CN112289924A - 磁传感器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种磁传感器的制备方法，包括以下步骤：提供半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成第一绝缘层，在所述第一绝缘层上形成磁阻复合层，采用光刻技术在所述磁阻复合层表面形成沉积槽，并在所述沉积槽内形成薄膜电极；在所述磁阻复合层以及所述薄膜电极的表面形成第二绝缘层，采用光刻技术去除所述工艺磁阻复合层对应的所述第二绝缘层，以使得所述工艺磁阻复合层表面显露；以所述有效磁阻复合层对应的第二绝缘层为硬质掩膜，刻蚀所述工艺磁阻复合层；采用光刻技术去除部分所述硬质掩膜，以使得所述薄膜电极的表面至少部分显露，提高了所述有效磁阻复合层成型精度，进而提高了产品质量，具有较好的效果。

Description

磁传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及磁性电子器件制作工艺技术领域，特别涉及一种磁传感器的制备方法。
背景技术
巨磁阻(Giant Magneto Resistance，GMR)或隧道磁阻(Tunnel MagnetoResistance，TMR)的磁阻传感器可以较好地用来代替传统磁电阻传感器，因为巨磁阻传感器的磁阻率值很大、磁场灵敏度也比较高，可以很大程度上增加传感器的分辨率、灵敏度和精确性，尤其当外部磁场很微弱的情况下，比如伪钞识别器等，会展现出更大的优势。磁电阻传感器可以测量很多物理量，不仅仅是局限于测量磁场，例如电流、线位移、线速度、角位移、角速度和加速度，使用巨磁阻材料制备的各种高性能的磁电阻传感器，在很多领域中都有着广泛的应用，比如机电自动控制、生物检测和航天工业等。
自旋阀结构磁阻传感器为常见的磁阻传感器，磁阻传感器对外界磁场信号的探测完全是通过自旋阀薄膜完成的，自旋阀薄膜性能及其图形精度从根本上影响了磁阻传感器的性能。
现有技术中，成型自旋阀薄膜时，会在自旋阀薄膜的边缘形成粘附物，该粘附物难以清除，影响磁阻传感器的产品性能，降低了产品的质量。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种磁传感器的制备方法，旨在提高器件的成型精度，以提高产品的质量。
为实现上述目的，本发明提出的磁传感器的制备方法，包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成第一绝缘层，在所述第一绝缘层上形成磁阻复合层，其中，所述磁阻复合层包括有效磁阻复合层以及工艺磁阻复合层；
采用光刻技术在所述磁阻复合层表面形成沉积槽，并在所述沉积槽内形成薄膜电极；
在所述磁阻复合层以及所述薄膜电极的表面形成第二绝缘层，采用光刻技术去除所述工艺磁阻复合层对应的所述第二绝缘层，以使得所述工艺磁阻复合层表面显露；
以所述有效磁阻复合层对应的第二绝缘层为硬质掩膜，刻蚀所述工艺磁阻复合层；
采用光刻技术去除部分所述硬质掩膜，以使得所述薄膜电极的表面至少部分显露。
可选地，所述提供半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成第一绝缘层，在所述第一绝缘层上形成磁阻复合层的步骤中：
所述半导体衬底为硅基片；和/或，
所述第一绝缘层的材质为氧化硅；和/或，
在所述半导体衬底表面形成第一绝缘层的工艺为热氧化工艺；和/或，
在所述第一绝缘层上形成磁阻复合层的工艺为磁控溅射工艺。
可选地，所述磁阻复合层的厚度为30～40nm；和/或，
所述磁阻复合层包括依次叠设的底层、反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、非磁性间层、软磁自由层以及保护层，其中，所述底层形成于所述第一绝缘层上；和/或，
所述磁阻复合层为巨磁阻复合层或隧道磁阻复合层中的一种。
可选地，所述采用光刻技术在所述磁阻复合层表面形成沉积槽，并在所述沉积槽内形成薄膜电极的步骤中：
采用的光致抗蚀剂为负性光刻胶；和/或，
在所述磁阻复合层表面形成沉积槽的刻蚀工艺为离子束刻蚀工艺；和/或，
在所述沉积槽内形成薄膜电极的工艺为电子束蒸发工艺。
可选地，所述薄膜电极的材质为铝、铬、钛以及金中的一种或者多种；和/或，
所述薄膜电极的厚度为200～300nm。
可选地，所述在所述磁阻复合层以及所述薄膜电极的表面形成第二绝缘层，采用光刻技术去除所述工艺磁阻复合层对应的所述第二绝缘层，以使得所述工艺磁阻复合层表面显露的步骤中：
采用的光致抗蚀剂为正性光刻胶；和/或，
在所述磁阻复合层以及所述薄膜电极的表面形成第二绝缘层的工艺为化学气相沉积工艺；和/或，
去除所述工艺磁阻复合层对应的所述第二绝缘层的刻蚀工艺为反应离子刻蚀工艺。
可选地，所述第二绝缘层的厚度为200～300nm；和/或，
所述第二绝缘层的材质为氮化硅或者氧化硅。
可选地，所述以所述有效磁阻复合层对应的第二绝缘层为硬质掩膜，刻蚀所述工艺磁阻复合层的步骤中：
刻蚀所述工艺磁阻复合层的刻蚀工艺为离子束刻蚀工艺。
可选地，所述采用光刻技术去除部分所述硬质掩膜，以使得所述薄膜电极的表面至少部分显露的步骤中：
采用的光致抗蚀剂为正性光刻胶；和/或，
去除部分所述硬质掩膜的刻蚀工艺为反应离子刻蚀工艺。
可选地，在所述光刻技术中，采用有机溶剂去除光致抗蚀剂，所述有机溶剂为丙酮或者异丙醇。
本发明的技术方案中，提供半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成第一绝缘层，在所述第一绝缘层上形成磁阻复合层，采用光刻技术在所述磁阻复合层表面形成沉积槽，并在所述沉积槽内形成薄膜电极，在所述磁阻复合层以及所述薄膜电极的表面形成第二绝缘层，采用光刻技术去除所述工艺磁阻复合层对应的所述第二绝缘层，以使得所述工艺磁阻复合层表面显露，以所述有效磁阻复合层对应的第二绝缘层为硬质掩膜，刻蚀所述工艺磁阻复合层，采用光刻技术去除部分所述硬质掩膜，以使得所述薄膜电极的表面至少部分显露，采用所述第二绝缘层为硬质掩膜刻蚀所述工艺磁阻复合层以获得有效磁阻复合层，提高了所述有效磁阻复合层成型精度，进而提高了产品质量，具有较好的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的磁传感器的制备方法的一实施例的流程示意图；
图2为采用图1中磁传感器的制备方法制备的磁传感器的工艺过程图；
图3为采用图1中磁传感器的制备方法制备的磁传感器的有效磁阻复合层的结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
1 半导体衬底 33 沉积槽
2 第一绝缘层 4 薄膜电极
3 磁阻复合层 5 第二绝缘层
31 有效磁阻复合层 6 光刻胶层
32 工艺磁阻复合层
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种磁传感器的制备方法，图1为本发明提供的磁传感器的制备方法的一实施例的流程示意图，图2为采用图1中磁传感器的制备方法制备的磁传感器的工艺过程图，图3为采用图1中磁传感器的制备方法制备的磁传感器的有效磁阻复合层的结构示意图。
请参阅图1至图3，本发明提供磁传感器的制备方法包括以下步骤：
步骤S10、提供半导体衬底1，在所述半导体衬底1表面形成第一绝缘层2，在所述第一绝缘层2上形成磁阻复合层3，其中，所述磁阻复合层3包括有效磁阻复合层31以及工艺磁阻复合层32；
需要说明的是，所述半导体衬底1可以是硅衬底、锗衬底、氮化镓衬底等其中的一种，一实施例中，所述半导体衬底1为硅基片衬底。
对应的所述第一绝缘层2的材质可以是氧化硅、氧化锗等等材质中的一种，一实施例中，所述所述第一绝缘层2的材质为氧化硅。
一实施例中，请参阅图3，所述磁阻复合层3包括依次叠设的底层、反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、非磁性间层、软磁自由层以及保护层，其中，所述底层形成于所述第一绝缘层2上，所述磁阻复合层3为多层膜的一个复合结构，在所述第一绝缘层2上常采用磁控溅射工艺形成，磁控溅射是物理气相沉积的一种，具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点，本领域中有大量使用，此处不作进一步地详细叙述。
一实施例中，所述磁阻复合层3可以为巨磁阻复合层3或隧道磁阻复合层3。
一实施例中，所述磁阻复合层3的厚度为30～40nm。
在所述硅衬底上形成所述氧化硅绝缘层，可以采用热氧化工艺制备，该工艺中，硅与含有氧化物质的气体，例如水汽和氧气，在高温下进行化学反应，而在硅片表面产生一层致密的二氧化硅薄膜，所述热氧化工艺在本领域中有大量使用，此处不作进一步地详细叙述。
另外，需要说明的是，本实施例中所述的有效磁阻复合层31以及工艺磁阻复合层32为一个所述磁阻复合层3平面内对应的不同区域的膜结构，具体为，所述有效磁阻复合层31位于所述磁阻复合层3的中部位置，所述工艺磁阻复合层32位于所述有效磁阻复合层31的两侧，所述有效磁阻复合层31是最终需要保留的膜结构，所述工艺磁阻复合层32是最终需要清除的膜结构，仅作为一个中间过程存在的膜结构。
步骤S20、采用光刻技术在所述磁阻复合层3表面形成沉积槽33，并在所述沉积槽33内形成薄膜电极4；
光刻技术是利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。
光刻技术也是指在光照作用下，借助光致抗蚀剂将掩膜版上的图形转移到基片上的技术，其主要过程为：首先紫外光通过掩膜版照射到附有一层光致抗蚀剂的基片表面，引起曝光区域的光刻胶发生化学反应；再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域的光刻胶(前者称正性光刻胶，后者称负性光刻胶)，使掩膜版上的图形被复制到光刻胶薄膜上；最后利用刻蚀技术将图形转移到基片上。
在采用光刻技术在所述磁阻复合层3表面形成沉积槽33的实施例中采用的光致抗蚀剂为负性光刻胶，负性光刻胶在光照显影时，保留的是未曝光区域的部分，结合光强的影响，所述负性光刻胶显影之后的图形为一个倒立的梯形，该图形与所述磁阻复合层3表面的边缘之间无接触，因此，在所述沉积槽33内形成薄膜电极4时，减少光刻胶在所述磁阻复合层3表面的边缘处固化的风险，提高了成型所述有效磁阻复合层31的成型精度，提高了器件的成型质量。
另外，需要说明的是，在所述光刻技术中，采用有机溶剂去除光致抗蚀剂，所述有机溶剂为丙酮或者异丙醇。
一实施例中，在所述磁阻复合层3表面形成沉积槽33的刻蚀工艺为离子束刻蚀工艺，离子束刻蚀也称为离子铣，是指当定向高能离子向固体靶撞击时，能量从入射离子转移到固体表面原子上，如果固体表面原子间结合能低于入射离子能量时，固体表面原子就会被移开或从表面上被除掉，通常离子束刻蚀所用的离子来自惰性气体。
离子束最小直径约10nm，离子束刻蚀的结构最小可能不会小于10nm。聚焦离子束刻蚀的束斑可达100nm以下，最少的达到10nm，获得最小线宽12nm的加工结果。相比电子与固体相互作用，离子在固体中的散射效应较小，并能以较快的直写速度进行小于50nm的刻蚀，故而聚焦离子束刻蚀是纳米加工的一种理想方法。此外聚焦离子束技术的另一优点是在计算机控制下的无掩膜注入，甚至无显影刻蚀，直接制造各种纳米器件结构，很方便去刻蚀形成所述沉积槽33，离子束刻蚀工艺在本领域中有大量使用，此处不作进一步地详细叙述。
一实施例中，在所述沉积槽33内形成薄膜电极4的工艺为电子束蒸发工艺，电子束蒸发是真空蒸镀的一种方式，它是在钨丝蒸发的基础上发展起来的，电子束是一种高速的电子流，电子束蒸发是目前真空镀膜技术中一种成熟且主要的镀膜方法，电子束蒸发工艺在本领域中有大量使用，此处不作进一步地详细叙述。
一实施例中，所述薄膜电极4的材质为铝、铬、钛以及金中的一种或者多种。
一实施例中，所述薄膜电极4的厚度为200～300nm。
步骤S30、在所述磁阻复合层3以及所述薄膜电极4的表面形成第二绝缘层5，采用光刻技术去除所述工艺磁阻复合层32对应的所述第二绝缘层5，以使得所述工艺磁阻复合层32表面显露；
需要说明的是，采用光刻技术去除所述工艺磁阻复合层32对应的所述第二绝缘层5采用的光致抗蚀剂为正性光刻胶，正性光刻胶在光照显影时，保留的是曝光区域的部分，结合光强的影响，所述正性光刻胶显影之后的图形为一个正立的梯形，在去除所述第二绝缘层5时可以使剩余的所述第二绝缘层5获得很好地边缘质量，提高了硬质掩膜的精度，保证了后续成型器件的成型质量。
一实施例中，在所述磁阻复合层3以及所述薄膜电极4的表面形成第二绝缘层5的工艺为化学气相沉积工艺，化学气相沉积是一种化工技术，该技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。化学气相淀积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制，化学气相沉积工艺在本领域中有大量使用，此处不作进一步地详细叙述。
一实施例中，去除所述工艺磁阻复合层32对应的所述第二绝缘层5的刻蚀工艺为反应离子刻蚀工艺，反应离子腐蚀技术是一种各向异性很强、选择性高的干法腐蚀技术，它是在真空系统中利用分子气体等离子来进行刻蚀的，利用了离子诱导化学反应来实现各向异性刻蚀，即是利用离子能量来使被刻蚀层的表面形成容易刻蚀的损伤层和促进化学反应，同时离子还可清除表面生成物以露出清洁的刻蚀表面的作用，该刻蚀工艺的环境温度较低，在20～35℃，反应温度较低，降低了光刻胶层6硬化的风险，反应离子刻蚀工艺在本领域中有大量使用，此处不作进一步地详细叙述。
一实施例中，所述第二绝缘层5的厚度为200～300nm
一实施例中，所述第二绝缘层5的材质为氮化硅或者氧化硅。
步骤S40、以所述有效磁阻复合层31对应的第二绝缘层5为硬质掩膜，刻蚀所述工艺磁阻复合层32；
需要说明的是，相对所述光刻胶层6而言，所述第二绝缘层5的材质质地较硬，以此作为硬质掩膜，能很好地成型对应掩膜的图案，提高成型精度。
一实施例中，刻蚀所述工艺磁阻复合层32的刻蚀工艺为离子束刻蚀工艺，离子束刻蚀也称为离子铣，是指当定向高能离子向固体靶撞击时，能量从入射离子转移到固体表面原子上，如果固体表面原子间结合能低于入射离子能量时，固体表面原子就会被移开或从表面上被除掉，通常离子束刻蚀所用的离子来自惰性气体。
离子束最小直径约10nm，离子束刻蚀的结构最小可能不会小于10nm。聚焦离子束刻蚀的束斑可达100nm以下，最少的达到10nm，获得最小线宽12nm的加工结果。相比电子与固体相互作用，离子在固体中的散射效应较小，并能以较快的直写速度进行小于50nm的刻蚀，故而聚焦离子束刻蚀是纳米加工的一种理想方法。此外聚焦离子束技术的另一优点是在计算机控制下的无掩膜注入，甚至无显影刻蚀，直接制造各种纳米器件结构，很方便去刻蚀形成所述沉积槽33，离子束刻蚀工艺在本领域中有大量使用，此处不作进一步地详细叙述。
步骤S50、采用光刻技术去除部分所述硬质掩膜，以使得所述薄膜电极4的表面至少部分显露；
需要说明的是，所述采用光刻技术去除部分所述硬质掩膜的光致抗蚀剂为正性光刻胶，正性光刻胶在光照显影时，保留的是曝光区域的部分，结合光强的影响，所述正性光刻胶显影之后的图形为一个正立的梯形，在去除所述硬质掩膜时可以使剩余的所述硬质掩膜获得很好地边缘质量，提高了型器件的成型质量。
一实施例中，去除部分所述硬质掩膜的刻蚀工艺为反应离子刻蚀工艺，反应离子腐蚀技术是一种各向异性很强、选择性高的干法腐蚀技术，它是在真空系统中利用分子气体等离子来进行刻蚀的，利用了离子诱导化学反应来实现各向异性刻蚀，即是利用离子能量来使被刻蚀层的表面形成容易刻蚀的损伤层和促进化学反应，同时离子还可清除表面生成物以露出清洁的刻蚀表面的作用，该刻蚀工艺的环境温度较低，在20～35℃，反应温度较低，降低了光刻胶层6硬化的风险，反应离子刻蚀工艺在本领域中有大量使用，此处不作进一步地详细叙述。
本发明的技术方案中提供半导体衬底1，在所述半导体衬底1表面形成第一绝缘层2，在所述第一绝缘层2上形成磁阻复合层3，采用光刻技术在所述磁阻复合层3表面形成沉积槽33，并在所述沉积槽33内形成薄膜电极4，在所述磁阻复合层3以及所述薄膜电极4的表面形成第二绝缘层5，采用光刻技术去除所述工艺磁阻复合层32对应的所述第二绝缘层5，以使得所述工艺磁阻复合层32表面显露，以所述有效磁阻复合层31对应的第二绝缘层5为硬质掩膜，刻蚀所述工艺磁阻复合层32，采用光刻技术去除部分所述硬质掩膜，以使得所述薄膜电极4的表面至少部分显露，采用所述第二绝缘层5为硬质掩膜刻蚀所述工艺磁阻复合层32以获得有效磁阻复合层31，提高了所述有效磁阻复合层31成型精度，进而提高了产品质量，具有较好的效果。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成第一绝缘层，在所述第一绝缘层上形成磁阻复合层，其中，所述磁阻复合层包括有效磁阻复合层以及工艺磁阻复合层；
采用光刻技术在所述磁阻复合层表面形成沉积槽，并在所述沉积槽内形成薄膜电极；
在所述磁阻复合层以及所述薄膜电极的表面形成第二绝缘层，采用光刻技术去除所述工艺磁阻复合层对应的所述第二绝缘层，以使得所述工艺磁阻复合层表面显露；
以所述有效磁阻复合层对应的第二绝缘层为硬质掩膜，刻蚀所述工艺磁阻复合层；
采用光刻技术去除部分所述硬质掩膜，以使得所述薄膜电极的表面至少部分显露。
2.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述提供半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成第一绝缘层，在所述第一绝缘层上形成磁阻复合层的步骤中：
所述半导体衬底为硅基片；和/或，
所述第一绝缘层的材质为氧化硅；和/或，
在所述半导体衬底表面形成第一绝缘层的工艺为热氧化工艺；和/或，
在所述第一绝缘层上形成磁阻复合层的工艺为磁控溅射工艺。
3.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述磁阻复合层的厚度为30～40nm；和/或，
所述磁阻复合层包括依次叠设的底层、反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、非磁性间层、软磁自由层以及保护层，其中，所述底层形成于所述第一绝缘层上；和/或，
所述磁阻复合层为巨磁阻复合层或隧道磁阻复合层中的一种。
4.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述采用光刻技术在所述磁阻复合层表面形成沉积槽，并在所述沉积槽内形成薄膜电极的步骤中：
采用的光致抗蚀剂为负性光刻胶；和/或，
在所述磁阻复合层表面形成沉积槽的刻蚀工艺为离子束刻蚀工艺；和/或，
在所述沉积槽内形成薄膜电极的工艺为电子束蒸发工艺。
5.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述薄膜电极的材质为铝、铬、钛以及金中的一种或者多种；和/或，
所述薄膜电极的厚度为200～300nm。
6.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述在所述磁阻复合层以及所述薄膜电极的表面形成第二绝缘层，采用光刻技术去除所述工艺磁阻复合层对应的所述第二绝缘层，以使得所述工艺磁阻复合层表面显露的步骤中：
采用的光致抗蚀剂为正性光刻胶；和/或，
在所述磁阻复合层以及所述薄膜电极的表面形成第二绝缘层的工艺为化学气相沉积工艺；和/或，
去除所述工艺磁阻复合层对应的所述第二绝缘层的刻蚀工艺为反应离子刻蚀工艺。
7.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述第二绝缘层的厚度为200～300nm；和/或，
所述第二绝缘层的材质为氮化硅或者氧化硅。
8.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述以所述有效磁阻复合层对应的第二绝缘层为硬质掩膜，刻蚀所述工艺磁阻复合层的步骤中：
刻蚀所述工艺磁阻复合层的刻蚀工艺为离子束刻蚀工艺。
9.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，所述采用光刻技术去除部分所述硬质掩膜，以使得所述薄膜电极的表面至少部分显露的步骤中：
采用的光致抗蚀剂为正性光刻胶；和/或，
去除部分所述硬质掩膜的刻蚀工艺为反应离子刻蚀工艺。
10.如权利要求1所述的磁传感器的制备方法，其特征在于，在所述光刻技术中，采用有机溶剂去除光致抗蚀剂，所述有机溶剂为丙酮或者异丙醇。
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