CN112563295A - 用于电荷耗散的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明题为“用于电荷耗散的系统和方法”。本发明公开了一种通过包括图像传感器的嵌入式金属连接进行电荷耗散的系统和方法。具体实施方式包括半导体基板、耦接在半导体基板上方的抗反射涂覆(ARC)层、包括在ARC层内的电荷耗散结构和耦接在ARC层上方的钝化层。
Description
相关专利申请的交叉引用
本申请要求授予Min Jang的名称为“用于电荷耗散的系统和方法(SYSTEMS ANDMETHODS FOR ELECTRICAL CHARGE DISSIPATION)”的美国临时专利申请62/906,267的提交日期的权益,该申请提交于2019年9月26日,该申请的公开内容据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
本文件的各方面整体涉及半导体传感器。更具体的实施方式涉及图像传感器。
背景技术
半导体传感器用于各种电子设备,诸如车辆、智能电话、平板计算机和其他设备。图像传感器是一种类型的半导体传感器。图像传感器将照射像素的光转换为电信号。电信号可以使用数字信号处理器进行处理以形成电子图像。
发明内容
图像传感器的实施方式可包括:半导体基板;耦接在半导体基板上方的抗反射涂覆(ARC)层;包括在ARC层内的电荷耗散结构;和耦接在ARC层上方的钝化层。
图像传感器的实施方式可以包括以下各项中的一者、全部或任何一者:
滤色器阵列可耦接在钝化层上方。
多个透镜可耦接在滤色器阵列上方。
二氧化铪层可耦接在ARC层上方。
背侧深沟槽隔离结构或正侧深沟槽隔离结构中的一者可包括在半导体基板内。
电荷耗散结构可包括导电金属。
导电金属可被配置为收集静电荷并将静电荷引导到地。
电荷耗散结构可包括栅格。
电荷耗散结构可包括多个基本上平行的条。
在各种实施方式中,电荷耗散结构的至少一部分可以接触接地式焊盘。
形成图像传感器的方法的实施方式可包括:提供半导体基板;在半导体基板上方形成抗反射涂覆(ARC)层;以及图案化ARC层以在其中形成多个沟槽。该方法还可包括:将电荷耗散层形成到多个沟槽中;将像素阵列区域蚀刻到电荷耗散层中;以及在ARC层上方形成钝化层。
形成图像传感器的方法的实施方式可包括以下各项中的一者、全部或任一者:
该方法可包括在钝化层上方形成滤色器阵列。
该方法可包括在滤色器阵列上方形成多个透镜。
该方法还可包括在ARC层上方形成二氧化铪层,以及在将像素阵列区域蚀刻到电荷耗散层中期间,使用二氧化铪层作为蚀刻阻挡件。
该方法可包括在半导体基板中蚀刻多个沟槽,以及用多晶硅或导电材料中的一者填充多个沟槽中的每个沟槽以形成背侧深沟槽隔离结构或正侧深沟槽隔离结构中的一者。
ARC层可包括耦接在第一层上方的至少第二层,并且该方法还可包括使多个沟槽中的一个或多个沟槽完全延伸穿过ARC层的第一层。
形成图像传感器的方法的实施方式可包括:提供半导体基板;在半导体基板上方形成抗反射涂覆(ARC)层;以及在ARC层上方形成蚀刻阻挡层。该方法还可包括:图案化ARC层以在其中形成多个沟槽;将电荷耗散层形成到多个沟槽中;将像素阵列区域蚀刻到电荷耗散层中;以及在ARC层上方形成钝化层。
形成图像传感器的方法的实施方式可包括以下各项中的一者、全部或任一者:
该方法可包括在钝化层上方形成滤色器阵列,以及在滤色器阵列上方形成多个透镜。
该方法可包括在半导体基板中蚀刻多个沟槽,以及用多晶硅或导电材料中的一者填充多个沟槽中的每个沟槽以形成背侧深沟槽隔离结构或正侧深沟槽隔离结构中的一者。
ARC层可包括耦接在第一层上方的至少第二层,并且该方法还可包括使多个沟槽中的一个或多个沟槽完全延伸穿过ARC层的第一层。
对于本领域的普通技术人员而言,通过说明书和附图并且通过权利要求书,上述以及其他方面、特征和优点将会显而易见。
附图说明
将在下文中结合附图来描述实施方式,在附图中类似标号表示类似元件,并且:
图1是包括抗反射涂覆(ARC)层的图像传感器的剖视图;
图2是在已将ARC层图案化之后的图1的图像传感器的剖视图;
图3是在已形成金属层之后的图2的图像传感器的剖视图;
图4是在已形成电荷耗散结构(层)之后的图3的图像传感器的剖视图;
图5是包括滤色器阵列的图4的图像传感器的剖视图;
图6是包括多个透镜的图5的图像传感器的剖视图;
图7是包括两个半导体管芯的图像传感器的剖视图;
图8是包括二氧化铪层的图像传感器的实施方式的剖视图;
图9是在已将ARC层图案化之后的图8的图像传感器的剖视图;
图10是在已形成金属层之后的图9的图像传感器的剖视图;
图11是在已形成电荷耗散结构(层)之后的图10的图像传感器的剖视图;
图12是包括深沟槽隔离结构的图11的图像传感器的剖视图;并且
图13是包括多个透镜的图12的图像传感器的剖视图。
具体实施方式
本公开、其各方面以及实施方式并不限于本文所公开的具体部件、组装工序或方法要素。符合本文公开的预期图像传感器系统的本领域已知的许多附加部件、组装工序和/或方法元素将显而易见地能与本公开的特定实施方式一起使用。因此,例如,尽管本发明公开了特定实施方式,但是此类实施方式和实施部件可包括符合预期操作和方法的本领域已知的用于此类图像传感器系统以及实施部件和方法的任何形状、尺寸、样式、类型、型号、版本、量度、浓度、材料、数量、方法元素、步骤等。
本文公开的图像传感器和图像传感器封装件的电荷耗散结构的实施方式可以应用于背照式(BSI)图像传感器或前照式(FSI)图像传感器。特定实施方式可包括互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器、电荷耦合器件(CCD)图像传感器或其他图像传感器类型。在各种实施方式中,本文公开的传感器封装件可以是芯片级封装件。虽然本公开主要涉及图像传感器和图像传感器封装件,但是应当理解,本文公开的各种原理也可以类似地应用于非图像传感器半导体封装件,以便防止通过静电放电(ESD)或静电充电引起的损坏/噪声。
参见图1,示出了包括抗反射涂覆(ARC)层的图像传感器的剖视图。如图所示,抗反射涂覆(ARC)层4形成或耦接在半导体基板2上方。虽然本文档提及半导体基板,但任何实施方式中的半导体基板(层)可以是任何类型的半导体基板,包括但不限于硅层、外延硅层、绝缘体上硅、它们的任何组合、或任何其他含硅层材料。此外,还应当理解,在其他实施方式中,可以使用除含硅层之外的另选的基板或层,通过非限制性示例,诸如砷化镓、碳化硅、蓝宝石、氮化铝,或者代替硅层,含金属层可用作半导体基板。
仍然参见图1,ARC层4可包括多个层,如图所示。在各种实施方式中,层数可以变化;ARC层4可包括第一层6、第二层8和第三层10,但层数可变化至任何层数。在各种实施方式中,第一层6可包括氧化钽(TaO)。在各种实施方式中,第二层8可包括二氧化铪(HfO2)。在此类实施方式中,二氧化铪可被配置为充当蚀刻阻挡件。在各种实施方式中,第三层10可包括氧化铝(Al2O3)。在其他各种实施方式中,作为非限制性示例,这些层可包括其他材料,诸如二氧化硅(SiO2)和氮化硅(SiN)。
参见图2,示出了在已将ARC层图案化之后的图1的图像传感器的剖视图。如图所示,ARC层4耦接在半导体基板2上方。在已将ARC层4图案化之后,在ARC层4内形成多个沟槽12。如图所示,并且在其中ARC层4包括三个层的实施方式中,ARC层4向下图案化或蚀刻到第二层8。如先前所公开的,第二层8可包括二氧化铪,该二氧化铪可被配置为充当蚀刻阻挡件,然后该蚀刻阻挡件防止ARC层4的蚀刻继续穿过第二层8。在各种实施方式中,在将像素阵列区域蚀刻到电荷耗散层中期间,可使用二氧化铪层作为蚀刻阻挡件。
参见图3,示出了在已形成金属层之后的图2的图像传感器的剖视图。如图所示,在ARC层4上方形成金属层14,并且将该金属层形成到多个沟槽12中。在各种实施方式中,金属层14可以通过溅射、化学气相沉积、物理气相沉积和化学气相沉积的组合、旋涂、喷墨印刷、丝网印刷或在ARC层4材料上方的材料上形成层的任何其他工艺来沉积。
参见图4,示出了在已形成电荷耗散结构(栅格/层)之后的图3的图像传感器的剖视图。如图所示,在像素阵列的区域上方蚀刻金属层14以形成电荷耗散结构/层/栅格16。在本文公开的各种实施方式中,电荷耗散结构16包括在ARC层4内。在另一个实施方式中,电荷耗散结构16可嵌入ARC层4内。因此,将电荷耗散结构16形成到多个沟槽中。在各种实施方式中,通过蚀刻金属层来形成像素阵列区域。电荷耗散结构16可包括导电金属或其他导电材料。在此类实施方式中,导电金属/材料收集静电荷,并且在一些实施方式中,将静电荷引导到电接地。在各种实施方式中,电荷耗散结构16的至少一部分可接触电接地式焊盘或被配置为通过接地部分18接触电接地式焊盘。
在其他各种实施方式中,电荷耗散结构16可包括栅格结构。在各种实施方式中,如图4所示,栅格结构或电荷耗散结构16嵌入ARC层4内。电荷耗散结构16也可围绕ARC层4的侧面。在各种实施方式中,栅格结构可被形成为使得结构的线宽度、高度和/或位置最小化,以使对整体图像传感器自身的量子效率(QE)的影响最小化。回蚀金属层14以形成电荷耗散结构16的工艺可在晶圆加工水平上提供改善的图案均匀度,并且可防止在大像素水平上塌缩。在各种实施方式中,通过非限制性示例,栅格结构或电荷耗散结构16可由钨、铝或金属氧化物或氮化物(诸如但不限于TiO、TiN、TaN或其他金属材料)制成。在又其他各种实施方式中,电荷耗散结构16可包括形成电荷耗散结构16的多个基本上平行的条而不是完全或部分栅格。
由于电荷耗散层的材料的光透射率,电荷耗散结构(电荷耗散层或电荷耗散栅格)不减小量子效率(QE),或可仅最小程度地减小图像传感器的QE。在各种实施方式中,通过非限制性示例,电荷耗散结构可包括导电有机材料、碳纳米管材料、Ti、TiO2、TiO、TiN、氧化铟锡(ITO)、TaO、TaOx、任何其他导电材料或它们的任何组合。在包括金属材料的电荷耗散结构的实施方式中,由于在电荷耗散层内的包括有金属材料的层或其他材料的厚度,电荷耗散结构可以是光学透射的。在包括具有导电有机材料的电荷耗散结构的实施方式中,导电有机材料可包括聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)。
在包括导电有机材料的电荷耗散结构的各种实施方式中,导电有机材料可以稀释的形式喷墨印刷或旋涂到晶圆上,并且然后进行干燥以除去溶剂。在包括金属颗粒或金属碳纳米管的实施方式中,导电材料可以悬浮在形成悬浮液的聚合物中,通过非限制性示例,该聚合物诸如丙烯酸、聚酰亚胺、聚乙烯、对苯二甲酸酯或聚酯。在特定实施方式中,在图像传感器和图像传感器封装件的实施方式中,包括导电有机材料或金属碳纳米管的电荷耗散结构可能是有利的,由于与CFA或透镜的相容性以及由于图像传感器后端材料所必需的低温处理,包括在包括在传感器中的滤色器阵列(CFA)上方的电荷耗散结构。电荷耗散结构可以是浮置的,或者可以是电接地的。在具有接地电荷耗散结构的实施方式中,电荷耗散结构可耦接到一个或多个接地焊盘,这些接地焊盘可以包括在图像传感器的外围中。
在本文公开的图像传感器和图像传感器封装件的各种实施方式中,电荷耗散结构可以是实心且连续的层。在其他实施方式中,可以将电荷耗散结构中的任一个电荷耗散结构图案化成栅格、部分栅格或多条线。在此类实施方式中,像素阵列中的每个像素的中心区域可以通过栅格暴露,作为用于最小化由电荷耗散结构的材料导致的QE损耗的机制。在具有栅格的实施方式中,电荷耗散结构可以是光学透射的或者可以不是光学透射的,因为电荷耗散结构的材料不需要对用于计算最佳传感器QE(这取决于传感器设计用于检测的光的一个或多个特定波长)的相同波长是透明的。在具有栅格的实施方式中,栅格宽度可以小至约0.25μm至约1.0μm宽(对于约1μm至约4μm像素)。在其他实施方式中,宽度可以窄于约0.25μm或宽于约1.0μm。
本文公开的图像传感器和图像传感器封装件的各种实施方式可包括电荷耗散结构或能够在其中电荷耗散结构是浮置的或没有接地的实施方式中实现由ESD事件(空气和直接接触放电两者)产生的最多到至少30kV的电荷的电荷耗散和均匀分布的结构。
本文公开的具有电荷耗散结构的图像传感器和图像传感器封装件的各种实施方式已被观察到意外地提高有源阵列像素与光学黑色参考像素之间的观察到的暗信号比率。在此类实施方式中,由于电荷耗散结构改善在制造过程中用于形成像素的蚀刻步骤期间累积的像素材料的任何充电,因此看起来提高该比率。
本文公开的电荷耗散结构的各种实施方式可以具有对QE的最小负面影响,并且在一些实施方式中根本没有影响,这表明了电荷耗散结构不会过度地影响光透射(足够透明或半透明)。此外,本文公开的图像传感器和图像传感器封装件可以具有跨整个图像传感器阵列更均匀的暗阴影轮廓或暗信号。本文公开的电荷耗散结构还可以减少热像素或白色像素的数量,并且大大地降低各种图像传感器的暗信号不均匀性(DSNU)。
参见图5,示出了包括滤色器阵列的图4的图像传感器的剖视图。如图所示,滤色器阵列20耦接在钝化层22上方。在各种实施方式中,钝化层22可包括由聚合物制成的第一平坦化层,或者可以是焊盘覆盖层。钝化/平坦化层22也可接触接地部分18。如图所示,电荷耗散结构16可包括在ARC层4内,但电荷耗散结构16的仅一部分可与钝化层22接触。如图所示,可在第一平坦化层22上方形成第二平坦化/钝化层24。在各种实施方式中,第二平坦化层24可由聚合物制成。在各种实施方式中,第一平坦化层22和第二平坦化层24可由相同材料制成,在各种实施方式中,该材料可以通过非限制性示例是聚合物、聚合物的混合物、树脂、填料、添加剂或它们的任何组合。第一平坦化层22可以是CFA工艺中使用的底部平坦化层(BPL)。第二平坦化层24可以是微透镜(uLens)工艺中使用的顶部平坦化层(TPL)。如图所示,可在滤色器阵列20上方形成第二平坦化层24。此外,如本文公开,图像传感器的其他实施方式可不包括公开的所有层,可包括多于这些层,可包括不同布置的这些层,或它们的任何组合。通过非限制性示例,钝化/平坦化层可以是氧化硅、氮化硅或任何其他钝化层材料类型。
参见图6,示出了包括多个透镜(微透镜)的图5的图像传感器的剖视图。如图所示,多个透镜26可耦接在滤色器阵列20上方。如图所示,图像传感器的包括透镜26和滤色器阵列20的部分可位于图像传感器的包括电荷耗散结构16的部分上方,该电荷耗散结构包括在ARC层4内。如图所示,可在多个透镜26上方形成第二抗反射涂覆(ARC)层28。
参见图7,示出了包括两个半导体管芯的图像传感器的剖视图。如图所示,图像传感器的像素区域32耦接在电荷耗散结构30下方。在各种实施方式中,如图所示,图像传感器可包括第一半导体管芯34和第二半导体管芯36。在各种实施方式中,可以使用熔合、混合或其他粘结技术将半导体管芯粘结在一起。在其他各种实施方式中,图像传感器可包括仅一个半导体管芯。
参见图8,示出了包括二氧化铪层的图像传感器的另一个实施方式的剖视图。如图所示,抗反射涂覆(ARC)层40形成或耦接在半导体基板38上方。虽然本文提及了半导体基板,但应当理解,本文公开的任何实施方式中的半导体基板(层)可以是本文公开的任何类型的半导体基板。
仍然参见图8,ARC层40可包括多个层,如图所示。在各种实施方式中,层数可以变化;ARC层40可包括第一层42、第二层44和第三层46,但层数可变化至任何层数。在各种实施方式中,第一层42可包括氧化钽(TaO)。在各种实施方式中,第二层44可包括二氧化铪(HfO2)。在此类实施方式中,二氧化铪可被配置为充当蚀刻阻挡件。在各种实施方式中,第三层46可包括氧化铝(Al2O3)。如图所示,图像传感器还可包括耦接在ARC层40上方的二氧化铪层(蚀刻阻挡层)48。该二氧化铪层48可被配置为充当蚀刻阻挡件。
参见图9,示出了在已将ARC层40图案化之后的图8的图像传感器的剖视图。如图所示,ARC层40耦接在半导体基板38上方。在已将ARC层40图案化之后,在ARC层40内形成多个沟槽50。如图所示,并且在其中ARC层40包括三个层的实施方式中,ARC层40通过光致抗蚀剂层49(在一些实施方式中,其可为可光限定硬掩膜)和二氧化铪层48向下图案化或蚀刻到第二层44。如先前所公开的,第二层44可包括二氧化铪,该二氧化铪可充当蚀刻阻挡件,然后该蚀刻阻挡件选择性地防止ARC层40的蚀刻穿过第二层44。
参见图10,示出了在已在其上形成金属层之后的图9的图像传感器的剖视图。如图所示,在ARC层40上方形成金属层52,并且将该金属层形成到多个沟槽50中。在各种实施方式中,通过非限制性示例,金属层14可以通过溅射、化学气相沉积、物理气相沉积和化学气相沉积的组合、旋涂、喷墨印刷、丝网印刷或在ARC层40材料上方的材料上形成导电层的任何其他工艺来沉积。
参见图11,示出了在已形成电荷耗散结构(层)之后的图10的图像传感器的剖视图。如图所示,蚀刻金属层52以形成电荷耗散结构/层/栅格54。在特定实施方式中,电荷耗散结构54包括在ARC层40内。电荷耗散结构54包括如本文档所公开的任何导电金属/材料。在此类实施方式中,导电金属/材料可被配置为收集静电荷并将静电荷引导到地。在各种实施方式中,电荷耗散结构54的至少一部分可接触接地式焊盘或被配置为通过接地部分56接触接地式焊盘。在各种实施方式中,电荷耗散结构54可以采用如本文先前公开和描述的任何结构。
参见图12,示出了包括深沟槽隔离结构的图11的图像传感器的剖视图。如图所示,半导体基板38中的多个沟槽50中的每个沟槽填充有多晶硅或导电材料中的一者,以形成背侧深沟槽隔离结构/正侧深沟槽隔离结构58中的一者。如图所示,ARC层40的第二层44耦接在ARC层40的第一层42上方。在各种实施方式中,多个沟槽50中的一个或多个沟槽完全延伸穿过ARC层40的第一层42,从而与深沟槽隔离结构58形成连接。在各种实施方式中,中间图案化工艺可包括在使用第一蚀刻剂蚀刻多个沟槽50之后,并且将金属层形成到沟槽50中之前,使用第二蚀刻剂选择性地蚀刻深沟槽隔离结构58。在各种实施方式中,沟槽的这种选择性蚀刻可使用光刻图案化工艺来执行。
参见图13,示出了包括多个透镜(微透镜)的图12的图像传感器的剖视图。如图所示,多个透镜60可耦接在滤色器阵列64上方。如图所示,图像传感器的包括透镜60和滤色器阵列64的部分可位于图像传感器的包括深沟槽隔离结构58和电荷耗散结构54的部分上方,该电荷耗散结构包括在ARC层40内。如图所示,可在多个透镜60上方形成第二抗反射涂覆(ARC)层62。在该实施方式中,可通过电荷耗散结构54与深沟槽隔离结构58之间的连接将静电荷引导到地,其中结构58连接到地。这样,在此类实施方式中,电荷耗散结构54可以不连接到接地式焊盘,而是可以仅通过深沟槽隔离结构58连接到地。在其他实施方式中,电荷耗散结构54可以是浮置的或未接地的,如本文档中所公开的。
各种方法实施方式可包括在半导体基板中蚀刻多个沟槽,用多晶硅或导电材料中的一者填充多个沟槽中的每个沟槽以形成背侧深沟槽隔离结构或正侧深沟槽隔离结构中的一者。
本文公开的各种图像传感器实施方式可包括耦接在钝化层上方的滤色器阵列。
本文公开的各种图像传感器实施方式可包括耦接在滤色器阵列上方的多个透镜。
本文公开的各种图像传感器实施方式可包括在半导体基板内包括的背侧深沟槽隔离结构或正侧深沟槽隔离结构中的一者。
在各种方法实施方式中,该方法可包括在钝化层上方形成滤色器阵列。
在各种方法实施方式中,该方法可包括在滤色器阵列上方形成多个透镜。
在以上描述中提到图像传感器的特定实施方式以及实施部件、子部件、方法和子方法的地方,应当显而易见的是,可在不脱离其实质的情况下作出多种修改,并且可将这些实施方式、实施部件、子部件、方法和子方法应用于其他图像传感器。
Claims (10)
1.一种图像传感器,包括:
半导体基板;
抗反射涂覆ARC层,所述ARC层耦接在所述半导体基板上方;
电荷耗散结构,所述电荷耗散结构包括在所述ARC层内;和
钝化层,所述钝化层耦接在所述ARC层上方。
2.根据权利要求1所述的图像传感器,还包括耦接在所述ARC层上方的氧化铪层。
3.根据权利要求1所述的图像传感器,其中所述电荷耗散结构包括导电金属,所述导电金属被配置为收集静电荷并将所述静电荷引导到地。
4.根据权利要求1所述的图像传感器,其中所述电荷耗散结构包括栅格或多个基本上平行的条中的一者。
5.根据权利要求1所述的图像传感器,其中所述电荷耗散结构的至少一部分接触接地式焊盘。
6.一种形成图像传感器的方法,所述方法包括:
提供半导体基板;
在所述半导体基板上方形成抗反射涂覆ARC层;
图案化所述ARC层以在其中形成多个沟槽;
将电荷耗散层形成到所述多个沟槽中;
将像素阵列区域蚀刻到所述电荷耗散层中;以及
在所述ARC层上方形成钝化层。
7.根据权利要求6所述的方法,还包括:
在所述ARC层上方形成氧化铪层;以及
在将所述像素阵列区域蚀刻到所述电荷耗散层中期间,使用所述氧化铪层作为蚀刻阻挡件。
8.根据权利要求6所述的方法,其中所述ARC层包括耦接在第一层上方的至少第二层,并且所述方法还包括使所述多个沟槽中的一个或多个沟槽完全延伸穿过所述ARC层的所述第一层。
9.一种形成图像传感器的方法,所述方法包括:
提供半导体基板;
在所述半导体基板上方形成抗反射涂覆ARC层;
在所述ARC层上方形成蚀刻阻挡层;
图案化所述ARC层以在其中形成多个沟槽;
将电荷耗散层形成到所述多个沟槽中;
将像素阵列区域蚀刻到所述电荷耗散层中;以及
在所述ARC层上方形成钝化层。
10.根据权利要求9所述的方法,其中所述ARC层包括耦接在第一层上方的至少第二层,并且所述方法还包括使所述多个沟槽中的一个或多个沟槽完全延伸穿过所述ARC层的所述第一层。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN114379262A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-04-22 | 华南理工大学 | 一种基于电流体印刷的高透射光电器件及其制备方法 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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