JP4931376B2 - 基板加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板を加熱する基板加熱装置に関する。

半導体製造プロセスなどでは、基板加熱装置として、円盤状のセラミックス基材中に線状の抵抗発熱体を埋設したセラミックスヒータが広く使用されている。

また、最近の半導体製造プロセスでは、基板加熱方法として、セラミックスヒータを使用した接触式の加熱のみならず、ハロゲンランプなどを使用した非接触式のランプ加熱も積極的に利用されている。ランプ加熱装置を使用する場合においても、セラミックスヒータは基板を補助的に加熱するために併用されることが多い。

半導体製造プロセスでは、製品の歩留まりを上げるため、基板表面温度を高い精度で均熱化することが求められている。したがって、セラミックスヒータに対しては、基板周囲の環境に合わせたより細やかな温度調整が求められている。例えば、基板加熱面内の場所により最適な発熱量を調整できるよう、セラミックス基材内を複数のゾーンに分け、ゾーンごとに最適な発熱量を設定するマルチゾーンヒータが検討されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、セラミックス基体内に９ゾーンの抵抗発熱体を埋設したものが提案されている。従来のマルチゾーンヒータは、いずれも一体型の基材内に複数の抵抗発熱体を埋設したものである。
特開２００１−５２８４３号

しかしながら、従来の一体型の基材において、場所により発熱量を変更させるマルチゾーンヒータでは、一体型の基材において、局所的に高温部や低温部が形成される。よって、抵抗発熱体が埋設された基材に局所的な応力が発生しやすい。特に、セラミックス基材は、圧縮応力に比べ引張り応力に弱い傾向がある。そのため、引張り応力が発生する高温部や低温部の周辺部において、破損が生じやすくなる。

また、セラミックスヒータに限らず、基板を載置する基材として金属や樹脂を使用した基板加熱装置においても、場所による設定温度の相違に基づく応力発生の問題は存在する。

本発明は、場所により異なる温度設定を行うことによる破損を防止した基板加熱装置を提供することを目的とする。

本発明に係る基板加熱装置は、ギャップを介して略板状になるように配置され、基板載置面を形成する複数の基材を含む基材群と、少なくとも１つの基材に設けられた抵抗発熱体とを備えることを特徴とする。

このような基板加熱装置によれば、従来一体型であった基材を複数に分割し、分割された複数の基材をギャップを介して配置させている。そのため、分割された基材ごとに異なる温度設定を行っても、ギャップの存在により一つの基材内に発生する温度勾配が抑制される。これにより、分割された基材ごとの設定温度の相違に基づき発生する応力が低減される。更に、ギャップにより応力の逃げ場を提供できるため、基材の破損を防止できる。

以上説明したように、本発明によれば、場所により異なる温度設定を行うことによる破損を防止した基板加熱装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る基板加熱装置は、基材を複数の領域毎に分割し、分割された複数の基材を基材間にギャップを設けて、複数の基材全体が１つの略板状体になるよう配置させた基板加熱装置である。複数の基材群は、基板載置面を形成する。また、少なくとも１つの基材に抵抗発熱体が設けられる。

従来一体型であった基材を複数に分割し、ギャップを介して配置させることにより、個々の基材を独立させることができる。そのため、場所による設定温度の相違に基づく応力の発生を抑制できる。基材の分割の形態や数は限定されず、基板加熱装置が配置される周囲の環境や所望の基板温度分布に応じて選択することができる。また、基材は、金属、樹脂、セラミックスいずれも使用できる。以下、図面を参照して各実施の形態に係る基板加熱装置についてより具体的に説明する。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る基板加熱装置は、基材としてセラミックスを使用したセラミックスヒータである。図１（ａ）に、セラミックスヒータ１０の断面図を示す。また、図１（ｂ）に、セラミックス基材群２０の平面図を示す。

セラミックスヒータ１０は、従来一体であった円盤状のセラミックス基材を中央部のセラミックス基材２０Ａとその外周部のセラミックス基材２０Ｂとに二分割し、ギャップＧを介して両者を同一面上に配置させたセラミックス基材群２０を有する。即ち、セラミックス基材群２０は、第１基材となるセラミックス基材２０Ａと、第１基材の外周囲に配置される環状の第２基材となるセラミックス基材２０Ｂとを含む。セラミックスヒータ１０では、円盤状のセラミックス基材２０Ａと、それを囲む円環状のセラミックス基材２０Ｂを用いる。

セラミックス基材２０Ａとセラミックス基材２０Ｂは、ギャップを介して略板状になるように配置され、基板載置面１０ａを形成する。図１では、セラミックス基材２０Ａとセラミックス基材２０Ｂは、円盤状のセラミックス基材群２０を形成する。よって、被加熱体である基板５は、セラミックス基材群２０の一方の面である基板載置面１０ａ上に載置される。基板５には、例えば、半導体ウエハや液晶基板などがある。

抵抗発熱体３０は、少なくとも１つの基材に設けられればよい。図１（ａ）では、中央部のセラミックス基材２０Ａには抵抗発熱体は設けず、外周部のセラミックス基材２０Ｂに抵抗発熱体３０が埋設されている。抵抗発熱体３０の形状は特に限定されるものではないが、例えば、図１（ｂ）に示すように、線状の金属バルク体を螺旋状に配置させたることができる。

更に、セラミックスヒータ１０は、セラミックス基材群２０の基板載置面１０ａと反対の面の中央部に、直接的または間接的に接続された管状部材４０を備えることができる。例えば、図１（ａ）に示すように、円筒形の管状部材４０は、セラミックス基材群２０の基板載置面１０ａと反対の面（裏面）に直接接続されることができる。セラミックス基材群２０は、管状部材４０によって裏面から支持される。

管状部材４０は、セラミックス基材群２０を支持する。管状部材４０の端部は、装置の壁に固定できる。管状部材４０は、抵抗発熱体３０の端子３０Ｔ１、３０Ｔ２に接続する給電線５０の保護管としても機能できる。管状部材４０は、セラミックス基材２０Ａ，２０Ｂそれぞれにねじ止めにより接続してもよく、ロウ付けにより接続してもよい。

尚、セラミックス基材群２０は、使用用途や使用条件などによっては、管状部材４０にかえて、簡易な支持台上や装置上に、直接または間接的に載置してもよい。この場合、支持台や装置が、セラミックス基材群２０を支持する。

更に、抵抗発熱体３０の端子３０Ｔ１，３０Ｔ２には、給電線５０が接続される。端子３０Ｔ１，３０Ｔ２には、給電線５０から電力の入力を受け、抵抗発熱体３０に電力を出力する。給電線５０は、各セラミックス基材２０Ａ,２０Ｂ中に埋設させずに、図１（ａ）に示すように、セラミックス基材２０Ａ,２０Ｂの基板載置面１０ａと反対の面（セラミックス基材の外表面）に沿って配線することができる。これによれば、給電線５０としてより低抵抗な材料を使用することができ、給電線５０自体からの発熱を防止できる。

尚、給電線５０は、各セラミックス基材２０Ａ，２０Ｂにそれぞれ埋設し、各セラミックス基材２０Ａ，２０Ｂ内に配線してもよい。これによれば、給電線５０がセラミックス基材外部に露出しないので、給電線５０の腐食を防止できる。この場合、給電線５０として、セラミックス基材２０Ａ，２０Ｂの焼成温度に耐えられる材料を使用することが好ましい。例えば、給電線５０として、抵抗発熱体３０と同様の耐熱性導電材料を使用できる。このような材料の抵抗は比較的大きいため、給電線から発熱する場合がある。

セラミックスヒータ１０では、外周部のセラミックス基材２０Ｂのみに抵抗発熱体３０を埋設している。そのため、セラミックスヒータ１０の中央部、すなわちセラミックス基材２０Ａを低温に維持したまま、外周部のセラミックス基材２０Ｂのみを高温に設定することができる。

従来のように一体型のセラミックス基材を使用し、外周部のみを抵抗加熱体により加熱する場合は、中央部と外周部の設定温度差が一定値を超えると、中央部と外周部の境界部分で、熱勾配による強い引張り応力が発生する。その結果、破損するおそれがある。しかし、セラミックスヒータ１０では、中央部のセラミックス基材２０Ａと外周部のセラミックス基材２０Ｂとの間にギャップＧが設けられているため、各セラミックス基材２０Ａ，２０Ｂが熱膨張して生じる応力を逃がす場を提供することができる。更に、ギャップＧの持つ断熱効果のため、各セラミックス基材は、お互いに、隣接する他のセラミックス基材の設定温度の影響を受けにくい。よって、単一の基材中で大きな温度勾配が生じるのを防止するとともに、分割された各基材が独立に、より正確に温度設定することができる。したがって、場所による設定温度の相違に基づくセラミックス基材の破損を防止できる。

ギャップＧの大きさ（ギャップＧの幅）は、セラミックスヒータ１０の大きさや各セラミックス基材２０Ａ，２０Ｂの設定温度にも依存するが、０．１ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。ギャップＧを０．１ｍｍ以上とすることにより、加熱時の熱膨張により隣接するセラミックス基材２０Ａ，２０Ｂ同士が接触することを防止でき、破損をより一層防止できる。ギャップＧを１０ｍｍ以下とすることにより、ギャップＧがコールドゾーンとなることを防止でき、基板５の均熱化を図ることができる。ギャップＧは、より好ましくは０．２ｍｍ〜５ｍｍ、さらに好ましくは０．４ｍｍ〜３ｍｍとできる。

セラミックスヒータ１０のように、中央部のセラミックス基材２０Ａを低温に保持し、外周部のセラミックス基材２０Ｂのみを高温に設定する使用方法は、例えばハロゲンランプ等を用いたランプ加熱装置を併用し、基板５を加熱する場合に好適に使用される。すなわち、基板５の中央部に関しては、基板５の上方に配置したランプ加熱装置からの放射で基板を加熱できる。一方、基板５の外周部は、放熱が大きく冷え易いため、ランプ加熱装置のみでは基板５の中央部ほど温度が上がらない。よって、セラミックスヒータ１０で、基板５の外周部のみを加熱することで、基板５全体の温度の均熱化を図ることができる。

次に、セラミックスヒータ１０の各構成材料について、より具体的に説明する。セラミックス基材群２０の材質は特に限定されないが、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化珪素（ＳｉＮ_ｘ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ムライト（Ａ_ｌ6Ｓｉ₂Ｏ₁₃）、窒化ホウ素（ＢＮ）、サイアロン（Ｓｉ_6-zＡｌ_zＯ_zＮ_8-z）などを使用できる。セラミックス基材２０Ａ，２０Ｂは、窒化アルミニウムを含むことが好ましい。これによれば、セラミックス基材２０Ａ，２０Ｂは、高い熱伝導性を有することができ、基板載置面１０ａの均熱性をより高めることができる。

基板載置面１０ａは、平坦な面に限られない。基板載置面１０ａにエンボス加工（凹凸加工）を施したり、基板５の大きさにあわせた溝を形成したり、パージガス用の溝を形成したりしてもよい。更に、セラミックス基材２０Ａ，２０Ｂには、必要に応じて、リフトピン挿入用の貫通孔を形成してもよい。

また、セラミックス基材群２０の全体形状や大きさ、中央部のセラミックス基材２０Ａ、及び、外周部のセラミックス基材２０Ｂの形状や大きさは限定されない。セラミックス基材群２０の全体形状や大きさ、中央部のセラミックス基材２０Ａ、及び、外周部のセラミックス基材２０Ｂの形状や大きさは、基板載置面１０ａに載置する基板５の形状や大きさ、加熱源として組み合わせるランプ加熱ヒータの大きさや形状などの加熱条件や、セラミックスヒータ１０周囲の装置条件などに応じて最適なものを選択できる。

例えば、セラミックス基材群２０の全体形状は、基板５の形状や大きさなどに合わせて、円盤状の他に、矩形などの多角形の平板状にすることができる。また、セラミックス基材２０Ａの平面形状は、円形、矩形などの多角形とすることができる。例えば、セラミックス基材２０Ａの平面形状は、直径５０ｍｍ〜１５０ｍｍの円径や、幅が５０ｍｍ〜１５０ｍｍの多角形などにできる。また、外周部のセラミックス基材２０Ｂの平面形状は、例えば、円環状や角環状の環状とすることができる。例えば、セラミックスヒータ１０を直径２００ｍｍ〜３００ｍｍの基板５の基板加熱装置として使用する場合は、セラミックス基材２０Ｂの外径を約２００ｍｍ〜４００ｍｍとできる。

抵抗発熱体３０が、モリブデンまたはタングステンの少なくとも１つを含むことが好ましい。例えば、抵抗発熱体３０として、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、モリブデンカーバイド（ＭｏＣ）、タングステンカーバイド（ＷＣ）等の高融点導電材料などを用いることができる。抵抗発熱体３０は、高融点導電材料に限定されず、Ｎｉ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＨｆＣ、ＨｆＢ₂、ＺｒＢ₂、カーボンなどを用いることができる。また、抵抗発熱体３０は、図１（ｂ）に示すような線状のものに限らず、リボン状、メッシュ状、コイルスプリング状、シート状、印刷抵抗発熱体など、様々な形態のものを使用できる。また、図１（ａ）では、抵抗発熱体３０をセラミックス基材２０Ｂ内に埋設させているが、抵抗発熱体３０の設け方は限定されない。例えば、抵抗発熱体３０は、セラミックス基材２０Ｂの裏面（基板載置面１０ａと反対の面）に設けられてもよい。

管状部材４０は、金属又はセラミックスの少なくとも１つを含むことが好ましい。管状部材４０は、セラミックス基材２０Ａ，２０Ｂと同質のセラミックスで形成されることがより好ましい。

給電線５０は、ニッケルまたはアルミニウムの少なくとも１つを含むことが好ましい。例えば、給電線５０として、直径が約１ｍｍのニッケル（Ｎｉ）線やアルミニウム（Ａｌ）線などの低抵抗金属線を使用することができる。

次に、セラミックスヒータ１０の製造方法について説明する。まず、円盤状（平面形状が円形）のセラミックス基材２０Ａと、抵抗発熱体３０を埋設した円環状のセラミックス基材２０Ｂとを作製する。

抵抗発熱体３０を有さないセラミックス基材２０Ａは、セラミックス原料粉と焼結助剤を混合、攪拌し、スプレードライヤーで造粒して造粒粉を作製する。造粒粉を金型に充填してプレスして成形体を作製し、成形体を、例えば、ホットプレス法や常圧焼結法などを用いて焼成する。

抵抗発熱体３０を埋設した円環状のセラミックス基材２０Ｂは、セラミックス原料粉と焼結助剤を混合、攪拌し、スプレードライヤーで造粒して造粒粉を作製する。造粒粉を金型に充填してプレスして予備成形体を作製する。予備成形体上に回巻体に加工した抵抗発熱体３０を載せ、その上からセラミックス粉末を充填してプレスし、抵抗発熱体３０を埋設した成形体を作製する。成形体を、例えば、ホットプレス法や常圧焼結法などを用いて焼成する。

セラミックス基材２０Ａ，２０Ｂの作製工程で、セラミックス原料粉として窒化アルミニウム粉を使用し、ホットプレス法で焼成する場合は、窒素中で１７００℃〜２０００℃の温度で約１時間〜１０時間焼成することが好ましい。ホットプレス時の圧力は、２０kgf/ｃｍ²〜１０００kgf/ｃｍ²であることが好ましい。より好ましい圧力は、１００kgf/ｃｍ²〜４００kgf/ｃｍ²である。ホットプレス法は、焼結時に一軸方向に圧力がかかるため、抵抗発熱体３０を埋設する場合は、抵抗発熱体３０と周囲のセラミックス基材２０Ｂとの密着性を良好にできる。また、抵抗発熱体３０として金属などのバルク体を使用した場合はホットプレス焼成時にかかる圧力で変形することがない。得られた焼結体は、必要に応じて表面研磨を行い、端子３０Ｔ１、３０Ｔ２を接続するための孔や、リフトピン挿入用の貫通孔を形成する。

更に、円盤状のセラミックス基材２０Ａと円環状のセラミックス基材２０ＢとのギャップＧが約０．１ｍｍ〜１０ｍｍとなるように、セラミックス基材２０Ａの外径もしくはセラミックス基材２０Ｂの内径を調整する。より好ましくは０．２〜５ｍｍとなるように調整する。

尚、上述する製造方法では、セラミックス基材２０Ａとセラミックス基材２０Ｂをそれぞれ独立の成形工程、焼成工程で作製しているが、一体型のセラミックス基材の成形体又は焼結体を作製した後に、研削作業により中央部と外周部とに分割して、セラミックス基材２０Ａとセラミックス基材２０Ｂを作製してもよい。

次に、別途作製した管状部材４０をセラミックス基材群２０（セラミックス基材２０Ａと２０Ｂ）に取り付ける。管状部材４０をセラミックスで形成する場合、例えば、セラミックス基材２０Ａ，２０Ｂと同質の材料を用いて形成する場合には、セラミックス基材２０Ａ，２０Ｂとほぼ同様にして、成形、焼成を行い、加工する。成形方法は、種々の方法を使用できるが、比較的複雑な形状の成形に適した、ＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing）法やスリップキャスト等を使用することが好ましい。焼成方法も、種々の方法を使用できるが、成形体形状が複雑なため、常圧焼成法を用いて焼成することが望ましい。セラミックス原料粉として窒化アルミニウム粉を使用する場合は、窒素中、１７００℃〜２０００℃で、約１時間〜１０時間焼成することができる。そして、焼結体表面及びセラミックス基材群２０との接合面のラッピング加工などを行う。得られた管状部材４０を、各セラミックス基材２０Ａ，２０Ｂと、例えば、ネジ止めやロウ付けにより接続する。

なお、管状部材４０を金属で形成する場合は、金属管を研削加工することにより、管状部材４０を作製する。管状部材４０を金属で形成した場合は、給電線５０を、絶縁性を確保するために、アルミナの絶縁管内に収納することが好ましい。

このようなセラミックスヒータ１０は、従来一体であったセラミックス基材群２０を、円盤状（平面形状が円形）のセラミックス基材２０Ａと、抵抗発熱体３０を埋設した円環状のセラミックス基材２０Ｂとに分割して構成している。更に、両者の間に所定のギャップを設けている。そのため、セラミックス基材群２０の中央部と外周部を異なる温度に設定することが可能である。しかも、それぞれの設定温度に差が生じてもギャップＧの存在により、単一のセラミックス基材中に急激な温度勾配が形成されるのを阻止できる。そのため熱応力の発生による破損を防止できる。特に、基板載置面１０ａの面内の位置によりセラミックス基材２０Ａ，２０Ｂの設定温度差が２０℃以上あるような場合は、セラミックス基材を分割したことによるセラミックス基材内に発生する熱応力の抑制効果が大きい。隣接するセラミックス基材間の温度差が５０℃以上ある場合においてもセラミックス基材の破損を防止できる。

このようなセラミックスヒータ１０は、例えば、半導体製造工程や液晶製造工程において用いられる半導体ウエハや液晶基板などの基板を加熱する基板加熱装置として好適に利用できる。基材が耐腐食性に優れるセラミックスで形成されており、かつ抵抗発熱体３０がセラミックス基材２０Ｂ内に埋設されて外部に露出していないため、腐食性ガスを使用することが多いＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置やドライエッチング装置内で好適に使用できる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る基板加熱装置も、基材としてセラミックスを使用したセラミックスヒータ１１である。図２（ａ）に、セラミックスヒータ１１の断面図を、図２（ｂ）には、セラミックス基材群２１の平面図をそれぞれ示す。セラミックスヒータ１１も、従来一体であった円盤状のセラミックス基材を中央部のセラミックス基材２１Ａとその外周部のセラミックス基材２１Ｂとに分割し、ギャップＧを介して両者を同一面上に配置したセラミックス基材群２１を有する。セラミックスヒータ１１では、中央部のセラミックス基材２１Ａ内にも抵抗発熱体３１を埋設させている点と、セラミックス基材群２１と管状部材４１の間に板状の補助部材７０を有している点が第１の実施の形態に係るセラミックスヒータ１０と主に異なる。

セラミックスヒータ１０と同様に、セラミックスヒータ１１でも、各セラミックス基材の温度設定の影響を隣接する他のセラミックス基材が影響を受けにくく、各セラミックス基材が独立により正確な温度設定が可能になる。また、ギャップＧの存在により、セラミックス基材２１Ａ，２１Ｂ中に生じる温度勾配が抑制されるとともに、応力の逃げ場を提供できるため、応力による破損を防止できる。

さらに、分割した各セラミックス基材２１Ａ、２１Ｂが独立に抵抗発熱体３１、３０を有している。具体的には、セラミックス基材２１Ａには、端子３１Ｔ１，３１Ｔ２を持つ抵抗発熱体３１が設けられており、セラミックス基材２１Ｂには、端子３０Ｔ１，３０Ｔ２を持つ抵抗発熱体３０が設けられている。即ち、セラミックス基材２１Ａ，２１Ｂごとに、独立した端子を持つ抵抗発熱体が設けられている。端子３０Ｔ１，３０Ｔ２には、給電線５１から電力の入力を受け、抵抗発熱体３０に電力を出力する。端子３１Ｔ１，３１Ｔ２には、給電線５２から電力の入力を受け、抵抗発熱体３１に電力を出力する。そのため、セラミックス基材２１Ａ、２１Ｂごとのより細やかな温度管理が可能になる。また、中央部のセラミックス基材２１Ａの温度を外周部のセラミックス基材２１Ｂより下げることも上げることも可能である。

また、セラミックスヒータ１１は、セラミックス基材群２１の基板載置面１１ａと反対の面に接して配置される、板状の補助部材７０を備えている。そのため、セラミックス基材群２１を板状の補助部材７０上に載置できる。よって、複数のセラミックス基材２１Ａ，２１Ｂを含むセラミックス基材群２１をより簡易に、同一平面上に支持できる。そのため、セラミックス基材群２１に含まれるセラミックス基材の数（分割数）を増やしたり、より複雑な分割をしたりすることもできる。

補助部材７０の大きさや形状は特に限定されない。例えば、セラミックス基材群２１全体より広くすることにより、セラミックス基材群２１を安定して支持できる。しかし、必ずしもその必要はなく、セラミックス基材群２１を支持でき、給電線５１や熱電対６２を被覆できる大きさと形状を有すればよい。

図２（ａ）に示すように、抵抗発熱体３０の端子３０Ｔ２に接続される給電線５１や熱電対６２は、セラミックス基材２１Ｂに埋設されずに、セラミックス基材群と補助部材との間に配線されることが好ましい。例えば、給電線５１と熱電対６２は、セラミックス基材群２１、具体的には、セラミックス基材２１Ｂの基板載置面１１ａと反対の面（裏面）に沿って配線できる。また、給電線５１と熱電対６２は、セラミックス基材群２１に代えて、補助部材７０の表面に沿って配線してもよい。これによれば、給電線５１として、抵抗発熱体とは異なる、より低抵抗な導体、例えばＮｉやアルミニウムなどの細線を使用することができる。したがって、給電線５１自身の発熱を抑制できる。そのため、セラミックス基材２１Ａ，２１Ｂごとの精度の高い温度制御とあいまって、より精度の高い温度制御が可能になる。

更に、セラミックス基材群２１の基板載置面１１ａと反対の面（裏面）上に補助部材７０を配置することにより、補助部材７０によって給電線５１や熱電対６２が覆われている。したがって、腐食性ガス中での使用でも、給電線５１や熱電対６２の腐食を防止できる。

しかも、管状部材４１が、補助部材７０を介して、セラミックス基材群２１の基板載置面１１ａと反対の面の中央部に接続されている。このような管状部材４１は、各セラミックス基材２１Ａ，２１Ｂの支持体として機能する。しかも、管状部材４１内に給電線５１，５２と熱電対６１，６２を収納することができる。そして、管状部材４１内を不活性ガスでパージしたり、外部環境と遮断することにより、給電線５１，５２と熱電対６１，６２の腐食を防止できる。

補助部材７０の材質は限定されないが、絶縁性を有することが好ましい。補助部材７０は、セラミックスヒータ１１の使用温度範囲で十分な耐熱性を有することが好ましい。例えば、３００℃以下の比較的低温で使用する場合は、補助部材７０を、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン等のエンジニアプラスティック材料で形成することが可能である。４００℃以上の高温雰囲気で使用する場合は、補助部材７０は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ムライト、窒化ホウ素、サイアロン等のセラミックスを含むことが好ましい。さらに、セラミックス基材群２１と補助部材７０との接続部分において熱膨張係数の相違に基因する熱応力の発生を抑制するためには、補助部材７０をセラミックス基材群２１と同じ主成分を持つセラミックスで形成することが好ましい。

なお、補助部材７０は、セラミックス基材群２１と接する面に、給電線５１や熱電対６２をガイドするガイド用溝を備えることが好ましい。また、セラミックス基材群２１がガイド用溝を備えてもよい。

補助部材７０とセラミックス基材群２１との接続は、ねじ止めで行うことが好ましい。接続作業が簡易化でき、分解修理も容易に可能となるからである。なお、セラミックスヒータ１１を腐食性ガス中で使用する場合や、２００℃以上の高温で使用する場合は、インコネル等のＮｉ基合金のネジや、カーボンやセラミックスのネジを使用してネジ止めすることが好ましい。また、熱膨張係数の相違による熱応力の発生を防止するためには、セラミックス基材群２１、補助部材７０及びネジ止めに用いるネジを、同一のセラミックス、例えば窒化アルミニウムで形成することが好ましい。Ｎｉ基合金のネジを使用する場合はセラミックス基体のめねじ部にＮｉ基合金のヘリサートを入れておくとよい。

セラミックスヒータ１１の製造方法は、セラミックスヒータ１０の製造方法と基本的に同じ手順を使用できる。例えば抵抗発熱体が埋設されたセラミックス基材２１Ａは、セラミックス基材２０Ｂと同様に抵抗発熱体３１を埋設した成形体を作製し、この成形体を焼成すればよい。

また、補助部材７０を窒化アルミニウム等のセラミックスで作製する場合は、セラミックス基材群の製造方法と同様な条件で成形、焼成を行い、焼結体を作製するとよい。補助部材７０を樹脂材料で形成する場合は、市販の樹脂材料を円盤状に加工したり、射出成形したりできる。

更に、補助部材７０と管状部材４１は、セラミックス一体焼結体としてもよい。即ち、同一のセラミックスで補助部材７０と管状部材４１を備える一体焼結体を作製してもよい。

このようなセラミックスヒータ１１によれば、従来一体であったセラミックス基材を、抵抗発熱体３１を埋設した円盤状（平面形状が円形）のセラミックス基材２１Ａと、抵抗発熱体３０を埋設した円環状のセラミックス基材２１Ｂとに分割して構成する。更に、両者の間には所定のギャップＧがある。そのため、セラミックス基材群２１の中央部と外周部を異なる温度に設定することが可能である。更に、それぞれの設定温度に差が生じてもギャップの存在により、単一のセラミックス基材中に急激な温度勾配が形成されるのを阻止できる。そのため熱応力の発生による破損を防止できる。隣接するセラミックス基材間の温度差が５０℃以上ある場合においてもセラミックス基材の破損を防止できる。

さらに、セラミックスヒータ１１は板状の補助部材７０を有し、セラミックス基材群２１を補助部材７０上に載置できる。そのため、分割された複数のセラミックス基材２１Ａ，２１Ｂを安定して保持できる。しかも、補助部材７０によって、セラミックス基材群２１と補助部材７０との間に配線された給電線５１や熱電対６２が被覆される。よって、給電線５１や熱電対６２の露出を防止できる。そのため、セラミックスヒータ１１は腐食ガス中で使用できる。

（第３の実施の形態）
図３に、第３の実施の形態に係るセラミックスヒータ１２の断面図を示す。第３の実施の形態に係る基板加熱装置も、基材としてセラミックス基材を使用したセラミックスヒータ１２である。即ち、セラミックスヒータ１２でも、セラミックスヒータ１１と同様に、従来一体であった円盤状のセラミックス基材を中央部のセラミックス基材２２Ａとその外周部のセラミックス基材２２Ｂとに分割している。更に、各セラミックス基材２２Ａ，２２Ｂ内に、抵抗発熱体３０、３１と、静電チャック電極８０Ａ、８０Ｂが埋設されている。

具体的には、セラミックスヒータ１２の各セラミックス基材２２Ａ、２２Ｂ中にそれぞれ、面状の静電チャック電極８０Ａ、８０Ｂが埋設されている。セラミックスヒータ１１は、静電チャック電極８０Ａ、８０Ｂを有することにより、基板５を各セラミックス基材２２Ａ、２２Ｂに密着固定させることができる。即ち、セラミックスヒータ１２は、静電チャック機能を備えることにより、基板載置面に載置した基板を基板載置面との良好な密着性を持って固定できる。したがって、セラミックスヒータ１２による基板５の温度制御をより効率良く、より正確に行うことが可能になる。

更に、この静電チャック電極８０Ａ、８０Ｂと同じようにして、高周波電極（ＲＦ電極）を各セラミックス基材２２Ａ、２２Ｂ中に埋設してもよい。これによれば、セラミックスヒータ１２は、プラズマを発生できる。即ち、静電チャック電極又は高周波電電極少なくとも１つを基材に埋設できる。

静電チャック電極８０Ａ、８０Ｂや高周波電極としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、及びタングステンカーバイド（ＷＣ）等の高融点金属を使用することが好ましい。また、静電チャック電極８０Ａ、８０Ｂや高周波電極の形態は限されず、板状やメッシュ状の金属バルク体、パンチングメタルのような板状の金属バルク体に穴を開けたもの、印刷用の金属ペーストを用いて印刷した印刷電極、蒸着やスパッタ等で形成した薄膜電極でもよい。尚、金属バルク体の電極を用いた場合には、低抵抗化が可能なため、静電チャック電極としても、プラズマ発生用の高周波電極としても使用することができる。

更に、セラミックスヒータ１２は、セラミックスヒータ１１と同様にセラミックス基材群２２と管状部材４１との間に板状の補助部材７１を備えている。補助部材７１の表面には、各セラミックス基材２２Ａ，２２Ｂに合わせて溝が形成されている。よって、各セラミックス基材２２Ａ，２２Ｂを所定位置に嵌め込むことができる。このように、補助部材７１上に各セラミックス基材２２Ａ、２２Ｂを嵌め込む溝を形成することで、正確にセラミックス基材２２Ａ、２２Ｂの位置を確定でき、ねじ止め等を使わずに、セラミックス基材２２Ａ、２２Ｂを補助部材７０上に固定できる。

セラミックスヒータ１２は、第２の実施の形態に係るセラミックスヒータ１１の製造方法とほぼ同様な方法で製造できる。但し、セラミックス基材２２Ａ、２２Ｂの作製工程において、抵抗発熱体と同様に静電チャック電極８０Ａ、８０Ｂを埋設させる。例えば、静電チャック電極８０Ａ、８０Ｂを成形体に埋設し、焼成する。また、加工や成形などにより、各セラミックス基材２２Ａ、２２Ｂを嵌め込む溝を備える補助部材７１を作製する。これらの点以外は、第２の実施の形態とほぼ同様にできる。

このようなセラミックスヒータ１２によれば、セラミックスヒータ１０，１１と同様に、セラミックス基材２２Ａ、２２Ｂにおける熱応力による破損を防止でき、隣接するセラミックス基材２２Ａ、２２Ｂ間の度差が５０℃以上ある場合においてもセラミックス基材２２Ａ、２２Ｂの破損を防止できる。さらに、板状の補助部材７０により、セラミックス基材群２１を安定して保持できる。加えて、各セラミックス基材２２Ａ、２２Ｂに沿って配線された給電線５１や熱電対６２の腐食を防止できる。更に、静電チャック電極８０Ａ、８０Ｂにより、基板５を安定してセラミックスヒータ１２上に固定できる。

（その他の実施の形態）
セラミックス基材の分割の形態は、中央部とその外周部の２分割に限られない。例えば、基板５の周囲やセラミックスヒータ周囲の温度環境に応じて分割できる。例えば、円盤状のセラミックス基材を周方向に（放射線状に）分割してもよいし、径方向に分割してもよい。また、分割数も限定されない。図４に示すセラミックスヒータ１３のように、径方向の２分割と周方向方向の４分割（放射線状に４分割）とを組み合わせて、セラミックス基材を５つの領域に分割し、複数のセラミックス基材２３Ａ〜２３Ｅとしてもよい。そして、各セラミックス基材２３Ａ〜２３Ｅの間に所定のギャップを設けて配置してもよい。この場合、各セラミックス基材２３Ａ〜２３Ｅにそれぞれ独立した端子を有する抵抗加熱体Ａ〜Ｅを設けてもよい。

また、第１〜第３の実施の形態では、基材としてセラミックスを使用したセラミックスヒータの例を示したが、基材の種類はセラミックスに限られず、アルミニウムやステンレス等の金属の基材や、樹脂の基材などを使用してもよい。金属を基材として使用する場合に、金属基材中に抵抗発熱体を埋設するときは、抵抗発熱体を絶縁材で被覆することで、抵抗発熱体と金属基材との絶縁を確保するとよい。

セラミックスヒータの各セラミックス基材の温度制御は、例えば、図５（ａ）、図６（ａ）に示すセラミックスヒータ１４，１５のように行うことができる。図５（ａ）に示すように、セラミックスヒータ１４では、セラミックスヒータ１１と同様に、各セラミックス基材２１Ａ、２２Ｂそれぞれが、独立した端子を持つ抵抗発熱体３０、３１を備える。更に、セラミックスヒータ１４は、セラミックス基材２１Ａ、２１Ｂ毎に、セラミックス基材２１Ａ、２１Ｂ毎の温度測定部である熱電対６１，６２を備える。また、セラミックスヒータ１４は、セラミックス基材２１Ａ、２１Ｂ毎に温度を調整するセラミックス基材２１Ａ，２１Ｂ毎の温度制御装置１３０，１３１を備える。

温度制御装置１３０，１３１はそれぞれ、温度コントローラ１１０，１１１と、出力ユニット１２０，１２１を備える。セラミックス基材２１Ａの温度制御装置１３０は、抵抗発熱体３０と熱電対６１に接続し、セラミックス基材２１Ａの温度を調整する。セラミックス基材２１Ｂの温度制御装置１３１は、抵抗発熱体３１と熱電対６２に接続し、セラミックス基材２１Ｂの温度を調整する。具体的には、温度コントローラ１１０，１１１が、測定温度と設定温度に応じて出力ユニット１２０，１２１から出力する電流値を制御する。出力ユニット１２０，１２１は、制御された電流値を抵抗発熱体３０，３１に供給する。

この場合、各セラミックス基材２１Ａ、２１Ｂにおいて独立した温度制御が可能となる。また、セラミックス基材２１Ａ、２１Ｂごとに熱電対６１，６２により温度をモニターできる。例えば、図５（ｂ）に示すように、セラミックス基材２１Ａの温度Ｔｃ１を３５４℃に設定し、セラミックス基材２１Ｂの温度Ｔｃ２を３１０℃に設定することができる。あるいはセラミックスヒータ１４を用いる装置内の条件に従って、温度条件を変更することができる。このようにセラミックス基材毎の温度設定が可能になる。

また、図６（ａ）に示すように、セラミックスヒータ１５では、セラミックスヒータ１１と同様に、各セラミックス基材２１Ａ、２２Ｂそれぞれが、独立した端子を持つ抵抗発熱体３０、３１を備える。このとき、一方のセラミックス基材は、温度を測定して温度制御を行い、他方のセラミックス基材は、その温度制御に応じた制御を行うことができる。具体的には、セラミックス基材２１Ａの温度を測定する熱電対６１と、抵抗発熱体３０と温度測定部である熱電対６１に接続し、セラミックス基材２１Ａの温度を制御する主温度制御装置１４０を備えることができる。主温度制御装置１４０は、主温度コントローラ１１２と出力ユニット１２２とを備える。主温度コントローラ１１２が、測定温度と設定温度に応じて出力ユニット１２２から出力する電流値を制御する。出力ユニット１２２は、制御された電流値を抵抗発熱体３０に供給する。このように、セラミックスヒータ１５は、基材ごとの温度測定部と、抵抗発熱体と温度測定部に接続し、基材ごとに温度を調整する基材ごとの主温度制装置を少なくとも１つ備えることができる。

そして、セラミックス基材２１Ｂは、熱電対を備えず、主温度制御装置１４０の温度制御条件に応じて温度制御条件を設定する従温度制御装置１４１を備える。即ち、セラミックスヒータ１５は、主温度制御装置１４０による温度調整を受けないセラミックス基材２１Ｂの温度を、主温度制御装置１４０の温度調整条件に応じて調整する従温度制御装置１４１を備える。

従温度制御装置１４１は抵抗発熱体３１に接続された出力ユニット１２３と、出力ユニット１２３と主温度コントローラ１１２に接続された従温度コントローラ１１３とを備える。従温度コントローラ１１３は、主温度コントローラ１１２の設定温度に応じて一定の関係で設定温度が決まるように設定されている。そして、従温度コントローラ１１３は、その設定温度に応じて出力ユニット１２３が出力される電流値を制御する。そして、出力ユニット１２３は、制御された電流値を抵抗発熱体３１に供給する。

よって、この場合、図６（ｂ）に示すように、モニターされるのはセラミックス基材２１Ａの温度Ｔｃ１のみである。そして、例えば、セラミックス基材２１Ｂの設定温度を、常に温度Ｔｃ１から４０℃低い温度に設定できる。このように、各セラミックス基材２１Ａ、２１Ｂの設定温度が一定の関係を有するように調整する場合は、熱電対６１を埋設するセラミックス基材をいずれか一つに決めて、他の基材は熱電対６１が埋設されたセラミックス基材に応じて温度を調整できる。この場合は、熱電対の数を減らせるとともに、装置構成をより簡易なものにできる。

なお、図５（ａ）、図６（ａ）に示したような温度制御の方式は、第１〜第３の実施の形態に応用することが可能であるとともに、図４に示すようなより多くに基材を分割した場合にも適用できる。

更に、補助部材とセラミックス基材群の接続方法は、限定されない。例えば、図７に示すように、セラミックスヒータ１６の温度が低い場合には、補助部材７０とセラミックス基材群２１は、Ｏリングや金属シール（メタルシール）などのシール部材を用いて接続できる。また、セラミックスヒータの温度がロウ付け温度以下の場合には、補助部材とセラミックス基材群は前記ロウ付けにより接続してもよい。尚、ロウ付けする位置は、例えば、図７に示したシール部材９０を設ける位置と同じ位置にできる。シール部材９０やロウ付けによる接続によれば、チャンバ内の腐食性ガスによる給電線や熱電対の腐食を防止できる。

（実施例）
図２に示すセラミックスヒータ１１を実施例として作製した。具体的には、還元窒化法によって得られた窒化アルミニウム粉末に、５重量％のＹ₂Ｏ₃を加えたセラミックス混合粉にアクリル系樹脂バインダを添加して混合し、噴霧造粒法により造粒粉を作製した。この造粒粉を金型に充填してプレスし、予備成形体を作製した。予備成形体に、転写型で抵抗発熱体を埋設する位置に溝を形成した。その溝に、図２（ｂ）に示す巻回体に加工した線状のモリブデンの抵抗発熱体３０、折り返し加工した線状のモリブデンの抵抗発熱体３１を置いた。更に、その上にセラミックス原料粉を充填し、約２００kg/ｃｍ²でプレスを行い、セラミックス基材２１Ａ及びセラミックス基材２１Ｂになる成形体を作製した。これらの成形体をホットプレス焼成炉で焼成した。窒素ゲージ圧を０．５kg/cm²とする雰囲気下で、１８６０℃で６時間保持して焼成した。

円盤状のセラミックス基材２１Ａとして、直径１００ｍｍ×厚み２０ｍｍの窒化アルミニウム焼結体を作製した。また、円環状のセラミックス基材２１Ｂとして、内径１０４ｍｍ×外径３１０ｍｍ×厚み２０ｍｍの窒化アルミニウム焼結体を作製した。

別途、セラミックス基材と同じ造粒粉を用いて成形し、常圧焼結して、板状の補助部材７０及び管状部材４１を作製した。補助部材７０は、一軸方向からプレスして成形した。管状部材４１は、ＣＩＰ法により成形した。

セラミックス基材２１Ａ、２２Ｂ、補助部材７０、管状部材４１に、ねじ穴や端子と給電線５１，５２との接続に必要な孔を形成した。図２（ａ）に示すように、セラミックス基材２１Ａ、２１Ｂと補助部材７０、補助部材７０と管状部材４１をそれぞれ、セラミックスのネジを用いてねじ止めした。また、抵抗発熱体３０，３１の端子３０Ｔ１、３０Ｔ２、３１Ｔ１、３１Ｔ２及び熱電対の端子を必要箇所にロウ付けで固定した。

（比較例）
実施例と同様な製造条件を用いて、比較例のセラミックスヒータを作製した。比較例のセラミックスヒータは、セラミックス基材を一体型のものとした。ただし、セラミックス基材は中央部と外周部の２つのゾーンを持ち、それぞれに独立した端子を有する抵抗発熱体を埋設させた。各抵抗発熱体の形状は、実施例の各セラミックス基材２１Ａ、２１Ｂ中に埋設されたものと同様の形状を有するようにした。

（評価）
実施例及び比較例の各セラミックスヒータ上に基板を載置した。基板中央部の設定温度が３００℃、基板外周部の設定温度が３４０℃となるよう抵抗発熱体の発熱量を調整した。このときのセラミックス基材内の温度を熱電対を用いて測定した。この結果を図８に示す。なお、図８では、補助部材７０や管状部材４１、抵抗発熱体３０，３１などの図示を省略している。

従来の一体型セラミックス基材からなる比較例のセラミックスヒータの場合は、基板温度を３００℃に設定した基板中央部の真下にあたるセラミックスヒータ内部の温度は３１０℃であった。これに対し、基板温度を３４０℃に設定した基板外周部の真下にあたるセラミックスヒータ内部の温度は３６０℃であった。そのため、セラミックスヒータ内部では面内方向において、中央部と外周部との間に約５０℃以上の温度差が生じていた。

これに対し、セラミックス基材を２分割し、ギャップを設けた実施例のセラミックスヒータ１１では、セラミックス基材２１Ａの厚み方向のほぼ中央部において、基板温度を３００℃に設定した基板中央部の真下では３０５℃であった。これに対し、セラミックス基材２１Ａの円周部では３１７℃であった。そのため、セラミックス基材２１Ａ内部の面内方向での温度差は１２℃に過ぎなかった。また、セラミックス基材２１Ｂにおいて、基板温度を３４０℃に設定した基板外周部の真下では３５８℃であり、セラミックス基材２１Ｂ内周部での温度は３５０℃であった。そのため、セラミックス基材２１Ｂの面内温度差は約１０℃以下であることが確認できた。

図８にも示されるように、従来の一体型セラミックス基材からなるセラミックスヒータに対して、複数のセラミックス基材を含むセラミックス基材群を備える実施例のセラミックスヒータ１１では、各セラミックス基材２１Ａ，２１Ｂでの面内温度差を大幅に抑制できる。そして、図８に示すように、場所によって異なる温度を設定する場合であっても、面内温度差に起因する熱応力の発生が抑制され、熱応力に起因する破損を防止できることが確認できた。

（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係るセラミックスヒータの断面図であり、（ｂ）はそのセラミックス基材群の平面図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係るセラミックスヒータの断面図であり、（ｂ）はそのセラミックス基材群の平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るセラミックスヒータを示す断面図である。 本発明の他の実施の形態に係るセラミックスヒータのセラミックス基材群の分割形態例を示す平面図である。 （ａ）は、本発明の他の実施の形態に係るセラミックスヒータを示す図であり、（ｂ）はその温度制御例を示すグラフである。 （ａ）は、本発明の他の実施の形態に係るセラミックスヒータを示す図であり、（ｂ）はその温度制御例を示すグラフである。 本発明の他の実施の形態に係るセラミックスヒータを示す断面図である。 本発明の実施例のセラミックスヒータ及び比較例のセラミックスヒータにおける面内温度分布測定結果を示す図である。

符号の説明

１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６…セラミックスヒータ
１０ａ，１１ａ…基板載置面
２０，２１，２２…セラミックス基材群
２０Ａ，２０Ｂ，２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ〜２３Ｅ…セラミックス基材
３０，３１…抵抗発熱体
３０Ｔ１，３０Ｔ２，３１Ｔ１，３１Ｔ２…端子
３１…抵抗発熱体
４０，４１…管状部材
５０，５１，５２…給電線
６１，６２…熱電対
７０，７１…補助部材
８０Ａ…静電チャック電極
９０…シール部材
１１０，１１１…温度コントローラ
１１２…主温度コントローラ
１１３…従温度コントローラ
１２０，１２１，１２２，１２３…出力ユニット
１３０，１３１…温度制御装置
１４０…主温度制御装置
１４１…従温度制御装置

Claims (17)

1. ギャップを介して略板状になるように配置され、基板載置面を形成する複数の基材を含む基材群と、
   前記基材ごとに設けられた、端子を持つ抵抗発熱体と
   を備え、
   前記複数の基材には、温度を測定して温度制御が行われる一方の基材と、該一方の基材の温度制御に応じた制御が行われる他方の基材とがあり、
   前記一方の基材の温度を測定する温度測定部と該基材に設けられた抵抗発熱体の端子とに接続され、前記温度測定部の測定温度と設定温度とに応じて前記抵抗発熱体に出力する電流値を制御する主温度制御装置と、
   前記他方の基材に設けられた抵抗発熱体と前記主温度制御装置とに接続され、前記主温度制御装置の設定温度に応じて一定の関係で設定温度が決まるように設定され、該設定温度に応じて前記抵抗発熱体に出力する電流値を制御する従温度制御装置と、
   を備えることを特徴とする基板加熱装置。
2. 前記基材は、セラミックスを含むことを特徴とする請求項１に記載の基板加熱装置。
3. 前記抵抗発熱体は、前記基材に埋設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板加熱装置。
4. 前記ギャップの幅は、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板加熱装置。
5. 前記基材群は、第１基材と、該第１基材の外周囲に配置される環状の第２基材とを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の基板加熱装置。
6. 前記基材群の前記基板載置面と反対の面に接して配置される、板状の補助部材を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の基板加熱装置。
7. 前記補助部材は、絶縁性であることを特徴とする請求項６に記載の基板加熱装置。
8. 前記抵抗発熱体の端子に接続し、前記基材と前記補助部材の間に配線された給電線を備えることを特徴とする請求項７に記載の基板加熱装置。
9. 前記補助部材は、セラミックスを含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の基板加熱装置。
10. 前記基材群の前記基板載置面と反対の面の中央部に直接又は間接に接続された管状部材を備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の基板加熱装置。
11. 前記基材群の前記基板載置面と反対の面の中央部に直接又は間接に接続された管状部材を備え、
    前記管状部材は、前記補助部材を介して、前記基材群の前記基板載置面と反対の面の中央部に接続されていることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか1項に記載の基板加熱装置。
12. 前記管状部材は、金属又はセラミックスの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の基板加熱装置。
13. 前記補助部材と前記管状部材は、セラミックス一体焼結体であることを特徴とする請求項１１に記載の基板加熱装置。
14. 前記基材中に埋設された、静電チャック電極又は高周波電極の少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の基板加熱装置。
15. 前記基材は、窒化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の基板加熱装置。
16. 前記抵抗発熱体は、モリブデンまたはタングステンの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の基板加熱装置。
17. 前記抵抗発熱体の端子に接続し、ニッケルまたはアルミニウムの少なくとも１つを含む給電線を備えることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の基板加熱装置。

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