CN104241101A - p型氮化镓为主的三族氮化物半导体薄膜的薄膜溅镀过程 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种p型氮化镓为主的三族氮化物半导体薄膜的薄膜溅镀过程，此技术所使用的靶材，其组成以氮化镓为主，另外还包含两种以上的金属组成，利用改变靶材组成，掺杂铜、镁、锌等金属，可以溅镀出p型氮化镓、氮化铝镓、氮化铟镓等半导体薄膜。靶材组成设计是主要关键，其中金属组成除了要考虑材料性质外，还需考量靶材致密化能力与金属合金化的能力，如此才能制作出p型氮化镓为主相的半导体薄膜。此类溅镀过程所得薄膜，可部分取代传统MOCVD制造LED所需以氮化镓为主相的三族氮化物薄膜，也可应用于需要三族氮化物的薄膜电子元件。
Description
技术领域
本发明是关于一种薄膜溅镀过程，特别关于一种p型氮化镓为主的三族氮化物半导体薄膜的薄膜溅镀过程，该半导体薄膜是光电半导体的广泛使用的材料，特别是发光二极管与功率电子元件的应用。
背景技术
蓝光LED是开发白光LED照明节能产业最重要的一项元件。在其发展历程中，非常重要的一项突破是当时任职于日本日亚化公司的中村修二(ShujiNakamura)先生，成功地以可商业量产的热退火技术，将当时以CP2Mg(Bis-cyclopentadienylmagnesium)作为镁掺杂，将经金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)技术制作出有受体钝化(形成镁-氢键结)的氮化镓活化，成功开发出有量产竞争力的强效p型氮化镓。因此，中村修二博士被尊称为“白光LED之父”，着眼于现在白光LED的重要性，表明了一项关键技术成功开发的影响力。
目前LED产业皆以50mm(2吋)或100mm(4吋)的蓝宝石基板为基础，进行商品化量产的工具，2013年起，此种蓝宝石基板的LED其售价已经快降至多数人可以采买的条件，因此当白光LED照明逐步扩大市占率，三族氮化物材料也益发重要。于此时，也有一研究领域强调，若能利用大直径的硅基板氮化镓(GaN-on-Si)技术，来成长LED元件，便有可能充分发挥现有硅晶生态系统的完备技术与规模经济效益，达到降低整体LED成本的目标，预估成本可减少75％。虽然业界对于硅基板氮化镓LED是否能达到与蓝宝石LED相同的效能或有疑虑，但Bridgelux半导体公司研究证明，硅基板氮化镓LED确实能达到相似效能，该公司利用独家缓冲层技术，成功在8吋硅晶圆生成无裂痕氮化镓层与无弯曲的硅基板，并且不会在室温下弯曲变形，而且非常适用于高功率和具成本效益的固态照明应用。LED照明技术与解决方案的研发与制造领导厂商Bridgelux公司，以及全球领导半导体制造商Toshiba公司，于2012年05月29日共同宣布成功开发出业界最高水准的8吋硅基板氮化镓LED晶片。欧司朗光电半导体的研究人员于2012年01月宣布成功研制出高性能的蓝白光LED原型，其在直径150毫米的硅晶圆上形成氮化镓发光层。
氮化镓也可作为制作高功率的电晶体与二极管元件的材料，但高电流操作下易产生高热进而破坏元件的效能，理想上可使用氮化镓基板，但单晶氮化镓无法制得，因此使用Si基板来制造高功率的电子元件将会是一个很好的选择。
目前人们对于氮化镓材料的成长主要依赖于MOCVD和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，简称MBE技术)。目前氮化铟镓/氮化镓所构成的多重量子井，辅以镁-氮化铝镓的电子阻障层，是主要蓝光LED主要结构。目前人们对于氮化镓、氮化铟镓、氮化铝镓的成长主要依赖于MOCVD和MBE技术，其中，产业大规模量产都采用MOCVD技术，过程中需要大量的三甲基铟(TMIn)、三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)气体，作为薄膜铟、镓、铝成分的来源，还需要氢气与大量的氨气(NH3)与氮气(N2)作为填充气体，氮化镓与氮化铝镓磊晶成长温度为>900℃，氮化铟镓磊晶成长温度为700-800℃。在制作厚约2微米的未掺杂氮化镓中间层于氮化铝缓冲层上时，MOCVD与MBE的低成长速率，也不符经济效益。高温反应成长厚氮化镓中间层时，超过1微米膜厚的氮化镓沉积于单晶硅上因为热膨胀系数的差异而极易产生破裂，解决氮化镓上硅于此方面的问题，主要是硅基板与氮化镓厚膜之间有缓冲层，再于其上制作1微米的氮化镓磊晶层与其上的元件。目前硅基板上选用的缓冲层以氮化铝为主，也有采用氮化硅、碳化硅、砷化镓、氧化锌、砷化铝、氮化铪、硅/氮化铝成核层/氮化铝镓缓冲层、硅/氮化铝/梯度型氮化铝镓、硅/氮化铝/氮化铝镓/氮化镓/氮化铝/氮化铝镓等多层氮化物组合。
目前氮化铟镓/氮化镓所构成的多重量子井，辅以镁-氮化铝镓的电子阻障层，是主要蓝光LED主要结构。目前人们对于氮化镓、氮化铟镓、氮化铝镓的成长主要依赖于MOCVD和MBE技术，其中，产业大规模量产都采用MOCVD技术，过程中需要大量的三甲基铟(TMIn)、三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)气体，作为薄膜铟、镓、铝成分的来源，还需要氢气与大量的氨气(NH3)与氮气(N2)作为填充气体，氮化镓与氮化铝镓磊晶成长温度为>900℃，氮化铟镓磊晶成长温度为700-800℃。
目前世界上有少数报导采用物理溅镀制造氮化镓、氮化铟镓、氮化铝镓等材料。氮化镓薄膜现在已经可以利用射频或直流电浆溅镀法制备，但由于镓的熔点低于30℃，所以大部分的金属镓靶皆是以液态型态溅镀。Shinoda等人利用反应式溅镀法与纯金属镓、铟-85％镓及15％铝-85％镓靶于氩气与氮气混合气氛下，溅镀温度为600～850℃溅镀出氮化镓、氮化铟镓与氮化铝镓薄膜。Guo等将砷化镓晶片嵌入在铟靶上，再利用反应式溅镀法制备出氮化铟镓薄膜，当溅镀温度达到550℃时，薄膜内的砷元素会完全消失，进而得到纯的氮化铟镓薄膜。但目前为止，并无以物理溅镀技术制造p型氮化镓及其相关薄膜。主要因素是溅镀靶材制作所遭遇问题：(a)金属镓为靶材时，其熔点29℃，为粘滞的固体，(b)氮化镓为靶材时，其熔点>2500℃，靶材制作困难。
发明内容
本发明提出一种p型氮化镓为主的三族氮化物半导体薄膜的薄膜溅镀过程，此技术所使用的靶材，其组成以氮化镓为主，另外还包含两种以上的金属组成，利用改变靶材组成，掺杂铜、镁、锌等金属，可以溅镀出p型氮化镓、氮化铝镓、氮化铟镓等半导体薄膜。此类薄膜可部分取代传统MOCVD制造LED所需以氮化镓为主相的三族氮化物薄膜，大可不必保养成本甚高的MOCVD过程。另有降低蓝光LED成本十分重要的GaN-on-Si的过程，部分较厚中间层都能用真空溅镀过程来局部取代，就不需采用长时间的MOCVD沉积较厚氮化镓为主的薄膜或也不需要采用Hydride CVD来快速成长极厚的氮化镓为主的薄膜的多晶层。
本发明的一种薄膜溅镀过程，包括：提供一靶材，其中靶材包括氮化镓及两种以上的金属；以及改变靶材的组成，其中通过掺杂铜、镁、锌金属，以溅镀出p型氮化镓、氮化铝镓、氮化铟镓等薄膜，薄膜适用于发光二极管元件中的缓冲层、中间层、发光层或是以氮化镓为主的薄膜电子元件。
在本发明的一实施例中，上述的靶材包括氮化镓、镓、除镓以外的IIIB金属及IIIB族金属以外的掺杂金属，除镓以外的IIIB金属包括铝或铟，且IIIB金属以外的掺杂金属包括铜、镁或锌。
在本发明的一实施例中，上述的除镓以外的IIIB金属，其摩尔含量小于50％，以调整薄膜性质。
在本发明的一实施例中，上述的靶材与该薄膜的制作方法是包括下列步骤：(1)将氮化镓、镓、IIIB金属(除镓以外的IIIB金属:铝、铟)、掺杂金属(IIIB族金属以外的掺杂金属:镁、锌、铜)粉体依比例混合均匀后，装填入模具内经油压成型，所得压碇以气氛液相烧结或于气氛热压条件下进行致密化，经持温30-120分钟后，降温得到物理溅镀薄膜所需靶材；以及(2)所得靶材进行薄膜溅镀，是于物理溅镀真空腔体进行薄膜溅镀，操作功率不低于100瓦特，基板温度高于室温，沉积时间30～120分钟，在该物理溅镀真空腔体内填充的气体为氩气与氮气。
在本发明的一实施例中，上述的步骤(1)的致密化过程，是于300～600℃下进行，并持温30～120分钟，升降温速度快于5℃/分钟，气氛条件是真空或通入惰性气体。
在本发明的一实施例中，上述的在靶材中氮化镓的摩尔含量高于50％。
在本发明的一实施例中，上述的靶材包括以下两种型态的金属：(1)金属镓：其摩尔含量小于30％；(2)IIIB族金属以外的掺杂金属：其摩尔含量小于20％。
本研究将采用部分金属与部分陶瓷的方法来制作以氮化镓为主相的三族氮化物薄膜所需的靶材，靶材可以【氮化镓/镓/除镓以外的IIIB金属/IIIB族金属以外的掺杂金属】表示，除镓以外的IIIB金属代表镓以外的不同IIIB金属，如铝、铟；IIIB族金属以外的掺杂金属代表IIIB金属以外的掺杂金属，如铜、镁、锌。此靶材主要固定组成是氮化镓陶瓷粉体，占莫尔百分比50％以上；第二重要固定组成是金属镓，占莫尔百分比30％以内。对氮化铟镓而言，除镓以外的IIIB金属可以是铟，可占莫尔百分比50％以内；对铝氮化铟镓而言，除镓以外的IIIB金属可以是铝与铟，合占莫尔百分比50％以内。IIIB族金属以外的掺杂金属代表镁、铜、锌等任何可以调整性质的掺杂金属，可占莫尔百分比20％以内。
部分金属除镓以外的IIIB金属或IIIB族金属以外的掺杂金属的功能是作为靶材成型的粘结剂；镓与金属除镓以外的IIIB金属的功能在于帮助IIIB族金属以外的掺杂金属异质掺杂金属溶入三族氮化物组成元素中，唯有异质掺杂金属溶入晶格中，才有机会于溅镀过程形成氮化物时，产生固溶体形式，才有利掺杂金属具有p型掺杂的功能。如果没有镓与金属除镓以外的IIIB金属的帮助，掺杂金属很难于溅镀过程时跨过固溶于氮化物的反应能障，如此p-型三族氮化物就无法达到。
附图说明
图1是靶材热压后的光学照片；
图2A是靶材1所制作(锌，镁)掺杂的铝氮化铟镓薄膜其表面的扫描式电子显微镜微观分析；
图2B是靶材1所制作(锌，镁)掺杂的铝氮化铟镓薄膜其横截面的扫描式电子显微镜微观分析；
图3是靶材2所制作铜掺杂的氮化镓薄膜其X光绕射分析；
图4A是靶材2所制作铜掺杂的氮化镓薄膜其表面的扫描式电子显微镜微观分析；
图4B是靶材2所制作铜掺杂的氮化镓薄膜其横截面的扫描式电子显微镜微观分析；
图5是靶材2所制作铜掺杂的氮化镓薄膜，经历一高温900℃持温1小时的退火处理后，其X光绕射分析；
图6A是靶材2所制作铜掺杂的氮化镓薄膜，经历一高温900℃持温1小时的退火处理后，其表面的扫描式电子显微镜微观分析；
图6B是靶材2所制作铜掺杂的氮化镓薄膜，经历一高温900℃持温1小时的退火处理后，其横截面的扫描式电子显微镜微观分析；
图7是靶材4所制作镁掺杂的氮化铟镓薄膜其X光绕射分析；
图8A是靶材4所制作镁掺杂的氮化铟镓薄膜其表面的扫描式电子显微镜微观分析；
图8B是靶材4所制作镁掺杂的氮化铟镓薄膜其横截面的扫描式电子显微镜微观分析；
图9是靶材5所制作镁掺杂的氮化镓薄膜其X光绕射分析；
图10A是靶材5所制作镁掺杂的氮化镓薄膜其表面的扫描式电子显微镜微观分析；
图10B是靶材5所制作镁掺杂的氮化镓薄膜其横截面的扫描式电子显微镜微观分析。
具体实施方式
加工步骤：将氮化镓粉体与镓、除镓以外的IIIB金属金属(铝、铟)、IIIB族金属以外的掺杂金属金属(镁、锌、铜)依比例混合均匀，形成陶瓷/金属的混合粉体，装填入模具内经油压成型，所得压碇可于300～600℃，以气氛液相烧结或于气氛热压条件下进行致密化，经持温30-120分钟后，降温得到物理溅镀薄膜所需靶材。
以所得两吋靶材进行三族氮化物薄膜溅镀，在工作距离25公分条件下，进行射频溅镀，操作功率不低于100瓦特，基板温度100～400℃，沉积时间30～120分钟，在该物理溅镀真空腔体内填充的气体为氩气与氮气。采用的基板为表面有自然氧化SiO2层的(100)p-Si基板。部分溅镀薄膜完成后，再经历一高温900℃持温1小时的退火处理。溅镀所得三族氮化物薄膜以霍尔电特性量测仪测量半导体型态、导电率、载子浓度与载子迁移率；以X光绕射仪鉴定其结晶性；以电子显微镜进行显微结构观察与其附加能量分散光谱仪进行元素分析。
以下将制作4组不同组成的薄膜溅镀靶材，如表1所列，再以此些靶材制作不同三族氮化物半导体薄膜。在表1中，列出靶材组成配方的摩尔百分比含量。
表1靶材编号与其组成
实例1.靶材1制作(锌，镁)掺杂的铝氮化铟镓溅镀薄膜:此(锌，镁)掺杂的铝氮化铟镓薄膜的溅镀条件是溅镀功率175W、溅镀时间60分钟、溅镀气体包含氩气(流速：5cm3/min)与氮气(流速5：cm3/min)、溅镀温度400℃、采用基板为(100)p-Si基板。图1是靶材热压后的光学照片。图2A是靶材1所制作(锌，镁)掺杂的铝氮化铟镓薄膜其表面的扫描式电子显微镜微观分析，图2B是靶材1所制作(锌，镁)掺杂的铝氮化铟镓薄膜其横截面的扫描式电子显微镜微观分析，扫描如图2A和图2B所示，图2A的薄膜表面较粗糙并有明显纳米晶粒，无孔洞及剥落情形发生；从图2B的横截面的观察发现，薄膜厚度约2微米且与基板之间的附着力相当优良，薄膜呈现柱状晶成长。半导体电性列于下表2，结果显示为p型半导体，其载子浓度为1.57×1017cm-3，载子迁移率为1.09cm2V-1s-1，导电率为0.012S·cm-1。
表2不同靶材所制作掺杂的三族氮化物半导体薄膜其电特性
实例2.靶材2制作铜掺杂的氮化镓溅镀薄膜:此铜掺杂的氮化镓薄膜的溅镀条件是溅镀功率150W、溅镀时间30分钟、溅镀气体包含氩气(流速：5cm3/min)与氮气(流速：5cm3/min)、溅镀温度400℃、采用基板为(100)p-Si基板。图3是靶材2所制作铜掺杂的氮化镓薄膜其X光绕射分析，图3的X光绕射分析显示，铜掺杂的氮化镓单相结晶结构，主要绕射峰为(11-20)，属于wurtzite结构。图4A是靶材2所制作铜掺杂的氮化镓薄膜其表面的扫描式电子显微镜微观分析，图4B是靶材2所制作铜掺杂的氮化镓薄膜其横截面的扫描式电子显微镜微观分析，扫描如图4A和如4B所示，图4A的薄膜表面较粗糙并有明显纳米晶粒，无孔洞及剥落情形发生；从图4B的横截面的观察发现，薄膜厚度约1微米且与基板之间的附着力相当优良，薄膜呈现柱状晶成长。半导体电性列于表2，结果显示为p型半导体，其载子浓度为1.43×1018cm-3，载子迁移率为3.47cm2V-1s-1，导电率为1.25S·cm-1。
此铜掺杂的氮化镓溅镀薄膜，另外经历氮气气氛下的900℃退火处理1小时。图5是靶材2所制作铜掺杂的氮化镓薄膜，经历一高温900℃持温1小时的退火处理后，其X光绕射分析，图5显示退火处理后，其X光绕射分析，主要绕射峰仍然为(11-10)，属于wurtzite结构。图6A是靶材2所制作铜掺杂的氮化镓薄膜，经历一高温900℃持温1小时的退火处理后，其表面的扫描式电子显微镜微观分析，图6B是靶材2所制作铜掺杂的氮化镓薄膜，经历一高温900℃持温1小时的退火处理后，其横截面的扫描式电子显微镜微观分析，如图6A和图6B所示，扫描可发现晶粒长大至20–40nm。重要结果是溅镀于(100)p-Si基板上的薄膜，可以承受高温退火处理，仍然保持薄膜完整性，没有因为基板与薄膜的热膨胀系数差异所产生的热应力，造成薄膜破裂或基板/薄膜间的界面破裂。对此退火厚的薄膜进行半导体电性量测，结果显示仍为p型半导体，其载子浓度为2.51×1018cm-3，载子迁移率为27.4cm2V-1s-1，导电率为10.5S·cm-1。经由900℃退火处理，薄膜的电洞迁移率明显增高并改善。
实例3.靶材3制作铜掺杂的氮化铝镓溅镀薄膜：此铜掺杂的氮化铝镓薄膜的溅镀条件是溅镀功率175W、溅镀时间60分钟、溅镀气体包含氩气(流速：5cm3/min)与氮气(流速：5cm3/min)、溅镀温度400℃、采用基板为(100)p-Si基板。半导体电性列于表2，结果显示为p型半导体，其载子浓度为1.82×1015cm-3，载子迁移率为50.2cm2V-1s-1，导电率为0.002S·cm-1。
实例4.靶材4制作镁掺杂的氮化铟镓溅镀薄膜：此镁掺杂的氮化铟镓薄膜的溅镀条件是溅镀功率175W、溅镀时间60分钟、溅镀气体包含氩气(流速：5cm3/min)与氮气(流速：5cm3/min)、溅镀温度400℃、采用基板为(100)p-Si基板。图7是靶材4所制作镁掺杂的氮化铟镓薄膜其X光绕射分析，图7的X光绕射分析显示，镁掺杂的氮化铟镓单相结晶结构，主要绕射峰为(10-10)，属于wurtzite结构。图8A是靶材4所制作镁掺杂的氮化铟镓薄膜其表面的扫描式电子显微镜微观分析，图8B是靶材4所制作镁掺杂的氮化铟镓薄膜其横截面的扫描式电子显微镜微观分析，如图8A和图8B所示，图8A的扫描式电子显微镜微观分析薄膜表面非常平滑，并无孔洞及剥落情形发生，掺杂镁之后可以发现晶粒比未掺杂的氮化铟镓薄膜还大。图8B的横截面的扫描式电子显微镜微观分析示意图来看，薄膜厚度约2微米且与基板之间的附着力相当优良，薄膜呈现柱状晶成长。半导体电性列于表2，结果显示为p型半导体，其载子浓度为6.17×1017cm-3，载子迁移率为1.51cm2V-1s-1，导电率为0.149S·cm-1。
实例5.靶材5制作镁掺杂的氮化镓溅镀薄膜：此镁掺杂的氮化镓薄膜的溅镀条件是溅镀功率150W、溅镀时间60分钟、溅镀气体包含氩气(流速：5cm3/min)与氮气(流速：5cm3/min)、溅镀温度400℃、采用基板为(100)p-Si基板。图9是靶材5所制作镁掺杂的氮化镓薄膜其X光绕射分析，图9的X光绕射分析显示，镁掺杂的氮化镓单相结晶结构，主要绕射峰为(10-10)，属于wurtzite结构。图10A是靶材5所制作镁掺杂的氮化镓薄膜其表面的扫描式电子显微镜微观分析，图10B是靶材5所制作镁掺杂的氮化镓薄膜其横截面的扫描式电子显微镜微观分析，图10A的扫描式电子显微镜微观分析薄膜表面非常平滑，并无孔洞及剥落情形发生，掺杂镁之后可以发现晶粒比未掺杂的氮化镓薄膜还大。图10B的横截面的扫描式电子显微镜微观分析示意图来看，薄膜厚度约2微米且与基板之间的附着力相当优良，薄膜呈现柱状晶成长。半导体电性列于表2，结果显示为p型半导体，其载子浓度为9.37×1017cm-3，载子迁移率为345cm2V-1s-1，导电率为3.23S·cm-1。可发现此沉积条件所得p-氮化镓有较高的载子迁移率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种p型氮化镓为主的三族氮化物半导体薄膜的薄膜溅镀过程，其特征在于，包括：
提供靶材，其中该靶材包括氮化镓及两种以上的金属；以及
改变该靶材的组成，其中通过掺杂铜、镁、锌金属，以溅镀出p型氮化镓、氮化铝镓、氮化铟镓等薄膜，该薄膜适用于发光二极管元件中的缓冲层、中间层、发光层或是以氮化镓为主的薄膜电子元件。
2.根据权利要求1所述的p型氮化镓为主的三族氮化物半导体薄膜的薄膜溅镀过程，其特征在于，该靶材包括氮化镓、镓、除镓以外的IIIB金属及IIIB族金属以外的掺杂金属，该除镓以外的IIIB金属包括铝或铟，且该IIIB金属以外的掺杂金属包括铜、镁或锌。
3.根据权利要求2所述的p型氮化镓为主的三族氮化物半导体薄膜的薄膜溅镀过程，其特征在于，该除镓以外的IIIB金属，其摩尔含量小于50％，以调整薄膜性质。
4.根据权利要求1所述的p型氮化镓为主的三族氮化物半导体薄膜的薄膜溅镀过程，其特征在于，该靶材与该薄膜的制作方法包括下列步骤：
(1)将氮化镓、镓、除镓以外的IIIB金属、IIIB族金属以外的掺杂金属粉体依比例混合均匀后，装填入模具内经油压成型，所得压碇以气氛液相烧结或于气氛热压条件下进行致密化，经持温30-120分钟后，降温得到物理溅镀薄膜所需靶材；以及
(2)所得靶材进行薄膜溅镀，是于物理溅镀真空腔体进行薄膜溅镀，操作功率不低于100瓦特，基板温度高于室温，沉积时间30～120分钟，在该物理溅镀真空腔体内填充的气体为氩气与氮气。
5.根据权利要求4所述的p型氮化镓为主的三族氮化物半导体薄膜的薄膜溅镀过程，其特征在于，步骤(1)的致密化过程，是于300～600℃下进行，并持温30～120分钟，升降温速度快于5℃/分钟，气氛条件是真空或通入惰性气体。
6.根据权利要求1所述的p型氮化镓为主的三族氮化物半导体薄膜的薄膜溅镀过程，其特征在于，在该靶材中氮化镓的摩尔含量高于50％。
7.根据权利要求1所述的p型氮化镓为主的三族氮化物半导体薄膜的薄膜溅镀过程，其特征在于，该靶材包括以下两种型态的金属：
(1)金属镓：其摩尔含量小于30％；
(2)IIIB族金属以外的掺杂金属：其摩尔含量小于20％。
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| CN102157650A (zh) * | 2011-01-31 | 2011-08-17 | 浙江大学 | 一种垂直结构的GaN基发光二极管的制备方法 |
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