CN104561927A - 一种热壁金属有机物化学气相沉积设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热壁金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备。该设备包括水冷不锈钢真空腔室、保温层、托盘加热器、天棚加热器、隔热器、内部反应室、衬底托盘和旋转机构、喷气口、以及样品出入口等。本发明区别于常规的MOCVD设备主要在:本设备不仅有托盘加热器,而且还有天棚加热器。这两个加热器由两个温度控制器分开控制,既可以使两个加热器的温度一致,也可以使得两个加热器的温度略有差异。用两个加热器加热,可以使内部反应室的顶部和底部都加热,使内部反应室处于“热壁状态”,完全区别于常规MOCVD是“冷壁状态”。本设备特别适合生长氮化镓(GaN)、氮化铝(AIN)材料,尤其适合氮化镓发光二极管生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种热壁金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备,尤其是生长氮化镓(GaN)、氮化铝(AIN)材料的MOCVD设备。
背景技术
以氮化镓(GaN)为代表的III族氮化物已经成为一种重要的半导体材料。以GaN做成的发光二极管(LED),已经成为“半导体照明”的主要发展方向。
MOCVD是目前生产GaN-LED的唯一方法。从产能、产品质量等综合考虑,水平式MOCVD设备是以后主流方向。
然而,水平式MOCVD设备也有它的缺点,就是反应室“天棚”(国外叫“Ceiling”)也会沉积,而且这些沉积物还会卷皮、脱落、影响外延生产。
本发明就是为解决以上问题的,其核心思想是将反应室的天棚也加热,加热温度等于或略大于衬底托盘的温度,而且还引入顶层气体(氮气),将MO源与天棚之间隔开。顶层气体一般为氮气,这一层气体阻止了MO源向天棚的扩散,再加上天棚的温度比衬底托盘温度高100~200℃,此时天棚上即使有沉积也会由于温度过高而升华掉,天棚上就不会有沉积物了。另外,由于反应室的天棚也加热,而且温度与托盘的温度接近,这样在反应室内部温度梯度比常规(冷壁)MOCVD小,可以减少由于“热浮力”造成对气体的扰动。
发明内容
本发明为一种热壁金属有机物化学气相沉积设备,其核心思想是:将反应室的天棚也加热,加热温度等于或略大于衬底托盘的温度,而且还引入顶层气体(氮气),将M0源与天棚之间隔开。顶层气体一般为氮气,这一层气体阻止了MO源向天棚的扩散,再加上天棚的温度比衬底托盘温度高100~200℃,此时天棚上即使有沉积也会由于温度过高而升华掉,天棚上就不会有沉积物了。
本发明的HVPE设备,其结构包括:水冷不锈钢腔室(1),保温层(2),托盘加热器(3),天棚加热器(4),内部反应室(6),衬底托盘(7),托盘旋转升降机构(8),喷气口(9),等。
水冷不锈钢腔室(1)分为三部分,分别为上盖板(1A)、下底板(1B)、墙板(1C),中间用胶圈(21)密封,合起来是一个整体。水冷不锈钢腔室(1)的作用是将空气与腔室内部隔开,通过压强控制装置保存腔室(1)内部的压强。通过机械装置可以将上盖板(1A)、下底板(1B)、墙板(1C)分开,方便样品取出和装入。
当上盖板(1A)、下第板(1B)、墙板(1C)合起来时,形成一个完整的水冷不锈钢腔室(1)。按照空间划分,这个腔室又分为以下三部分:(a)前端腔室(101)、生长腔室(102)、尾气腔室(103)。
前端腔室(101)没有加热器和保温层,主要作用是安装喷气口(9)。
生长腔室(102)内有托盘加热器(3)、天棚加热器(4)和保温层(2),主要作用是为衬底托盘(7)、天棚以及内部反应室(6)的后端加热并提供合适的温度环境。
尾气腔室(103)内没有加热器和保温层,主要作用是收集尾气并给尾气降温。
水冷不锈钢腔室(1),其结构可以是双层不锈钢结构,在夹层中通水,也可以是单层不锈钢结构,在不锈钢腔室的内侧(或外侧)紧贴一层专用水冷板(22)。
所谓的专用水冷板(22),一般是用紫铜材料制成。在一块紫铜板上焊接紫铜管,在紫铜管内通冷却水,达到降温的目的。为了开盖方便,专用水冷板(22)分为上下两部分,分别为上层水冷板(22A)和下层水冷板(22B),其中上层水冷板(22A)与上盖板(1A)固定,下层水冷板(22B)与下底板(1B)固定。
保温层(2)分为上下两部分,分别为上保温层(2A)和下保温层(2B),其中上保温层(2A)与上盖板(1A)固定,下保温层(2B)与下底板(1B)固定。保温层(2)的作用是将腔室内部的高温区和水冷腔室隔开,防止热量从高温区传向水冷腔室。
保温层(2)的材料,可以是由多层金属片(钨、钼、钽、不锈钢等)做成的光反射屏,也可以是有各种保温材料(石英棉、氧化锆纤维棉、氧化铝纤维棉、碳毡等)做成的保温体,也可以是由这两种材料的组合。
托盘加热器(3)与下底板(1B)固定,主要作用是给衬底托盘(7)加热,使衬底托盘(7)维持在一定的温度。
天棚加热器(4)与上盖板(1A)固定,主要作用是给内部反应室(6)的天棚加热,其中“天棚”包括装卸孔专用盖子(606)以及附近区域,维持天棚的温度。
托盘加热器(3)、天棚加热器(4)分别由两个温度控制器控制,两个加热器的温度可以是一致的,也可以略有差异;
关于托盘加热器(3)和天棚加热器(4)的材料:可以是耐高温的金属材料(钨、钼、钽、镍铬合金等),也可以是石墨材料和碳纤维材料,也可以是一些耐高温的导电陶瓷材料(如硼化钛陶瓷)做成。关于托盘加热器(3)和天棚加热器(4)的加热方式:既可以是电阻加热,也可以是电磁感应加热。
内部反应室(6)为长方形管,它的前端有两块隔板(601),隔开金属源(M0源)、气体源(氨气)、顶层气体(氮气)。它后端有两个圆孔:一个圆孔为托盘镶嵌孔(604),其的直径略大于衬底托盘(7)的直径,一般大2~4毫米即可。例如,如果衬底托盘(7)的直径为150毫米,那么托盘镶嵌孔(604)的直径为154毫米。平时衬底托盘嵌入圆孔(604)内。另一个圆孔为样品装卸孔(605),其直径需要大于托盘直径,一般大于6~20毫米。例如,如果衬底托盘(7)的直径为150毫米,那么样品装卸孔(605)的直径为160毫米即可。平时用装卸孔专用盖子(606)盖上。内部反应室(6)的尾端有若干尾气孔(607),化学反应后尾气从尾气孔(607)中排出。
内部反应室(6)前端有两块隔板(601),分成3个气道,从上到下以此为:顶层气体(氮气)、金属源(MO源)、气体源(氨气)。
内部反应室(6)两端与墙板(1C)固定。它的主要作用是为源材料气体和携带气体提供一个通道,并将所需要所有气体限制在内部反应室(6)的内部,形成一个稳定的平流层气流,不起真空密封作用。
内部反应室(6)两端与墙板(1C)固定。
内部反应室(6)横跨前端腔室(101),生长腔室(102),尾气腔室(103)。它的前端与喷气口(9)对接,源气体和携带气体从喷气口流经内部反应室(6),在衬底托盘(7)上进行外延生长,尾气从它的尾气孔(607)排出内部反应室(6)。然后经尾气腔室(103)冷却后由总抽气口(23)抽出。
内部反应室(6),其材料可以石英、刚玉、石墨或碳纤维、或者耐高温金属(钨、钼、钽、铂、铱、镍铬合金等)。
衬底托盘(7)是生长材料时放置衬底的地方,外形为圆形,直径略小于托盘镶嵌孔(604),一般小2~4毫米即可。平时衬底托盘(7)嵌入托盘圆孔(604)内。衬底托盘(7)的下部与托盘旋转升降机构(8)中的旋转轴(801)相连。在进行材料外延生长时,由托盘旋转升降机构(8)带动衬底托盘(7)旋转,转速在每分钟10~120转之间。在往托盘上装卸衬底或样品时,由托盘旋转升降机构(8)往上顶出内部反应室(6),如图2所示。
衬底托盘(7),其材料可以是石墨、耐高温导热陶瓷(碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等),也可以是耐高温导热金属材料(钨、钼、钽、铂、铱、镍铬合金等)。
托盘旋转升降机构(8)是由旋转轴(801)、电机(802)、磁流体轴承(803)、波纹管(804)及直线滑移机构等组成,其中衬底托盘(7)的下部与旋转轴(801)相连。它的主要作用是:在进行材料外延生长时,该机构带动衬底托盘(7)旋转,转速在每分钟10~120转之间。在往托盘上装卸衬底或样品时,该机构将衬底托盘(7)往上顶出内部反应室(6)。
喷气口(9)外形为长方体,由不锈钢(包括耐热不锈钢、镍铬合金等)加工,一般情况下需要通水冷却。它有3个进气口(901),这些进气口与设备总进气口(24)连接,接源气体;另有密集的喷气孔(902),孔径在1毫米以下,这些喷气孔(902)与内部反应室(6)对接。为了喷气口(9)和内部反应室(6)之间准确对接,在喷气口(9)上另外有对接槽(903)。它的主要作用是将源气体强制分开成为横向均匀的气体,在内部反应室(6)的内部成层流形流动。
附图说明
图1是本发明的MOCVD设备结构图,图中水冷不锈钢腔室的上盖板处于关闭且衬底托盘处于生长状态。
图2是本发明的MOCVD设备结构图,图中水冷不锈钢腔室的盖板已经打开且衬底托盘已经被顶出内部反应室之外。
图3是内部反应室的结构图,有两层隔板。
图4是喷气口的结构图。
图5A、图5B是衬底托盘的立体图。图5A、图5B分别是同一衬底托盘从不同角度观看的效果图。
图6A是托盘加热器的结构示意图,图6B是天棚加热器的结构示意图。这两个加热器都采用电阻加热方式。
具体实施方式
结合图1、图2、图3、图4、图5A、图5B、图6A、图6B,为本发明的一种具体实施方式。该MOCVD设备包括:水冷不锈钢腔室(1),保温层(2),托盘加热器(3),天棚加热器(4),内部反应室(6),衬底托盘(7),托盘旋转升降机构(8),喷气口(9)。
水冷不锈钢腔室(1)分为三部分,分别为上盖板(1A)、下底板(1B)、墙板(1C),中间用胶圈(21)密封,合起来是一个整体(如图1所示)。水冷不锈钢腔室(1)的作用是将空气与腔室内部隔开,通过压强控制装置保存腔室(1)内部的压强。通过机械装置可以将上盖板(1A)、下底板(1B)、墙板(1C)分开(如图2所示),方便样品取出和装入。
当上盖板(1A)、下第板(1B)、墙板(1C)合起来时(如图1所示),形成一个完整的水冷不锈钢腔室(1)。按照空间划分,这个腔室又分为以下三部分:(a)前端腔室(101)、生长腔室(102)、尾气腔室(103)。
前端腔室(101)没有加热器和保温层,主要作用是安装喷气口(9)。
生长腔室(102)内有托盘加热器(3)、天棚加热器(4)和保温层(2),主要作用是给衬底托盘(4)、内部反应室(6)的“天棚”加热。其中“天棚”包括装卸孔专用盖子(606)以及附近区域。在生长氮化镓材料时,衬底托盘(4)的温度大约为1050℃,而天棚的温度为1150~1250℃。
尾气腔室(103)内没有加热器和保温层,主要作用是收集尾气并给尾气降温。
水冷不锈钢腔室(1),其结构可以是双层不锈钢结构,在夹层中通水,也可以是单层不锈钢结构,在不锈钢腔室的内侧(或外侧)紧贴一层专用的水冷板。图1、图2,是在不锈钢腔室的内侧贴一层专用的水冷板的情况。
所谓的专用水冷板,一般是用紫铜材料制成。在一块紫铜板上焊接紫铜管,在紫铜管内通冷却水,达到降温的目的。为了开盖方便,专用水冷板(22)分为上下两部分,分别为上层水冷板(22A)和下层水冷板(22B),其中上层水冷板(22A)与上盖板(1A)固定,下层水冷板(22B)与下底板(1B)固定。当上盖(1A)提起时,上层水冷板(22A)与上盖板(1A)一起移动,如图2所示。
保温层(2)分为上下两部分,分别为上保温层(2A)和下保温层(2B),其中上保温层(2A)与上盖板(1A)固定,下保温层(2B)与下底板(1B)固定。这样当上盖(1A)提起时,上保温层(2A)与上盖(1A)一起移动,如图2所示。保温层(2)的作用是将腔室内部的高温区和水冷腔室隔开,防止热量从高温区传向水冷腔室。
保温层(2)的材料,可以是由多层金属片(钨、钼、钽、不锈钢等)做成的光反射屏,也可以是有各种保温材料(石英棉、氧化锆纤维棉、氧化铝纤维棉、碳毡等)做成的保温体,也可以是由这两种材料的组合。
托盘加热器(3)与下底板(1B)固定,主要作用是给衬底托盘(7)加热,使衬底托盘(7)维持在一定的温度。
天棚加热器(4)与上盖板(1A)固定,主要作用是给内部反应室(6)的“天棚”加热,使天棚维持在一定的温度。其中“天棚”包括装卸孔专用盖子(606)以及附近区域。
托盘加热器(3)、天棚加热器(4)分别由两个温度控制器控制,两个加热器的温度可以是一致的,也可以略有差异;例如,为了抑制内部反应室(6)中气体的热浮力,减少在内部反应室(6)天棚上的生长速率,天棚源加热器(4)的工作温度一般比托盘加热器(3)的工作温度高30℃~200℃。例如,在生长氮化镓材料时,托盘加热器(3)一般工作在~1050℃,而天棚加热器(4)一般工作在1150~1250℃。
关于托盘加热器(3)和天棚加热器(4)的材料:可以是耐高温的金属材料(钨、钼、钽、镍铬合金等),也可以是石墨材料和碳纤维材料,也可以是一些耐高温的导电陶瓷材料(如硼化钛陶瓷)做成。关于托盘加热器(3)和天棚加热器(4)的加热方式:既可以是电阻加热,也可以是电磁感应加热。
图6A是托盘加热器的结构示意图,图6B是天棚加热器的结构示意图。这两个加热器都采用电阻加热方式。电流从两个电极孔引入。如采用直流加热电压一般小于80伏特,而采用工频交流加热有效电压一般小于50伏特。加热电流从几十安培到一千多安培,依工作温度和加热功率而定。
内部反应室(6)为长方形管,如图3所示,它长578毫米,宽200毫米(内壁),高37毫米(内壁)。这是一款适合生长4片2英寸衬底的MOCVD设备的内部反应室。它的前端有两块隔板(601),隔开金属源(MO源)、气体源(氨气)、顶层气体(氮气)。它的后端有两个圆孔:一个圆孔为托盘镶嵌孔(604),其直径略大于衬底托盘(7)的直径。由于加工精度限制以及热胀冷缩等原因,托盘镶嵌孔(604)的直径不可能与衬底托盘(7)一致,托盘镶嵌孔(604)的直径总比衬底托盘(7)的直径略大一些,但也不宜过大,否则内部反应室(6)中的气体会从这两者之间的缝隙漏出来。一般情况下,托盘镶嵌孔(604)的直径比衬底托盘(7)的直径大2~4毫米即可。例如,如果衬底托盘(7)的直径为150毫米(可以装4片2英寸衬底如图5A、图5B所示),那么托盘镶嵌孔(604)的直径为154毫米。平时衬底托盘嵌入圆孔(604)内。另一个圆孔为样品装卸孔(605),其直径需要大于托盘直径,一般大于6~20毫米。如果衬底托盘(7)的直径为150毫米(可以装4片2英寸衬底,如图5A、图5B所示),那么样品装卸孔(605)的直径为160毫米即可。平时,样品装卸孔(605)用装卸孔专用盖子(606)盖上。在进行装片/取片时,需要先取下装卸孔专用盖子(606),衬底托盘(7)由托盘旋转升降机构(8)顶出内部反应室(6),如图2所示。内部反应室(6)的尾端有若干尾气孔(607),化学反应后尾气从尾气孔(607)中排出。在图3中,有10个直径为20毫米的圆孔,尾气从这些圆孔排出。
内部反应室(6)两端与墙板(1C)固定。它的主要作用是为源材料气体和携带气体提供一个通道,并将所需要所有气体限制在内部反应室(6)的内部,形成一个稳定的平流层气流,不承担真空密封作用。需要指出的是:在本设备中,内部反应室(6)内外的压强是相等的,因此即使在内部反应室(6)上面有少许缝隙(如衬底托盘和托盘镶嵌孔之间就有缝隙),也不会有大量的气体从内部反应室(6)内部泄漏出来。
内部反应室(6)横跨前端腔室(101),生长腔室(102),尾气腔室(103)。其前端与喷气口(9)对接,源气体和携带气体从喷气口流经内部反应室(6),在衬底托盘(7)上进行外延生长,尾气从它的10个尾气孔(607)排出内部反应室(6),然后经尾气腔室(103)冷却后,由总抽气口(23)抽出。
内部反应室(6),其材料可以石英、刚玉、石墨或碳纤维、或者耐高温金属(钨、钼、钽、铂、铱、镍铬合金等),依生长温度和化学环境而定。一般情况下,如果生长氮化镓材料,生长温度在1050℃附近,采用石英做内部反应室(6)更好些。
衬底托盘(7)是生长材料时放置衬底的地方,外形为圆形,图5A、图5B是一个直径150毫米的衬底托盘(7),适合生长4片2英寸衬底。平时衬底托盘(7)嵌入圆孔(604)内。衬底托盘(7)的下部与托盘旋转升降机构(8)中的旋转轴(801)相连。在进行材料外延生长时,由托盘旋转升降机构(8)带动衬底托盘(7)旋转,转速在每分钟10~120转之间。在往托盘上装卸衬底或样品时,由托盘旋转升降机构(8)往上顶出内部反应室(6),如图2所示。
衬底托盘(7),其材料可以是石墨、耐高温导热陶瓷(碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等),也可以是耐高温导热金属材料(钨、钼、钽、铂、铱、镍铬合金等)。
托盘旋转升降机构(8)是由旋转轴(801)、电机(802)、磁流体轴承(803)、波纹管(804)及直线滑移机构(含电机、直线轴承等,这些都是成熟技术,在图1和图2中未画出)等组成,其中衬底托盘(7)的下部与旋转轴(801)相连。它的主要作用是:在进行材料外延生长时,该机构带动衬底托盘(7)旋转,转速在每分钟10~120转之间。在往托盘上装卸衬底或样品时,该机构将衬底托盘(7)往上顶出内部反应室(6),如图2所示。
喷气口(9)外形为长方体,如图4所示,由不锈钢(包括耐热不锈钢、镍铬合金等)加工,一般情况下需要通水冷却。它有3个进气口(901),分别通金属源(MO源)、气体源(氨气)、顶层气体(氮气),这些进气口与设备总进气口(24)相连,接源气体;另有密集的喷气孔(902),孔径在1毫米以下,这些喷气孔(902)与内部反应室(6)对接。为了喷气口(9)和内部反应室(6)之间准确对接,在喷气口(9)上另外有对接槽(903)。它的主要作用是将源气体强制分开成为横向均匀的气体,在内部反应室(6)的内部成层流形流动。喷气口(9)一般需要通水冷却,但图4没有将冷却水管画出来。
Claims (7)
1.一种热壁金属有机物化学气相沉积设备,其特征在于:其结构包括水冷不锈钢腔室(1),保温层(2),托盘加热器(3),天棚加热器(4),内部反应室(6),衬底托盘(7),托盘旋转升降机构(8),喷气口(9);
水冷不锈钢腔室(1)分为三部分,分别为上盖板(1A)、下底板(1B)、墙板(1C),中间用胶圈(21)密封,合起来是一个整体;
当上盖板(1A)、下底板(1B)、墙板(1C)合起来时,形成一个完整的水冷不锈钢腔室(1);按照空间划分,这个腔室又分为以下三部分:(a)前端腔室(101)、生长腔室(102)、尾气腔室(103);
前端腔室(101)没有加热器和保温层;
生长腔室(102)内有托盘加热器(3)、天棚加热器(4)和保温层(2);
尾气腔室(103)内没有加热器和保温层;
保温层(2)分为上下两部分,分别为上保温层(2A)和下保温层(2B),其中上保温层(2A)与上盖板(1A)固定,下保温层(2B)与下底板(1B)固定;
托盘加热器(3)与下底板(1B)固定,主要作用是给衬底托盘(7)加热;
天棚加热器(4)与上盖板(1A)固定,主要作用是给内部反应室(6)的天棚加热,其中“天棚”包括装卸孔专用盖子(606)以及附近区域;
托盘加热器(3)、天棚加热器(4)分别由两个温度控制器控制,两个加热器的温度可以是一致的,也可以略有差异;
内部反应室(6)为长方形管,它的前端有两块隔板(601),隔开金属源(MO源)、气体源(氨气)、顶层气体(氮气);它后端有两个圆孔:一个圆孔为托盘镶嵌孔(604),其的直径略大于衬底托盘(7)的直径;平时衬底托盘嵌入圆孔(604)内;另一个圆孔为样品装卸孔(605),平时用装卸孔专用盖子(606) 盖上;内部反应室(6)的尾端有若干尾气孔(607),化学反应后尾气从尾气孔(607)中排出;
内部反应室(6)前端有两块隔板(601),分成3个气道,从上到下以此为:顶层气体(氮气)、金属源(MO源)、气体源(氨气);
内部反应室(6)两端与墙板(1C)固定;
内部反应室(6)横跨前端腔室(101),生长腔室(102),尾气腔室(103);它的前端与喷气口(9)对接,源气体和携带气体从喷气口流经内部反应室(6),在衬底托盘(7)上进行外延生长,尾气从它的尾气孔(607)排出内部反应室(6);衬底托盘(7)是生长材料时放置衬底的地方,外形为圆形,其直径略小于托盘镶嵌孔(604)的直径;平时衬底托盘(7)嵌入托盘圆孔(604)内;衬底托盘(7)的下部与托盘旋转升降机构(8)中的旋转轴(801)相连;在进行材料外延生长时,由托盘旋转升降机构(8)带动衬底托盘(7)旋转,转速在每分钟10~120转之间;在往托盘上装卸衬底或样品时,由托盘旋转升降机构(8)往上顶出内部反应室(6);
托盘旋转升降机构(8)是由旋转轴(801)、电机(802)、磁流体轴承(803)、波纹管(804)及直线滑移机构等组成,其中衬底托盘(7)的下部与旋转轴(801)相连;
喷气口(9)外形为长方体;它有3个进气口(901),这些进气口分别接顶层气体(氮气)、金属源(MO源)、气体源(氨气);另有密集的喷气孔(902),孔径在1毫米以下,这些喷气孔(902)与内部反应室(6)对接。
2.如权利要求1所述的一种热壁金属有机物化学气相沉积设备,其特征在于:水冷不锈钢腔室(1),可以是双层不锈钢结构,在夹层中通水;也可以是单层不锈钢结构,在不锈钢腔室的内侧(或外侧)紧贴一层专用的水冷板。
3.如权利要求1所述的一种热壁金属有机物化学气相沉积设备,其特征在于:保温层(2)由多层金属片做成的光反射屏,或者由保温材料做成的保温体。
4.如权利要求1所述的一种热壁金属有机物化学气相沉积设备,其特征在于:托盘加热器(3)和天棚加热器(4),由耐高温的金属、石墨、碳纤维,或耐高温的导电陶瓷做成;而且加热方式既可以是电阻加热,也可以是电磁感应加热。
5.如权利要求1所述的一种热壁金属有机物化学气相沉积设备,其特征在于:内部反应室(6)由石英、刚玉、石墨或碳纤维、或者耐高温金属做成。
6.如权利要求1所述的一种热壁金属有机物化学气相沉积设备,其特征在于:衬底托盘(7)由石墨、耐高温导热陶瓷,或者耐高温导热金属做成。
7.如权利要求1所述的一种热壁金属有机物化学气相沉积设备,其特征在于:喷气口(9)一般由不锈钢做成,使用时需要通水冷却。
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CN (1) | CN104561927A (zh) |
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