CN103184434A - 托盘装置、托盘及半导体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种托盘装置，包括用于提供工艺气体的气体输送通道和至少一个用于承载基片的托盘，对应于所述托盘的基片承载面而在所述气体输送通道上设置气体喷口，所述托盘的基片承载面包括承载区和非承载区，并且所述气体喷口均朝向所述承载区并相对于所述承载区所在平面倾斜设置。此外，本发明还提供一种托盘以及包含上述托盘装置的半导体处理设备。本发明提供的托盘装置、托盘以及半导体处理设备，能够使沉积薄膜的厚度均匀，并能提高产品良率。

Description

托盘装置、托盘及半导体处理设备

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体地，涉及一种托盘装置、托盘及半导体处理设备。

背景技术

金属有机化合物气相沉积(MOCVD)是20世纪60年代发展起来的利用金属有机化合物进行金属输运的一种化合物半导体气相外延新技术。对于MOCVD设备而言，反应腔子系统通常为核心组件，其设计方案对于外延层质量和设备产率具有决定性的影响。传统的反应腔在硬件上由外壁、托盘、加热装置、进气装置、以及监测装置等组成。

目前，为了增大MOCVD设备的产能，通常在反应腔内设置多个彼此平行的托盘，并且与之对应地设置多个气体喷口，每一个气体喷口均对应于一个托盘并与之相平行，以将工艺气体引入到各托盘上。请参阅图1，其中示出了一种常见的MOCVD设备中的气体喷口与托盘的结构及位置关系。为了图示简洁，图中仅示出了一个托盘及与其对应的气体喷口。如图1所示，在托盘110的上表面设置有基片120，并且在托盘110的大致中心区域设置有气体分配装置，该气体分配装置包括气体传输通路140以及在气体传输通路140上贴近托盘110而设置的气体喷口130，工艺气体自气体喷口130喷出而形成气流150，以便在基片120上沉积成膜。

尽管上述结构的托盘和气体分配装置目前被广泛采用，但是在实际应用中，其仍然不可避免地存在下述缺陷：即，由于气体喷口的开口方向以及经其喷射出的气流方向均大致平行于托盘及基片，因此，工艺气体必须自基片上的靠近气体喷口的一端流向其另一端，而在工艺气体的上述流动过程中，工艺气体不断被消耗并在基片上沉积成膜，由此使得工艺气体的浓度沿着气体流动方向逐渐降低，这将导致基片上的沉积薄膜的厚度不均匀，具体表现为：当沿托盘径向而在承载区中放置一排基片时，沿气体流动方向，同一基片上的处于上游部分的沉积薄膜的厚度大于处于下游部分的沉积薄膜的厚度；或者当沿托盘径向而在承载区中放置多排基片时，沿气体流动方向，处于上游的基片上的沉积薄膜的厚度大于处于下游的基片上的沉积薄膜的厚度，并且同一基片上的处于上游部分的沉积薄膜的厚度大于处于下游部分的沉积薄膜的厚度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种托盘装置，其能够使沉积薄膜的厚度均匀，并能提高产品良率。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种可应用于上述托盘装置的托盘，其同样能够使沉积薄膜的厚度均匀，并能提高产品良率。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种包含上述托盘装置的半导体处理设备，其同样能够使沉积薄膜的厚度均匀，并能提高产品良率。

为此，本发明提供一种托盘装置，包括用于提供工艺气体的气体输送通道和至少一个用于承载基片的托盘，对应于所述托盘的基片承载面而在所述气体输送通道上设置气体喷口，所述托盘的基片承载面包括承载区和非承载区，并且所述气体喷口均朝向所述承载区并相对于所述承载区所在平面倾斜设置。

其中，每一个所述托盘均为中空的环形结构，在所述气体输送通道上对应于每一个所述托盘均设置有气体喷口，并且每一个所述气体喷口均相对于与之对应的所述托盘的承载区所在平面倾斜设置。

其中，所述气体输送通道沿所述多个托盘的层叠方向贯穿各个托盘的中空部分，并且对于每一个所述托盘而言，其非承载区均靠近所述托盘的内缘，其承载区均靠近所述托盘的外缘，并且所述承载区与所述非承载区之间的夹角为钝角。

其中，所述气体喷口的中心线与所述非承载区相平行。

其中，所述气体输送通道设置在所述多个托盘的外围，并且对于每一个所述托盘而言，其承载区靠近所述托盘的内缘，其非承载区靠近所述托盘的外缘，并且所述承载区与所述非承载区之间的夹角为钝角。

其中，所述气体喷口的中心线与所述非承载区相平行。

其中，所述气体输送通道沿所述多个托盘的层叠方向贯穿各个托盘的中空部分，并且对于每一个所述托盘而言，其承载区靠近所述托盘的内缘，其非承载区靠近所述托盘的外缘，所述承载区和所述非承载区处于同一个平面内，所述气体喷口靠近所述承载区并朝向所述承载区而设置。

其中，所述气体输送通道设置在所述多个托盘的外围且沿所述多个托盘的层叠方向延伸覆盖各托盘，并且对于每一个所述托盘而言，其承载区靠近所述托盘的外缘，其非承载区靠近所述托盘的内缘，所述承载区和所述非承载区处于同一个平面内，所述气体喷口靠近所述承载区并朝向所述承载区而设置。

其中，托盘装置还包括第一旋转机构，其单独连接所述气体输送通道或者所述托盘，并带动与之相连的所述气体输送通道或所述托盘旋转。此外，托盘装置还包括第二旋转机构，在所述第一旋转机构连接所述气体输送通道和所述托盘二者中的一个时，所述第二旋转机构连接二者中的另一个，以使所述气体输送通道和所述托盘相对旋转。

其中，所述多个托盘的承载区彼此平行，并且所述多个托盘的非承载区彼此平行。

其中，所述托盘的上表面和下表面均为基片承载面。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种托盘，其上的基片承载面包括承载区和非承载区，并且所述承载区与非承载区之间的夹角为钝角。

其中，所述托盘为中空的环形结构，并且其上的非承载区靠近所述托盘的内缘，承载区靠近所述托盘的外缘。

其中，所述托盘为中空的环形结构，并且其上的承载区靠近所述托盘的内缘，非承载区靠近所述托盘的外缘。

其中，所述托盘的上表面和下表面均为基片承载面。作为又一个技术方案，本发明还提供一种半导体处理设备，其包括反应腔室，并且在所述反应腔室内设置有本发明提供的上述托盘装置。

本发明具有下述有益效果：

在本发明提供的托盘装置中，气体喷口与托盘上的用于承载基片的承载区之间的位置关系为：气体喷口朝向承载区并且相对于该承载区所在平面倾斜设置，这样，可使经由该气体喷口流出的工艺气体所形成的气流直接朝向该承载区所承载的基片，从而可以增大经由该气体喷口流出的工艺气体与该承载区直接接触的面积。由此可见，采用本发明提供的托盘装置，可使来自气体喷口的工艺气体直接且大面积地流向承载区上的不同基片或者基片上的不同区域，也就是说，本发明中承载区内的基片所接收到的工艺气体更多的是直接来自气体喷口，而不是像背景技术那样，必须完全是在流经上游的基片或者流经基片上处于上游的部分后再输送而来的。因而，采用本发明提供的托盘装置，可以有效减少工艺气体在到达不同基片或者到达基片上的不同区域时浓度不均匀的现象以及程度，进而可以有效增加工艺气体在基片表面的沉积率并使沉积薄膜的厚度均匀，从而提高产品良率。

类似地，本发明提供的可应用于上述托盘装置的托盘以及可包含上述托盘装置的半导体处理设备，同样具有可使沉积薄膜的厚度均匀、产品良率高等优点。

附图说明

图1为一种常见的MOCVD设备中的气体喷口与托盘的结构及位置关系示意图；

图2为本发明第一实施例提供的托盘装置的结构示意图；

图3为本发明第二实施例提供的托盘装置的结构示意图；

图4为本发明第三实施例提供的托盘装置的结构示意图；

图5为本发明第四实施例提供的托盘装置的结构示意图；

图6为本发明第五实施例提供的托盘装置的结构示意图；

图7为本发明第六实施例提供的托盘装置的结构示意图；

图8A为本发明一个具体实施例提供的托盘的俯视图；

图8B为图8A所示托盘沿A-A线的剖视图；

图9A为本发明另一个具体实施例提供的托盘的俯视图；以及

图9B为图9A所示托盘沿B-B线的剖视图；

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的托盘装置、托盘及半导体处理设备进行详细描述。

请参阅图2，其中示出了本发明第一实施例提供的托盘装置。如图所示，该托盘装置包括4个用于承载基片230的托盘210以及用于提供工艺气体的气体输送通道220，并且本实施例采用中央供气的方式。

其中，4个托盘210沿图2中的竖直方向层叠设置，并且每一个托盘210均为中空的环形结构，环形实体部分可形成基片承载面。本实施例中，各托盘210均具有一个基片承载面，即图2中的上表面。每一个托盘210的基片承载面均被划分为两个区域，即，承载区和非承载区。所谓承载区指的是该基片承载面上用于承载基片230的区域，如图2中标号211所示的区域；所谓非承载区指的是该基片承载面上不承载基片230的区域，如图2中标号212所示的区域。具体地，非承载区212靠近托盘210的中空部分，即，非承载区212靠近托盘210的环形实体的内缘(以下简称为托盘的内缘)；承载区211靠近托盘210的外围，即，承载区211靠近托盘210的环形实体的外缘(以下简称为托盘的外缘)。并且，承载区211与非承载区212之间的夹角β为钝角，也就是说，承载区211自非承载区212所在平面向上翘起，且翘起的角度为180-β。

4个托盘210的承载区211彼此平行，并且4个托盘的非承载区212也彼此平行，即，相邻的2个托盘210的承载区211之间的间距与这2个托盘210的非承载区212之间的间距相等，如图2中h所示，这样便可以保证工艺气体在相邻的2个托盘210之间的流动通道的宽度大致相等，从而保证气体流动畅通并避免产生诸如涡流等的阻碍气体流动的现象。

气体输送通道220沿4个托盘210的层叠方向贯穿各个托盘210的中空部分。对应于每一个托盘210的基片承载面而在气体输送通道220上设置2个气体喷嘴221，每一个气体喷嘴221的出口(即，气体喷口)均朝向其所对应的承载区211并相对于该承载区211倾斜设置。具体地，每一个气体喷嘴221的出口的中心线均相对于其所对应的非承载区212平行，并且与所对应的承载区211及其上的基片230之间的夹角α为钝角，其中，α＝β。

请参阅图3，其中示出了本发明第二实施例提供的托盘装置。如图所示，本实施例类似于前述第一实施例，即，该托盘装置同样包括4个用于承载基片230的托盘210以及用于提供工艺气体的气体输送通道220，并且本实施例同样采用中央供气的方式。本实施例与前述第一实施例的区别在于：本实施例中的承载区211靠近托盘210的中空部分，非承载区212靠近托盘210的外围，并且承载区211自非承载区212所在平面向下翘起。

请参阅图4，其中示出了本发明第三实施例提供的托盘装置。如图所示，该托盘装置同样包括4个用于承载基片330的托盘310以及用于提供工艺气体的气体输送通道320，并且本实施例采用四周供气的方式。

其中，4个托盘310沿图4中的竖直方向层叠设置，并且每一个托盘310均为中空的环形结构，环形实体部分可形成基片承载面。本实施例中，各托盘310的上表面为基片承载面，并且各基片承载面均包括承载区311和非承载区312。其中，承载区311靠近托盘310的中空部分，即，承载区311靠近托盘310的内缘；非承载区312靠近托盘310的外围，即，非承载区312靠近托盘310的外缘。并且，承载区311与非承载区312之间的夹角β为钝角，也就是说，承载区311自非承载区312所在平面向上翘起，且翘起的角度为180-β。

气体输送通道320设置在4个托盘310的外围，且沿这4个托盘310的层叠方向延伸并覆盖各托盘310，以便能够向4个托盘310的基片承载面输送工艺气体。在该气体输送通道320上，对应于每一个托盘310的基片承载面而设置有2个气体喷嘴321，每一个气体喷嘴321的出口(即，气体喷口)均朝向其所对应的承载区311并相对于该承载区311倾斜设置。具体地，每一个气体喷嘴321的出口的中心线均与其所对应的非承载区312平行，同时与所对应的承载区311及其上的基片330之间的夹角α为钝角，其中，α＝β。

请参阅图5，其中示出了本发明第四实施例提供的托盘装置。如图所示，本实施例类似于前述第三实施例，即，该托盘装置同样包括4个用于承载基片330的托盘310以及用于提供工艺气体的气体输送通道320，并且本实施例同样采用四周供气的方式。本实施例与前述第三实施例的区别在于：本实施例中的非承载区312靠近托盘310的中空部分，承载区311靠近托盘310的外围，并且承载区311自非承载区312所在平面向下翘起。

请参阅图6，其中示出了本发明第五实施例提供的托盘装置。如图所示，该托盘装置包括4个用于承载基片430的托盘410以及用于提供工艺气体的气体输送通道420，并且本实施例采用中央供气的方式。

其中，4个托盘410沿图6中的竖直方向层叠设置，并且每一个托盘410均为中空的环形结构，环形实体部分可形成基片承载面。本实施例中，各托盘410的上表面为基片承载面。每一个托盘410的基片承载面均包括承载区411和非承载区412，其中，承载区411靠近托盘410的内缘；非承载区412靠近托盘410的外缘，并且承载区411和非承载区412处于同一个平面内，即，承载区411与非承载区412之间的夹角为180°。

气体输送通道420沿4个托盘410的层叠方向贯穿各个托盘410的中空部分。对应于每一个托盘410的基片承载面而在气体输送通道420上设置2个气体喷嘴421，每一个气体喷嘴421的出口均朝向其所对应的承载区411并相对于该承载区411倾斜设置，具体地，每一个气体喷嘴421的出口的中心线与该承载区411及其所承载的基片430之间的夹角α均为钝角。

请参阅图7，其中示出了本发明第六实施例提供的托盘装置。如图所示，该托盘装置同样包括4个用于承载基片530的托盘510以及用于提供工艺气体的气体输送通道520，并且本实施例采用四周供气的方式。

其中，4个托盘510沿图7中的竖直方向层叠设置，并且每一个托盘510均为中空的环形结构，环形实体部分形成基片承载面。本实施例中，各托盘510的上表面为基片承载面，并且各基片承载面均包括承载区511和非承载区512。其中，承载区511靠近托盘510的外缘，非承载区512靠近托盘510的内缘，并且承载区411和非承载区412处于同一个平面内，即，承载区411与非承载区412之间的夹角为180°。

气体输送通道520设置在4个托盘510的外围，且沿这4个托盘510的层叠方向延伸并覆盖各托盘510，以便能够向4个托盘510的基片承载面输送工艺气体。在该气体输送通道520上，对应于每一个托盘510的基片承载面而设置有2个气体喷嘴521，每一个气体喷嘴521的出口(即，气体喷口)均朝向其所对应的承载区511并相对于该承载区511倾斜设置。具体地，每一个气体喷嘴421的出口的中心线与该承载区411及其所承载的基片430之间的夹角α均为钝角。

在实际应用中，本发明提供的托盘装置还可以包括旋转机构，并且旋转机构可以单独连接气体输送通道或者单独连接托盘，也可以同时连接气体输送通道和托盘，只要能够使二者相对转动即可，以此确保气体输送通道能够向处于托盘周向上的不同位置处的基片提供大致均匀的工艺气体。例如，在托盘装置中仅设置第一旋转机构，使其单独连接气体输送通道或者托盘，并带动与之相连的气体输送通道或托盘旋转；或者在托盘装置中同时设置第一旋转机构和第二旋转机构，第一旋转机构连接气体输送通道和托盘二者中的一个，第二旋转机构连接二者中的另一个，借助于第一旋转机构和第二旋转机构而使气体输送通道和托盘相对旋转。

需要指出的是，尽管前述各实施例中托盘的数量为4个，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，托盘的数量可以为任意个。而且，尽管前述实施例中的每个托盘仅有一个基片承载面，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以使各托盘的上、下两个表面均为基片承载面，且每一个基片承载面均可以设置成图2至图7中的形式，同时在气体输送通道上对应于各个基片承载面均设置气体喷口。这种情况下，为了使气体流动顺畅，需要增大相邻2个托盘之间的间距。

进一步需要指出的是，在前述实施例中，仅仅是为了图示简洁以及描述方便而为每一个托盘设置2个气体喷嘴，事实上本发明并不局限于此，在实际应用中，对应于每一个托盘可以设置任意个气体喷嘴，并且当气体喷嘴的数量大于等于2时，优选使这些气体喷嘴沿托盘内缘的周向或沿托盘外缘的周向均匀排布。而且，在实际应用中，也可以不设置气体喷嘴，而是对应于基片承载面而在气体输送通道上直接开设工艺气体出口，并且使其中心线朝向承载区且相对于该承载区倾斜设置。因此，为了描述方便，本申请中将设置在气体输送通道上的气体喷嘴以及开设于气体输送通道上的工艺气体出口统称为气体喷口。

通过上述说明可以看出，由于本发明提供的托盘装置中的气体喷口与托盘上的承载区之间具有这样的位置关系，即，气体喷口朝向承载区并且相对于该承载区所在平面倾斜设置，因此，本发明提供的托盘装置可使经由该气体喷口流出的工艺气体所形成的气流直接朝向该承载区内的基片，从而可以增大来自该气体喷口的工艺气体与该承载区的直接接触面积。也就是说，采用本发明提供的托盘装置，可使来自气体喷口的工艺气体直接且大面积地流向承载区上的不同基片或者基片上的不同区域，换言之，本发明中承载区内的基片所接收到的工艺气体更多的是直接来自气体喷口，而不是像背景技术那样，必须完全是在流经上游的基片或者流经基片上处于上游的部分后再输送而来的。因而，采用本发明提供的托盘装置，可以有效减少工艺气体在到达不同基片或者到达基片上的不同区域时因输送过程产生消耗(如背景技术所述那样)而导致其浓度不均匀的现象以及程度，进而可以有效增加工艺气体在基片表面的沉积率并使沉积薄膜的厚度均匀，从而提高产品良率。特别是，在将本发明提供的托盘装置应用于采用感应加热方式进行加热的半导体处理设备时，若将承载区自非承载区所在平面向上/向下翘起(类似于前面结合图2至图5所述的实施例)，则可以使承载区在非承载区所在平面的投影面积减小，从而可以减小该承载区被感应加热的有效宽度，进而减小承载区的内外侧的温差。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种托盘，其可应用于本发明提供的上述托盘装置。

请一并参阅图8A和图8B，其中示出本发明一个具体实施例提供的托盘。该托盘610为中空的环形结构，环形实体部分可形成基片承载面。本实施例中，托盘610的上表面为用于承载基片630的基片承载面，并且该基片承载面包括承载区611和非承载区612。其中，非承载区612靠近托盘610的中空部分，即，非承载区612靠近托盘610的内缘；承载区611靠近托盘610的外围，即，承载区611靠近托盘610的外缘。并且，承载区611与非承载区612之间的夹角β为钝角，即，承载区611自非承载区612所在平面向上翘起，且翘起的角度为180-β。

请一并参阅图9A和图9B，其中示出本发明另一个具体实施例提供的托盘。该托盘710为中空的环形结构，环形实体部分可形成基片承载面。本实施例中，托盘710的上表面为用于承载基片730的基片承载面，并且该基片承载面包括承载区711和非承载区712。其中，承载区711靠近托盘710的中空部分，即，承载区711靠近托盘710的内缘；非承载区712靠近托盘710的外围，即，非承载区712靠近托盘710的外缘。并且，承载区711与非承载区712之间的夹角β为钝角，即，承载区711自非承载区712所在平面向上翘起，且翘起的角度为180-β。

需要指出的是，尽管前述实施例中的托盘仅具有一个基片承载面，然而本发明并不局限于此，在实际应用中托盘也可以包括2个基片承载面，即，托盘的上表面和下表面均可承载基片。

此外，本发明还提供一种半导体处理设备，其包括反应腔室，并且在该反应腔室内设置有本发明提供的上述托盘装置。其中，该托盘装置可以沿竖直方向或者水平方向设置在该反应腔室内，以适应于反应腔室的构造。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种托盘装置，包括用于提供工艺气体的气体输送通道和至少一个用于承载基片的托盘，对应于所述托盘的基片承载面而在所述气体输送通道上设置气体喷口，并且所述托盘的基片承载面包括承载区和非承载区，其特征在于，所述气体喷口均朝向所述承载区并相对于所述承载区所在平面倾斜设置。

2.根据权利要求1所述的托盘装置，其特征在于，每一个所述托盘均为中空的环形结构，在所述气体输送通道上对应于每一个所述托盘均设置有气体喷口，并且每一个所述气体喷口均相对于与之对应的所述托盘的承载区所在平面倾斜设置。

3.根据权利要求2所述的托盘装置，其特征在于，所述气体输送通道沿所述多个托盘的层叠方向贯穿各个托盘的中空部分，并且

对于每一个所述托盘而言，其非承载区均靠近所述托盘的内缘，其承载区均靠近所述托盘的外缘，并且所述承载区与所述非承载区之间的夹角为钝角。

4.根据权利要求3所述的托盘装置，其特征在于，所述气体喷口的中心线与所述非承载区相平行。

5.根据权利要求2所述的托盘装置，其特征在于，所述气体输送通道设置在所述多个托盘的外围，并且

对于每一个所述托盘而言，其承载区靠近所述托盘的内缘，其非承载区靠近所述托盘的外缘，并且所述承载区与所述非承载区之间的夹角为钝角。

6.根据权利要求5所述的托盘装置，其特征在于，所述气体喷口的中心线与所述非承载区相平行。

7.根据权利要求2所述的托盘装置，其特征在于，所述气体输送通道沿所述多个托盘的层叠方向贯穿各个托盘的中空部分，并且

对于每一个所述托盘而言，其承载区靠近所述托盘的内缘，其非承载区靠近所述托盘的外缘，所述承载区和所述非承载区处于同一个平面内，所述气体喷口靠近所述承载区并朝向所述承载区而设置。

8.根据权利要求7所述的托盘装置，其特征在于，所述气体输送通道设置在所述多个托盘的外围且沿所述多个托盘的层叠方向延伸覆盖各托盘，并且

对于每一个所述托盘而言，其承载区靠近所述托盘的外缘，其非承载区靠近所述托盘的内缘，所述承载区和所述非承载区处于同一个平面内，所述气体喷口靠近所述承载区并朝向所述承载区而设置。

9.根据权利要求1所述的托盘装置，其特征在于，还包括第一旋转机构，其单独连接所述气体输送通道或者所述托盘，并带动与之相连的所述气体输送通道或所述托盘旋转。

10.根据权利要求9所述的托盘装置，其特征在于，还包括第二旋转机构，在所述第一旋转机构连接所述气体输送通道和所述托盘二者中的一个时，所述第二旋转机构连接二者中的另一个，以使所述气体输送通道和所述托盘相对旋转。

11.根据权利要求2-10中任意一项所述的托盘装置，其特征在于，所述多个托盘的承载区彼此平行，并且所述多个托盘的非承载区彼此平行。

12.根据权利要求1所述的托盘装置，其特征在于，所述托盘的上表面和下表面均为基片承载面。

13.一种托盘，其上的基片承载面包括承载区和非承载区，其特征在于，所述承载区与非承载区之间的夹角为钝角。

14.根据权利要求13所述的托盘，其特征在于，其为中空的环形结构，并且其上的非承载区靠近所述托盘的内缘，承载区靠近所述托盘的外缘。

15.根据权利要求13所述的托盘，其特征在于，其为中空的环形结构，并且其上的承载区靠近所述托盘的内缘，非承载区靠近所述托盘的外缘。

16.根据权利要求13-15中任意一项所述的托盘，其特征在于，所述托盘的上表面和下表面均为基片承载面。

17.一种半导体处理设备，包括反应腔室，其特征在于，在所述反应腔室内设置有权利要求1-12中任意一项所述的托盘装置。

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