응되는 웨이퍼(10)의 연마면에 로드로 작용하게 된다. 그리고, 슬러리 공급수단(118)을 통해 슬러리가 공급되고, 폴리싱 헤드(130) 및 턴 테이블(114)은 상호 반대방향 또는 같은 방향으로 회전하게 되면서 웨이퍼의 연마면이 연마되는 것이다. 이때, 각각의 기체 출입구들(134a,134b)로 공급되는 공기압을 조절함으로써, 멤브레인(170)의 제 1 및 제 2 영역들(X1,X2)과 대응되는 웨이퍼의 연마면으로 가해지는 로드를 쉽게 제어할 수 있게 된다.
연마가 완료된 후 척킹 단계에서는, 도 6c에서와 같이, 상기 제 2 기체 출입구(134b)를 통해 제 2 챔버(136)로 진공을 제공한다. 이때, 제 1 챔버(158)에는 진공과 zero(현장에서 주로 사용하는 단어로써 '대기압'을 뜻한다) 중 어느것을 제공하여도 무관하다. 그러면, 웨이퍼(10)는 멤브레인(170)의 제 2 영역(X2)상에 형성된 베큠홀(172)들에 진공 흡착된다. 상기 흡착된 웨이퍼(10)는 턴 테이블의 연마 패드(112)상으로부터 대기 스테이지(미도시됨)로 언로딩 되어진 후, 제 1 및 제 2 챔버들로 제공되는 공기압에 의해 대기 스테이지에 놓여진다.
상술한 바와, 같이 본 실시예에 따른 폴리싱 헤드(130)는 진공 및 공기압의 조절이 상호 독립적으로 이루어지는 제 1 및 제 2 영역들로 분할되는 멤브레인을 구비하고 있는 특징이 있다. 이러한 특징은 각 영역들과 대응되는 웨이퍼의 국부적인 영역들에 개별적으로 제어 가능한 로드를 제공함으로써 웨이퍼의 연마 균일도를 높일 수 있다. 특히, 멤브레인의 제 2 영역(X2)으로 보다 높은 공기압을 제공하면 웨이퍼 에지 영역의 연마 균일도를 높일 수 있다. 한편, 멤브레인은 웨이퍼의 척킹/릴레이즈를 위한 베큠홀들을 갖는데 그 특징이 있다. 이러한 특징은, 멤브레인과 웨이퍼 사이의 진공 누설로 인해 웨이퍼가 느슨하게 척킹되는 문제점을 개선할 수 있다.
본 실시예에서는 하나의 멤브레인이 제 1 및 제 2 영역들로 분할되어 2개의 영역들(X1,X2)을 제공하였으나, 예컨대, 하나의 멤브레인은 적어도 3개의 영역들로 분할될 수 있으며, 이렇게 형성된 영역들로는 개별적인 압력 조절이 가능함은 물론이다.
[제 1 실시예의 변형예]
도 7 내지 도 9에는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예의 변형예에 따른 폴리싱 헤드의 단면도들이 도시되어 있다. 본 변형예에 따른 폴리싱 헤드(130a)는 멤브레인이 제공하는 복수의 영역들(X1,X2)과, 멤브레인이 제공하지 않는 영역(X3)으로 나누어진다는 점과, 각각의 영역들에 독립적으로 제어 가능한 공기압을 제공할 수 있다는 점에서 제 1 실시예의 폴리싱 헤드(130)와는 다르다.
이를 위해 폴리싱 헤드(130a)는 캐리어(134), 센터 서포터(186), 미들 서포터(188), 척킹 링(184) 그리고 멤브레인(170a)을 포함한다.
캐리어(134)는 제 1 내지 제 3 기체 출입구(134a,134b,134c)를 갖는다. 센터 서포터(186)는 상기 제 1 기체 출입구(134a)와 연통되는 제 1 챔버(187) 및, 제 1 챔버(187)로 연통되는 제 1 홀(186a)들이 형성된 저면을 갖는다.
미들 서포터(188)는 캐리어(134) 내부에 센터 서포터(186)와 동일선상에 설치되고 센터 서포터(186)의 외주면에 위치한다. 미들 서포터(188)는 제 2 기체 출입구(134b)와 연통되는 제 2 홀(188a)을 갖는다.
척킹 링(184)는 캐리어(134) 내부에 미들 서포터(188)와 동일선상에 설치되고 미들 서포터(188)의 외주면에 위치하며, 척킹 링(184)는 캐리어(134)의 내면 및 센터 및 미들 서포터들과 함께 제 3 기체 출입구(134c)와 연통되는 제 3 챔버(136)를 제공한다. 제 3 챔버(136)는 척킹 링(184)에 형성된 복수의 제 3 홀(184a)들과 연통된다.
멤브레인(170a)은 링 타입으로 이루어지며, 제 1 영역(space)(X1) 및 제 2 영역(X2)으로 분할된다. 멤브레인(170a)의 제 1 및 제 2 영역들(X1,X2)은 미들 서포터(188) 및 척킹 링(184)와 함께 각각 밀폐된 공간들을 각각 확보하고, 밀폐된 제 1 및 제 2 영역들(X1,X2)로의 진공 및 공기압의 조절이 상호 독립적으로 이루어진다. 제 2 영역(X2)은 제 1 영역(X1)의 바깥쪽에서 제 1 영역(X1)을 감싸도록 위치한다. 멤브레인(170a)은 웨이퍼 척킹/릴레이즈를 위한 베큠홀(172)들과, 제 1 영역과 제 2 영역을 구획하기 위한 간막이 벽(174)을 갖는다. 베큠홀(172)들은 멤브레인의 제 2 영역(X2)과 제 1 영역(X1)에 각각 형성된다. 예컨대, 베큠홀(172)은 멤브레인의 제 1 영역(X1)에만 형성될 수도 있으며, 제 1 영역과 제 2 영역에 모두 형성되지 않을 수 있다. 이 경우, 웨이퍼의 척킹은 센터 영역(X3)으로 진공을 제공함으로써 이루어질 수 있다.
한편, 제 1 영역(X1) 안쪽으로는 센터 영역(X3)이 위치되며, 이를 위해 제 1 영역(X1)은 링 형태로 이루어진다. 이 센터 영역(X3)은 센터 서포터(186), 멤브레인(170a) 그리고 웨이퍼의 상면(10a)과 함께 밀폐된 공간을 확보할 수 있으며, 밀폐된 센터 영역(X3)으로의 진공 및 공기압 조절은 제 1 기체 출입구(134a)를 통해 제 1 영역 및 제 2 영역과는 상호 독립적으로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이 본 변형예에 따른 폴리싱 헤드(130a)는 웨이퍼의 연마 균일도를 높이기 위해 외곽으로부터 제 2 영역(X2), 제 1 영역(X1) 그리고 센터 영역(X3)으로 분할되되, 상기 제 2 영역(X2)과 제 1 영역(X1)은 멤브레인으로 구성되며, 센터 영역(X3)은 멤브레인이 없이 구성되는 구조적인 특징을 갖는다. 그리고 이들 각각의 영역들은 기체 출입구들(134a,134b,134c)을 통해 독립적으로 진공 및 공기압 조절이 이루어지는 특징을 갖는다.
즉, 이러한 방법으로 제 1 영역과 제 2 영역 그리고 제 3 영역에 대응하는 웨이퍼의 국부적인 부분으로 가해지는 로드를 쉽게 제어할 수 있게 되고, 그 결과 웨이퍼의 국부적인 부분의 연마속도를 보다 정밀하게 조절하는 것이 가능하다.
이상과 같은 변형예에 따른 폴리싱 헤드(130a)의 특징적인 구성 및 그 작용을 제외하고는 제 1 실시예의 그것과 동일하다.
[제 2 실시예]
도 10 및 도 11에는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 폴리싱 헤드의 단면도들이 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 폴리싱 헤드(130b)는 척킹 링이 상하로 이동된다는 점에서 제 1 실시예의 폴리싱 헤드와는 다르다.
이를 위해 폴리싱 헤드(130b)는 매니폴드(132), 그릇형의 캐리어(134), 리테이너 링(140), 센터 서포터(186), 미들 서포터(188) 멤브레인(170b), 척킹 링(190)그리고 이동 수단을 포함한다. 매니폴드(132)는 외부로부터 공급되는 4개의 유체 공급채널들을 캐리어의 기체 출입구들(134a,134b,134c,134d)로 분산시키기 위한 부분이다.
캐리어(134)는 제 1 내지 제 4 기체 출입구(134a,134b,134c,134d)를 갖는다. 센터 서포터(186)는 캐리어 내부에 설치된다. 센터 서포터(186)는 제 1 기체 출입구(134a)와 연통되는 제 1 챔버(187) 및, 제 1 챔버(187)로 연통되는 제 1 홀(186a)들이 형성된 저면을 갖는다.
미들 서포터(188)는 캐리어(134) 내부에 센터 서포터(186)와 동일선상에 설치되고 센터 서포터(186)의 외주면에 위치한다. 미들 서포터(188)는 제 2 기체 출입구(134b)와 연통되는 제 2 홀(188a)을 갖는다.
멤브레인(170b)은 웨이퍼의 후면(10a)과 직접적으로 면 접촉하는 얇은 고무막으로, 압력을 받으면 팽창하여 웨이퍼(10)의 후면(10a)으로 로드를 가한다. 이 멤브레인(170b)은 제 1 영역(X1) 및 제 2 영역(X2)으로 분할된다. 멤브레인의 상기 제 1 및 제 2 영역들(X1,X2)은 센터 서포터(186) 및 미들 서포터(188)와 함께 각각 밀폐된 공간들을 각각 확보하고, 밀폐된 제 1 및 제 2 영역들(X1,X2)로의 진공 및 공기압의 조절이 상호 독립적으로 이루어진다. 제 1 영역(X1)은 상기 멤브레인(170b)의 중앙에 위치한다. 그리고 제 2 영역(X2)은 제 1 영역(X1)을 감싸도록 위치한다. 제 2 영역(X2)은 제 1 영역(X1)보다 그 폭이 좁다.
척킹 링(190)은 캐리어(134) 내부에 미들 서포터(188)와 동일선상에 설치되고 미들 서포터(188)의 외주면에 위치하며, 척킹 링(190)은 캐리어(134)의 내면 및센터 및 미들 서포터들과 함께 제 3 기체 출입구(134c)와 연통되는 제 3 챔버(136)를 제공한다. 척킹 링(190)은 웨이퍼(10)를 직접적으로 진공 흡착하기 위한 진공 홀(192)을 갖는다. 척킹 링(190)의 저면에는 척킹 링(190)에 의한 웨이퍼(10)의 긁힘 등을 방지하기 위한 그리고 웨이퍼(10)의 고정/비고정시 매질로 사용하기 위한 필름 막(194)들이 부착된다. 이 필름 막(194)들은 진공 홀(192) 형성된 척킹 링(190) 저면의 주변에 부착된다. 척킹 링(190)은 이동 수단에 의해 이동되어 웨이퍼의 에지 부위에 강한 로드를 제공할 수 있다. 도시되어 있지는 않지만, 상하 이동가능한 상기 척킹 링(190)에도 상기 멤브레인이 피복될 수 있음은 물론이다.
척킹 링(190)을 이동시키는 수단은 상기 캐리어(134)와 상기 척킹 링(190) 사이에 설치되고, 외부로부터(제 4 기체 출입구;134d)로부터 공급되는 공기압에 의해 부풀어지면서 상기 척킹 링(190)을 하방향으로 밀어내는 탄성 부재(196)를 갖는다. 이 탄성 부재(196)는 제 4 기체 출입구(134d)를 통해 공급되는 공기압에 의해 압축 팽창되므로 폴리싱 단계시 척킹 링(190)에 하방향 로드를 제공할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 탄성 부재(196)는 탄성을 가진 일종의 합성고무로 캐리어(134)와 척킹 링(190) 사이에서 팽창하고 수축함으로써, 웨이퍼 척킹 단계에서 완충 역할도 충분히 수행할 수 있다.
본 실시예에서는 센터 서포터와 미들 서포터에 하나의 멤브레인이 설치되어 2개의 영역을 제공하였으나, 예컨대, 서포터들 각각에 개별적으로 멤브레인을 설치하여 복수개의 영역을 제공할 수도 있으며, 이와는 반대로 하나의 서포터에 복수의 멤브레인을 설치하여 복수의 영역을 제공할 수 있다는 것을 유념해야 할 것이다. 그리고, 이렇게 형성된 각각의 공간으로는 개별적인 압력 조절을 위한 기체 출입구들과 연통될 수 있음은 물론이다.
상술한 바와, 같이 본 실시예에 따른 폴리싱 헤드는 웨이퍼를 직접적으로 진공 흡착하는 척킹 링을 별도로 구비하고 있는 특징이 있다. 그리고, 척킹 링을 상하로 이동시켜 직접 웨이퍼의 에지부위에 로드를 부여할 수 있는 특징이 있다.
상술한 바와 같은 제 2 실시예에 따른 CMP 장치에서의 웨이퍼 연마 과정은 다음과 같다.
제 1 실시예에서 설명한 바와 같이, 연마 과정은 크게, 폴리싱 헤드(130b)에 진공 흡착된 웨이퍼(10)를 턴 테이블의 연마 패드(112)상으로 로딩하는 단계, 멤브레인(170b)에 공기압을 가하여 웨이퍼의 연마면(제 2 표면)에 대한 연마를 수행하는 폴리싱 단계, 폴리싱된 웨이퍼(10)를 다시 폴리싱 헤드(130b)에 진공 흡착하는 단계, 진공 흡착된 웨이퍼를 턴 테이블의 연마 패드(112)상으로부터 언로딩하는 단계로 이루어진다.
도 11은 폴리싱 단계를 보여주는 도면으로, 도 11에서와 같이, 폴리싱 단계에서는 캐리어(134)의 기체 출입구들(134a,134b,134d)들을 통해 제 1 영역(X1)과 제 2 영역(X2) 그리고 탄성 부재(196)로 개별적으로 제어 가능한 공기압이 가해진다. 제 1 기체 출입구(134a)를 통해 멤브레인의 제 1 영역(X1)으로 공급된 공기압은 웨이퍼의 센터 영역(Z1)에 로드를 제공한다. 제 2 기체 출입구(134b)를 통해 멤브레인의 제 2 영역(X2)으로 공급된 공기압은 웨이퍼의 미들 영역(Z2)에 로드를 제공한다. 제 4 기체 출입구(134d)를 통해 탄성 부재(196)로 공급된 공기압은 탄성 부재(196)를 팽창시키고, 팽창된 탄성 부재(196)에 의해 하방향으로 이동되는 척킹 링(190)은 웨이퍼의 에지 영역(Z3)에 강한 로드를 제공한다. 그리고, 슬러리 공급수단을 통해 슬러리가 공급되고, 폴리싱 헤드(130b) 및 턴 테이블(114)은 상호 반대방향으로 회전하게 되면서 웨이퍼의 연마면이 연마되는 것이다. 이때, 각각의 기체 출입구들로 공급되는 공기압을 조절함으로써, 웨이퍼의 각 영역들(Z1,Z2,Z3)로 가해지는 로드를 쉽게 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는 캐리어(134)의 기체 출입구들(134a,134b,134c,134d)로 공급되는 공기압을 조절하는 것에 의해 웨이퍼의 국부적인 부분(센터 영역, 미들 영역, 에지 영역)으로 가해지는 로드를 쉽게 제어할 수 있게 되고, 그 결과 웨이퍼의 국부적인 부분의 연마속도를 보다 정밀하게 조절하는 것이 가능하다.
예컨대, 제 2 실시예에 따른 CMP 장치의 폴리싱 헤드는 도 12 및 도 13에서와 같이, 하나의 서포터와 하나의 영역을 제공하기 위한 멤브레인 그리고 상하 이동되는 척킹 링을 갖는 폴리싱 헤드(130c)로도 변형될 수 있다.
이상과 같은 폴리싱 헤드(130b)의 특징적인 구성 및 그 작용을 제외하고는 제 1 실시예의 그것들과 동일하므로 여기에서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
이상에서는 바람직한 실시예들을 예시하고 그것을 통해서 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 거기에 한정되는 것이 아님을 유의해야 하며, 본 발명의 사상과 기술적 범위를 벗어나지 않는 선에서 다양한 실시예들 및 변형예들이 있을 수 있다는 것을 잘 이해해야 한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 첫째, 웨이퍼를 직접적으로 진공 흡착하기 때문에 웨이퍼를 보다 안정적으로 고정할 수 있다. 둘째, 멤브레인은 상호 격리된 복수의 영역들을 제공하고, 멤브레인의 각 영역들로 가해지는 공기압을 조절하면, 웨이퍼의 국부적인 부분으로 가해지는 로드를 쉽게 제어할 수 있다. 따라서, 연마 균일도를 높일 수 있다. 셋째, 연마 공정 중에 웨이퍼의 각 영역들로 가해지는 압력을 가변적으로 제어할 수 있어, 웨이퍼의 각 영역들의 연마속도를 보다 정밀하게 조절할 수 있다.
Claims (25)
- 웨이퍼를 연마하기 위한 장치에 있어서:상부면에 연마 패드가 장착되어 있는 지지부와;캐리어와 멤브레인으로 구성되는 그리고 상기 지지부의 상기 연마 패드 상에 위치하는 폴리싱 헤드를 포함하되;상기 폴리싱 헤드는 상기 캐리어 내부 중앙부에 설치되는 그리고 상기 멤브레인과 함께 밀폐된 공간을 형성하는 서포터와;상기 캐리어와 상기 서포터 사이에 위치하는 그리고 웨이퍼를 진공으로 척킹하기 위한 척킹 링 및;상기 척킹 링을 상하로 이동시키는 수단을 포함하는 웨이퍼 연마 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 이동 수단은 상기 캐리어와 상기 척킹 링 사이에 설치되고, 외부로부터 공급되는 공기압에 의해 부풀어지면서 상기 척킹 링을 상하 이동시키는 탄성 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 척킹 링은 상기 멤브레인에 의해 피복되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 멤브레인은 제 1 및 제 2 영역들로 분할되며, 상기 제 1 및 제 2 영역들은 상기 캐리어와 함께 밀폐된 공간들을 각각 확보하고, 상기 밀폐된 제 1 및 제 2 영역들로의 진공 및 공기압의 조절이 상호 독립적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 제 1 영역은 상기 멤브레인의 중앙에 위치하고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역을 감싸도록 위치하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 제 1 영역은 제 2 영역보다 그 폭이 작은 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 멤브레인은 웨이퍼 척킹/릴레이즈를 위한 베큠홀과, 구획을 위한 간막이 벽을 갖는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 베큠홀은 상기 멤브레인의 상기 제 1 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 베큠홀은 상기 멤브레인의 상기 제 2 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
- 웨이퍼를 연마하기 위한 장치에 있어서:상부면에 연마 패드가 장착되어 있는 지지부와;캐리어와, 제 1 및 제 2 영역들로 분할되는 멤브레인으로 구성되는 그리고 상기 지지부의 상기 연마 패드 상에 위치하는 폴리싱 헤드를 포함하되;상기 폴리싱 헤드는 상기 캐리어의 내부 중앙부에 설치되어서 제 1 챔버를 제공하는 서포터와, 상기 서포터와 동일선상의 캐리어 내부에 설치되어서 제 2 챔버를 제공하는 척킹 링을 갖고, 상기 멤브레인은 상기 서포터와 상기 척킹 링으로부터 이격 가능하도록 상기 서포터와 상기 척킹 링을 피복하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
- 제 10 항에 있어서,상기 제 1 챔버 및 제 2 챔버에는 별도의 기체 유출입 라인이 연결되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
- 제 10항에 있어서,상기 서포터는 상기 제 1 챔버와 상기 제 1 영역을 연결하는 제 1 홀들을 갖고, 상기 척킹 링은 상기 제 2 챔버와 상기 제 2 영역을 연결하는 제 2 홀들을 갖는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
- 제 12항에 있어서,상기 멤브레인은 웨이퍼 컥킹/릴레이즈를 위한 베큠홀들을 갖되;상기 베큠홀들은 상기 척킹 링의 제 2 홀들과 대응되게 형성되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
- 제 10 항에 있어서,상기 제 1 영역은 상기 멤브레인의 중앙에 위치하고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역을 감싸도록 위치하되;상기 제 1 영역은 링 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
- 제 14 항에 있어서,링 형태의 상기 제 1 영역의 중앙부에는 진공 및 공기압의 조절이 상기 제 1 및 제 2 영역들과는 독립적으로 이루어지는 센터 영역이 형성되는 것을 특징으로하는 웨이퍼 연마 장치.
- 제 10 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 영역들로 분할되는 상기 멤브레인은 링 타입으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 장치.
- 웨이퍼를 폴리싱 하는 방법에 관한 것으로,웨이퍼를 폴리싱 헤드의 하부에 위치한 멤브레인의 베큠홀을 통하여 진공 흡착하는 단계;폴리싱 패드위에 멤브레인에 진공 흡착된 웨이퍼를 위치시키는 단계;캐리어의 제 1 및 제 2 기체 출입들구로 기체를 주입하여 상기 폴리싱 헤드의 하부에 위치한 멤브레인의 제 1 영역 및 제 2 영역을 팽창시켜 웨이퍼에 제1의 공기압 및 제2의 공기압을 가하는 단계;상기 폴리싱 헤드를 회전시킴으로써 웨이퍼를 폴리싱 시킴을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
- 제 17항에 있어서,상기 제 1 기체 출입구와 상기 제 2 기체 출입구의 기체 유입이 개별적으로 이루어져 상기 멤브레인의 제 1 영역과 제 2 영역에 가해지는 압력은 독립적인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
- 제 17항에 있어서,상기 홀리싱 헤드는 매니폴드와, 캐리어, 서포트 그리고 멤브레인 순으로 구성되어 폴리싱하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
- 제 19항에 있어서,상기 캐리어는 오목한 형태이고, 상기 서포트는 상기 캐리어의 오목한 안쪽에 배치되며, 상기 서포트에는 상기 멤브레인의 제 1 영역과 제 2 영역으로 가는 기체가 개별적이면서 균일하게 전달되도록 제 1 챔버와 제 2 챔버 그리고 복수개의 홀들을 가지고 있어, 상기 멤브레인에 균일한 압력이 가해지도록 하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
- 웨이퍼를 폴리싱 하는 방법에 관한 것으로,웨이퍼를 폴리싱 헤드내의 제 1 기체 출입구와 연통되는 상기 폴리싱 헤드의 하부에 위치한 척킹 링을 통하여 진공을 형성하여 웨이퍼를 잡아 폴리싱 패드 위로 위치시키는 단계;캐리어의 제 1 및 제 2 기체 출입들구로 기체를 주입하여 상기 폴리싱 헤드의 하부에 위치한 멤브레인의 제 1 영역 및 제 2 영역을 팽창시켜 웨이퍼에 제1의 공기압 및 제2의 공기압을 가하는 단계;상기 폴리싱 헤드를 회전시킴으로써 웨이퍼를 폴리싱 시킴을 특징을 하는 웨이퍼 연마 방법.
- 제 21항에 있어서,상기 멤브레인은 상기 폴리싱 헤드의 중앙부분에 위치하며, 상기 척킹 링은 상기 멤브레인의 외곽에 배치되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
- 제 21항에 있어서,웨이퍼에 공기압을 가하는 단계에서 척킹 링을 하방향으로 이동시켜 웨이퍼의 가장자리에 로드를 가함을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
- 제 23항에 있어서,상기 척킹 링은 캐리어와 척킹 링 사이에 위치한 탄성부재로 가해지는 공기압에 의해 상하 이동되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
- 제 21항에 있어서,상기 척킹 링은 멤브레인에 의해 피복되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마 방법.
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