KR20100138734A - 반도체 웨이퍼의 국지적 연마 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 웨이퍼의 일측부를 국지적으로 연마하는 방법으로서, 상기 반도체 웨이퍼는, 회전형 연마 플레이트 상에 놓이며 고정된 연마재를 포함하는 연마 패드에 대해 반도체 웨이퍼의 측면이 연마되는 상황에서 회전형 연마 헤드에 의해 압박되고, 상기 연마 헤드에는 탄성 멤브레인이 마련되며, 상기 연마 헤드는 기체 또는 액체 쿠션에 의해 반경방향으로 복수 개의 챔버로 세분되고, 작용하는 연마 압력은 각각의 챔버에 대해 상이하게 선택될 수 있으며, 상기 반도체 웨이퍼는 그동안 인가 압력으로 연마 패드에 대해 마찬가지로 압박될 수 있는 리테이너 링에 의해 적소에 유지되고, 연마제(polishing agent)가 반도체 웨이퍼와 연마 패드 사이에 도입되며, 연마 헤드의 반도체 웨이퍼의 에지 영역에 놓이는 챔버에서 연마 압력이 반도체 웨이퍼에 인가되고, 단지 반도체 웨이퍼의 에지에서만 재료가 현저하게 제거되도록 리테이너 링의 인가 압력을 선택하는 것인 반도체 웨이퍼의 국지적 연마 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 반도체 웨이퍼의 국지적 연마 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼는 통상적으로 실리콘 웨이퍼, 즉 실리콘으로부터 유래된 SiGe(실리콘-게르마늄)과 같은 층상 구조를 갖는 기판이거나, SOI, SGOI 또는 GeOI 웨이퍼이다. 이들 반도체 웨이퍼, 특히 SOI 웨이퍼 및 SiGe 웨이퍼는 가장 수요가 많은 용례, 구체적으로 최첨단 마이크로프로세서의 제조를 위한 것이다.
SOI["실리콘 온 인슐레이터(Silicon On Insulator)"] 웨이퍼는 일반적으로 소위 "도너 웨이퍼"로부터 지지 웨이퍼("핸들 웨이퍼" 또는 "베이스 웨이퍼")로 실리콘 웨이퍼를 전사함으로써 제조된다. 실리콘 웨이퍼를 전사함으로써 SOI 웨이퍼를 제조하는 방법은, 예컨대 Smart Cut®(EP 533551 A1 참조) 또는 Genesis Process®의 명칭으로 알려져 있다. 또 다른 방법은 WO 03/003430 A2에 설명되어 있다. SOI 웨이퍼는 지지 웨이퍼와, 이 지지 웨이퍼에 연결되며 전자 소자의 제조를 위한 소위 활성층에 해당하는 실리콘 커버층("상부층" 또는 "디바이스 층")을 포함한다. 완전한 지지 웨이퍼가 유리 또는 사파이어와 같은 전기 절연 재료로 이루어지거나, 예컨대 실리콘 산화물로 이루어진 전기 절연 삽입층을 통해 실리콘 커버층이 지지 웨이퍼에 연결된다[이 경우 상기 삽입층을 "BOX(Buried Oxide Layer)"라고 함]. 후자의 경우, 지지 웨이퍼는 반드시 절연체이어야만 하는 것은 아니며, 이는 예컨대 반도체 웨이퍼, 바람직하게는 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
종래 기술에서는, 전술한 전사 방법 이외에도, 또한 통상적으로 소위 SIMOX("separation by ion implantation of oxygen") 공정에 의해 SOI("실리콘 온 인슐레이터") 구조가 제조된다. SIMOX 방법에서는, 실리콘 기판에 매립된 산화물 층을 형성하기 위해, 산소를 다량으로 실리콘 기판에 주입하며, 후속하여 이 실리콘 기판을 높은 온도(1200 ℃를 초과함)에서 열처리하고 산화시킨다.
마찬가지로, SIMOX 및 층 전사 방법은 또한 SGOI("silicon/germanium on insulator") 및/또는 GeOI("germanium on insulator") 구조의 제조에 적합하다.
또한, 가상 기판이라고도 불리는, 게르마늄 비율이 높은 SiGe 층은 특히 2축으로 변형되는 실리콘의 제조를 위해 채용된다. 실리콘 격자의 변형은 전하 캐리어의 이동도를 증가시키며, 특히 변형되지 않는 실리콘 채널을 갖는 것보다 성능이 양호한 CMOS 소자를 이용할 수 있도록 하기 위해 사용된다.
가상 기판은 원칙적으로 단결정 실리콘 기판, 예컨대 실리콘 반도체 웨이퍼 상에 직접 증착될 수 있다. 그러나, 이러한 과정에 있어서, 불일치 전위(misfit dislocation) 및 스레딩 전위(threading dislocation)와 같은 결함이 다수 형성된다. 스레딩 전위 및 그 축적["누적(pile-ups)"]은 가상 기판의 표면으로 연장되며, 또한 가상 기판 상에 증착되는 변형된 실리콘 층의 표면으로 연장된다. 따라서, 스레딩 전위의 밀도 및 그 누적을 제한하는 방법을 찾고자 하는 시도가 이루어져 왔다. 이러한 제한은, 그레이드(graded) SiGe 버퍼층을 초기에 증착함으로써 이루어질 수 있으며, 이때 게르마늄의 원자 비율은 선형적으로 증가하거나["선형 그레이딩(grading)"] 또는 계단식으로 증가한다("계단식 그레이딩"). 일정한 게르마늄 함량을 갖는 SiGe 층이 최종적으로 SiGe 버퍼층 상에 증착되며, 이완된 상태에서 가상 기판을 형성한다.
본 명세서에서 설명되는 반도체 웨이퍼는 또한 그 기하학적 형상에 있어서 가장 엄격한 요건을 충족시켜야만 한다. 본질적으로, 상기 요건은 국제적으로 인정되는 "반도체에 관한 기술 로드맵(ITRS)"에 의해 정해지며, 이 기술 로드맵은 해마다 검토된다. 예를 들면, 기하학적 형상, 평탄도, 나노토폴로지 등에 관한 요건이 강화된 22 nm 기술이 현재 개발중이다. 각각의 경우, 차세대 기술(16 nm 설계 규칙이 22 nm 기술을 뒤따름)의 목표는, 마이크로전자 소자의 집적 밀도를 더 높이고, 클록 속도를 더 빠르게 하며, 스위칭 속도를 더 빠르게 하는 것이다.
상기 제조 방법은 이러한 강화된 요건을 충족해야만 하며, 따라서 웨이퍼 제작 단계 모두가 이에 부응하게 적합해야만 하고, 종종 다른 새로운 공정으로 대체되어야만 한다.
향후 매우 중요해질 것으로 예상되는 SiGe 웨이퍼 및 SOI 웨이퍼는 본 발명에 의해 해소되는 추가적인 문제를 수반한다.
전술한 층 전사 방법에서, 채용되는 도너 웨이퍼는 통상적으로 재사용이 가능해야 한다. 그러나, 도너 웨이퍼의 분리 이후에, (실리콘 웨이퍼를 전사하기 위해) 웨이퍼를 재사용하기 이전에 웨이퍼의 에지에서는 제거할 필요가 있는 계단부가 발견된다.
SiGe 기술에서는, 후면 상에서 다량으로 도핑된 SiGe로 코팅되는 웨이퍼의 정면 상에 또한 SiGe가 존재하는 문제가 발생한다. 에피텍셜 층을 증착할 때, 재료는 종종 코팅되지 않는 측부 상에 또한 증착된다. 심지어 이는, Si 웨이퍼 상에서의 에피텍셜 Si 층의 통상적인 증착 중에 나타날 수 있고, 이 경우 에지에서 두껍게 함에 따라 에피텍셜 Si 층을 관찰할 수 있다.
더구나, 다수의 반도체 웨이퍼가 오목하게 또는 볼록하게 연마된 형태로 존재한다. 본 명세서에서 언급될 수 있는 예에서는, 웨이퍼의 중앙 또는 웨이퍼의 내부 영역보다 에지에서 웨이퍼가 더 두껍다.
전술한 경우에는, 이들 에지 계단부, 에지 영역에서의 원치않는 코팅 또는 에지 영역에서의 원치않는 두께 증가부를 제거하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 에지 계단부, 에지 영역에서의 원치않는 코팅 또는 에지 영역에서의 원치않는 두께 증가부를 제거하는, 반도체의 국지적 연마 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 반도체 웨이퍼의 일측부를 국지적으로 연마하는 방법에 의해 달성되며, 이때 반도체 웨이퍼는, 회전형 연마 플레이트 상에 놓이며 견고하게 결합된 연마재(abrasive)를 포함하는 연마 패드에 대해 반도체 웨이퍼의 측면이 연마되는 상황에서 회전형 연마 헤드에 의해 압박되고, 상기 연마 헤드는 탄성 멤브레인을 구비하며 기체 또는 액체 쿠션에 의해 반경방향으로 복수 개의 챔버로 세분되고, 작용되는 연마 압력은 각각의 챔버에 대해 상이하게 선택될 수 있으며, 반도체 웨이퍼는 이 과정 중에, 인가 압력으로 연마 패드에 대해 유사하게 압박되는 리테이너 링에 의해 적소에 유지되고, 연마제(polishing agent)가 반도체 웨이퍼와 연마 패드 사이에 도입되며, 연마 헤드의 반도체 웨이퍼의 에지 영역에 놓이는 챔버에서 반도체 웨이퍼에 가해지는 연마 압력 및 리테이너 링의 인가 압력은, 단지 반도체 웨이퍼의 에지에서만 재료가 실질적으로 제거되도록 선택된다.
기본적으로, 반도체 웨이퍼는, 연마 플레이트 상에 놓이는 연마 패드에 대해 반도체 웨이퍼의 측면이 연마되는 상황에서 "연마 헤드"의 도움을 받아 압박된다.
또한, 연마 헤드는, 기판을 측방향으로 둘러싸고 기판이 연마 중에 연마 헤드에서 미끄러지지 않도록 하는 "리테이너 링"을 포함한다. 따라서, 연마 중에 발생되는 횡방향 힘 때문에 웨이퍼가 연마 헤드로부터 미끄러지지 않도록 하기 위해, 웨이퍼는 이러한 리테이너 링에 의해 적소에 유지된다. 이들 디바이스는 다양한 특허(US 6293 850 B1, US 6033292, EP 1029633 A1, US 5944590)에 설명되어 있다. 본 발명에 따른 방법에서, 리테이너 링은 마찬가지로 어느 정도 연마 패드 상에 확실하게 압박된다.
이때 사용되는 연마 헤드(캐리어)에서, 연마 패드 반대쪽에 있는 반도체 웨이퍼의 측면은, 인가되는 연마 압력을 전달하는 탄성 멤브레인 상에서 지지된다. 이 멤브레인은 챔버 시스템의 구성요소이며, 바람직하게는 기체 또는 액체 쿠션에 의해 형성되는 5개의 영역으로 세분된다.
압력 챔버들은 바람직하게는 동심으로 또는 세그먼트 방식으로 배치되며, 특정 압력이 서로 독립적으로 이들 압력 챔버에 인가될 수 있다. 최종적으로, 연마 압력은 압축된 압력 챔버의 탄성 지지면을 통해 지지 플레이트의 후면에 전달된다.
연마 압력은 동심으로 배치되는 압력 챔버에 의해 반도체 웨이퍼의 직경에 걸쳐 동심원으로 제어되는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 형성된 연마 압력은 특히 연마 대상 반도체 웨이퍼의 에지에서 반경방향 하위영역(subzone)에 인가될 수 있다.
캐리어는, 외측으로부터 내측을 향해 링 폭만큼 각각 반경이 감소되며 동심으로 배치되는 환형 압력 챔버를 포함한다. 링 폭은 바람직하게는 1 내지 100 mm이고, 더욱 바람직하게는 10 내지 50 mm이다.
바람직하게는, 유지용 플레이트의 전체 표면이 이러한 압력 챔버에 의해 점유된다.
기판의 연마는, 기판과 연마 패드 사이에 연마제를 공급하면서 연마 헤드 및 연마 플레이트를 회전시키는 것에 의해 이루어진다.
추가적으로, 연마 헤드는 또한 연마 패드 표면의 보다 광범위한 이용이 달성되도록 하기 위해 연마 패드에 걸쳐 병진운동할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 연마 패드에 결합되는 연마재를 포함하는 연마 패드(FAP 또는 FA 패드)가 사용된다.
적절한 연마재는 바람직하게는 세륨, 알루미늄, 실리콘 또는 지르코늄 원소의 산화물 입자, 또는 예컨대 US 6602117 B1에서 설명한 연마 패드에 대응하는 탄화규소, 질화붕소 또는 다이아몬드와 같은 경질 물질의 입자를 포함한다.
입자 크기는 바람직하게는 0.1 내지 1.0 ㎛, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.6 ㎛, 가장 바람직하게는 0.1 내지 0.25 ㎛이다.
특히 적절한 연마 패드는 복제된 미세구조가 부여된 표면 토폴로지를 갖는다. 이들 미세구조("포스트")는, 예컨대 원통형 혹은 다각형 단면을 갖는 컬럼의 형상 또는 피라미드 혹은 피라미드 절두체의 형상을 갖는다.
예컨대 WO 92/13680 A1 및 US 2005/227590 A1에는 이러한 연마 패드에 대한 추가적인 설명이 포함되어 있다.
본 발명에 따른 방법은 단일 플레이트 및 다중 플레이트 연마기 상에서 동등하고 양호하게 행해질 수 있다. 바람직하게는 2개, 더욱 바람직하게는 3개의 연마 플레이트 및 연마 헤드를 갖는 다중 플레이트 연마기를 사용하는 것이 바람직하다.
어플라이드 머티리얼즈 인크(Applied Materials, Inc)의 AMAT 반사형 다중 플레이트 연마기가 특히 적합하다.
본 발명의 본질은, 캐리어의 압력 프로파일이 연마기에 의해 다양한 영역에서 상이하게 조절될 수 있도록 하는 것이다. 상이하게 조절 가능한 압력 프로파일을 갖는 5구역 멤브레인 캐리어를 포함하는 AMAT 반사형 다중 플레이트 연마기가 이러한 경우에 해당된다.
본 발명은 단지 에지 영역에만 영향을 주는 국지적으로 제한된 연마를 설명한다. 이를 위해, 견고하게 결합된 연마재를 포함하는 연마 패드와 함께, 비분리 접촉식 리테이너 링을 갖는 5구역 멤브레인 캐리어가 사용된다.
본 발명은 또한 결합된 연마재에 기초하여 국지적으로 작용하는 초정밀 연삭 방법에 관한 것이다. 단지 매우 경질인 FAP 패드(연마 패드 또는 연삭 패드)와 함께 대응하는 멤브레인 캐리어의 가압에 의해서만, 국지적이고 제한적이며 바람직한 제거가 이루어질 수 있다. 역으로, CMP에서 사용되는 바와 같은 연질 연마 패드를 이용하면, 심지어 캐리어의 적절한 압력 프로파일을 설정하는 경우에도 본 발명은 성공적이지 못할 것이다.
본 발명에 의해 반도체 웨이퍼의 외측 에지 영역을 국지적으로 연마할 수 있으며, 본 발명은 특히 직경이 300 mm 이상인 반도체 웨이퍼, 특히 직경이 450 mm인 반도체 웨이퍼에서 유리하다. 본 발명은 통상적인 연마 장비 상에서 실시될 수 있다. 본 발명을 수행하기 위해 추가적인 장비를 마련하거나 상용 연마기를 개장할 필요는 없다.
본 발명에 따르면, 에지 계단부, 에지 영역에서의 원치않는 코팅 또는 에지 영역에서의 원치않는 두께 증가부를 제거할 수 있는, 반도체의 국지적 연마 방법을 얻을 수 있다.
예
예시를 위해 AMAT 반사형 연마기를 사용하였다.
연마 패드로서, 세륨 산화물 입자(입자 크기 0.2 ㎛)가 견고하게 결합되어 있는 연마 패드를 사용하였다.
에지 계단부가 있으며 직경이 300 mm인 SiGe 웨이퍼를 본 발명에 따라 처리하였다.
이하의 연마 파라메타는, 예컨대 에지 계단부를 제거하기 위해 반도체 웨이퍼의 에지에서 재료를 보다 많이 제거하기에 적절하다.
예 1
연마제 : 알칼리성 용액 K2CO3 0.2 중량%
연마제의 체적 유량 : 0.5 l/min
플레이트 회전 속도 : 119 rpm
캐리어 회전 속도 : 123 rpm
리테이너 링 인가 압력 : 0.8 psi
멤브레인 영역 1 내지 영역 5의 압력 프로파일 : 0.1--0.1--0.1--0.1--5 [psi]
예 2
연마제 : 알칼리성 용액 K2CO3 0.2 중량%
연마제의 체적 유량 : 0.5 l/min
플레이트 회전 속도 : 119 rpm
캐리어 회전 속도 : 123 rpm
리테이너 링 인가 압력 : 4.7 psi
멤브레인 영역 1 내지 영역 5의 압력 프로파일 : 1--2--2--2--6 [psi]
예 3
연마제 : 알칼리성 용액 K2CO3 0.2 중량%
연마제의 체적 유량 : 0.5 l/min
플레이트 회전 속도 : 119 rpm
캐리어 회전 속도 : 123 rpm
리테이너 링 인가 압력 : 6.1 psi
멤브레인 영역 1 내지 영역 5의 압력 프로파일 : 1.5--2--3--3--3.5 [psi]
영역 1 내지 영역 5는 내측으로부터 외측을 향해 동심인 링에 대응하며, 영역 1은 최내측 영역이고 영역 5는 외측 영역(에지 영역)이다.
리테이너 링 인가 압력은 본 발명에 따른 방법에 있어서 바람직하게는 0.5 내지 10 psi이다.
챔버 5(영역 5)에서의 압력은, 본 발명에 따른 방법에 있어서 바람직하게는 영역 1 내지 영역 4에서의 압력보다 항상 높다.
3가지 예 모두에 있어서, 동일한 연마제 및 동일한 연마제의 체적 유량을 사용하였다.
예 1에서는 0.8 psi의 낮은 리테이너 링 인가 압력을 선택한 반면, 캐리어의 영역 5에서의 연마 압력은 5 psi로 영역 1 내지 영역 4에서의 압력보다 훨씬 높게 되도록 선택하였다.
예 2 및 예 3은 보다 높은 리테이너 링 인가 압력을 사용하였지만, 영역 5 및 4개의 내부 영역 사이의 압력차는 덜 뚜렷하였다.
예 2 및 예 3은 반도체 웨이퍼의 최외측 에지에서의 매우 현저하고 분명한 재료 제거를 초래하며, 이는 예 1에서보다 더욱 폭넓게 이루어졌다.
단지 반도체 웨이퍼의 외측 영역에서만 재료를 제거하고자 한다면, 이때에는 내부 영역에 비해 현저하게 높은 영역 5에서의 연마 압력과 함께 1.5 psi 이하의 낮은 리테이너 링 인가 압력이 바람직하다.
이보다 넓게 재료를 제거하고자 한다면, 즉 웨이퍼 에지의 더 넓은 영역을 커버하고자 한다면, 이때에는 4 psi이상의 높은 리테이너 압력을 선택하는 것이 바람직하다.
사전에 에지 계단부가 있었고 예 1 내지 예 3에 따라 연마된 SiGe 웨이퍼 모두는, 전술한 방법을 행한 이후에 에지 계단부가 없어졌다.
본 발명은, 웨이퍼의 중앙에서보다 에지에서 더 두꺼운 실리콘 웨이퍼 상에서 시험되었다. 실리콘 웨이퍼는 주로 DSP 이후의 형태로 존재하였다.
이러한 웨이퍼는 본 발명에 따른 국지적 연마 또는 선택적 연마에 의해 웨이퍼의 중앙에서보다 에지에서 더 많은 재료가 제거되어 전체적으로 평탄하게 될 수 있음을 알 수 있었다.
본 발명은 이에 따라 유리하게는 실리콘 웨이퍼, SiGe 웨이퍼 및 SOI 웨이퍼에 적용될 수 있다.
그러나, 본 발명은 이로써 한정되지 않으며, 또한 국지적으로 재료가 많이 제거되는 것이 바람직한 다른 반도체 웨이퍼의 국지적인 선택적 연마를 위해 사용될 수 있다.
마지막으로, 본 명세서에서는 에지에서의 선택적인 재료 제거를 설명하고 청구하였음을 언급하고자 한다. 그러나, 본 발명은 또한 향후 필요하다면 반도체 웨이퍼의 내부 영역에서의 국지적인 연마를 위해 마찬가지로 사용될 수 있다.
Claims (10)
- 반도체 웨이퍼의 일측부를 국지적으로 연마하는 방법으로서,
상기 반도체 웨이퍼는, 회전형 연마 플레이트 상에 놓이며 견고하게 결합된 연마재(abrasive)를 포함하는 연마 패드에 대해 반도체 웨이퍼의 측면이 연마되는 상황에서 회전형 연마 헤드에 의해 압박되고, 상기 연마 헤드에는 탄성 멤브레인이 마련되며, 상기 연마 헤드는 기체 또는 액체 쿠션에 의해 복수 개의 챔버로 반경방향으로 세분되고, 작용하는 연마 압력은 각각의 챔버에 대해 상이하게 선택될 수 있으며, 상기 반도체 웨이퍼는 그동안 인가 압력으로 연마 패드에 대해 마찬가지로 압박될 수 있는 리테이너 링에 의해 적소에 유지되고, 연마제(polishing agent)가 반도체 웨이퍼와 연마 패드 사이에 도입되며, 연마 헤드의 반도체 웨이퍼의 에지 영역에 놓이는 챔버에서 연마 압력이 반도체 웨이퍼에 인가되고, 단지 반도체 웨이퍼의 에지에서만 재료가 현저하게 제거되도록 리테이너 링의 인가 압력을 선택하는 것인 반도체 웨이퍼의 국지적 연마 방법. - 제1항에 있어서, 상기 연마제는 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH), 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetramethyl ammonium hydroxide; TMAH) 또는 이들의 임의의 혼합물인 화합물의 수용액인 것인 반도체 웨이퍼의 국지적 연마 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 연마제 수용액의 pH는 11.0 내지 12.5이고, 상기 연마제 수용액에서의 상기 화합물의 비율은 0.01 내지 10 중량%인 것인 반도체 웨이퍼의 국지적 연마 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 사용되는 상기 연마 패드는 세륨, 알루미늄, 실리콘 또는 지르코늄 원소의 산화물 입자 또는 경질 물질의 입자로부터 선택되는 연마재를 포함하는 것인 반도체 웨이퍼의 국지적 연마 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 연마 패드는 입자 크기가 0.1 내지 1.0 ㎛인 연마재를 포함하는 것인 반도체 웨이퍼의 국지적 연마 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 연마 패드는 입자 크기가 0.1 내지 0.6 ㎛인 연마재를 포함하는 것인 반도체 웨이퍼의 국지적 연마 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 연마 패드는 입자 크기가 0.1 내지 0.25 ㎛인 연마재를 포함하는 것인 반도체 웨이퍼의 국지적 연마 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 리테이너 링의 인가 압력은 0.5 내지 10 psi인 것인 반도체 웨이퍼의 국지적 연마 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 외부 챔버에서의 압력은 내부 챔버에서의 압력보다 높은 것인 반도체 웨이퍼의 국지적 연마 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는, 직경이 300 mm 이상이며 SiGe 층을 포함하는 웨이퍼 또는 단결정 실리콘 웨이퍼인 것인 반도체 웨이퍼의 국지적 연마 방법.
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