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JP6613181B2 - 基板処理装置および基板処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、基板処理装置および基板処理方法に関する。
従来、半導体基板(以下、単に「基板」という。)の製造工程では、基板処理装置を用いて基板に対して様々な処理が施される。例えば、表面上にレジストのパターンが形成された基板に薬液を供給することにより、基板の表面に対してエッチング等の処理が行われる。薬液の供給後には、基板に純水を供給して表面の薬液を除去するリンス処理や、基板を高速に回転して表面の純水を除去する乾燥処理がさらに行われる。
基板を乾燥する際には、基板上の純水を、純水よりも表面張力が低い有機溶剤(IPA(イソプロピルアルコール)等)に置換することも行われる。これにより、乾燥処理中に、純水の表面張力に起因して基板上のパターン要素が倒壊することが防止される。例えば、特許文献1では、純水の液膜を基板上に形成し、純水よりも表面張力が低い低表面張力溶剤により基板上の純水を置換し、その後、当該低表面張力溶剤を基板表面から除去して基板表面を乾燥させる手法が開示されている。
また、特許文献2の装置では、純水による基板の洗浄処理に続いて、乾燥前処理液を基板の主面に供給して、当該主面に残っている純水を乾燥前処理液に置換させ、その後、乾燥前処理液を除去して基板を乾燥させることが行われる。乾燥前処理液は、純水と、純水よりも揮発性の高い有機溶剤とを含む混合液であり、混合液の基板への供給中に、混合液中における有機溶剤の割合が増加される。特許文献3では、リンス液が付着した基板の表面に常温の低表面張力液体を供給する処理に並行して、基板の裏面に高温の温水を供給することにより、基板の表面上で低表面張力液体を温度上昇させる手法が開示されている。当該手法では、基板の表面上のリンス液と低表面張力液体との置換効率を向上させることができ、基板の表面からリンス液を良好に除去することができる。
特許第5114252号公報 特許第4767767号公報 特許第5139844号公報
ところで、特許文献1のように、純水の液膜を基板上に形成する場合、基板の回転数を下げた状態を一定時間保持する必要があるため、リンス処理後、基板の乾燥が完了するまでの乾燥に係る処理に要する時間が長くなる。一方、特許文献3のように、純水によるリンス処理後に、純水の液膜を形成することなく、主面上に低表面張力液体(IPA)を直接供給すると、パターン要素の形状や大きさ、配置等によっては、パターン要素が倒壊する場合がある。特許文献2の装置でも、乾燥前処理液の除去(基板の乾燥)には一定の時間を要してしまう。したがって、パターン要素の倒壊を抑制しつつ、乾燥に係る処理に要する時間を短くする手法が求められている。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、パターン要素の倒壊を抑制しつつ、乾燥に係る処理に要する時間を短くすることを目的としている。
請求項1に記載の発明は、基板処理装置であって、基板を保持する基板保持部と、前記基板保持部を前記基板と共に回転する基板回転機構と、前記基板の上方を向く主面に純水を供給する純水供給部と、純水よりも表面張力が低い常温の有機溶剤と、加熱した純水とを混合することにより生成され、常温よりも高い温度の混合液を前記主面に供給する混合液供給部と、前記有機溶剤を前記主面に供給する有機溶剤供給部と、前記基板回転機構により回転する前記基板の前記主面に、前記純水供給部、前記混合液供給部および前記有機溶剤供給部により前記純水、前記混合液および前記有機溶剤を順に供給させた後、前記基板の回転により前記主面上の前記有機溶剤を除去する制御部とを備える。
請求項に記載の発明は、請求項に記載の基板処理装置であって、前記混合液における前記有機溶剤の濃度が50vol%以下である。
請求項に記載の発明は、基板処理方法であって、a)回転する基板の上方を向く主面に純水を供給する工程と、b)純水よりも表面張力が低い常温の有機溶剤と、加熱した純水とを混合することにより生成され、常温よりも高い温度の混合液を、回転する前記基板の前記主面に供給する工程と、c)回転する前記基板の前記主面に前記有機溶剤を供給する工程と、d)前記基板の回転により前記主面上の前記有機溶剤を除去する工程とを備える。
請求項に記載の発明は、請求項に記載の基板処理方法であって、前記混合液における前記有機溶剤の濃度が50vol%以下である。
本発明によれば、パターン要素の倒壊を抑制しつつ、乾燥に係る処理に要する時間を短くすることができる。
基板処理装置の構成を示す図である。 基板の処理の流れを示す図である。 基板の上面上の処理液を示す図である。 基板の上面上の処理液を示す図である。 混合液における有機溶剤の濃度と、混合液と純水との溶解性との関係を示す図である。 混合液における有機溶剤の濃度と、混合液と純水との溶解性との関係を示す図である。
図1は、本発明の一の実施の形態に係る基板処理装置1の構成を示す図である。基板処理装置1における各構成要素は、制御部10により制御される。基板処理装置1は、スピンチャック22と、スピンモータ21と、カップ部23と、チャンバ5とを備える。基板保持部であるスピンチャック22は、基板9の周縁に複数の挟持部材を接触させることにより、基板9を挟持する。これにより、基板9が水平な姿勢にてスピンチャック22により保持される。以下の説明では、上方を向く基板9の主面91を「上面91」という。上面91には、所定のパターンが形成されており、当該パターンは、例えば直立する多数のパターン要素を含む。
スピンチャック22には、上下方向(鉛直方向)に伸びるシャフト221が接続される。シャフト221は、基板9の上面91に垂直であり、シャフト221の中心軸J1は、基板9の中心を通る。基板回転機構であるスピンモータ21は、シャフト221を回転する。これにより、スピンチャック22および基板9が、上下方向を向く中心軸J1を中心として回転する。シャフト221およびスピンモータ21は共に中空状であり、後述の下部ノズル34が内部に配置される。
カップ部23は、液受け部24と、ガード部25とを備える。液受け部24は、ベース部241と、環状底部242と、周壁部243とを備える。ベース部241は、中心軸J1を中心とする筒状である。ベース部241は、後述のチャンバ内側壁部53に嵌め込まれて、チャンバ内側壁部53の外側面に取り付けられる。環状底部242は、中心軸J1を中心とする円環板状であり、ベース部241の下端部から外側に広がる。周壁部243は、中心軸J1を中心とする筒状であり、環状底部242の外周部から上方に突出する。ベース部241、環状底部242および周壁部243は、好ましくは1つの部材として一体的に形成される。
ガード部25は、中心軸J1を中心とする略円筒状の部材であり、スピンチャック22の周囲を囲む。ガード部25の下部には、周壁部243との間にて微小な間隙を形成する係合部254が設けられる。係合部254と周壁部243とは、非接触状態が維持される。ガード部25は、ガード昇降機構26により、上下方向に移動可能である。
チャンバ5は、チャンバ底部51と、チャンバ上底部52と、チャンバ内側壁部53と、チャンバ外側壁部54と、チャンバ天蓋部55とを備える。チャンバ底部51は、板状であり、スピンモータ21およびカップ部23の下方を覆う。チャンバ上底部52は、中心軸J1を中心とする略円環板状である。チャンバ上底部52は、チャンバ底部51の上方にて、スピンモータ21の上方を覆うとともにスピンチャック22の下方を覆う。チャンバ内側壁部53は、中心軸J1を中心とする略円筒状である。チャンバ内側壁部53は、チャンバ上底部52の外周部から下方に広がり、チャンバ底部51に至る。チャンバ内側壁部53は、カップ部23の径方向内側に位置する。
チャンバ外側壁部54は、略筒状であり、カップ部23の径方向外側に位置する。チャンバ外側壁部54は、チャンバ底部51の外周部から上方に広がり、チャンバ天蓋部55の外周部に至る。チャンバ天蓋部55は、板状であり、カップ部23およびスピンチャック22の上方を覆う。チャンバ外側壁部54には、基板9をチャンバ5内に搬入および搬出するための搬出入口(図示省略)が設けられる。
基板処理装置1は、第1上部ノズル31と、第2上部ノズル32と、下部ノズル34と、薬液供給部41と、純水供給部42と、有機溶剤供給部43と、ヒータ44とをさらに備える。第1上部ノズル31は、例えば上下方向に伸びるストレートノズルであり、図示省略のノズル移動機構のアームに取り付けられる。ノズル移動機構は、アームを中心軸J1に平行な軸を中心として回動することにより、第1上部ノズル31を、基板9の上面91に対向する対向位置と、上面91の上方から外れた待機位置とに選択的に配置する。対向位置に配置された第1上部ノズル31は、上面91の中央部に対向する。待機位置は、水平方向において基板9から離れた位置である。ノズル移動機構は、アームを上下方向に昇降することも可能である。第2上部ノズル32も、第1上部ノズル31と同様に、他のノズル移動機構により、対向位置と他の待機位置とに選択的に配置される。上下方向に伸びる下部ノズル34は、中空状のシャフト221およびスピンモータ21の内部に配置される。下部ノズル34の上端は、基板9の下面の中央部に対向する。
薬液供給部41は、開閉弁451を介して第2上部ノズル32に接続され、純水供給部42は、開閉弁452を介して接続部45に接続される。純水供給部42は、さらに、開閉弁471を介してヒータ44に接続され、また、開閉弁472を介して下部ノズル34に接続される。ヒータ44は、流量制御弁461および開閉弁453を介して接続部45に接続され、有機溶剤供給部43は、流量制御弁462および開閉弁454を介して接続部45に接続される。第2上部ノズル32と薬液供給部41との間等にも流量制御弁が設けられてよい。接続部45は、開閉弁455を介して第1上部ノズル31に接続される。例えば、接続部45、並びに、接続部45に近接して設けられる複数の開閉弁452〜455により、1つの多連弁装置(ミキシングバルブ)が構成される。薬液供給部41、純水供給部42および有機溶剤供給部43により、処理液である薬液、純水および有機溶剤が基板9の上面91にそれぞれ供給される。
図2は、基板処理装置1における基板9の処理の流れを示す図である。まず、外部の搬送機構により未処理の基板9がチャンバ5内に搬入され、スピンチャック22にて保持される(ステップS11)。基板9の搬入の際には、ガード昇降機構26により、ガード部25を下降させることにより、搬入される基板9がガード部25に接触することが防止される(後述の基板9の搬出において同様)。搬送機構がチャンバ5外に移動すると、ガード部25が図1に示す位置まで上昇し、ガード部25の上端が基板9よりも上方に配置される。
続いて、ノズル移動機構により第2上部ノズル32が、基板9の上面91の中央部に対向する対向位置に配置され、スピンモータ21により、所定の回転数(回転速度)での基板9の回転が開始される。そして、開閉弁451を開くことにより、薬液が第2上部ノズル32を介して上面91に連続的に供給される(ステップS12)。上面91上の薬液は基板9の回転により外縁部へと広がり、上面91の全体に薬液が供給される。また、外縁部から飛散する薬液は、カップ部23の内側面により受けられて回収される。薬液は、例えば、希フッ酸(DHF)またはアンモニア水を含む洗浄液である。薬液は、基板9上の酸化膜の除去や現像、あるいは、エッチング等、洗浄以外の処理に用いられるものであってよい。薬液の供給は所定時間継続され、その後、開閉弁451を閉じることにより停止される。薬液による処理では、ノズル移動機構により、第2上部ノズル32が水平方向に揺動してもよい。ステップS12に並行して、純水供給部42により純水が下部ノズル34を介して基板9の下面に供給されてもよい(後述のステップS13〜S15において同様)。
薬液による処理が完了すると、第2上部ノズル32が、待機位置へと移動し、続いて、第1上部ノズル31が対向位置に配置される。開閉弁452を開くことにより接続部45の内部空間にリンス液である純水(常温の純水)が供給され、開閉弁455を開くことにより、純水が第1上部ノズル31を介して上面91に連続的に供給される(ステップS13)。これにより、上面91上の薬液が純水により洗い流されるリンス処理が行われる。リンス処理中は、図3に示すように、上面91の全体が純水により覆われる。純水の供給中も、図1のスピンモータ21による、比較的高い回転数での基板9の回転が継続される。例えば、回転数は、500rpmであり、後述の混合液の供給時において同様である。基板9から飛散する純水は、カップ部23の内側面により受けられて、外部に排出される。
純水の供給が所定時間継続されると、開閉弁452を閉じることにより純水の供給が停止される。続いて、開閉弁453,454が同時に開かれる。これにより、ヒータ44からの加熱した純水(以下、「温純水」という。)と、常温の有機溶剤とが接続部45の内部空間に供給され、有機溶剤と温純水とを混合した混合液(希釈有機溶剤)が接続部45において生成される。
ここで、常温は、基板処理装置1の周囲の温度であり、例えば、20℃±15℃の範囲である。温純水の温度は、常温よりも高く、例えば50℃以上であり、好ましくは、65℃以上である(実際には、90℃以下)。開閉弁471は予め開かれており、ヒータ44では、およそ一定の温度の温純水が供給可能である。有機溶剤は、例えばIPA(イソプロピルアルコール)、メタノール、エタノール、アセトン等であり、純水よりも表面張力が低い。有機溶剤は、純水よりも蒸気圧が高いことが好ましい。本実施の形態では、有機溶剤としてIPAが利用される。
混合液は、第1上部ノズル31を介して上面91に連続的に供給される(ステップS14)。図4に示すように、上面91の中央部に供給される混合液は、基板9の回転により外縁部へと広がり、上面91上の純水が混合液に置換される。基板9から飛散する混合液は、カップ部23の内側面により受けられる。混合液の供給では、制御部10が、有機溶剤供給部43に接続された流量制御弁462の開度、および、ヒータ44に接続された流量制御弁461の開度を制御することにより、有機溶剤と温純水との混合比、すなわち、混合液における有機溶剤の濃度が所定の値に調整される。混合液における有機溶剤の濃度については後述する。このとき、常温よりも高い温度の混合液により、基板9の温度も上昇する。なお、第1上部ノズル31と接続部45との間にインラインミキサ等が設けられてもよい。
混合液の供給が所定時間継続されると、開閉弁454を開いたままで、開閉弁453が閉じられる。これにより、接続部45への温純水の供給がなくなり、ほぼ常温の有機溶剤のみ(純粋な有機溶剤)が第1上部ノズル31を介して上面91に連続的に供給される(ステップS15)。基板9の回転により、上面91の全体が、有機溶剤により覆われる。基板9から飛散する有機溶剤は、カップ部23の内側面により受けられる。本実施の形態では、有機溶剤の供給時における基板9の回転数は、混合液の供給時よりも低い(例えば、200rpm)。また、有機溶剤のみの供給開始から所定時間経過後に、流量制御弁462の開度を制御することにより、有機溶剤の供給流量が低減される。これにより、上面91上における有機溶剤の液膜の厚さが薄くなる。
その後、開閉弁454,455を閉じることにより、第1上部ノズル31からの有機溶剤の吐出が停止される。対向位置に位置する第1上部ノズル31は、ノズル移動機構により、上面91の上方から外れた待機位置へと移動する。続いて、基板9の回転数が、例えば1500rpmまで増大されることにより、上面91上の有機溶剤を除去する乾燥処理が行われる(ステップS16)。このとき、混合液の供給により基板9の温度が常温よりも高くなっているため、有機溶剤の揮発性が高くなり、基板9の乾燥が促進される。基板9の回転が停止されると、外部の搬送機構により、基板9がチャンバ5外に搬出される(ステップS17)。
ここで、純水によるリンス処理後に、純水の液膜を形成する(いわゆる、純水パドルを行う)比較例の処理について説明する。比較例の処理では、純水により基板9の上面91に対してリンス処理を行った後、基板9の回転数および純水の供給流量を小さくして、比較的厚い純水の液膜が上面91上に形成される。基板9の回転数は、例えば10rpmである。続いて、有機溶剤が上面91上に供給され、有機溶剤の液膜が形成される。このとき、有機溶剤は、純水の液膜と基板9の上面91との間に入り込むようにして上面91の全体に広がる。比較例の処理では、混合液の供給は行われない。有機溶剤の供給後、基板9の回転により上面91上の有機溶剤が除去される。比較例の処理では、純水の液膜を基板9上に形成する際に、基板9の回転数を下げた状態を一定時間保持する必要があるため、リンス処理後、基板9の乾燥が完了するまでの乾燥に係る処理に要する時間が長くなる(すなわち、スループットが低下する)。
また、図2において、基板9に混合液を供給するステップS14の処理を省略した他の比較例の処理を想定すると、当該他の比較例の処理では、有機溶剤の供給により、上面91上のパターン要素が倒壊することがある。パターン要素の倒壊の原因は、必ずしも明確ではないが、一因として、純水が極僅かしか存在しない局所的な領域(すなわち、パターン要素に対して、表面張力の影響を及ぼし得る僅かな純水のみが存在する領域であり、以下、「局所的な乾燥」と表現する。)が発生することが挙げられる。例えば、上面91の中央部に供給された有機溶剤は、上面91上の純水(基板9の高速回転により薄い層となっている。)を外側に押し出すように広がる、すなわち、有機溶剤と純水との界面が中央部近傍から外縁部に向かって移動するように、有機溶剤が上面91上にて広がる。このとき、有機溶剤と純水との低い溶解性(両者の混ざりやすさであり、親和性と捉えることもできる。)に起因して、両者の界面において上面91の局所的な乾燥が発生すると考えられる。局所的な乾燥が発生すると、パターン要素に作用する純水の表面張力の影響により、パターン要素が倒壊する。
これに対し、図1の基板処理装置1では、回転する基板9の上面91に、純水、混合液および有機溶剤が順に供給され、その後、基板9の回転により上面91上の有機溶剤が除去される。純水との溶解性が有機溶剤よりも高い(および、純水との表面張力の差が有機溶剤よりも小さい)混合液が、純水が付与された上面91に供給されることにより、混合液と純水との界面において上面91の局所的な乾燥が発生しにくくなる。その結果、純水液膜の形成処理を省略しつつ、パターン要素の倒壊を抑制することができる。また、常温よりも高い温度の混合液により基板9が昇温されていることにより、基板9を短時間にて乾燥させることができ、乾燥に係る処理に要する時間を短くする(スループットを向上する)ことができる。
基板処理装置1では、比較的高い回転数にて基板9を回転しつつ、混合液が上面91に供給されるため、混合液を上面91の全体に短時間にて広げることができる。したがって、一定時間の基板の低速回転を伴う純水液膜の形成処理に比べて、ステップS14における混合液の供給に要する時間を短くすることができる。実際には、混合液と有機溶剤との溶解性が高いため、ステップS15における有機溶剤の供給時に、パターン要素間における微小間隙に有機溶剤を短時間にて充填することができ、有機溶剤の供給に要する時間も短くすることができる。このように、ステップS14,S15の処理時間の短縮により、ステップS16の乾燥処理時間の短縮と相俟って、乾燥に係る処理に要する時間をさらに短くすることができる。また、ステップS15における有機溶剤の供給量も少なくすることができる。
ここで、常温よりも高い温度の混合液を生成する際に、有機溶剤を昇温することも考えられるが、有機溶剤は引火性が高いため、安全対策のコストが増大してしまう。これに対し、基板処理装置1では、常温の有機溶剤と加熱した純水とを混合することにより、常温よりも高い温度の混合液が生成される。これにより、混合液の生成においてコストの増大を伴う有機溶剤の加熱を避けつつ、高温の混合液を容易に生成することができる。
ステップS13〜S15において、純水、混合液および有機溶剤が同一の第1上部ノズル31から順次吐出されることにより、これらの処理液の吐出に係る処理を簡素化することができる。なお、基板処理装置1の設計によっては、純水、混合液および有機溶剤が異なるノズルから吐出されてもよい。
次に、混合液における有機溶剤の濃度について述べる。図5および図6は、混合液における有機溶剤(ここでは、IPA)の濃度と、混合液と純水との溶解性との関係を調べた実験結果を示す図である。本実験では、閉塞部材により一端を閉塞した直径19mmのチューブを準備し、上下方向に伸ばした当該チューブに常温の純水15ccを溜めた状態で、IPA濃度が10vol%(体積パーセント濃度)、20vol%、50vol%、100vol%である混合液(IPA濃度が100vol%の場合は、純粋な有機溶剤)2ccを当該チューブの内面に沿わせて注いだ。閉塞部材には、直径3mmのサンプリングチューブが設けられており、混合液と純水との界面近傍における微量の液を、混合液の注入から0.5分、1分、2分経過後にサンプリングチューブにより抽出し、当該液のIPA濃度を測定した。図5および図6は、混合液の注入前における純水の液面の位置(混合液と純水との界面に相当する。)から閉塞部材側に向かってそれぞれ5mmおよび10mmの位置にて抽出された液のIPA濃度を示す。
図5および図6より、IPA濃度が100vol%の場合(図5および図6では、「IPA 100%」と記している。以下同様。)には、界面近傍におけるIPA濃度の上昇が小さく、有機溶剤の純水に対する溶解性が低いといえる。一方、IPA濃度が10vol%、20vol%、50vol%の場合には、界面近傍におけるIPA濃度の上昇が、100vol%の場合よりも大きく、混合液の純水に対する溶解性が高いといえる。よって、局所的な乾燥をより確実に抑制するには、混合液における有機溶剤の濃度は50vol%以下かつ10vol%以上であることが好ましい。実際には、当該濃度が50vol%以下であることにより、混合液における温純水の割合を高くする(50%以上とする)ことができ、混合液の温度を容易に高くすることができる。有機溶剤の消費量を少なくするとともに、混合液の温度をさらに高くするという観点では、当該濃度は、好ましくは30%以下であり、より好ましくは20%以下である。この場合、混合液の純水に対する溶解性もさらに高くなる。
上記基板処理装置1では様々な変形が可能である。
上記実施の形態では、混合液における有機溶剤の濃度が一定とされるが、混合液における有機溶剤の濃度が段階的に高められてもよい。この場合、ステップS14では、有機溶剤供給部43から接続部45への有機溶剤の供給流量が徐々に増大され、ヒータ44から接続部45への純水の供給流量が徐々に低減される。
基板処理装置1の設計によっては、常温の有機溶剤と常温の純水とを混合した混合液を加熱することにより、常温よりも高い温度の混合液が生成されてもよい。
基板処理装置1では、純水供給部42、有機溶剤供給部43、ヒータ44および接続部45を主たる構成要素として、常温よりも高い温度の混合液を上面91に供給する混合液供給部が構成されるが、混合液供給部は、純水供給部42および有機溶剤供給部43とは独立して実現されてもよい。
基板9は、様々な態様にて保持されてよい。例えば、基板9の下面を支持する基板保持部により、パターンが形成された主面を上方に向けた状態で基板9が保持されてもよい。
基板処理装置1にて処理される基板は半導体基板には限定されず、ガラス基板や他の基板であってもよい。
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
1 基板処理装置
9 基板
10 制御部
21 スピンモータ
22 スピンチャック
42 純水供給部
43 有機溶剤供給部
44 ヒータ
45 接続部
91 (基板の)上面
S11〜S17 ステップ

Claims (4)

  1. 基板処理装置であって、
    基板を保持する基板保持部と、
    前記基板保持部を前記基板と共に回転する基板回転機構と、
    前記基板の上方を向く主面に純水を供給する純水供給部と、
    純水よりも表面張力が低い常温の有機溶剤と、加熱した純水とを混合することにより生成され、常温よりも高い温度の混合液を前記主面に供給する混合液供給部と、
    前記有機溶剤を前記主面に供給する有機溶剤供給部と、
    前記基板回転機構により回転する前記基板の前記主面に、前記純水供給部、前記混合液供給部および前記有機溶剤供給部により前記純水、前記混合液および前記有機溶剤を順に供給させた後、前記基板の回転により前記主面上の前記有機溶剤を除去する制御部と、
    を備えることを特徴とする基板処理装置。
  2. 請求項に記載の基板処理装置であって、
    前記混合液における前記有機溶剤の濃度が50vol%以下であることを特徴とする基板処理装置。
  3. 基板処理方法であって、
    a)回転する基板の上方を向く主面に純水を供給する工程と、
    b)純水よりも表面張力が低い常温の有機溶剤と、加熱した純水とを混合することにより生成され、常温よりも高い温度の混合液を、回転する前記基板の前記主面に供給する工程と、
    c)回転する前記基板の前記主面に前記有機溶剤を供給する工程と、
    d)前記基板の回転により前記主面上の前記有機溶剤を除去する工程と、
    を備えることを特徴とする基板処理方法。
  4. 請求項に記載の基板処理方法であって、
    前記混合液における前記有機溶剤の濃度が50vol%以下であることを特徴とする基板処理方法。
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