CN101680986A - 使用碳化硅基层形成的二色性滤光镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供形成挠性二色性滤光镜的方法。该方法包括与基底相邻地沉积多个成对层。多个成对层中的每一对包括由具有第一折射指数的含硅和碳的材料形成的第一层和由具有不同于第一折射指数的第二折射指数的含硅和碳的材料形成的第二层。
Description
发明背景
1.发明领域
本发明一般地涉及二色性滤光镜,和更特别地涉及由含硅和碳化学元素的多层形成的挠性二色性滤光镜。
2.相关现有技术的说明
术语二色性来自于希腊词汇dikhroos,它是指着两种颜色。当在光学领域中使用时,术语“二色性”是指可将一束光分成不同波长的两束光的任何光学器件。二色性滤光镜选择性透射具有小范围颜色(即频率或波长范围)的光,同时反射其他颜色的光。可通过在透明材料表面上层叠多层薄膜或涂层,形成二色性滤光镜。使用具有不同折射指数的材料,形成层或涂层并以选择波长的1/4或1/2的厚度施加。可通过改变层的厚度和/或折射指数,控制透射和/或反射的波长或频率带。例如,常规的二色性滤光镜以1/4波的层叠设计为基础,其中在透明基底上以1/4光波厚度沉积高和低折射指数材料的交替层。因此,可设计滤光镜来透射特定的波长并反射非所需的那些。
常规的二色性滤光镜由相对大数量的层形成。例如,可使用大于20层的交替的高和低折射指数材料,来形成常规的二色性滤光镜。因此,形成常规的二色性滤光镜所要求的沉积时间可能相对大,和所得结构可能具有相对低的机械稳定性。因此,由多的层数形成的常规二色性滤光镜可能具有固有的应力和制造相对昂贵。此外,使用通过物理气相沉积生产的金属氧化物的多层,形成常规的二色性滤光镜。
发明概述
本发明涉及解决以上列出的一个或多个问题的影响。以下列出了本发明的简化概述,以便提供本发明一些方面的基本理解。这一概述不是本发明的穷举综述。不打算确立本发明的关键或重要的要素或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化形式列出一些概念作为随后讨论的更详细说明的前序。
在本发明的一个实施方案中,提供形成挠性二色性滤光镜的方法。该方法包括与塑料基底相邻地沉积多个成对层。该多个成对层中的每一对包括由具有第一折射指数的含硅和碳的材料形成的第一层和由具有不同于第一折射指数的第二折射指数的含硅和碳的材料形成的第二层。在本发明的另一实施方案中也列出了通过这一方法的实施方案形成的二色性滤光镜。
附图简述
结合附图,通过参考下述说明,可理解本发明,其中相同的参考标记表示相同的要素,和其中:
图1示出了通过等离子体加强的化学气相沉积(PECVD)制备的具有交替的低(L)和高(H)折射指数层的二色性滤光镜的复合多层结构的示意图;
图2列出了低(L)和高(H)折射指数的SiOC:H二色性涂层的傅里叶变换红外(FTIR)光谱,并在框架内示出了涂层的理想结构模型;
图3描绘了黑色L涂布和H涂布的聚萘二甲酸乙二酯(PEN)膜的紫外-可见(UV-VIS)透射光谱;
图4a和4b列出了多层SiC-基二色性滤光镜在不同入射光角度下的光谱特征:a)UV-VIS透射光谱;b)UV-VIS反射光谱;和
图5描绘了在制备二色性滤光镜所使用的RIE构造中平行板PECVD反应器的示意图。
尽管本发明可具有各种改性和替代形式,但通过附图中的实施例示出了本发明具体的实施方案,且此处将详细地描述。然而,应当理解,此处具体实施方案的说明不打算限制本发明到所公开的特定形式,相反,本发明覆盖落在所附权利要求书定义的本发明范围内的所有的改性、等价和替代方案。
具体实施方案的详细说明
以下描述本发明的例举实施方案。为了清楚起见,在本说明书中没有描述实际实施方式的所有特征。当然要理解,在开发任何这种实际实施方案中,应当作出许多实施特定的决定,以实现开发者特定的目标,例如遵守与系统相关和商业相关的局限性,这种局限性随实施方式不同而变化。而且,要理解,这种开发努力可能复杂且耗时,但对于受益于本发明公开内容的普通技术人员来说是常规任务。
现参考附图,描述本发明。仅仅为了阐述的目的,和以便没有用本领域技术人员公知的细节使本发明变得难以理解,在附图中用图描绘了各种结构、系统和器件。尽管如此,包括附图,以描述并解释本发明的例举实施例。此处所使用的词汇和措辞应当理解和解释为具有与相关领域的技术人员理解的含义一致的那些词汇和措辞。不打算通过此处一致地使用的术语或措辞暗含术语或措辞的特殊定义,即不同于本领域技术人员理解的普通和常规含义的定义。在术语或措辞打算具有特殊含义,即除了本领域技术人员理解的含义以外的含义的程度上,这一特殊定义特意以定义方式在说明书中列出,所述定义直接且毫无疑义地提供该术语或措辞特殊的定义。
图1在概念上阐述了二色性滤光镜100的一个例举的实施方案。在所示的实施方案中,二色性滤光镜100包括基底105。例如,基底105可以由聚萘二甲酸乙二酯(PEN)塑料膜,聚对苯二甲酸乙二酯(PET)塑料膜和类似物形成。受益于本发明公开内容的本领域的技术人员应当理解,在图1中示出了仅仅一部分基底105,和在一些实施方案中,基底105可以是基底105的两个尺寸(例如长度和宽度)显著大于第三尺寸(例如厚度)的材料片材。例如,基底105的直径可以是200mm和厚度是0.13mm。在可供替代的实施方案中,基底105可以是透明和/或挠性的。透明度和/或挠性的程度是设计选择因素,且可基于对于二色性滤光镜100的特定实施方式可能有用和/或所需的性能为基础来选择。
在基底105上形成折射指数不同的材料的交替层110、115,以建造二色性滤光镜100。尽管图1描述了三对交替层110、115,但受益于本发明公开内容的本领域的技术人员应当理解,本发明不限于这一数量的交替层110、115。在可供替代的实施方案中,可在基底105上形成更多或更少对的交替层110、115。例如,可在基底105上形成20对交替层110、115。可使用化学气相沉积(CVD)和/或等离子体加强的化学气相沉积(PECVD)来沉积交替层110、115。在典型的CVD方法中,基底105暴露于挥发性前体下,所述挥发性前体可与基底105的表面反应和/或在其上分解,产生所需的沉积物并形成层110、115。还产生挥发性副产物,其中通过流过反应腔室的气流除去所述挥发性副产物。等离子体加强的CVD方法使用等离子体,以提高前体的化学反应速度。PECVD加工可允许在较低温度下沉积。
在所示的实施方案中,通过等离子体加强的化学气相沉积,使用含硅和碳的前体气体,形成交替层110、115。例如,可通过PECVD,使用以下更详细地讨论的平行板(电容性)反应器,使用三甲基硅烷(Z3MS)作为前体气体,在挠性透明聚萘二甲酸乙二酯(PEN)基底100上,沉积交替层110、115,制备SiC基二色性滤光镜100。SiC基二色性滤光镜100包括SiC基交替低(L)折射指数(n≤1.5)材料110和高(H)折射指数(n≥1.9)材料115的周期性叠层。交替层110、115的周期性叠层掺入N个层110、115的L/H对,其中N典型地大于或等于10。形成低和高折射指数材料110、115,具有H和L层110、115的光学厚度τH,L=nH,L·dH,L的选择比r。通过dH,L给出每一层的物理厚度。
低折射指数层110可以是基于结构单元SiOC:H的介电高氧掺杂的氢化无定形碳化硅涂层。可通过能量分散光谱(EDS)和/或Rutherford背散射光谱(RBS),评价该结构单元(它是材料的基础),和通过傅里叶变换红外光谱(FTIR),测定原子键合结构。在一个实施方案中,在相对低的等离子体功率(典型地小于200W)、相对低(与高折射指数层115相比)的惰性气体流量(典型地小于800sccm)、和相对高(与高折射指数层115相比)的氧气流量(典型地大于20sccm)下,沉积低折射指数层110。低折射指数层110也可具有相对高的氢含量,低(几乎0)的压缩应力,和高的透明度(90%及以上)。当在透明PEN基底105上沉积时,低折射指数层110提供改进的透明度和提高的透光率,即低折射指数材料110可显示出抗反射性能。
高折射指数层115可以是基于结构单元S i OC:H的介电低氧掺杂的氢化无定形碳化硅涂层。可通过能量分散光谱(EDS)和/或Rutherford背散射光谱(RBS),评价该结构单元(它是材料的基础),和通过傅里叶变换红外光谱(FTIR),测定原子键合结构。可在相对高的等离子体功率(典型地大于400W)、相对高(与低折射指数层110相比)的惰性气体流量(典型地大于800sccm)、和相对低(与低折射指数层110相比)的氧气流量(典型地小于20sccm)下,沉积高折射指数层115。与低折射指数层110相比,高折射指数层115可具有相对低的氢含量,较高的压缩应力(低于400MPa)和较低的透明度(80%和以下)。
还作为入射光角度的函数测定二色性滤光镜100的光谱特征。例如,可针对0-45度入射角范围,测定UV VIS透射和反射光谱。测定到二色性滤光镜100的光谱特征,例如反射带的中心波长、反射带宽、峰值透射率和带外阻挡,是L和H层110、115的数量以及入射光角度二者的函数,这将在此处进一步讨论。
在一个例举的实施方案中,SiC-基二色性滤光镜100由SiC-基交替的相对低折射指数(n≈1.4)材料(L)层110和相对高折射指数(n≈1.9)材料(H)层115的周期性叠层形成。周期性叠层包括10个LH对110、115。L和H层110、115的物理厚度是dH,L=100nm,和H和L层110、115的光学厚度τH,L=nH,L·dH,L的比值r=τH/τL是:
r=1.9/1.4=1.357
在这一例举的实施方案中,低折射指数材料是介电高氧掺杂的SiC:H涂层,其组成比为Si/C=0.58,和O/Si=0.64,这通过能量分散光谱(EDS)评价。高折射指数材料是介电低氧掺杂的SiC:H涂层,其组成比为Si/C=0.80,和O/Si=0.22,这通过能量分散光谱(EDS)评价。
表1列出了低和高折射指数层110、115的沉积参数(工艺条件)和所得膜的性能。在这一例举的实施方案中,在低等离子体功率(150W)、低惰性气体流量(600sccm)和高氧气流量(30sccm)下沉积低折射指数材料层110。低折射指数材料层110具有低(-9MPa)的压缩应力。在高等离子体功率(500W)、高惰性气体流量(1200sccm)和低氧气流量(15sccm)下沉积高折射指数材料层115。高折射指数(RI)材料层115具有较高的压缩应力(-395MPa)。L和H层均很好地粘附到基底上且耐受标准的胶带试验。
表1
图2示出了低(L)和高(H)折射指数SiOC:H的二色性涂层的傅里叶变换红外(FTIR)光谱。沿着垂直轴,以任意单位对吸光度作图,和沿着水平轴,以cm-1为单位对波数作图。使用黑线对低折射指数涂层的FTIR光谱作图,和使用灰线,对高折射指数涂层的FTIR光谱作图。低和高折射指数的涂层显示出不同的特征,这是因为材料的组成和原子键合结构不同所致。通过FTIR测定的高折射指数材料层115的原子键合结构表明强烈的Si-C、Si-O和Si-H拉伸振动。在标记为“H层”的图2的插图内示出了结构模型片断。通过FTIR测定的低折射指数材料层110的原子键合结构表明强烈的Si-O拉伸振动以及最小化的Si-C和Si-H拉伸振动。由于氧对Si-H基的化学亲和力高,因此在膜网络内的一部分末端Si-H键已被桥连的氧原子取代。在标记为“L层”的图2的插图内示出了另一结构模型片断。
图3示出了空白的聚萘二甲酸乙二酯(PEN)基底,用低折射指数材料涂布的PEN基底,和用高折射指数材料涂布的PEN基底的UV-VIS透射光谱。在垂直轴上对透射率百分数作图,和在水平轴上以纳米为单位对波长作图。用低折射指数材料涂布的基底具有相对高的透明度(即透明度为90%和以上)。因此,当在PEN基底上沉积时,相对于空白基底,L涂层提供改进的透明度和提高的透光率,即低折射指数材料显示出抗反射性能。在图3所示的波长范围内,用高折射指数涂层涂布的基底的透明度低于用低折射指数涂层涂布的基底的透明度和空白基底的透明度(即80%和以下)。
图4A和4B示出了针对不同入射光的角度,多层SiC基二色性滤光镜的光谱特征。图4A示出了针对0-45度的数个入射光角度作为波长(单位纳米)的函数UV-VIS透射率百分数,和图4B示出了针对0-45度的数个入射光角度,作为波长(单位纳米)的函数UV-VIS反射率百分数。在所示的实施方案中,多层Sic基二色性滤光镜包括20对低和高折射指数材料的交替层。对于H材料的光学厚度为约190nm(物理厚度100nm)的20层结构来说,反射带的中心波长为约725nm,这与1/4波长规则很好地关联。反射带宽(最大值一半时的全宽)为约150nm。这一例举的二色性滤光镜因此可分类为陷波滤波器,或更精确地为完全反射红光并透射黄色、绿色、蓝绿色和蓝色带的红光反射的二色性反射镜。紫色带仅仅部分被透射。峰值透射率为65-95%,和带外阻挡好于1.5的光学密度(透射率小于3%)。这一例举的二色性滤光镜还显示出对入射光角度灵敏,当入射光角度增加时,偏移到较短的波长处(图4A和B)。
图5在概念上示出了电容类型的平行板反应器500的一个例举的实施方案,它可用于在此处所述的二色性滤光镜内沉积交替层。受益于本发明公开内容的本领域的技术人员要理解,为了清楚起见,图5中描绘且此处描述仅仅与本发明有关的反应器体系500和工艺腔室505的特征。反应器500接收单一晶片510且具有在200mm(8″)基底上提供大致均匀沉积的喷头直径和孔隙结构。激发等离子体,并通过与较小面积的底电极520(它也可充当基底保持器)偶联的13.56MHz的电源515维持。顶电极525(它还充当喷头)和腔室壁530接地。在定义为“反应性离子蚀刻”模式(RIE)的这一结构中,大的压降导致较大的峰值离子能量,和因此加速的高能离子通量的方向性,这有利于前体激发和分裂,从而导致高的沉积速度。在所示的实施方案中,在电源515的输出之间插入阻抗匹配网络535,并(等离子体)驱动负载,以降低因阻挡失配引起的信号反射和劣化。阻抗匹配网络535的目的是提供功率有效地转移到等离子体540上(借助放电中的功率耗散)并保护电源515。
使用气体源545,以给工艺腔室505提供一种或多种气体。尽管图5描绘了单一的气体源545,但受益于本发明公开内容的本领域的技术人员应当理解,本发明不限于单一的气体源545。在可供替代的实施方案中,任何数量的气体545可引入到工艺腔室505内。在一个实施方案中,气体源545给工艺腔室提供含硅和碳的气体。气体源545也可提供氧以及一种或多种惰性气体,例如氩气和氦气。例如,气体源545可提供由三甲基硅烷[(CH3)3SiH]作为含硅-碳的前体且有或无氦气作为惰性气体组成的气体混合物。
在操作中,在工艺腔室505内,基底525的一侧暴露于等离子体下。然后当基底暴露于等离子体下时,可在基底525上沉积一层或多层(未示出)。例如,若由含硅、碳和氢的气体形成等离子体,则可由基于结构单元SiC:H的氢化的碳化硅形成层。关于另一实例,若由含硅、碳、氢和氧的气体形成等离子体,则可由基于结构单元SiOC:H的氢化的碳氧化硅形成层。可调节反应器体系500的操作参数,例如等离子体功率、腔室压力、气体浓度和/或流量,以实现层的某些性能,例如选择的折射指数、光学厚度和/或物理厚度。在一个实施方案中,可调节操作参数,以便与常规的氢化碳化硅和/或硅氧烷膜相比,该层具有相对高的密度和低的纳米孔隙率。阻挡层的沉积速度也可取决于反应器体系500的一个或多个操作参数。例如,沉积速度可取决于等离子体功率和腔室压力。
可使用单一的反应器体系500,形成构成此处所述的二色性滤光镜的实施方案的交替层,所述反应器体系500使用不同的操作参数来形成具有不同折射指数的层。或者,可使用大于一个反应器体系500或含类似于图5所示腔室的多个腔室的一群多腔室反应器体系,来形成具有不同折射指数的层。
相对于常规的二色性滤光镜,在采用数量相对小的LH对(约20层)的情况下,此处所述的二色性滤光镜,例如SiC基光学结构显示出二色性滤光效果。降低成对层的数量通常是有利的,因为它可允许沉积时间下降且可改进该结构的机械稳定性。这允许在透明塑料基底上实现挠性的二色性结构。相反,与此处所述的二色性滤光镜相比,含层数多(N>>20)的常规的二色性滤光镜固有地应力更大且制备昂贵。例如,采用添加剂规则(additive rule),在含约20LH对的复合SiC基叠层内的残留应力估计小于200MPa。SiC基二色性结构的相对低的压缩应力和良好的粘合性与热稳定性使得它们非常方便地在挠性塑料基底上制备。可使用化学气相沉积和/或等离子体加强的化学气相沉积技术,形成SiC基二色性滤光镜,和因此可不具有通过物理气相沉积(PVD)方法生产的常规金属氧化物基结构的缺点。
以上公开的特定实施方案仅仅是例举,因为可在不同但对受益于本发明公开内容的本领域的技术人员来说显而易见的相当的方式内改性和实践本发明。此外,不打算限制到此处所示的结构或设计细节上,除非在以下的权利要求中描述。因此,显然可以改变或改性以上公开的特定实施方案,且所有这些改变被视为在本发明的范围内。因此,在以下的权利要求书中列出了此处寻求保护的内容。
Claims (29)
1.一种形成挠性二色性滤光镜的方法,该方法包括:
在挠性透明塑料基底上沉积多个成对层,其中多个成对层中的每一对包括由具有第一折射指数的含硅和碳的材料形成的第一层和由具有不同于第一折射指数的第二折射指数的含硅和碳的材料形成的第二层。
2.权利要求1的方法,包括提供塑料基底到至少一个真空加工腔室内,和其中沉积多个成对层包括将在所述至少一个加工腔室内的至少一部分基底暴露于包括含硅和碳的前体气体的等离子体下。
3.权利要求2的方法,其中沉积多个成对层包括使用等离子体加强的化学气相沉积和化学气相沉积方法中的至少一种,沉积多个成对层。
4.权利要求3的方法,其中沉积多个成对层包括在所述等离子体加强的化学气相沉积和化学气相沉积中至少一种的过程中,通过将基底暴露于三甲基硅烷下,沉积多个成对层。
5.权利要求1的方法,其中沉积多个成对层包括沉积多个成对层中的每一对内的第一层和第二层,以便第一层具有大于第二层的第二折射指数的第一折射指数。
6.权利要求5的方法,其中沉积第一和第二层包括沉积由基于结构单元SiOC:H的介电高氧掺杂的氢化无定形碳化硅涂层和基于结构单元SiOC:H的介电低氧掺杂的氢化无定形碳化硅涂层中的至少一种形成的第一层和第二层。
7.权利要求5的方法,其中沉积第一层和第二层包括在第一等离子体功率、第一惰性气体流量和第一氧气流量下沉积第一层,和在高于第一等离子体功率的第二等离子体功率、高于第一惰性气体流量的第二惰性气体流量和低于第一氧气流量的第二氧气流量下沉积第二层。
8.权利要求5的方法,其中沉积第一层和第二层包括沉积具有第一氢含量、第一压缩应力、第一水蒸气透过率和第一透明度的第一层,和沉积第二层,所述第二层具有比第一氢含量高的第二氢含量、比第一压缩应力高的第二压缩应力、比第一水蒸气透过率小的第二水蒸气透过率和比第一透明度低的第二透明度。
9.权利要求5的方法,其中沉积第一层和第二层包括沉积第一厚度和第二厚度分别为约100nm的第一层和第二层。
10.权利要求1的方法,其中沉积多对包括与基底相邻地沉积小于20对的第一层和第二层。
11.通过包括下述步骤的方法形成的挠性二色性滤光镜:
在挠性透明塑料基底上沉积多个成对层,其中多个成对层中的每一对包括由具有第一折射指数的含硅和碳的材料形成的第一层和由具有不同于第一折射指数的第二折射指数的含硅和碳的材料形成的第二层。
12.通过权利要求11的方法形成的二色性滤光镜,所述方法包括提供塑料基底到至少一个加工腔室内,和其中沉积多个成对层包括将在所述至少一个加工腔室内的至少一部分基底暴露于包括含硅和碳的前体气体的等离子体下。
13.通过权利要求12的方法形成的二色性滤光镜,其中沉积多个成对层包括使用等离子体加强的化学气相沉积和化学气相沉积方法中的至少一种,沉积多个成对层。
14.通过权利要求13的方法形成的二色性滤光镜,其中沉积多个成对层包括在所述等离子体加强的化学气相沉积和化学气相沉积中至少一种的过程中,通过将基底暴露于三甲基硅烷下,沉积多个成对层。
15.通过权利要求11的方法形成的二色性滤光镜,其中沉积多个成对层包括沉积多个成对层中的每一对内的第一层和第二层,以便第一层具有大于第二层的第二折射指数的第一折射指数。
16.通过权利要求15的方法形成的二色性滤光镜,其中沉积第一层和第二层包括沉积由基于结构单元SiOC:H的介电高氧掺杂的氢化无定形碳化硅涂层和基于结构单元SiOC:H的介电低氧掺杂的氢化无定形碳化硅涂层中的至少一种形成的第一层和第二层。
17.通过权利要求15的方法形成的二色性滤光镜,其中沉积第一层和第二层包括在第一等离子体功率、第一惰性气体流量和第一氧气流量下沉积第一层,和在高于第一等离子体功率的第二等离子体功率、高于第一惰性气体流量的第二惰性气体流量和低于第一氧气流量的第二氧气流量下沉积第二层。
18.通过权利要求15的方法形成的二色性滤光镜,其中沉积第一层和第二层包括沉积具有第一氢含量、第一压缩应力、第一水蒸气透过率和第一透明度的第一层,和沉积第二层,所述第二层具有比第一氢含量高的第二氢含量、比第一压缩应力高的第二压缩应力,比第一水蒸气透过率小的第二水蒸气透过率和比第一透明度低的第二透明度。
19.通过权利要求15的方法形成的二色性滤光镜,其中沉积第一层和第二层包括沉积第一厚度和第二厚度分别为约100nm的第一层和第二层。
20.通过权利要求11的方法形成的二色性滤光镜,其中沉积多对包括与基底相邻地沉积小于20对的第一层和第二层。
21.一种挠性二色性滤光镜,它包括:
挠性透明塑料基底;和
在挠性透明塑料基底上的多个成对层,其中多个成对层中的每一对包括由具有第一折射指数的含硅和碳的材料形成的第一层和由具有不同于第一折射指数的第二折射指数的含硅和碳的材料形成的第二层。
22.权利要求21的挠性二色性滤光镜,其中在等离子体加强的化学气相沉积和化学气相沉积中至少一种的过程中,挠性透明塑料基底暴露于三甲基硅烷下。
23.权利要求21的挠性二色性滤光镜,其中第一层具有大于第二层的第二折射指数的第一折射指数。
24.权利要求23的挠性二色性滤光镜,其中第一层包括基于结构单元SiOC:H的介电高氧掺杂的氢化无定形碳化硅涂层。
25.权利要求24的挠性二色性滤光镜,其中第二层包括基于结构单元SiOC:H的介电低氧掺杂的氢化无定形碳化硅涂层。
26.权利要求23的挠性二色性滤光镜,其中在第一等离子体功率、第一惰性气体流量和第一氧气流量下沉积第一层,和在高于第一等离子体功率的第二等离子体功率、高于第一惰性气体流量的第二惰性气体流量和低于第一氧气流量的第二氧气流量下沉积第二层。
27.权利要求23的挠性二色性滤光镜,其中第一层具有第一氢含量、第一压缩应力、第一水蒸气透过率和第一透明度,和第二层具有比第一氢含量高的第二氢含量、比第一压缩应力高的第二压缩应力、比第一水蒸气透过率小的第二水蒸气透过率和比第一透明度低的第二透明度。
28.权利要求21的挠性二色性滤光镜,其中第一层和第二层分别具有约100nm的第一厚度和第二厚度。
29.权利要求21的挠性二色性滤光镜,其中多对包括小于20对的第一层和第二层。
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