TW201435956A - 離子源 - Google Patents

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TW201435956A
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Thomas N Horsky
Sami K Hahto
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Nissin Ion Equipment Co Ltd
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    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/317—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation

Abstract

提供一種包括至少一電子槍之離子源。該電子槍包括一用以產生一電子束之電子源、及一用以接收氣體之入口。該電子槍亦包括一以至少一陽極及一接地元件來定義之電漿區域，其中該電漿區域可從經由該入口所接收之氣體形成電漿。可以該電子束之至少一部分來維持該電漿。該電子槍進一步包括一出口，其用以輸送(i)該電漿所產生之離子及(ii)該電子源所產生之電子束的至少一部分中之至少一者。

Description

離子源
本發明大致上係有關於離子源，以及更特別地，是有關於適用以沿著一電離室之縱軸產生一具有相對均勻離子密度分佈之離子束。
離子佈植在半導體裝置製造中已是一種關鍵技術及目前使用於包括電晶體(特別地，像記憶體及邏輯晶片之CMOS裝置)中之p-n接面的製造之許多製程。藉由建立包含用以在矽基板中製造電晶體所需之摻質元素的帶正電離子，離子佈植機(ion implanters)可選擇性地控制被引入電晶體結構中之能量(因而，佈植深度)及離子流(因而，劑量)。傳統上，離子佈植機已使用會產生高達約50mm長度之帶狀離子束的離子源。該離子束被輸送至該基板及藉由該帶狀橫越該基板之電磁掃描、該基板橫越該離子束的機械掃描或兩者來達成需要的劑量及劑量均勻性。在一些情況下，藉由沿著一縱軸散開使一初始帶狀離子束擴大成一延長帶狀離子束。在一些情況下，一離子束甚至可採用一橢圓或圓的剖面。
目前，產業感興趣的是，延伸傳統離子佈植機之設計，以產生較大範圍之帶狀離子束。最近產業至較大基板(例如，450mm直徑矽晶圓)之大變遷而產生對延伸帶狀離子束佈植之興趣。在佈植期間，可橫越一延伸帶狀離子束來掃描一基板，同時該 離子束保持靜止。一延伸帶狀離子束使較高劑量率成為可能，因為結果的較高離子流因該延伸帶狀離子束之低空間電荷膨脹(blowup)而經由佈植機離子束線被輸送。為了達成橫越該基板所佈植之劑量的均勻性，該帶狀離子束之離子密度相對於一沿著它的長尺寸延伸之縱軸需要相當均勻。然而，實際上很難達成這樣的均勻性。
在一些離子束佈植機中，已將校正器光學元件(corrector optics)併入該離子束線中，以在離子束輸送期間改變該離子束之離子密度剖面。例如，已使用Bernas型離子源，產生一具有在50mm至100mm間之長度的離子束，然後，使該離子束擴大至期望帶狀尺寸及藉由離子光學元件使該離子束平行，以產生一比要佈植之基板長的離子束。如果該離子束在從該離子源引出時非常不均勻或如果空間電荷負荷及/或離子束輸送光學元件造成像差(aberrations)，使用校正器光學元件通常不足以產生良好的離子束均勻性。
在一些離子束佈植機設計中，使用一大體積離子源，其包括沿著弧形夾縫之縱軸對齊之多陰極，以便可調整從每一陰極之發射，以修改在該離子源內之離子密度剖面。沿著該源之長軸分佈多氣體引入管線，以提升該離子密度剖面之較好的均勻性。這些特徵企圖在離子束引出期間產生一均勻剖面，同時限制離子束剖面校正光學元件之使用。儘管這些努力，特別是當使用具有超過100mm之尺寸的引出孔的離子源時，在該引出離子束中建立一均勻離子密度剖面的問題對於帶狀離子束佈植機之廠商仍然是一個重要的關注問題。因此，一改良離子源設計需要能產生一相對均勻引出離子束剖面。
本發明提供一種能產生一具有均勻離子密度剖面之帶狀離子束的改良離子源且有充分範圍沿著一基板之長度來實質地佈植該基板(例如，一300mm或450mm基板)。在一些具體例中，藉由本發明之離子源產生一延伸帶狀離子束(例如，一450mm帶狀離子束)，接著，一離子佈植機輸送該帶狀離子束，同時在輸送期間實質地維持該離子束尺寸。可以一緩慢水平機械掃描方式橫越該靜止帶狀離子束來掃描該基板。
在一態樣中，提供一種包括至少一電子槍之離子源。該電子槍包括一用以產生一電子束之電子源、一用以接收氣體之入口、一電漿區域及一出口。以至少一陽極及一接地元件來定義該電漿區域。該電漿區域適用以從經由該入口所接收之氣體形成電漿，以及由該電子源所產生之電子束的至少一部分來維持該電漿。該出口係配置成用以輸送(i)該電漿所產生之離子及(ii)該電子源所產生之電子束的至少一部分中之至少一者。
在另一態樣中，提供一包括一電離室及兩個電子槍之離子源。該電離室包括i)在沿著一延伸穿過該電離室之縱軸的兩個相對端處的兩個內部孔及ii)一沿著該電離室之一側壁的用以從該電離室引出離子的出口孔。該兩個電子槍之每一者係相對於該兩個內部孔中之一來設置。每一電子槍包括一用以產生一電子束之電子源、一用以從該電離室接收氣體之入口，及一用以從該氣體產生電漿之電漿區域。由該電子源所產生之該電子束的至少一部分來維持該電漿區域。每一電子槍輸送(i)該對應電子槍之電漿所形成之離子及(ii)該對應電子槍所產生之該電子束的至少一部分中之至少一者 至該電離室。
在又另一態樣中，提供一種用以操作電子源之方法。該方法包括藉由一電子槍之一電子源產生一電子束、在該電子槍之一入口處接收一氣體、由該氣體及該電子束在該電子槍之一電漿區域中形成一電漿；以及經由該電子槍之一出口提供(i)該電漿所形成之離子及(ii)該電子束的至少一部分中之至少一者至一電離室。
在又另一態樣中，提供一種電子槍。該電子槍包括一用以產生一電子束之電子源、一用以接收一氣體之入口、一電漿區域及一出口。以至少一陽極及一接地元件來定義該電漿區域。該電漿區域係適用以由該接收氣體形成一電漿，以及以該電子源所產生之該電子束的至少一部分來維持該電漿。該出口係配置成用以輸送(i)該電漿所形成之離子及(ii)該電子源所產生之該電子束的至少一部分中之至少一者。
在又另一態樣中，提供一離子源。該離子源包括一用以供應一氣體之氣體源、至少一電子槍、一電離室及一控制電路。該電子槍包括一用以產生一電子束之發射器及一由至少一陽極及一接地元件所定義之電漿區域。該電漿區域係適用以從該氣體形成一由該電子束之至少一部分來維持之二次電漿。該電離室從該至少一電子槍接收(i)該二次電漿所產生之一第一組離子及(ii)該電子束之至少一部分中之至少一者。該電離室係適用以從該氣體形成一一次電漿，以及該電子束之至少一部分及該一次電漿產生一第二組離子。該控制電路係配置成用以調變該陽極之電壓及該發射器之電壓中之至少一者，以產生期望數量之該第一組離子及該第二組離子。該第一組離子包含比該第二組離子多之自由離子(dissociated ions)。在一些具體例中，該控制電路係配置成用以藉由產生該第一組離子比該第二組離子多而在一單體模式(monomer mode)中操作。在一些具體例中，該控制電路係配置成用以藉由產生該第二組離子比該第一組離子多而在一集群模式(cluster mode)中操作。
在其它實例中，上述任何態樣可包括下面特徵中之一個或一個以上特徵。在一些具體例中，該離子源進一步包括一用以調整該陽極之電壓以實質關閉在該電漿區域中之電漿的控制電路。在這樣的情況下，該出口係配置成用以在沒有該等離子下輸送該電子源所產生之該電子束的至少一部分。
在一些具體例中，該接地元件包括用以在該電子束經由該出口離開該至少一電子槍前減速該電子源所產生之該電子束的該至少一部分之至少一透鏡。
在一些具體例中，該至少一電子槍之入口及出口包括單一孔。該離子源包括一具有沿著一縱軸配置之兩端的電離室，以及該兩端中之一耦合至該至少一電子槍之孔。該孔係配置成用以(i)從該電離室供應該氣體至該電子槍及(ii)從該電子槍接收該等離子及該電子束之該至少一部分中之至少一者至該電離室。
在一些具體例中，該離子源包括一實質相似於該至少一電子槍之第二電子槍。在該電離室之兩端中之一處放置每一電子槍，以便輸送該等離子及該電子束中之一者至該電離室。
在一些具體例中，該離子源進一步包括在該電離室之一出口孔處的用以從該電離室引出離子之至少一引出電極。該電離室或該至少一引出電極或其組合可由石墨所製成。在一些具體例中，該離子源進一步包括4個引出電極。該等引出電極之至少兩者 可相對於該電離室移動。
在一些具體例中，一電子槍之電子源包括：(i)一白熱絲以及(ii)一陰極，其被一由該白熱絲以熱電子方式所發射之電流間接加熱，以產生該電子束。該離子源可包括一用以調整橫跨該白熱絲之電壓來維持該白熱絲至該陰極之發射電流在或接近一參考電流值的第一封閉廻路控制電路。該離子源可包括一用以調整該白熱絲與該陰極間之電位來維持該陽極之電流在或接近一參考電流值的第二封閉迴路控制電路。
在一些具體例中，該電離室包括沿著該室之一側壁的用以輸送一氣體至該電離室中的複數個氣體入口。以一個或一個以上電子槍所供應之該電子束的該至少一部分使該氣體離子化。
從下面詳細敘述及結合所附圖式將使本發明之其它態樣及優點變得顯而易知，其中僅以實例來描述本發明之原理。
100‧‧‧離子源
102‧‧‧電離室
104‧‧‧電子槍
106‧‧‧電漿電極
108‧‧‧拉具電極
110‧‧‧氣體入口
112‧‧‧質量流動控制器
114‧‧‧氣體源
116‧‧‧離子束
118‧‧‧縱軸
202‧‧‧電漿電極
204‧‧‧接具電極
206‧‧‧抑制電極
208‧‧‧接地電極
302‧‧‧陰極
304‧‧‧陽極
306‧‧‧接地元件
308‧‧‧電子束
310‧‧‧二次電漿
311‧‧‧白熱絲
312‧‧‧孔
320‧‧‧磁場
400‧‧‧控制系統
402‧‧‧白熱絲電源
404‧‧‧陰極電源
406‧‧‧陽極電源
408‧‧‧封閉迴路控制器
410‧‧‧設定點白熱絲發射電流值
412‧‧‧輸出信號
416‧‧‧回授信號
418‧‧‧封閉迴路控制器
420‧‧‧設定點陽極電流
422‧‧‧輸出信號
426‧‧‧回授信號
430‧‧‧發射器電源
502‧‧‧磁場源
504‧‧‧室壁
510‧‧‧引出孔
512‧‧‧中心軸
601‧‧‧離子源結構
602‧‧‧磁芯
604‧‧‧電磁線圈總成
604a‧‧‧線圈總成
604b‧‧‧線圈總成
606‧‧‧線圈段
606a‧‧‧線圈段
606b‧‧‧線圈段
606c‧‧‧線圈段
606d‧‧‧線圈段
606e‧‧‧線圈段
606f‧‧‧線圈段
608‧‧‧控制電路
702‧‧‧磁芯
704‧‧‧線圈總成
708‧‧‧主線圈段
710‧‧‧次線圈段
800‧‧‧總離子束電流
900‧‧‧離子源
902‧‧‧陰極
904‧‧‧陽極
906‧‧‧接地元件
908‧‧‧磁場源總成
910‧‧‧氣體進料器
912‧‧‧孔
913‧‧‧白熱絲
914‧‧‧電子束
916‧‧‧電漿
918‧‧‧離子
922‧‧‧外部磁場
藉由參考下面敘述，同時結合所附圖式，可一起更加了解上述技術之優點與其它優點。該等圖式沒有必要按比例來繪製，取而代之，將重點放在該技術之原理的敘述。
圖1顯示依據本發明之具體例的一示範性離子源之示意圖。
圖2顯示依據本發明之具體例的一示範性離子束引出系統之示意圖。
圖3顯示依據本發明之具體例的一示範性電子槍總成之示意圖。
圖4顯示依據本發明之具體例的一用於圖3之電子槍 總成的示範性控制系統之示意圖。
圖5顯示依據本發明之具體例的一包括一對磁場源之示範性離子源的示意圖。
圖6顯示依據本發明之具體例的圖5之磁場源的一示範性配置之示意圖。
圖7顯示依據本發明之具體例的圖5之磁場源的另一示範性配置之示意圖。
圖8顯示一由本發明之離子源所產生的離子束之一示範性離子密度剖面的示意圖。
圖9顯示依據本發明之具體例的另一示範性離子源之示意圖。
圖1顯示依據本發明之具體例的一示範性離子源之示意圖。該離子源100可配置成用以產生一離子束，以便輸送至一將該離子束佈植至例如一半導體晶圓中之離子佈植室。如所示，該離子源100包括一電離室102，其沿著該電離室102之長尺寸定義一縱軸118；一對電子槍104；一電漿電極106；一拉具電極(puller electrode)108；一氣體輸送系統，其包括複數個氣體入口110及複數個質量流動控制器(MFCs)112；一氣體源114；以及一最終離子束116。在操作中，將來自該氣體源114之氣體物質經由該等氣體入口110引入該電離室102。可藉由耦合至該等入口110之該等個別質量流動控制器112來控制通過每一氣體入口110之氣體流動。在該電離室102中，位於該電離室102之相對側的該對電子槍104之每一者所產生的電子束之電子衝擊使氣體分子離子化而形成一一次電漿。在 一些具體例中，該等電子槍104亦可將額外離子引入該電離室102。使用一包括該電漿電極106及該拉具電極108之引出系統，可經由一引出孔(未顯示)引出在該電離室102中之離子而形成一高能離子束116。該縱軸118可實質垂直於該離子束116之輸送方向。在一些具體例中，可相鄰於該電離室102及/或該等電子槍104來放置一個或一個以上磁場源(未顯示)，以產生一將該等電子槍104所產生之電子束侷限在該等電子槍104及該電離室102內的外部磁場。
該氣體源114可將一個或一個以上輸入氣體(例如，AsH3、PH3、BF3、SiF4、Xe、Ar、N2、GeF4、CO2、CO、CH3、SbF5及CH6)引入該離子室102中。該輸入氣體可經由一氣體輸送系統進入該電離室102，其中該氣體輸送系統包括i)多個氣體入口110，其在該電離室102之一側壁上沿著該縱軸118隔開之，及ii)多個質量流動控制器112，每一質量流動控制器耦合至該等氣體入口110中之一。因為在該電離室102中之一次電漿的離子密度依該輸入氣體之密度而定，所以分別調整每一質量流動控制器112，可提供在該縱向118上之離子密度分佈的改良控制。例如，一控制電路(未顯示)可監控該引出離子束116之離子密度分佈及自動地調整該輸入氣體經由該等質量流動控制器112中之一個或一個以上質量流動控制器的流動速率，以便達成在該引出離子束116中沿著該縱向之更均勻密度剖面。在一些具體例中，該氣體源114可包括一用以使一固態凝聚物(solid feed material)(例如，B10H14、B18H22、C14H14及或C16H10)蒸發來產生一供應至該電離室102中之蒸汽輸入的蒸發器。在此情況下，可使用一個或一個以上個別蒸汽入口(未顯示)，將該蒸汽輸入繞過該等MFC耦合入口110而引入該電離室102中。 可使該一個或一個以上個別蒸汽入口沿著該電離室102之一側壁在該縱軸118之方向上均勻地散佈。在一些具體例中，該氣體源114包括一個或一個以上液相氣體源。可使用包括該等氣體入口110及該等質量流動控制器112之該氣體輸送系統，將一液相物質氣化及引入該電離室102中。可適當地調整該等質量流動控制器112，以有助於從該液相物質所逐步形成之氣體的流動。
通常，該電離室102可具有一在縱向118上比在橫向(未顯示)上長之矩形形狀。該電離室102亦可具有其它形狀，例如，圓柱形形狀。該電離室102沿著該縱向118之長度可以是約450mm。該引出孔(未顯示)可位於該電離室102之狹長側上，而該等電子槍104之每一者位於一橫向側上。該引出孔可沿著該電離室102之長度(例如，約450mm長)延伸。
為了從該電離室102引出離子及為了決定該等佈植離子之能量，藉由一電源(未顯示)將該離子源100保持在一高正電源電壓，例如，在1kV與80kV間。該電漿電極106可包括一在該電離室102之一側且沿著該縱軸118之引出孔板。在一些具體例中，使該電漿電極106與該電離室102電隔離，以便可將一偏壓施加至該電漿電極106。該偏壓係適用以影響在該電離室102內所產生之電漿的特性，例如，電漿電位、離子之滯留時間及/或在該電漿中之離子種類的相對擴散特性。該電漿電極106之長度可實質相同於該電離室102之長度。例如，該電漿電極106可包括一成形有一450mm×6mm之孔來允許離子從該電離室102引出的薄板。
使用一個或一個以上額外電極(例如，該拉具電極108)，以增加引出效率及改善該離子束116之聚焦。該拉具電極108 可同樣地像該電漿電極106來配置。可以一絕緣材料使這些電極彼此分隔(例如，隔開5mm)及使該等電極保持在不同的電極。例如，可相對於該電漿電極106或該電源電壓施加偏壓於該拉具電極108有高達約-5kV。然而，可在一大電壓範圍內操作該等電極，以最佳化要產生一用於一特定佈植製程之期望離子束的效能。
圖2顯示依據本發明之具體例的一示範性離子束引出系統之示意圖。如所述，該引出系統包括一位於最靠近該電離室102之電漿電極202，在其後為一拉具電極204、一抑制電極206及一接地電極208。電極孔實質平行於該電離室102之縱軸118。該電漿電極202及該拉具電極204分別相似於圖1之電漿電極106及拉具電極108。在一些具體例中，使該電漿電極202依據皮爾斯角(Pierce angle)成形，以對抗該離子束116之空間電荷膨脹，因而使在引出後的實質平行離子束軌道成為可能。在一些具體例中，該電漿電極202之孔包括一在最靠近該電離室102中之電漿的側上之切口(undercut)，該切口藉由採用一鋒利邊緣(sharp edge)(以下，稱為“刀口邊緣(knife edge)”)協助定義一電漿邊界。該電漿電極孔之寬度沿著分散平面可實質相同於該刀口邊緣的寬度。此寬度在圖2中係以W1來表示。W1之數值在約3mm至約12mm之範圍。此外，如圖2所示，在該分散平面上該拉具電極204的孔之寬度(W2)比該電漿電極202之寬度大，例如，約1.5倍寬。使該接地電極208保持在端電位，該端電位處於接地，除非在某些佈植系統之情況下，希望使該端浮接成低於接地電位。相對於該接地電極208施加負偏壓於該抑制電極206，例如，約-3.5kV，以在產生一帶正電離子束116時，拒絕或抑制將被吸引至該正偏壓離子源100的不需要電 子。通常，該引出系統並非侷限於兩個電極(例如，該抑制電極206及該接地電極208)；根據需要，可加入更多的電極。
在一些具體例中，一控制電路(未顯示)可自動地調整沿著該離子束116之輸送方向(亦即，垂直於該縱軸118)的該等電極中之一個或一個以上電極的間隔，以增加該離子束116之聚焦。例如，一控制電路可監控該離子束116之離子束品質，以及根據該監控，移動該抑制電極206及該接地電極208中之至少一者，使彼此靠近或進一步遠離，以改變引出場(extraction field)。在一些具體例中，該控制電路使該抑制電極206及該接地電極208中之至少一者相對於該離子束116之路徑傾斜或旋轉，以補償因該等電極之放置所造成的機械誤差。在一些具體例中，該控制電路相對於該等剩餘電極(第二組電極)(包括該電漿電極202及該拉具電極204，可使它們保持靜止)沿著一特定離子束路徑一起移動該抑制電極206與該接地電極208(第一組電極)。可根據一些因素，例如，離子束形狀、該離子束之需要能量及/或離子質量來決定該第一組電極與該第二電極間之間隙。
圖3顯示依據本發明之具體例的一示範性電子槍總成104之示意圖。如所述，該電子槍104包括一陰極302、一陽極304、一接地元件306及一控制電路(未顯示)。由該陰極302發射熱電子，該陰極302可以由像鎢或鉭之耐火金屬所構成，以及可直接或間接被加熱。如果該陰極302被間接加熱，則可以使用一白熱絲311來執行該間接加熱。特別地，一電流可流經該白熱絲311以加熱該白熱絲311，結果，以熱電子方式發射電子。藉由對該白熱絲311施加偏壓至一比該陰極302之電位低數百伏特(例如，相對於該 陰極高達-600V)之電壓，該白熱絲311所產生之以熱電子方式發射的電子會藉由高能電子轟擊來加熱該陰極302。該陰極302係適用以以熱電子方式發射電子，以在該陽極304造成一高能電子束308之形成，該陽極304相對於該陰極302係保持在一正電位。該電子束308係適用以經由該電離室之孔312進入該電離室102，它在該處藉由使在該電離室102內之氣體離子化，以產生一一次電漿(未顯示)。
此外，該控制電路可促使在該電子槍104中形成一二次電漿310於該陽極304與該接地元件306間。特別地，可在該陽極304與該接地元件306間產生一電位，以便它建立一在該電子束308之存在時足以產生該二次電漿310之電場。藉由一從該電離室102經由該孔312進入該電子槍104的氣體之離子化來產生該二次電漿，其中該氣體可由該等入口110來供應。該電子束308可保持該二次電漿310有一延長期間。該二次電漿310之電漿密度係與該陽極304之電弧電流成比例關係，該電弧電流為正陽極電壓之遞增函數。因此，該控制電路可使用該陽極電壓，同時結合一陽極電源(未顯示)所供應之電流的封閉迴路控制以控制及使該二次電漿場310穩定。該二次電漿310係適用以產生會經由該孔312被推進該電離室102內之帶正電離子，藉以增加該引出離子束116之離子密度。當該正偏壓陽極304排斥該二次電漿310所產生之帶正電離子而朝該電離室102行進時，發生推進運動。
該控制電路可藉由施加一正電壓至該陽極304以在該電子槍104中形成該二次電漿310。該控制電路可控制由該二次電漿310所產生之離子的數量及藉由該陽極電源所供應之電流的封 閉迴路控制使該二次電漿310部分穩定。此電流為在該陽極304與該接地元件306間之電漿放電所保持之電弧電流。以下，此操作模式稱為“離子泵送模式(ion pumping mode)”。在該離子泵送模式中，除了離子外，該電子束308亦經由該孔312行進至該電離室102，以在該電離室102中形成該一次電漿。該離子泵送模式在期望增加引出電流之情況下可能是有利的。在另一選擇中，該控制電路可以藉由適當地調整該陽極304之電壓，例如，設定該陽極304之電壓為零，實質關閉在該電子槍104中之該二次電漿310。在此情況下，只有該電子束308從該電子槍104流至該電離室102而沒有伴隨顯著數量的帶正電離子。以下，此操作模式稱為“電子衝擊模式(electron impact mode)”。
在又另一操作模式中，該控制電路可在沒有提供該電子束308至該電離室102下在該電子槍104中形成該二次電漿310。此可藉由適當地調整該發射器(亦即，該陰極302)之電壓(例如，使該陰極302接地)來達成，所以它處於相同於該電離室102之電位。結果，在該電子束308中之電子在進入該電離室102時將具有低的能量，以有效地允許極弱或沒有電子束進入該電離室102或在該電離室102中形成有用的電子轟擊電離。在此操作模式中，該二次電漿310可產生用於推進該電離室102中之正離子。在此操作模式中，該電子槍104充當該電漿源，而不是該電離室102。以下，此操作模式稱為“電漿源模式(plasma source mode)”。該電漿源模式具有數個優點。例如，藉由移除該發射器電壓供應器(它通常是一具有2kV及1A之供應器)以降低成本及複雜度。可在一淹沒式電漿槍(plasma flood gun)、一電漿摻雜裝置(plasma doping apparatus)、電漿化學氣相沉積(CVD)等中開始實施該電漿源模式。在一些具體例中，可使用射頻放電，以在該電漿源模式中產生該電漿310。然而，通常，該電子槍104可充當一電漿源及/或一離子源。
通常，在該電子槍104中之該二次電漿310可延長該離子源100之使用壽命。要達成長離子源壽命之主要限制因素為該陰極302之故障，其主要是由於離子濺鍍所造成之陰極腐蝕所引起。該陰極302之離子濺鍍的程度依一些因素而定：i)局部電漿或離子密度及ii)該等離子在到達該陰極302時的動能。因為該陰極302遠離在該電離室102中之該一次電漿，所以在該電離室102中所產生之離子必須流出該電離室102而到達該陰極302。這樣的離子流大大地受該陽極304之正電位阻礙。如果該陽極304之電位足夠高，低能離子無法克服此電位障礙來到達該帶負電陰極302。然而，在該陽極304與該接地元件306間之電弧中所產生之電漿離子可具有與該陽極304之電位一樣高的初始動能(例如，數百eV)。離子濺鍍產率(ion sputtering yield)為離子能量K之遞增函數。特別地，在該電子槍104之附近中的K之最大值為K=e(Ve-Va)，其中Va為該陽極304之電壓，Ve為該陰極302之電壓，以及e為電子電荷。依據此關係，K可與該陰極302與該陽極304間之電位差一樣大。因此，為了最大化該陰極302之壽命，可最小化此差異。在一些具體例中，為了在該陰極302附近保持低的電漿或離子密度，亦將該電漿源模式之電弧電流調整至低位準。這樣的條件更接近符合該電子轟擊模式而不是該電漿源模式，但是在不犧牲陰極壽命下可以有效地使用兩者。通常，耐火金屬之離子濺鍍產率在約100eV以下係最小的及隨著離子能量之增加而快速增加。因此，在一些具 體例中，保持K小於約200V，以最小化離子濺鍍及有利於長壽命操作。
在一些具體例中，該控制電路可以“集群(cluster)”或“單體(monomer)”模式操作該離子源100。如上所述，該離子源100能保持兩個個別區域之電漿-i)由該陽極304與該接地元件306間之電弧放電所產生該二次電漿310，及ii)由在該電離室102內之氣體的電子轟擊電離所產生之該一次電漿(未顯示)。這兩個電漿形成機制之電離特性係不同的。對於該二次電漿310，該陽極304與該接地元件306間之電弧放電可有效地使分子氣體種類分離及除了帶負電種類外，還產生分離碎片之離子(例如，有效地將BF3氣體轉換成B+、BF+、BF2 +及F+)。相較下，藉由該電子束308之電子轟擊電離在該電離室102中所形成之電漿傾向於維持該等分子種類而沒有實質分離(例如，轉換B10H14至B10Hx +，其中“x”表示氫化物種類之範圍，例如，B10H9 +、B10H10 +等)。有鑑於這些不同的電離特性，該控制電路可操作該離子源100，以至少部分修改該等電離特性至一使用者期望離子種類。該控制電路可修改一特定氣體種類之“破解模式(cracking pattern)”(亦即，由該中性氣體種類所形成之相對大量的特定離子)，以增加用於一既定佈植製程之大量所需特定離子。
特別地，在該單體模式之操作中，該控制電路可開始實施該離子泵送模式或該電漿源模式，其中產生該二次電漿，以產生相對大量的更多解離離子。相較下，在該集群模式之操作中，該控制電路可開始實施該電子轟擊模式，其中該一次電漿係佔主導地位的，以及該二次電漿係弱到沒有存在的，以產生一相對大量的母離子。因此，該單體模式允許更帶正電離子從該電子槍104之二次 電漿310被推進該電離室102，但是允許一較弱電子束308或沒有電子束進入該電離室102。相較下，該集群模式之操作允許較少帶正電離子，但是允許一較強電子束308從該電子槍104進入該電離室102。
將分子C14H14視為一個實例。由於在此鍵結結構中之對稱性，此分子之電離產生C14Hx +及C7Hx +離子。在該集群模式中操作該離子源，增加相對大量的C14Hx +離子，而在該單體模式中操作該離子源，增加相對大量的C7Hx +離子，因為該母分子將在該單體模式中更容易被破解。在一些具體例中，從氣相或液相物質(例如，AsH3、PH3、BF3、SiF4、Xe、Ar、N2、GeF4、CO2、CO、CH3、SbF5、P4及As4)獲得感興趣的單體種類。在一些具體例中，從一蒸發固態凝聚物(例如，B10H14、B18H22、C14H14及C16H10)及氣相或液相物質(例如，C6H6及C7H16)獲得感興趣之集群種類。如果在電離期間大大地保持感興趣的原子之數目(在這些實例中，B及C)，則這些物質做為電離佈植種類係有用的。
該控制電路可藉由適當地設定該電子槍104之操作電壓開始實施該兩種模式中之一。做為一個實例，為了開始實施該單體模式，該控制電路可設定i)該發射器之電壓(Ve)(例如，該陰極302之電壓)至約-200V，及ii)該陽極304之電壓(Va)至約200V。當設定Ve為約0V(亦即，電漿源模式)時，亦可開始實施該單體模式，在此情況下，實質上沒有離子在該電離室102內因電子轟擊電離而產生。為了開始實施該集群模式，該控制電路可設定i)Ve為約-400V及Va為約0V。
每一離子型態具有它的優點。例如，對於低能量離子 佈植摻雜或材料調性(例如，非晶化佈植)，在上述實例中包含多個感興趣原子(例如，硼及碳)的濃分子種類可能是較佳的。相較下，為了摻雜一矽基板，以產生電晶體結構(例如，源極及汲極)，單體種類(例如，B+)可能是較佳的。
為了在該等不同模式之操作間控制該電子槍104之操作，該控制電路可調整與該白熱絲311、該陰極302及該陽極304之每一者相關聯的電流及/或電壓。圖4顯示依據本發明之具體例的圖3之電子槍總成104的一示範性控制系統400之示意圖。如所述，該控制電路400包括一用以提供一橫跨該白熱絲311之電壓(Vf)來調整白熱絲發射的白熱絲電源402、一用以相對於該陰極302施加偏壓於該白熱絲311之陰極電源404(Vc)、一用以提供一電壓(Va)至該陽極304的陽極電源406及一用以提供該發射器之電壓(Ve)(例如，該陰極302之電壓)的發射器電源430。通常，該等電源402、404、406之每一者可在受控電流模式中操作，其中每一電源設定一足以符合一設定點電流(setpoint current)之輸出電壓。如所示，該控制電路400包括兩個封閉迴路控制器：1)一用以調整該白熱絲311之電流發射的封閉迴路控制器408及2)一用以調整在該二次電漿310中所產生之電弧電流的封閉迴路控制器418，該電弧電流為該陽極電源406所供應之電流。
在一控制操作之開始時，該控制電路400設定該陰極電源404及該陽極電源406至它們的個別初始電壓值。該控制電路400亦使用一例如可經由一操作者介面獲得之白熱絲預熱工具以促使該白熱絲311發射。一旦達到發射，該控制電路400之操作者可經由控制器408及418開始實施封閉迴路控制。
該封閉迴路控制器408試圖維持一用於該白熱絲311之設定點發射電流值，它是被輸送至該陰極302之電子束加熱電流。該封閉迴路控制器408藉由調整該白熱絲電源402來調整白熱絲電壓(亦即，橫跨該白熱絲311之電壓)以維持此電流值。特別地，該控制器408接收一設定點白熱絲發射電流值410做為輸入，它是該陰極電源404所供應之電流。該設定點電流值410可以是例如約1.2A。為了回應，該控制器408經由輸出信號412調整該白熱絲電源402，以便該白熱絲電源402提供足夠輸出電壓，以允許離開該白熱絲電源402之電流接近該設定點電流值410。監控離開該白熱絲電源402之實際電流及將它回報至該控制器408做為一回授信號416。在該回授信號416中之該實際電流與該設定點電流410間之差異產生一可被該控制器408之一比例積分微分(PID)濾波器調節的誤差信號。然後，該控制器408傳送一輸出信號412至該白熱絲電源402，以最小化該差異。
該封閉迴路控制器418試圖藉由調整該電子束308所產生之電流，以維持一設定點陽極電流，因為該陽極電流與該電子束電流成比例關係。該封閉廻路控制器418藉由調整該白熱絲311對該陰極302之電子束加熱，以便調整該陰極302所發射之電子的數量，以維持此設定點電流值。特別地，該控制器418接收一設定點陽極電流420做為輸入。為了回應，該控制器418經由一輸出信號422調整該陰極電源404，以便該陰極電源404提供足夠輸出電壓，以允許在該陽極電源406之電流接近該設定點電流420。如上所述，藉由調整該陰極電源404之電壓，調整該陰極302之電子加熱的程度，以及因此，調整該電子束308之電流。因為該電子束308 供給該陽極304之電弧電流，所以該陽極電流與該電子束308之電流成比例關係。此外，監控離開該陽極電源406之實際電流及將它回報至該控制器418做為一回授信號426。在該回授信號426中之該實際電流與該設定點電流420間之差異產生一誤差信號，該誤差信號可被該控制器418之一PID濾波器調節。隨後，該控制器418傳送一輸出信號422至該陰極電源404，以最小化該差異。
在一些具體例中，該控制電路可根據該發射器電源430之電壓的測量來決定該電子束308之動能。例如，可以發射器供應電壓(Ve)與電子電荷(e)之乘積來計算該電子束能量。該發射器電源430亦可供應該電子束電流(該電子束電流等於離開該發射器電源430之電流)，以及充當使該白熱絲電源402浮接之該陰極電源404的參考電位。
繼續參考圖3，該電子槍104之接地元件306可配置成用以藉由在該電子束308進入該電離室102前減少其最後能量，以減速該電子束308。特別地，該接地元件306可包括一個或一個以上透鏡(例如，兩個透鏡)，它們係依據逆皮爾斯幾何(reverse-Pierce geometry)來成形，以充當減速透鏡。做為一個實例，該電子束308可以在500eV下靠近該接地元件306，以及在通過該接地元件306後，減速至100eV。結果，將一比其它可能低的能量電子流引入該電離室102。此外，可施加一外部實質均勻磁場320，將該電子束308侷限成螺旋軌跡。該磁場320亦將該一次電漿(未顯示)及該二次電漿310侷限在該離子源100之內部。下面參考圖5至7來描述關於該磁場320之細節。
可使用圖3之至少一電子槍104，將一電子束及/或離 子經由該孔312引入該電離室102。該孔312可允許一氣體從該電離室102輸送至該電子槍104，據此可在該離子泵送模式期間在該電子槍104中形成該二次電漿310。在一些具體例中，如圖1所示，使用兩個電子槍，每一電子槍係放置在該電離室102之相對側上。該對電子槍104之每一者所引進的電子束適用以在該電離室102之內部朝該縱向118行進。來自每一電子槍104之電子束使該氣體在該電離室102中離子化，以在該電離室102中產生離子。如果啟動該離子泵送模式，則該等電子槍104可將額外的離子引入該電離室102中。
在一態樣中，該離子源100之一個或一個以上組件係由石墨所構成，以使起因於高操作溫度、離子濺鍍之侵蝕及與氟化化合物之反應的某些有害影響減至最小程度。石墨之使用亦限制在該引出離子束116中之有害金屬成分(例如，耐火金屬及過渡金屬)的產生。在一些實例中，該電子槍104之陽極304及接地元件306係由石墨所製成。此外，用以從該電離室102引出離子之一個或一個以上電極可由石墨所製成，該等電極包括該電漿電極106及該拉具電極108。再者，該電離室102(它可由鋁所製成)以石墨做為內襯。
在另一態樣中，該離子源100可包括相鄰於該電離室102及/或該等電子槍104之一個或一個以上磁場源，以產生一將該等電子槍104之每一者所產生之電子束侷限在該等電子槍104及該電離室102之內部的外部磁場。該等磁場源所產生之磁場亦能使該引出離子束116達成一更均勻離子密度分佈。圖5顯示依據本發明之具體例的一示範性離子源之示意圖，其包括一對磁場源。如所述，以位於該電離室102之每一側且平行於該電子束308之路徑(亦 即，平行於該電離室102之縱軸118)的該對磁場源502提供一外部磁場。該對磁場源502可與兩個相對室壁504之外表面對齊且相鄰，其中該等相對室壁平行於該縱軸118。在一些具體例中，該電離室102之表面的至少一部分(排除該等相對室壁504及相對於該等電子槍104之側面)可形成該引出孔。圖5顯示在該電離室102之一表面上的一引出孔510的一示範性配置。該兩個磁場源502以包含平行於該縱軸118之該電離室102的中心軸512之平面為中心係對稱的。每一磁場源502可包括至少一螺線管。
該等相對室壁中之一可定義該引出孔。該兩個磁場源502以該縱軸118為中心係對稱的。每一磁場源502可包括至少一螺線管。
每一磁場源502之縱向長度至少與該電離室102之縱向長度一樣。在一些具體例中，每一磁場源502之縱向長度至少與該兩個電子槍104之長度加上該電離室102之長度一樣。例如，每一磁場源502之縱向長度可以是約500mm、600mm、700mm或800mm。該等磁場源502可實質跨越該電離室之引出孔，其中離子從該引出孔被引出。該等磁場源502係適用以在一整個長路徑長度上侷限該電子束308。如圖5所示，該路徑長度為(2X+Y)，其中X為該電子槍104之長度，以及Y為該電離室102之長度(Y大約亦是該離子引出孔之長度及該引出帶狀離子束116之期望長度)。
圖6顯示依據本發明之具體例的圖5之磁場源502的一示範性配置之示意圖。如所示，每一磁場源502包括i)一磁芯602及ii)一大體上纏繞在該芯602周圍之電磁線圈總成604。將離子源結構601(包括該電離室102及該等電子槍104)沉浸在一由該電磁線 圈總成604所產生之軸向磁場中。在一些具體例中，使該對磁場源502皆沒有連接至一磁軛，以致於該等磁場源502所產生之磁通消散於空間中及從遠離該離子源結構601處返回。此配置在該離子源結構601中產生一被發現可改善該引出離子束116之離子密度剖面在該縱向118上的均勻性之磁通。此外，使在該離子源結構601中之磁通朝該縱向118來定向。在一些具體例中，該兩個磁場源502實際上係彼此遠離的及它們的磁芯602係彼此電性隔離的。亦即，在該對磁芯602間沒有電連接。
每一線圈總成604可包括沿著該縱軸118分佈且被一控制電路608獨立控制之多個線圈段606。特別地，該控制電路608可供應一不同電壓至該等線圈段之每一者。做為一個實例，該線圈總成604a可在該離子源結構601之上、中及下部分上包括產生獨立且部分重疊磁場之3個線圈段606a-c。該結果磁場可提供對該等電子槍104之每一者所產生之該電子束308的限制，以及因此，沿著該縱軸118產生一明確定義電漿圓柱(plasma column)。
可獨立地調整該等線圈段606之每一者所產生的磁通密度，以校正該引出離子束116之離子密度剖面的不均勻性。做為一個實例，對於線圈總成604a，當電流供應至該等末端段606a、606c時，該中心段606b可具有該電流之一半。在一些具體例中，以相同電流供應該對磁場源502之對應對的線圈段606。例如，線圈606a及606d可具有相同的電流，線圈606b及606e可具有相同的電流，以及線圈606c及606f可具有相同的電流。在一些具體例中，以不同的電流供應該等線圈段606a-f中之每一者。在一些具體例中，使用多個控制電路，以控制該等線圈段606中之一個或一個 以上線圈段。縱使圖6顯示每一線圈總成604具有3個線圈段606，每一線圈總成604可具有更多或更少的線圈段。此外，該對線圈總成604不需要具有相同數目之線圈段606。可適當地配置每一線圈總成604之線圈段606的數目及排列，以達成在該引出離子束116中之一特定離子密度分佈剖面。
圖7顯示依據本發明之具體例的圖5之磁場源502的另一示範性配置之示意圖。如所述，每一磁場源502之線圈總成704可包括1)一實質纏繞在該對應磁芯702周圍之主線圈段708，及2)多個纏繞在該主線圈段708周圍之次線圈段710。以至少一控制電路(未顯示)獨立控制每一線圈總成704之主線圈段708及次線圈段710的每一者。此配置提供操作者有較大的彈性來調整該等磁場源502所產生之磁通，以便該結果離子束116在該縱向118上具有一期望離子密度分佈。例如，可使用該等主線圈段708，提供在該離子源結構601中之磁場的粗略控制，然而可使用該等次線圈段710，微調該磁場。在一些具體例中，每一主線圈段708之縱向長度至少為該電離室102之長度，而每一次線圈段710之長度為小於該主線圈段708之長度。
圖8顯示一由該離子源100所產生之離子束的一示範性離子密度剖面之曲線圖。該剖面沿著該縱軸118顯示電流密度。如所述，來自該示範性離子束之總離子束電流800為約96.1mA，及該電流密度沿著該縱軸118在一400mm長度上係實質均勻的且在正或負約2.72%內。
圖9顯示依據本發明之具體例的另一示範性離子源之示意圖。該離子源900包括一陰極902、一陽極904、一接地元 件906、一磁場源總成908及一氣體進料器910。該陰極902可實質相似於圖3之陰極302，其可被直接或間接加熱。如果間接加熱該陰極902，則可使用一白熱絲913來執行該間接加熱。該陰極902係適用以熱電子方式發射電子，造成在該陽極904處一高能電子束914之形成，該陽極904相對於該陰極902保持在一正電位。此外，相似於圖3之電子槍配置104，電漿916可在該離子源900中形成於該陽極904與該接地元件906間。因一經由該氣體進料器910通過該接地元件906被直接引入該離子源900的氣體之電離而產生該電漿916。該電子束914可維持該電漿916有一延長期間。該電漿916係用以產生帶正電離子918，其為了佈植可在孔912處被一引出系統(未顯示)引出及輸送至一基板。在該離子源900中不需要一電離室。因此，該離子源900在設計及佈置方面係相對小型的。
在一些具體例中，可使用至少一控制電路(未顯示)，調整與該白熱絲913、該陰極902及該陽極904之每一者相關之電流及/或電壓，以控制該離子源900之操作。如上所述，該控制電路可促使該離子源900在該離子泵送模式及該電漿源模式中之一中操作。該控制電路亦可調整該氣體進料器910之流動速率，以調整該引出離子束(未顯示)之數量。
任選地，該離子源900包括用以產生一將該電子束914侷限在該離子源900內的外部磁場922之該磁場源總成908。如所述，該磁場源總成908包括一耦合至永久磁鐵以產生一強侷限磁場922的軛總成，該磁場922係平行於該電子束914之方向。在另一選擇中，可使用一電磁線圈總成(纏繞在一軛結構周圍)。因此，不需要包含一通常屬於許多離子源系統之大外部電磁線圈。這樣的 磁場源總成908終止該磁場靠近該離子源900，以致於它不會穿透遠至該等離子之引出區域。此允許從一實質無場空間引出離子。
圖9之離子源設計具有許多的優點。例如，藉由侷限該離子源900之電離區域在該發射器總成內(亦即，在沒有使用一大電離室下)，顯著地減少該離子源900之尺寸。此外，藉由將一氣體在其使用點處引進至該電漿916中而不是引進至一大電離室中，實質增加氣體效率及它促成該離子源900之小型模組化設計。再者，以適當的場箝制產生該電漿916之局部磁性限制，以允許從一實質無場區域引出離子電流。
熟習該項技藝者將了解到，在不脫離本發明之精神或實質特性下，可以以其它特定形式來具體化本發明。因此，從各方面來說，將前述具體例視為描述用而不是對在此所述之本發明的限制。以所附申請專利範圍而不是以前述敘述來表示本發明之範圍，以及因而，在此意欲包含在該等申請專利範圍之等值的意思及範圍內的所有變更。
102‧‧‧電離室
104‧‧‧電子槍
302‧‧‧陰極
304‧‧‧陽極
306‧‧‧接地元件
308‧‧‧電子束
310‧‧‧二次電漿
311‧‧‧白熱絲
312‧‧‧孔
320‧‧‧磁場

Claims (16)

  1. 一種離子源，包括：至少一電子槍，該電子槍包括：一電子源，其用以產生一電子束；一入口，其用以接收一氣體；一電漿區域，其以至少一陽極及一接地元件來界定，該電漿區域適用於從經由該入口所接收之氣體形成一電漿，其中以該電子束之至少一部分來維持該電漿；以及一出口，其用以輸送(i)該電漿所產生之離子及(ii)該電子束之至少一部分中之至少一者。
  2. 如申請專利範圍第1項之離子源，進一步包括一控制電路，其用以調整該陽極之電壓，以實質關閉在該電漿區域中之電漿，其中該出口係配置成用以在沒有該等離子的情況下輸送該電子束之該至少一部分。
  3. 如申請專利範圍第1項之離子源，其中，該接地元件包括至少一透鏡，其用以在該電子束經由該出口離開該至少一電子槍前減速該電子束之該至少一部分。
  4. 如申請專利範圍第1項之離子源，其中，該至少一電子槍之入口及出口包括單一孔。
  5. 如申請專利範圍第1項之離子源，其中，該電子源包括：(i)一白熱絲以及(ii)一陰極，其被一由該白熱絲以熱電子方式所發射之電流間接加熱，以產生該電子束。
  6. 一種離子源，包括：一電離室，其包括i)在沿著一延伸穿過該電離室之縱軸的兩 個相對端處的兩個內部孔及ii)一沿著該電離室之一側壁的用以從該電離室引出離子的出口孔；以及兩個電子槍，每一電子槍係相對於該兩個內部孔中之一而設置，每一電子槍包括：一電子源，其用以產生一電子束；一入口，其用以從該電離室接收一氣體；以及一電漿區域，其用以從該氣體產生一電漿，以該電子束之至少一部分來維持該電漿區域；其中每一電子槍輸送(i)該對應電子槍之電漿所形成之離子及(ii)該對應電子槍所產生之該電子束的至少一部分中之至少一者至該電離室。
  7. 如申請專利範圍第6項之離子源，進一步包括沿著該電離室之一側壁的複數個氣體入口，其等用以輸送一氣體至該電離室，以藉由該等電子槍之每一者所供應之該電子束的該至少一部分來電離。
  8. 一種用以操作離子源之方法，該方法包括：藉由一電子槍之一電子源產生一電子束；在該電子槍之一入口處接收一氣體；由該氣體及該電子束在該電子槍之一電漿區域中形成一電漿；以及經由該電子槍之一出口提供(i)該電漿所形成之離子及(ii)該電子束的至少一部分中之至少一者至一電離室。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，進一步包括：調整該陽極之電壓，以實質去除在該電漿區域中之電漿；以及 只提供該電子束之該至少一部分至該電離室。
  10. 如申請專利範圍第8項之方法，進一步包括：間接加熱該電子源之一陰極，以產生該電子束。
  11. 如申請專利範圍第8項之方法，進一步包括：經由該電離室之複數個氣體入口提供一氣體至該電離室；以及基於該電子束之該至少一部分及該氣體，在該電離室中產生一第二電漿。
  12. 一種電子槍，包括：一電子源，其用以產生一電子束；一入口，其用以接收一氣體；一電漿區域，其以至少一陽極及一接地元件來界定，該電漿區域適用以基於所接收之該氣體形成一電漿，其中以該電子束之至少一部分來維持該電漿；以及一出口，其用以輸送(i)該電漿所形成之離子及(ii)該電子束之至少一部分中之至少一者。
  13. 如申請專利範圍第12項之電子槍，進一步包括一控制電路，其用以調整該陽極之電壓，以實質關閉在該電漿區域中之電漿，其中該出口係配置成用以在沒有該等離子的情況下輸送該電子束之該至少一部分。
  14. 一種離子源，包括：一氣體源，其用以供應一氣體；至少一電子槍，該電子槍包括：一發射器，其用以產生一電子束；一電漿區域，其以至少一陽極及一接地元件來界定，該電漿 區域適用於由該氣體形成一二次電漿，其中以該電子束之至少一部分來維持該二次電漿；以及一電離室，其用以從該至少一電子槍接收(i)該二次電漿所產生之一第一組離子及(ii)該電子束之至少一部分中之至少一者，該電離室適用於從該氣體及該電子束之該至少一部分形成一一次電漿，其中該一次電漿產生一第二組離子；以及一控制電路，以調變該陽極之電壓及該發射器之電壓中之至少一者，以產生所欲數量之該第一組離子及該第二組離子，其中該第一組離子包含比該第二組離子多的解離離子。
  15. 如申請專利範圍第14項之離子源，其中，藉由產生比該第二組離子多的該第一組離子，該控制電路係配置成在一單體模式中操作。
  16. 如申請專利範圍第14項之離子源，其中，藉由產生比該第一組離子多的該第二組離子，該控制電路係配置成在一集群模式中操作。
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