CN101817498B - 低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，包括以下步骤：在硅圆片上刻有微槽形成的阵列，微槽之间刻有微通道相连，微槽的最小槽宽大于流道宽度的5倍，在其中的至少一个微槽内放置适量热释气剂，相应的用玻璃圆片键合所述多个微槽形成密封腔体，加热使玻璃软化，热释气剂受热释放出气体产生正压力，作用于通过微通道相连的多个微槽对应位置的软化后的玻璃形成具有均匀尺寸的球形微腔，冷却。本发明用微通道将各个相同微槽连接起来，因此其内部气压基本一致，形成的玻璃微腔尺寸比较均匀；微槽尺寸远大于微通道时，半径很小的微通道处由于具有较大的附加压力作用不易膨胀，因而微通道位置对应的玻璃仍然能够保持平整。

Description

低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS(微电子机械系统)制造技术，尤其涉及一种低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法。

背景技术

在MEMS制造技术领域，Pyrex7740玻璃(一种含有碱性离子的玻璃，Pyrex是Corning公司的产品品牌)是一种重要的材料，它有着和Si材料相近的热膨胀系数，有着高透光率和较高的强度，并且可以通过使用阳极键合工艺与Si衬底形成高强度的键合连接，在键合表面产生了牢固的Si-O共价键，其强度甚至高于Si材料本身。由于这样的特性，使得Pyrex7740玻璃广泛应用于MEMS封装、微流体和MOEMS(微光学机电系统)等领域。

在MEMS封装领域，由于器件普遍含有可动部件，在封装时需要使用微米尺寸的微腔结构对器件进行密闭封装，让可动部件拥有活动空间，并且对器件起到物理保护的作用，一些如谐振器、陀螺仪、加速度计等器件，还需要真空气密的封装环境。阳极键合工艺可以提供非常好的气密性，是最常用的真空密封键合工艺。在Pyrex7740玻璃上形成微腔结构，再与含有可动部件的Si衬底进行阳极键合，便可以实现MEMS器件的真空封装。所以，如何在Pyrex7740玻璃上制造精确图案结构的微腔，是实现此种封装工艺的重点。传统采用湿法腐蚀Pyrex7740玻璃工艺，由于是各向同性腐蚀，所以无法在提供深腔的同时精确控制微腔尺寸。如果采用DRIE的方法利用SF₆气体对Pyrex7740玻璃进行刻腔，则需要用金属Cu、Cr等做掩膜进行刻蚀，效率低且成本高。

球形微腔和微流道玻璃热成型可以采用的技术是负压成型和正压成型。负压成型的微腔和微流道在硅上刻蚀流道等图形，将硅与玻璃阳极键合，然后高温热成型。负压成型受玻璃厚度影响较大，很难制备球形微腔等腔内高度较高的微腔和尺寸较小的微腔和微流道。正压自膨胀热成型玻璃微流道也是在硅上刻蚀微流道图形，将硅与玻璃阳极键合，根据理想气体状态方程：PV＝nRT，通过气体膨胀高温热成型。但是，成型球形度较高的球形玻璃微腔，需要用成本较高且容易造成污染的DRIE刻蚀深的硅腔(有的甚至需要到900微米，Glass Blowing on aWafer Level，JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS，VOL.16，NO.2，APRIL 2007)和高的深宽比以提供足够的气体，使得玻璃气泡充分形成，具有较高的高度，以形成较高的弧形；甚至采用在另外一个腔上刻蚀较大的孔，再与带有通孔的硅片键合，从而提供足够的气体以成型高度较高，弧形度较好的玻璃微流道。这些方法比较复杂，成本较高。采用DRIE刻蚀也需要较长的时间，进一步增加成本。

由于热释气剂在高温分解时，其粉末容易随着气流进入其它的玻璃微腔内或者通道内，因此容易污染管道，此外热释气剂粉末粘粘在玻璃的表面，在其表面分解容易造成玻璃表面的气孔和不平整，降低玻璃微腔的质量，并容易造成管道污染。

发明内容

本发明目的是提供一种低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，包括以下步骤：在硅圆片上刻有相同微槽形成的阵列，微槽之间刻有微通道相连，微槽的最小槽宽大于微通道宽度的5倍，在其中的至少一个微槽内放置适量热释气剂，与放置热释气剂的微槽相连接的微通道的宽度小于热释气剂粉末的粒径，使得热释气剂粉末不能进入所述与放置热释气剂的微槽相连接的微通道，相应的用玻璃圆片键合所述多个微槽形成密封腔体，加热使玻璃软化，热释气剂受热释放出气体产生正压力，作用于通过微通道相连的多个微槽对应位置的软化后的玻璃形成具有均匀尺寸的球形微腔，冷却使玻璃凝固，得到圆片级均匀尺寸的玻璃微腔。

上述技术方案中，去除所述圆片级均匀尺寸的玻璃微腔上的硅，得到不带硅的玻璃微腔，可用于MEMS器件封装。所述玻璃为Pyrex7740玻璃，所述键合为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。热释气剂为碳酸钙粉末或者氢化钛粉末。加热使玻璃软化的温度为760℃-900℃。制备圆片级MEMS微腔时，微槽的最小槽宽大于流道宽度的50倍。在所述Si圆片上刻槽的方法为湿法腐蚀工艺。所述的Si圆片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，加热使玻璃软化温度为880℃～890℃。对所获得的圆片级玻璃微腔进行所述热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃～560℃中，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片按照阳极键合的工艺要求进行必要的清洗和抛光。微槽的深度为50-100微米。

本发明获得如下效果：

1.本发明放置热释气剂的槽与其它槽相连接的微通道的尺寸小于热释气剂的粉末克服了现有技术的缺陷，热释气剂在高温剧烈分解时，其产生的气流能够通过微通道进入其它的槽内增加压力使得熔融玻璃成型，但是由于粉末的粒径比微通道尺寸小，不会进入微通道，因此所成型的玻璃微腔洁净，避免了高温时粉末粘连在微腔内表面而难以去除的缺点(高温时，粉末粘粘在熔融玻璃微腔表面，将被牢牢的粘连在凝固后的玻璃表面，在要求透光的器件场合，粘粘的粉末容易增加光的散射)。

2.本发明基于传统MEMS加工工艺，首先在Si片上加工欲成型的微腔和微流道浅槽结构，特定的区域填充热释气剂，再用阳极键合工艺将Pyrex7740玻璃覆盖到该浅槽上形成密闭微腔，然后加热使得玻璃融化，热释气剂释放出气体，气体通过微通道传输到各个微腔中，腔内外压力差使得熔融玻璃形成玻璃球形微腔或玻璃微流道。现有技术刻蚀深宽比较大的深腔需要采用干法工艺，花费大量的时间，通常需要几十个小时，工艺成本也较高。热释气剂通常都有残留物，由于气体的运动，少量会粘附在玻璃管壁上，污染了微腔。本发明采用局部填充热释气剂，高温成型过后，通过划片工艺可以将污染的区域去除，也可以通过去除硅片，然后清洗去除污染物。本发明的优势就在于借助热释气剂来产生足够的气体。

3.在熔融状态下，表面张力产生的附加压力的作用将对气体的膨胀形成阻碍，半径越小，附加压力越大。当微槽尺寸远大于微流道时，例如微槽宽度大于微通道宽度的5倍以后，使得而半径较大的微槽处附加压力较小，半径很小的微通道处由于具有较大的附加压力作用不容易膨胀，因而微通道位置对应的玻璃仍然能够保持平整，在封装MEMS器件时，不需要进一步磨抛。由于通过尺寸较小的微通道连通的多个微槽内的压力基本一致，在微槽处形成的玻璃微腔的尺寸比较均匀，微槽的尺寸如果一致，则形成的玻璃微腔的尺寸基本一致。采用热释气剂释提供气源用于成型玻璃球形微腔和玻璃微流道，具有成本低，方法简单，成型高度高，球形度好的特点。而且由于通过微通道将上述微槽连接，因而需要在某一个或者多个微槽内放置足量的热释气剂，从而能够热分解出更多的气体，同时形成多个玻璃微腔。

4.通常阳极键合的温度为400摄氏度，因而其标准温度为673K，成型温度为850摄氏度左右，标准温度为1123K左右，根据PV＝nRT和表面张力产生的附加压强的影响，根据现有技术，如果气体的量不变，膨胀后的体积不足原来的两倍，由此可见需要刻蚀较深的槽。而本发明通过引入热释气剂有效的解决了这一问题，避免了刻蚀高深宽比的槽所带来的工艺复杂和高能高成本的问题，而且方法简单，可靠。由于采用的为热释气剂，因此放气过程可控(通过调节温度和温度维持时间)。

5.本发明采用湿法工艺在硅上刻蚀浅槽，其成本更低。现有技术需要刻蚀深宽比较高的较深的硅腔以提供足够的气体。湿法腐蚀工艺难以获得较大的深宽比。在刻蚀较深的微腔时，其成本较高，耗时较长且深腔会产生穿孔现象。但是湿法工艺成本较低，工艺比较成熟，在刻蚀浅槽方面具有低成本、高效率的优势。本发明不需要较大的深宽比，也不需要大的深度，因此采用湿法工艺即可降低成本、提高效率。

6.本发明选用碳酸钙粉末，一方面，碳酸钙粉末的大量分解温度在800摄氏度以上，与玻璃的熔化温度具有较好的匹配性，在低于800摄氏度时，碳酸钙仅有少量分解，因此玻璃未成型前密封的玻璃腔不会因为气体压力过大而破裂。高于800摄氏度以后，碳酸钙粉末大量分解出二氧化碳气体，从而使得玻璃成型。本发明仅需要根据碳酸钙的分解量进行简单计算，就可以知道成型特定体积的玻璃微腔所需要的碳酸钙的量。根据反应速率平衡公式的修正公式可以较为准确的控制内部压强，从而可以调控玻璃微流道内部横截面的大小，根据不同的流速需要自行调控选择，因而该方法简单，可靠，适用范围广。

7.本发明选用氢化钛粉末，氢化钛粉末热分解放气量大，容易热成型，但是未热处理的氢化钛粉末的反应不易控制。本发明对氢化钛粉末在空气中400摄氏度下进行预处理。通常氢化钛粉末的热分解温度为400摄氏度，在空气中进行所述的热处理后，氢化钛粉末的表面形成了致密的二氧化碳，在温度未达到分解玻璃融化温度之前，延缓了氢化钛的分解，从而避免了密闭腔内的压力过大，使得过程可控。

8.阳极键合具有键合强度高，密闭性好的特点，本发明采用阳极键合形成密闭空腔，在第四步的加热过程中不易发生泄漏而导致成型失败。在温度400℃，电压直流600V的键合条件下，阳极键合能够达到更好的密封效果。

9.采用的第四步中的退火工艺可以有效的消除Pyrex7740玻璃承受高温正压成型过程中形成的应力，从而使其强度韧性更高。在该条件下退火，既能有效退去应力，还能够使得微流道腔的形状基本无改变。

10.本发明制备与Si的热膨胀系数相当的Pyrex7740玻璃作为玻璃微流道结构，在制备微腔时不容易使键合好的圆片因热失配产生损坏。

11.本发明采用常规微电子加工工艺在圆片上进行加工，因此工艺过程简单可靠，进一步降低了成本，可实现玻璃微流道的圆片级制造，尤其是湿法腐蚀工艺，成本更低。

附图说明

图1为本发明内置热释气剂硅圆片圆形微槽与微通道(20∶1)结构俯视示意图

图2为本发明玻璃微腔热成型后横向截面示意图

具体实施方式

实施例1

一种低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，包括以下步骤：在硅圆片上刻有相同微槽形成的阵列(微槽的尺寸相同)，刻蚀微槽的方法可以是干法和湿法，优选湿法(本发明所需要的微槽深度能够放置热释气剂即可，因此采用湿法刻蚀较浅的深度就可以满足要求，例如50-100微米的深度)，所刻蚀的多个微槽尺寸相同(例如5个，10个，15个，50个)，微槽之间刻有微通道相连，微槽的最小槽宽大于流道宽度的5倍，在其中的至少一个微槽内放置适量热释气剂(可以在两个或者两个以上多个微槽内放置热释气剂，热释气剂的用量根据所需膨胀的体积空间进行计算，PV＝nRT，放出的气体量可以通过热释气剂分解动力学进行计算)，在其中的至少一个微槽内放置适量热释气剂，与放置热释气剂的微槽相连接的微通道的宽度小于热释气剂粉末的粒径，使得热释气剂粉末不能进入所述与放置热释气剂的微槽相连接的微通道，例如粉末的粒度为60微米，微通道的半径为30微米，热释气剂可以是碳酸钙、氢化钛、氢化锆、氮化铝、氢化镁等，其中优选低成本的碳酸钙和释气量较高的氢化钛，相应的用玻璃圆片键合所述多个微槽形成密封腔体，键合方法可以采用阳极键合，也可以采用其它键合方法，使得玻璃与硅键合在一起，加热使玻璃软化，热释气剂受热释放出气体产生正压力，作用于通过微通道相连的多个微槽对应位置的软化后的玻璃形成具有均匀尺寸的球形微腔(所述多个微槽的尺寸相同)，冷却使玻璃凝固，得到圆片级均匀尺寸的玻璃微腔。由于多个微槽通过微通道互连，因此分解产生的压力可使得上述微槽内的压力相同，当多个微槽的尺寸相同时，形成玻璃微腔的尺寸也相同。

上述技术方案中，去除所述圆片级均匀尺寸的玻璃微腔上的硅，得到不带硅的玻璃微腔，可用于MEMS器件封装，同时去除硅以后可以清洗掉沾污在玻璃上的碳酸钙分解残留物，使得玻璃更为透明。所述玻璃为Pyrex7740玻璃，所述键合为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。热释气剂为碳酸钙粉末或者氢化钛粉末。加热使玻璃软化的温度为760-900℃。制备圆片级MEMS微腔时，微槽的最小槽宽大于微通道宽度的50倍，在较大的附加压力作用下，微通道部分对应的熔融玻璃不容易发生膨胀，因而仍然比较平整，更容易用于后期的进一步封装，不需要额外的磨抛过程。在所述Si圆片上刻槽的方法为湿法腐蚀工艺，湿法工艺的成本较低，较为简单。所述的Si圆片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，加热使玻璃软化温度为880℃～890℃，例如885℃，在较高的温度下，成型速度快，效率较高，从而降低能耗和成本。对所获得的圆片级玻璃微腔进行退火，去除应力，所述热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃～560℃中，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片按照阳极键合的工艺要求进行必要的清洗和抛光。微槽的深度为50-100微米，宽度根

据需要可以为100微米，400微米，800微米，1000微米，1500微米，3000微米，50000微米，100000微米，刻蚀的时间较短，容易进行。

实施例2

一种低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，包括以下步骤：

第一步，采用干湿氧结合的方法在单面抛光的硅圆片上氧化5000A的氧化层，抛光面旋涂AZ P4620光刻胶，曝光显影去除需要刻蚀微槽表面的光刻胶。利用Si微加工工艺在4英寸Si圆片上刻蚀微腔和微流道浅槽，微流道将浅槽连接起来，所用硅片可以是标准厚度的硅片，厚度为500微米，所述微槽的深度为60～100微米，微槽为2000微米宽的方形槽，用于连接两个微槽的微通道宽度为50微米的条形槽，槽长5毫米，粉末的粒径为70微米，连接相邻两个微腔方形槽，所述Si圆片上图案结构的微加工工艺为湿法腐蚀工艺，所用的腐蚀液为TMAH溶液，浓度为10％，温度为90摄氏度，刻蚀时间为1.5～2.5h

第二步，在数个微腔浅槽中放置适量的热释气剂碳酸钙，可以用粒度较小的化学纯(质量百分比浓度为99％)碳酸钙，颗粒直径为5～10微米，根据圆片微腔总体积和成型温度下热释气剂碳酸钙分解速率为参考，内置碳酸钙质量为500微克，满足圆片50个微腔所需的成型体积。

第三步，将上述Si圆片与Pyrex7740玻璃圆片(一种硼硅玻璃的品牌，美国康宁-corning公司生产，市场可购得，通常已经经过抛光，其尺寸与Si圆片相同)在0.5Pa下阳极键合，使Pyrex7740玻璃上的上述浅槽形成密封腔体，键合表面在键合前应该保持高度清洁和极小的表面粗糙度，以满足常规键合的要求，按照阳极键合或其他键合的工艺要求进行常规清洗和抛光，所述的阳极键合工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

第四步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至880℃，在该温度下保温10min，热释气剂快速热分解，气体扩散至整个密封系统，各微腔内部压强平衡，压腔内外压力差使软化后的玻璃形成与上述微腔图案结构相应的结构，微槽尺寸相同，成型时相应的玻璃微腔成型是受的表面张力相同，成型的玻璃微腔尺寸基本相同，而微流道尺寸和微腔尺寸相差40倍，表面张力相差40倍，由于表面张力的影响，相同的内压，微流道成型高度将相当低。冷却到常温25℃，得到圆片级球形微腔，再将圆片置入退火炉，560℃保温30min，然后缓慢风冷至常温(譬如25℃)。常压(一个大气压)下退火消除应力。

第五步，利用划片机将数个内置热释气剂的微腔的区域划去，利用TMAH水浴90℃加热腐蚀硅圆片，去除玻璃表面的硅，形成圆片级圆片级球形微腔。

实施例3

一种低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，包括以下步骤：

第一步，采用干湿氧结合的方法在单面抛光的硅圆片上氧化5000A的氧化层，抛光面旋涂AZ P4620光刻胶，曝光显影去除需要刻蚀微槽表面的光刻胶。利用Si微加工工艺在4英寸Si圆片上刻蚀微槽和微通道，微通道将微槽连接起来，所用硅片可以是标准厚度的硅片，厚度为500微米，所述微槽的深度为60～100微米，宽度为2000微米的方形槽，微槽的数量为15个，尺寸相同，微通道槽为口径为20微米的条形槽，槽长5毫米，连接相邻两个微腔方形槽，所述Si圆片上图案结构的微加工工艺为湿法腐蚀工艺，所用的腐蚀液为TMAH溶液，浓度为10％，温度为90摄氏度，刻蚀时间为1.5～2.5h

第二步，在数个微腔浅槽中放置适量的热释气剂氢化钛，可以用粒度较小的化学纯(质量百分比浓度为99％)，颗粒直径为40～50微米，根据圆片微腔总体积和成型温度下热释气剂氢化钛分解速率为参考，内置氢化钛质量为250微克，满足圆片50个微腔所需的成型体积(氢化钛在400摄氏度下空气中进行预处理，处理时间为24小时)。

第三步，将上述Si圆片与Pyrex7740玻璃圆片(一种硼硅玻璃的品牌，美国康宁-corning公司生产，市场可购得，通常已经经过抛光，其尺寸与Si圆片相同)在0.5Pa下阳极键合，使Pyrex7740玻璃上的上述浅槽形成密封腔体，键合表面在键合前应该保持高度清洁和极小的表面粗糙度，以满足常规键合的要求，按照阳极键合或其他键合的工艺要求进行常规清洗和抛光，所述的阳极键合工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

第四步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至880℃，在该温度下保温10min，热释气剂快速热分解，气体扩散至整个密封系统，各微腔内部压强平衡，压腔内外压力差使软化后的玻璃形成与上述微腔图案结构相应的结构，微槽尺寸相同，成型时相应的玻璃微腔成型是受的表面张力相同，成型的玻璃微腔尺寸基本相同，而微流道尺寸和微腔尺寸相差40倍，表面张力相差40倍，由于表面张力的影响，相同的内压，微流道成型高度将相当低。冷却到常温25℃，得到圆片级球形微腔，再将圆片置入退火炉，560℃保温30min，然后缓慢风冷至常温(譬如25℃)，常压(一个大气压)下退火消除应力。

第五步，利用划片机将数个内置热释气剂的微腔的区域划去，利用TMAH水浴90℃加热腐蚀硅圆片，去除玻璃表面的硅，形成圆片级圆片级球形微腔。将所得到的圆片级的球形玻璃微腔阵列与带有MEMS器件的硅圆片对准，用阳极键合工艺进行键合，封装MEMS器件，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

Claims (13)

1.一种低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在硅圆片(2)上刻有相同微槽(1)形成的阵列，微槽之间刻有微通道(4)相连，微槽的最小槽宽大于微通道宽度的5倍，在其中的至少一个微槽内放置适量热释气剂(3)，与放置热释气剂的微槽相连接的微通道的宽度小于热释气剂粉末的粒径，使得热释气剂粉末不能进入所述与放置热释气剂的微槽相连接的微通道，相应的用玻璃圆片键合所述多个微槽(1)形成密封腔体，加热使玻璃软化，热释气剂受热释放出气体产生正压力，作用于通过微通道(4)相连的多个微槽(1)对应位置的软化后的玻璃形成具有均匀尺寸的球形微腔，冷却使玻璃凝固，得到圆片级均匀尺寸的玻璃微腔(5)。

2.根据权利要求1所述的低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，其特征在于，去除所述圆片级均匀尺寸的玻璃微腔上的硅。

3.根据权利要求1所述的低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，其特征在于，所述玻璃为Pyrex7740玻璃，所述键合为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

4.根据权利要求1或3所述的低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，其特征在于，热释气剂为碳酸钙粉末或者氢化钛粉末。

5.根据权利要求3所述的低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，其特征在于，加热使玻璃软化的温度为760℃-900℃。

6.根据权利要求1所述的低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，其特征在于制备圆片级MEMS微腔时，微槽的最小槽宽大于微通道宽度的50倍。

7.根据权利要求1所述的低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，其特征在于在所述Si圆片上刻槽的方法为湿法腐蚀工艺。

8.根据权利要求1所述的低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，其特征在于所述的Si圆片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，

9.根据权利要求5所述的低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，其特征在于，所述加热温度为880℃～890℃。

10.根据权利要求1所述的低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，其特征在于对所获得的圆片级玻璃微腔进行退火，工艺条件为：退火温度范围在510℃～560℃中，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。

11.根据权利要求9所述的低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，其特征在于微通道的宽度小于热释气剂的粉末粒度。

12.根据权利要求1所述的低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，其特征在于微槽的深度为50-100微米。

13.根据权利要求1所述的低污染高成品率圆片级均匀尺寸玻璃微腔的制备方法，其特征在于多个微槽的尺寸相同。 

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