CN101970351B - 用于提纯半导体材料的包括等离子体焰炬的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于提纯半导体材料(44)的设备(10)，其至少包括包含至少一种惰性气体的大气的室。该设备包括：在室中，熔炉(30)，该熔炉预要包含熔融状态的半导体材料；等离子体焰炬(40)，该等离子体焰炬预要从熔炉中熔化的半导体材料移除杂质；以及密封系统(50)，该密封系统预要在熔炉与等离子体焰炬之间限定密封容积(69)，该密封系统包括用于排出由提纯熔化的硅产生的气态化合物和/或粒子的装置(54)。该排出装置包括具有圆柱形部分(72)的至少一个吸力开口(70)，所述圆柱形部分(72)延伸到渐变进密封容积的喇叭口形部分(76)。

Description

用于提纯半导体材料的包括等离子体焰炬的设备

技术领域

本发明涉及半导体材料的提纯，尤其涉及硅的提纯，以通过光伏效应形成产生电力的单元。

背景技术

通常，预供光伏技术使用的硅主要由微电子工业的废料形成，因为用于光伏应用的硅可以包含比微电子中通常需要的杂质含量(10^-9)的临界值更小的杂质比例(10^-6级)。

希望有另一种硅源来制造适合光伏产品的硅。尤其是，微电子工业废料具有不足以满足光伏技术需求的危险。

当前尝试提纯冶金应用制造的硅，以得到纯度适合光伏技术的硅。冶金术中使用的硅可以包含百分之几的杂质，例如铁、钛、硼、磷等。

为了从半导体材料移除杂质中的一些，特别是硼，可以在熔炉中熔化半导体材料块并通过使用具有掠过半导体材料熔体的自由面的火焰的等离子体焰炬提纯熔化的半导体材料。半导体材料提纯是通过引入等离子体反应气体得到的，该等离子体反应气体与存在于熔化的半导体材料中的杂质起反应以形成气态化合物。当半导体材料是硅时，该反应气体还可以与半导体材料起反应以形成气态化合物，例如硅氧化物(SiO₂、SiO)。必须排出由提纯半导体材料产生的气态化合物和通过凝结这些化合物形成的粒子，以避免它们再次污染半导体材料。

一般，将提纯系统设置在其中产生中性气体或者例如氩和氦的中性气体态化混合物的大气的外壳中。为了排出由半导体材料提纯产生的气态化合物和通过凝结这种化合物形成的粒子，可以定期更换外壳中的大气。这种方法的缺点在于它需要大量气体，这很昂贵。

EFD出版的专利FR2869028描述了用于制造半导体材料块的装置，其包括在提纯步骤中在熔化的半导体材料的自由表面的平面处能限定称为密封容积(confinement volume)的外壳的大气部分的密封系统，其中限定了由提纯半导体材料产生的气态化合物和通过凝结这些化合物形成的粒子。然后在密封容积的平面处仅进行气态化合物和对应的粒子的排出。对于该目的，密封系统可以包括出现在密封容积中的一个或多个吸入口，密封容积中的大气被来自外壳其余部分的中性气体更换。优势在于仅有密封容积被由半导体材料提纯产生的气态化合物和通过凝结这种化合物形成的粒子污染，以及在外壳中仅有少量的中性气体或中性气态化合物必须被定期更换。

这种装置的缺点在于，密封容积中的大气用凝结成直径可以从几微米变为几毫米的粒子的、并且可以在密封容积中保持悬浮或沉积在密封系统的壁上的气态化合物来极深地填满。由于密封系统的内壁温度与气态化合物的凝结温度之间的差异大，所以在密封容积中形成的粒子都将更大。在密封容积中可以得到粒子的有效密度。通过这种密度，当尽可能大地减少用中性气体或中性气态化合物更换密封容积时，似乎难以提供存在于密封容积中的气态化合物和粒子的适当吸力。

凝结气态化合物和/或在密封系统的壁上沉积悬浮粒子会造成部分地或完全地封闭密封系统的吸入口。因此必须经常地清洗该密封系统，尤其是在必须将密封系统拆卸下来清洗的情况下，将导致高成本。

发明内容

本发明旨在提供一种用于提纯半导体材料、特别是硅的装置，该装置包括等离子体焰炬和用于限定由半导体材料提纯产生的气态化合物和悬浮粒子的系统，其中降低了气态化合物的凝结和/或粒子在密封系统的壁上的沉积，能够使该装置的操作简易。

根据另一目的，该装置具有特别简单的结构和小容积。

根据另一目的，该装置还能够连续不断地清洗用于吸入存在于密封容积中的气态化合物和粒子的系统。

为了实现这些目的中的全部或部分以及其他目的，本发明的一方面提供了一种用于提纯半导体材料的、包括包含至少一种中性气体的大气的至少一个外壳的装置。该装置包括在外壳中预要(intended to)包含熔融状态的半导体材料的熔炉；预要移除熔炉中熔化的半导体材料的杂质的等离子体焰炬；以及预要在熔炉与等离子体焰炬之间限定密封容积的密封系统，该密封系统包括用于排出由提纯熔化的硅产生的气态化合物和/或粒子的系统。该排出系统包括具有圆柱形部分的至少一个吸力开口，该圆柱形部分延伸到渐变进密封容积的喇叭口形部分。

根据一实施例，该装置包括用于清洗吸力开口的系统，其能够在等离子体焰炬操作期间对开口实施清洗操作。

根据一实施例，密封系统包括在密封容积外围的第一环状部分，该第一环状部分包括内部侧壁，喇叭口形部分出现在该内部侧壁的平面处。

根据一实施例，该装置包括在与喇叭口形部分相对的一侧上继续延伸开口的空心管，该管的长度大于环状部分的直径。

根据一实施例，等离子体焰炬沿第一方向定位，该管是直线的并且沿第二方向延伸，该第二方向相对于第一方向倾斜的角度范围在20°和90°之间。

根据一实施例，外壳包括盖子，在与该盖子相对的一侧第一环状部分具有表面，该装置包括在第一环状部分的外围分布的多个爪，每个爪被连接到所述表面和该盖子。

根据一实施例，该密封系统还包括环绕等离子体焰炬的第一材料的第二环状部分；和与第一材料不同的第二材料的第三环状部分，该第三环状部分环绕第二环状部分并且包括预要面向半导体材料的壁，第一环状部分环绕第三环状部分。

根据一实施例，第三环状部分由至少两个相互连接的部分形成。

根据一实施例，喇叭口形部分与包含第三环状部分的壁的平面相切。

根据一实施例，喇叭口形部分除了在最接近和最远离第三环状部分的壁的那部分上之外，喇叭口形部分在所有点上与第一环状部分的内壁相切。

附图说明

在结合附图对特定实施例进行的以下非限制性描述中，将详细论述本发明的前述和其他目的、特征和优势，其中：

图1是根据本发明的半导体材料提纯装置的实例的局部截面图的正视图；

图2是图1的截面图的部分放大图；

图3和图4分别是图1的提纯装置的密封系统的元件的底视图和正视图；

图5、图6和图7是图3的元件的详细截面图和透视图；

图8是图1的装置的密封系统的其他元件的分解透视图；以及

图9是图8的元件的正视截面图。

具体实施方式

在不同的附图中相同的元件用相同的附图标记标示。为了清楚，在不同的附图中仅示出了本发明必须要理解的装置的那些元件。在以下描述中，相对于轴D使用的术语“上面的”、“下面的”、“向上的”和“向下的”，轴D认为是垂直的。然而应该清楚，轴D可以关于垂直方向略微倾斜。

现在将描述用于提纯硅的半导体材料提纯装置的实例，尤其是获得直接用于形成光伏产品的具有足够纯度级的硅块和/或获得与直接用于形成光伏产品所需的纯度级相比具有更低纯度级的并且随后将要被处理的硅块以具有用于光伏技术的足够级纯度。

图1示出了用于制造硅块的装置10的实施例的元件。在图1的左手部分中，装置10以正视图示出，并且在图1的右手部分中，装置10以沿包括轴D的平面的截面示出。图2是装置10的详细视图。该装置包括由例如没有示出的侧壁组成的、在其上端由盖子12封闭的外壳。穿过外壳的侧壁可以提供开口，该开口没有示出，并且该开口能够使外壳的内部容积与外部相通。该装置可以包括在开口水平面处的密封门以紧密地隔离外壳的内部容积。根据变形，该外壳可以与例如担任引入用的或者将物体放入该装置以及从该装置取出物体用的入口/出口锁角色的次级外壳相通。

盖子12由环绕轴D旋转对称的几部分形成。根据本实施例，盖子12包括通过两个平行的锥形壁18、19相互连接的外部环状部分14和内部环状部分16。相比外部环状部分14，内部环状部分16位于根据轴D的更低位置。内部环状部分16限定了中心开口20。开口20被局部覆盖内部环状部分16的环状盘22、布置在盘22和内部环状部分16之间的密封件24局部遮蔽。环状部分22通过向上延伸的并且限定开口28的轴D的圆柱部分26继续延伸。

操作时，在外壳的内部使由中性气体或例如氩的中性气态化合物形成的大气有利地保持在略大于大气压力的压力下，以避免氧侵入到外壳中。装置10包括用于更换外壳中的大气的系统，该系统没有示出。

熔炉30设置在外壳中。例如是硅基或石墨基熔炉。熔炉30可以具有圆形或矩形底部。如果是例如加热熔炉型或冷却熔炉型的熔炉，则例如基于用粘土混合的石墨或者基于碳化硅提供内部硅石基反向熔炉。根据另一实例，它是在里面上用氮化硅涂覆的石英熔炉。它还可以是在由ApollonSolar，Cyberstar和EFD递交的US专利申请2006/0144326中描述的熔炉。在以下描述中，考虑了外径能够达到几十乃至大约几百厘米的圆柱形熔炉30。

装置10可以包括用于替换外壳内部的熔炉30的系统，该系统没有示出。作为实例，该替换系统可以对应于用其上布置有熔炉30的盘形成的并且经由驱动系统能够在外壳内部沿垂直方向移动的升运器。该升运器可以由例如预先存储的控制程序自动控制。根据变形，替换系统可以对应于机械臂。

装置10可以包括用于加热熔炉30的、能够使置于熔炉30中的硅块熔化的系统，该系统没有示出。例如，它是包括环绕熔炉30的侧面感应线圈的加热系统。

感应等离子体焰炬40，没有详细示出，设置在熔炉30的上面。感应等离子体焰炬40与诸如氢、氧、氯、氮等反应气体(未示出)的喷射器相联系。感应等离子体焰炬40包括轴D的圆柱形喷嘴42，该圆柱形喷嘴42在由圆柱形壁26限定的开口28中延伸并且超出开口28向下突出至由内部环状壁16限定的开口20中。

装置10包括用于例如以球的形式向熔炉30供应冶金级硅厚块的系统，该系统没有示出。它可以是可伸缩的进料斗。附图标记44标明了包含在熔炉30中的硅熔体，附图标记46标明了硅熔体44的自由上表面。

外壳包括在外壳内部的由保护屏52和吸力环54形成的密封系统50。保护屏52包括称为嵌件的、具有轴D的并且环绕等离子体焰炬40的喷嘴42的端部的内部环状部分56，和称为挡板的、具有轴D的并且环绕嵌件56的外部环状部分58。挡板58包括垂直于轴D并且与包含在熔炉30中的硅熔体44的自由平面46相对的基本平坦的平面60。通过多个螺丝钉62(此后将要进一步详细描述)使挡板58连接到盖子12的内部环状部分16，图1和2中示出了单个螺丝钉62。吸力环54包括由平坦的下表面65和轴D的圆柱形内部侧壁66组成的环状体64，壁66的直径略大于熔炉30的外径。环状体64在其上面的部分中包括向轴D延伸的同时局部覆盖挡板58的边68。当熔炉30接近吸力环54时，吸力环54、挡板58、嵌件56和熔炉30在熔炉30的上面部分中限定了密封容积69。作为实例，沿轴D的吸力环54的高度为几厘米。

吸力环54的主体64被多个开口70横穿过，图1和2示出了单个开口70。每个开口70包括轴D′的圆柱形中心部分72，圆柱形中心部分72在一侧由轴D′的较大直径的圆柱形部分74继续延伸，以及在相对的一侧由喇叭口形部分76继续延伸。圆柱形部分74通过肩部78连接到圆柱形部分72，并且出现在主体64的上外边缘的平面处。喇叭口形部分76出现在主体64的内部侧壁66上，并且基本上正切于内部侧壁66的下边缘。

装置10包括用于每个开口70的吸入管80。在本实施例中，该装置包括吸力环54中的两个开口70和两个联合的吸入管80。每个吸入管80包括其外径基本与圆柱形部分74的直径一致并在较大外径的第二管状部分84中延伸的第一管状部分82。第一管状部分82穿入到相应开口70的圆柱形部分74中并且邻接肩部78。管80是空心的，第一管状部分82和第二管状部分84被轴D′的、直径与开口70的圆柱形部分72的直径一致的圆柱形开口86横穿。盖子12的外部环状部分14包括用于让管80穿过的开口88。壁89在与熔炉30相对的盖子12的侧面上嵌入管80。使与吸力环54相对的吸入管80的端部连接到抽气系统，该抽气系统没有示出。每个吸入管80具有大于给定的临界值并且至少大于吸力环54的直径的长度，以在管80的两个端部之间得到吸入气体的足够的温度梯度。作为实例，管80由石墨、碳-碳型复合材料或者纯不锈钢制成。

吸力环54通过爪90连接到盖子12。每个爪90包括用螺丝钉92拧到吸力环54的第一端部和拧到盖子12的外部环状部分14的第二端部。更具体地，在本实施例中，每个爪90包括平行于轴D延伸的平面中心部分94并且在其端部由在基本垂直于轴D的方向上延伸的下端部分96和上端部分98继续延伸。下端部分96在吸力环54的下面延伸并且通过图1和2中没有示出的螺丝钉使其连接在吸力环54上，上端部分98在基本上平行于盖子12的外部环状部分14的方向上延伸，通过相应的螺丝钉92将其拧到盖子12的外部环状部分14。

提纯方法的实例包括给熔炉30供应硅厚块，其中为了该目的可以将熔炉30从吸力环54移走，并用加热系统使熔炉30中的硅厚块熔化。然后使熔炉30靠近吸力环54，熔炉30的上边缘例如与吸力环54的下表面65基本相切。然后熔炉30、吸力环54、挡板58和嵌件56在硅熔体44的自由表面46的上方限定了密封容积69。然后开起等离子体焰炬40来提纯熔化的硅。将由硅提纯产生的气态化合物和通过凝结这种化合物形成的粒子吸入到吸力环54的开口70中，用来自外壳的其余部分的并且例如穿过分离熔炉30与吸力环54的缝隙100渗入的中性气体来更换大气。吸入到密封容积中的气体在那里产生了微小低气压，该低气压将限制由硅提纯产生的气态化合物和通过凝结这种化合物形成的粒子泄漏到密封单元69的外面而进入到外壳的其余部分中。根据变形，通过等离子体焰炬40可以直接进行熔炉30中硅厚块的熔化。根据另一变形，当熔炉30保持在靠近吸力环54的固定位置时，如图1所示，实施供应硅厚块及硅熔化的阶段。

图3是吸力环54的实施例的简化底视图。图4是图3沿线A-A的截面图，图5、6和7分别是沿包含轴D和D′的平面的截面图、沿垂直于轴D的平面的截面图、以及在开口70中之一的平面处的吸力环54的放大透视图。如图3所示，吸力环54包括形状复杂的外部侧壁102以满足对吸力环54的体积、机械强度等方面的限制。在本实施例中，主体54仅包括彼此完全相反的两个吸力开口70。然而应该清楚，主体54可以包括多于两个的吸力开口。作为实例，吸力环54由石墨或碳-碳型复合材料、或者纯不锈钢制成。

吸力环54在其下表面65上包括出现在外部侧壁102上的凹槽104或凹口。每个凹槽104形成了预要容纳爪90中之一的下部分96的壳体。平行于轴D延伸的开口106跨过其整个厚度横穿吸力环54并且出现在每个凹槽104的水平面处。用于连接爪90的下部分96的螺丝钉设置在开口106中，爪90的下部分96夹在螺丝钉头与吸力环54之间。螺丝钉的自由端从与爪90的下部分96相对的吸力环54的侧面上的开口106突出，并且通过螺栓在该端部保持突出。沿轴D的每个凹槽104的深度大于相应爪90的下部分96的厚度，使得爪90不会沿轴D从吸力环54的下表面65突出。这能够减少由吸力环54和爪90形成的结构的总体积。

申请人指出，在密封系统50的壁上凝结由提纯半导体材料产生的气态化合物或在密封系统50的壁上沉积通过凝结这种气态化合物形成的悬浮粒子的最大风险是在密封容积69中出现的每个开口70的端部位置。为了降低这种风险，每个开口70的暴露端部与喇叭口形部分76一致。喇叭口形部分76可以具有可变曲率半径的相对复杂的形状。作为实例，在图5的截面平面中，喇叭口形部分76的下部分110是基本延长圆柱形开口72的直线，并且与侧壁66不相切(在侧壁66与下部分110之间的连接的平面处的曲率半径基本上为零)。在图5的截面平面中，喇叭口形部分76的上部分112具有在圆柱形开口72的直径的1/3和4/3之间变化的曲率半径，该上部分112与圆柱形开口72相切，并且与壁66不相切(在侧壁66与上部分112之间的连接的平面处的曲率半径基本上为零)。更具体地，在图5的平面中，在壁66上的端部处，喇叭口形部分76的上部分112与挡板58的表面60相切。在图6的平面中，垂直于轴D并且在基本中间高度处切割开口70的喇叭口形部分76，喇叭口形部分76的侧面部分113、114与侧壁66相切，并且具有在圆柱形开口72的直径的1/3与3/4之间变化的曲率半径。通常，在图5的平面中除了在喇叭口形部分76的最顶部和最底部位置之外，喇叭口形部分76总是与侧壁66相切，并且在与侧壁66连接的平面位置处具有从高端和低端向侧端部增加的曲率半径。此外，喇叭口形部分76总是与圆柱形开口72相切。

在本实施例中，开口70和86是直线并且沿轴D′成一条直线。此外，轴D′关于轴D倾斜几十度角，例如大约45°。这将使利用清洗系统清洗开口70、86变轻松，该清洗系统包括例如用液压或气动制动器移动的并且提供有能清洗开口70、86的内壁的尖端的杆，该杆穿过开口86的上端引入并且设置在开口86和70中直到它穿过开口70出现。作为实例，该清洗杆是中空的以使得在清洗操作期间能使气体在开口86、70中流动。因此在该装置工作时能够实施清洗操作。在两次清洗操作之间，可以将清洗杆布置在分离开口70、86的壳体中以避免妨碍气体在开口70、86中流动。因此在不需要拆卸密封系统50的情况下能够方便地实施清洗操作。使用直线开口70、86还能限制损耗。

图8和9分别是保护屏52的放大透视图和截面图。在本实施例中，嵌件56符合由化学惰性的、耐热性的、非导电性材料形成的单片元件。由于由等离子体焰炬40的操作引起的有效热应力，这能够避免与等离子体焰炬40的任何耦合以及嵌件56的任何退化。作为实例，嵌件56可以由硅石、用硅石覆盖的氧化铝、石墨等制成。根据变形，嵌件56可以由相互连接的几部分形成。嵌件56符合被由第一圆柱形壁120限定的、位于嵌件56的上部分中的开口118横穿的环状元件，该开口118具有略大于等离子体焰炬40的喷嘴42的外径的直径，通过肩部122、然后通过向下开口的锥形壁124使圆柱形壁120向下继续延伸。等离子体焰炬40的喷嘴42在圆柱形部分120中延伸，使喷嘴42的端部处于锥形壁124的平面处。在等离子体焰炬40操作期间嵌件56用作屏并且保护挡板58不受强温度梯度影响。这使得能够免除形成挡板58的材料的其他特性。

在本实施例中，挡板58由两个部分58A、58B形成。部分58A、58B由在高温时随着时间具有良好的机械强度和关于包含在熔炉30中的半导体材料的化学惰性的材料形成。例如，部分58A、58B由石墨、碳-碳复合材料或者流态硅土制成。当装配部分58A、58B时，挡板58具有被开口128横穿的平面环126的形状，该开口128由通过向底部开口的锥形壁132向下继续延伸的圆柱形壁130限定。在与熔炉30相对的挡板58的一侧上环状凸缘134从盘126突出。凸缘134的内径略大于嵌件56的外径。圆柱形壁130的直径小于嵌件56的外径，以使圆柱形壁130和凸缘134限定肩部135。嵌件56靠在肩部135上，凸缘134确保对准嵌件56。将挡板58分成不同的部分将使挡板58的装配变得容易。此外，当挡板58由导电性材料形成时，可以将部分58A、58B相互电隔离以避免在挡板58中出现电流。挡板58被开口140(图9示出了单个开口140)横穿，每个开口由用肩部146连接的两个不同直径的圆柱形部分142、144形成，较大直径部分朝向硅熔体44。将包括螺杆150和头152的螺丝钉148设置在开口140中，杆150朝上以使头152紧靠肩部146。将螺杆150拧入在盖子12的内部环状部分16的平面处提供的螺纹开口中。因此挡板58靠在螺丝钉150的头152上。

优选地，形成挡板58的材料是不良热导体。在提纯步骤中这将缓和与硅熔体44的自由表面46相对的挡板58的表面60的温度升高。作为实例，当挡板58由石墨制成、硅熔体44的温度为约1,500℃时，表面60可以达到约1,200℃至1,300℃的温度。当挡板58由复合材料制成时，挡板58的表面60可以达到更高的温度。挡板58的表面60与由提纯半导体材料产生的气态化合物相接触，表面60处于高温的事实能够降低在表面60上凝结气态化合物的风险，并且能够使在该壁上捕获悬浮粒子变得更难。

已描述了本发明的特定实施例。本领域的技术人员将想到各种变更和修改。尤其是，挡板58、或至少它的一部分以及吸力环54可以对应相同的元件。

Claims (10)

1.一种用于提纯半导体材料(44)的装置(10)，该装置包括包含至少一种中性气体的大气的至少一个外壳，以及在该外壳中包括：

熔炉(30)，该熔炉预要包含熔融状态的半导体材料；

等离子体焰炬(40)，该等离子体焰炬预要从熔炉中熔化的半导体材料中移除杂质；以及

密封系统(50)，该密封系统预要在熔炉与等离子体焰炬之间限定密封容积(69)，该密封系统包括用于排出由提纯熔化的硅产生的气态化合物和/或粒子的系统(54)，

其特征在于：排出系统包括具有圆柱形部分(72)的至少一个吸力开口(70)，所述圆柱形部分(72)延伸到喇叭口形部分(76)，该喇叭口形部分(76)渐变进密封容积。

2.根据权利要求1所述的提纯装置，包括用于清洗吸力开口(70)的系统，该系统能够在等离子体焰炬(40)操作期间在开口上实施清洗操作。

3.根据权利要求1或2所述的提纯装置，其中密封系统(50)包括在密封容积(69)外围的第一环状部分(54)，该第一环状部分(54)包括内部侧壁(66)，喇叭口形部分(76)出现在该内部侧壁的平面处。

4.根据权利要求1或2所述的提纯装置，包括在与喇叭口形部分(76)相对的一侧上继续延伸开口(70)的空心管(80)，该管的长度大于环状部分的直径。

5.根据权利要求4所述的提纯装置，其中等离子体焰炬(40)沿第一方向(D)定位，管(80)是直线的并且沿第二方向(D′)延伸，该第二方向相对于第一方向倾斜的角度范围在20°和90°之间。

6.根据权利要求3所述的提纯装置，其中外壳包括盖子(12)，在与该盖子相对的一侧第一环状部分(54)具有表面(65)，该装置包括在第一环状部分(54)的外围分布的多个爪(90)，每个爪被连接到所述表面和该盖子。

7.根据权利要求3所述的提纯装置，其中该密封系统(50)还包括：

第一材料的第二环状部分(56)，该第二环状部分环绕等离子体焰炬(40)；以及

与第一材料不同的第二材料的第三环状部分(58)，该第三环状部分环绕第二环状部分并且包括预要面向半导体材料(44)的壁(60)，第一环状部分(54)环绕第三环状部分。

8.根据权利要求7所述的提纯装置，其中第三环状部分(58)由至少两个相互连接的部分(58A、58B)形成。

9.根据权利要求7或8所述的提纯装置，其中喇叭口形部分(76)与包含第三环状部分(58)的壁(60)的平面相切。

10.根据权利要求7或8所述的提纯装置，其中喇叭口形部分(76)除了在最接近和最远离第三环状部分(58)的壁(60)的那部分上之外，喇叭口形部分(76)在所有点上与第一环状部分(54)的内壁(66)相切。

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