CN112885605A - 可变电容器及半导体工艺设备 - Google Patents
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Abstract
本发明一个或多个实施例公开了一种可变电容器及半导体工艺设备,用以解决现有的可变电容器难以快速、连续地调节电容值以及半导体工艺设备中的阻抗匹配效果差的问题。包括相互连接的电容体和电容控制模块;电容体包括相对设置的偏置电极片、相对设置的射频电极片和相对设置的绝缘连接片,偏置电极片、射频电极片及绝缘连接片互相连接围成一密闭空间;密闭空间内填充有指定介质;指定介质的介电常数随施加至偏置电极片的电压变化而变化;电容控制模块用于接收目标电容值,向偏置电极片施加与目标电容值对应的电压。该可变电容器能够实现对电容值的快速、连续调节效果,采用该可变电容器的半导体工艺设备的阻抗匹配效果能够得到提升。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域,尤其涉及一种可变电容器及半导体工艺设备。
背景技术
在半导体工业,常常需要用到等离子体进行沉积或刻蚀,然而等离子体的阻抗随着气压、功率、气体种类等因素的变化而变化,并且等离子体的阻抗与射频电源的输出阻抗差别很大,如果直接将射频电源接到等离子体腔室,必然会产生大量的反射功率。为了使射频电源的输出能量能够最大可能的传递给等离子体腔室,通常需要在射频电源和等离子体腔室之间设置阻抗匹配器,以使射频电源的输出阻抗与负载阻抗(阻抗匹配器的阻抗和等离子体腔室的阻抗之和)相匹配。
然而,现有的阻抗匹配器中,主要是依靠电机来驱动电容旋转以改变所用电容的容值,从而实现射频电源的输出阻抗与负载阻抗相匹配,但是限于机械结构(金属的螺纹旋转结构)的影响,电机驱动电容改变容值的速度有限,导致匹配速度慢,无法满足新工艺的需求。或者,通过若干开关的开合分别控制多个并联电容是否接入电路,以实现射频电源的输出阻抗与负载阻抗相匹配。由于是通过选择若干电容中的某些部分接入通路来完成阻抗匹配,但并联电容的个数不可能足够多,否则必然导致阻抗匹配器体积庞大,而数量有限的并联电容使得阻抗匹配器的匹配范围狭窄,并且阻抗调谐的间隔较大,是非连续的调谐。
可见,现有的阻抗匹配器已无法满足对匹配速率、匹配效果等各方面的高需求。
发明内容
本发明一个或多个实施例的目的是提供一种可变电容器及半导体工艺设备,用以解决现有的可变电容器难以快速、连续地调节电容值以及半导体工艺设备中的阻抗匹配效果差的问题。
为解决上述技术问题,本发明一个或多个实施例是这样实现的:
一方面,本发明一个或多个实施例提供一种可变电容器,包括相互连接的电容体和电容控制模块;所述电容体包括相对设置的偏置电极片、相对设置的射频电极片和相对设置的绝缘连接片,所述偏置电极片、所述射频电极片及所述绝缘连接片互相连接围成一密闭空间;所述密闭空间内填充有指定介质;所述指定介质的介电常数随施加至所述偏置电极片的电压变化而变化;
所述电容控制模块用于接收目标电容值,向所述偏置电极片施加与所述目标电容值对应的电压。
另一方面,本发明一个或多个实施例提供一种半导体工艺设备,包括依次连接的射频电源、阻抗匹配器和工艺腔室;所述阻抗匹配器包括相互连接的传感器、第二控制器以及如上述一方面所述的可变电容器;所述传感器与所述射频电源连接,且通过所述可变电容器与所述工艺腔室连接;
所述射频电源用于通过所述阻抗匹配器为所述工艺腔室供电;
所述传感器用于采集所述阻抗匹配器和所述工艺腔室的阻抗之和,作为第一阻抗,并将所述第一阻抗发送至所述第二控制器;
所述第二控制器用于根据所述第一阻抗与所述输出阻抗之间的差异,确定所述可变电容器的目标电容值;将所述目标电容值传输至所述可变电容器中的电容控制模块,以使所述电容控制模块将所述可变电容器的电容值调整为所述目标电容值,实现阻抗匹配。
采用本发明一个或多个实施例的可变电容器,通过设置相互连接的电容体和电容控制模块,由于电容体包括相对设置的偏置电极片、相对设置的射频电极片和相对设置的绝缘连接片,且偏置电极片、射频电极片及绝缘连接片互相连接围成一密闭空间,密闭空间内填充有介电常数能够随施加至偏置电极片的电压变化而变化的指定介质,电容控制模块能够接收目标电容值,并向偏置电极片施加与目标电容值对应的电压,因此指定介质的介电常数能够被调整为与目标电容值相应的目标介电常数,从而实现将可变电容器的电容值调节至目标电容值的效果,相较于传统的通过机械结构驱动电容来改变容值的可变电容器而言,能够实现对电容值的快速调节效果,且避免了机械部件对可变电容器的摩擦,有利于提高可变电容器的使用寿命。此外,由于电容体两端的电压可以连续调节,因此只需一个可变电容器就可以代替传统的并联电容利用开关选通的方案,能够实现对电容值的连续调节效果。
进一步地,采用本发明一个或多个实施例的半导体工艺设备,由于射频电源、阻抗匹配器和工艺腔室依次连接,因此射频电源能够通过阻抗匹配器为工艺腔室供电。由于阻抗匹配器包括相互连接的传感器、第二控制器以及可变电容器,传感器与射频电源连接,且通过可变电容器与工艺腔室连接,传感器能够采集阻抗匹配器和工艺腔室的阻抗之和,作为第一阻抗,并将第一阻抗发送至第二控制器,因此使得第二控制器能够根据第一阻抗与输出阻抗之间的差异,确定可变电容器的目标电容值,并将目标电容值传输至可变电容器中的电容控制模块,以使电容控制模块将可变电容器的电容值调整为目标电容值,实现阻抗匹配。该半导体工艺设备中,由于采用了能够快速、连续地调节电容值的可变电容器,因此能够实现对第一阻抗与输出阻抗的快速、连续匹配的效果。此外,由于可变电容器中电容体两端的电压可以连续调节,因此只需一个可变电容器就可以代替传统的并联电容利用开关选通的方案,有利于阻抗匹配器的小型化设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明一个或多个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一个或多个实施例中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明一实施例的一种可变电容器的示意性框图;
图2是根据本发明一实施例的一种可变电容器的结构示意图;
图3是根据本发明一实施例的另一种可变电容器的结构示意图;
图4是根据本发明一实施例的另一种可变电容器的结构示意图;
图5是根据本发明一实施例的一种半导体工艺设备的示意性框图;
图6是根据本发明一实施例的一种半导体工艺设备的结构示意图。
具体实施方式
本发明一个或多个实施例提供一种可变电容器及半导体工艺设备,用以解决现有的可变电容器难以快速、连续地调节电容值以及半导体工艺设备中的阻抗匹配效果差的问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明一个或多个实施例中的技术方案,下面将结合本发明一个或多个实施例中的附图,对本发明一个或多个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一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明一个或多个实施例,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,都应当属于本发明一个或多个实施例保护的范围。
图1是根据本发明一实施例的一种可变电容器的示意性框图,如图1所示,包括相互连接的电容体10和电容控制模块20。
电容体10包括相对设置的偏置电极片、相对设置的射频电极片和相对设置的绝缘连接片,偏置电极片、射频电极片及绝缘连接片互相连接围成一密闭空间11。密闭空间11内填充有指定介质12,指定介质12的介电常数随施加至偏置电极片的电压变化而变化。电容控制模块20用于接收目标电容值,向偏置电极片施加与目标电容值对应的电压。
在一个实施例中,密闭空间11可为矩形体,图1中仅示意性的展示了密闭空间11的平面图。电容控制模块20可根据接收到的目标电容值,基于预先确定的电容值与电压的对应关系,对外部电源输入的电压进行调整,确定出目标电容值对应的电压,将外部电源输入的电压调整至目标电容值对应的电压,并向偏置电极片施加该目标电容值对应的电压。
在预先确定的电容值与电压的对应关系时,可将每一个电压对应的电容值测量出来,形成一个数据表,从而得到电容值与电压的对应关系,然后将该对应关系以可查找的数据表的形式存入到电容控制模块20中,以使电容控制模块20根据可变电容器的目标电容值,在上述数据表中查找目标电容值对应的电压。
在一个实施例中,指定介质12可为液晶。通过改变电容体10两端的电压,液晶分子的指向会产生偏转,随着电压的增大,液晶分子开始朝着电场方向偏转,但随着电压的继续增大,液晶分子的转向将不再明显变化。而介电常数与分子转向呈正相关,因此随着电压的增大,等效平均介电常数也逐渐增大,实现了由电容体10两端的电压控制电容体10内的介电分布的效果,从而实现了由电压控制电容值的目的。
采用本发明一个或多个实施例的可变电容器,通过设置相互连接的电容体和电容控制模块,由于电容体包括相对设置的偏置电极片、相对设置的射频电极片和相对设置的绝缘连接片,且偏置电极片、射频电极片及绝缘连接片互相连接围成一密闭空间,密闭空间内填充有介电常数能够随施加至偏置电极片的电压变化而变化的指定介质,电容控制模块能够接收目标电容值,并向偏置电极片施加与目标电容值对应的电压,因此指定介质的介电常数能够被调整为与目标电容值相应的目标介电常数,从而实现将可变电容器的电容值调节至目标电容值的效果,相较于传统的通过机械结构驱动电容来改变容值的可变电容器而言,能够实现对电容值的快速调节效果,且避免了机械部件对可变电容器的摩擦,有利于提高可变电容器的使用寿命。此外,由于电容体两端的电压可以连续调节,因此只需一个可变电容器就可以代替传统的并联电容利用开关选通的方案,能够实现对电容值的连续调节效果。
图2是根据本发明一实施例的一种可变电容器的结构示意图,如图2所示,包括相互连接的电容体和电容控制模块。其中,
电容体包括相对设置的偏置电极片210、相对设置的射频电极片220和相对设置的绝缘连接片,偏置电极片210、射频电极片220及绝缘连接片互相连接围成一密闭空间。密闭空间内填充有指定介质230。指定介质230的介电常数能够随施加至偏置电极片210的电压变化而变化。
其中,绝缘连接片未在图2中示出,应理解的是,绝缘连接片为密闭空间除偏置电极片210和射频电极片220之外的相对设置的表面,相对设置的偏置电极片、射频电极片和绝缘连接片围成一个矩形体。绝缘连接片可为陶瓷材质。偏置电极片210用于在目标电容值对应的电压的作用下产生第一电场,指定介质230的介电常数在第一电场的作用下被调整为目标介电常数。
在本实施例中,由于偏置电极片、射频电极片及绝缘连接片互相连接围成一密闭空间,密闭空间内填充有指定介质,偏置电极片能够在目标电容值对应的电压的作用下产生第一电场,从而使指定介质的介电常数在第一电场的作用下被调整为目标介电常数,因此能够实现将可变电容器的电容值调节至目标电容值的效果。
如图2所示,电容体包括绝缘件240,绝缘件240设置在偏置电极片210与射频电极片220的连接处,偏置电极片210与射频电极片220通过绝缘件240互相连接。
其中,绝缘件240的形状可为矩形体。通过设置绝缘件240能够防止偏置电极片210与射频电极片220之间的相对作用,避免产生干扰,从而避免影响介电常数的调整效果,并且能够将偏置电极片210与射频电极片220连接起来,形成密闭空间,防止指定介质230泄漏。
本实施例中,由于偏置电极片与射频电极片的连接处设置有绝缘件,因此易使绝缘件之间的指定介质无法受到电压的调制(在由电压产生的电场的作用下被调整介电常数),或者说没有偏置电极片之间的指定介质的调制效果好,使得射频电极片之间的指定介质存在非均匀分布的情况,因此需要多次试验,以得到各电压对应的实际电容值。
在一个实施例中,电容体的外部设置有密封壳体200。其中,电容控制模块设置在密封壳体200和电容体之间(如图2所示),或者,设置在密封壳体200的外部(如图3所示)。
在本实施例中,通过在电容体的外部设置密封壳体,并将电容控制模块设置在密封壳体与电容体之间,使得可变电容器的集成度较高,有利于提高可变电容器的性能。通过将电容控制模块设置在密封壳体的外部,使得方便对电容控制模块进行维护,同时也可以减小可变电容器的体积。
如图2所示,密封壳体200和电容体之间填充有绝缘物料250。在一个实施例中,绝缘物料250可为矿物质绝缘油,能够防止可变电容器内部打火,并能对电容体进行冷却。
在一个实施例中,偏置电极片210的数量为至少三个,至少三个偏置电极片210将密闭空间分割为多个子空间。
假设,偏置电极片210的数量为四个,电容控制模块如图3设置在密封壳体200的外部,则可变电容器的密封壳体内的结构可如图4所示,图4中四个偏置电极片210等距、水平放置,将密闭空间等分为3个子空间。
本实施例中,可将至少三个偏置电极片以并联形式组合起来使用,相当于在相同体积的密闭空间内有多个电压源,每个电压源负责对一小部分指定介质的介电常数进行调整,使得指定介质的介电常数以更小的体积为单位(即在子空间内)被调整为目标介电常数,相比于整个体积的指定介质只用一组偏置电极片的情况更细腻,可使电压对指定介质的介电常数的调整更加精确。
如图2所示,射频电极片220上设置有电极引线260,电极引线260穿过密封壳体200,延伸至密封壳体200外部。其中,射频电极片220通过电极引线260为可变电容器传输射频信号。
如图2所示,电容控制模块包括相互连接的第一控制器270和变压器280,第一控制器270上设置有控制端口271,变压器280和电容体连接。其中,变压器280上设置有供电引线281。电容控制模块还包括隔离器290,变压器280通过隔离器290与偏置电极片210连接。
其中,第一控制器270用于通过控制端口271接收目标电容值,根据预置的可变电容器的电容值与施加至偏置电极片的电压之间的对应关系,确定目标电容值对应的电压,控制变压器280将外部电源输入的电压调整为目标电容值对应的电压。变压器280用于在第一控制器270的控制下,将外部电源输入的电压调整为目标电容值对应的电压,并向偏置电极片210施加该电压。隔离器290用于滤除射频信号。
在上述实施例中,由于电容控制模块中第一控制器、变压器、隔离器和电容体依次连接,第一控制器上设置有控制端口,因此使得第一控制器能够通过控制端口接收外部输入的目标电容值,根据预置的可变电容器的电容值与施加至偏置电极片的电压之间的对应关系,确定目标电容值对应的电压,以及基于目标电容值对应的电压控制变压器对外部电源输入的电压进行调整,从而使得变压器在第一控制器的控制下,将外部电源输入的电压调整为目标电容值对应的电压。并且,能够通过隔离器隔离电容体中传输的射频信号,以及将变压器输出的目标电容值对应的电压输入至偏置电极片。
图5是根据本发明一实施例的一种半导体工艺设备的示意性框图,如图5所示,包括依次连接的射频电源51、阻抗匹配器52和工艺腔室53。阻抗匹配器52包括相互连接的传感器521、第二控制器522以及上述的可变电容器523。传感器521与射频电源51连接,且通过可变电容器523与工艺腔室53连接。
其中,射频电源51用于通过阻抗匹配器52为工艺腔室53供电。传感器521用于采集阻抗匹配器52和工艺腔室53的阻抗之和,作为第一阻抗,并将第一阻抗发送至第二控制器522。
第二控制器522用于根据第一阻抗与输出阻抗之间的差异,确定可变电容器523的目标电容值,将目标电容值传输至可变电容器523中的电容控制模块,以使电容控制模块将可变电容器523的电容值调整为目标电容值,实现阻抗匹配。
在一个实施例中,工艺腔室53为等离子体腔室。射频电源51的输出阻抗一般为50Ω,在根据第一阻抗与输出阻抗之间的差异,确定可变电容器的目标电容值时,可对输出阻抗与第一阻抗进行匹配运算,并根据电容值与第一阻抗的对应关系以及调整后的第一阻抗,确定可变电容器523的目标电容值。
采用本发明一个或多个实施例的半导体工艺设备,由于射频电源、阻抗匹配器和工艺腔室依次连接,因此射频电源能够通过阻抗匹配器为工艺腔室供电。由于阻抗匹配器包括相互连接的传感器、第二控制器以及可变电容器,传感器与射频电源连接,且通过可变电容器与工艺腔室连接,传感器能够采集阻抗匹配器和工艺腔室的阻抗之和,作为第一阻抗,并将第一阻抗发送至第二控制器,因此使得第二控制器能够根据第一阻抗与输出阻抗之间的差异,确定可变电容器的目标电容值,并将目标电容值传输至可变电容器中的电容控制模块,以使电容控制模块将可变电容器的电容值调整为目标电容值,实现阻抗匹配。该半导体工艺设备中,由于采用了能够快速、连续地调节电容值的可变电容器,因此能够实现对第一阻抗与输出阻抗的快速、连续匹配的效果。此外,由于可变电容器中电容体两端的电压可以连续调节,因此只需一个可变电容器就可以代替传统的并联电容利用开关选通的方案,有利于阻抗匹配器的小型化设计。
图6是根据本发明一实施例的一种半导体工艺设备的结构示意图,如图6所示,包括依次连接的射频电源61、阻抗匹配器62和工艺腔室63。阻抗匹配器62包括相互连接的传感器621、第二控制器622以及上述的可变电容器。传感器621与射频电源61连接,且通过可变电容器与工艺腔室63连接。
其中,射频电源61和工艺腔室63分别接地。可变电容器包括第一可变电容器623和第二可变电容器624。第一可变电容器623并联于传感器621和地之间,第二可变电容器624串联于传感器621和工艺腔室63之间,第一可变电容器623和第二可变电容器624分别通过电容控制模块与第二控制器622连接。
如图6所示,第一可变电容器623可通过(如图2中所示的)电极引线260并联于传感器621和地之间(未在图6中示出),第二可变电容器624可通过(如图2中所示的)电极引线260串联于传感器621和工艺腔室63之间(未在图6中示出)。第一可变电容器623和第二可变电容器624可分别通过(如图2中所示的)电容控制模块中的控制端口271与第二控制器622连接。第二可变电容器624和工艺腔室63之间还连接有电感625,在电感625的作用下,第一阻抗的阻抗特性和工艺腔室63的阻抗特性一致。
其中,第二控制器622,还用于分别确定第一可变电容器623和第二可变电容器624的目标电容值,并将第一可变电容器623和第二可变电容器624各自的目标电容值传输至电容控制模块。
在本实施例中,由于射频电源、阻抗匹配器和工艺腔室依次连接,阻抗匹配器包括相互连接的传感器、第二控制器以及可变电容器。传感器与射频电源连接,且通过可变电容器与工艺腔室连接。可变电容器包括第一可变电容器和第二可变电容器。第一可变电容器并联于传感器和地之间,第二可变电容器串联于传感器和工艺腔室之间,第一可变电容器和第二可变电容器分别通过电容控制模块与第二控制器连接。因此使得第二控制器能够分别确定第一可变电容器和第二可变电容器的目标电容,并将第一可变电容器和第二可变电容器各自的目标电容值传输至电容控制模块,以使电容控制模块将可变电容器的电容值调整为目标电容值。
综上,已经对本主题的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下,在权利要求书中记载的动作可以按照不同的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外,在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序,以实现期望的结果。在某些实施方式中,多任务处理和并行处理可以是有利的。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明一个或多个实施例而已,并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说,本发明一个或多个实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明一个或多个实施例的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种可变电容器,其特征在于,包括相互连接的电容体和电容控制模块;
所述电容体包括相对设置的偏置电极片、相对设置的射频电极片和相对设置的绝缘连接片,所述偏置电极片、所述射频电极片及所述绝缘连接片互相连接围成一密闭空间;所述密闭空间内填充有指定介质;所述指定介质的介电常数随施加至所述偏置电极片的电压变化而变化;
所述电容控制模块用于接收目标电容值,向所述偏置电极片施加与所述目标电容值对应的电压。
2.根据权利要求1所述的可变电容器,其特征在于,所述电容体还包括绝缘件,所述绝缘件设置在所述偏置电极片与所述射频电极片的连接处,所述偏置电极片与所述射频电极片通过所述绝缘件互相连接。
3.根据权利要求1所述的可变电容器,其特征在于,所述电容控制模块包括相互连接的第一控制器和变压器;所述第一控制器上设置有控制端口;所述变压器和所述电容体连接;
所述第一控制器用于通过所述控制端口接收所述目标电容值,根据预置的所述可变电容器的电容值与施加至所述偏置电极片的电压之间的对应关系,确定所述目标电容值对应的电压,控制所述变压器将外部电源输入的电压调整为所述目标电容值对应的电压;
所述变压器用于在所述第一控制器的控制下,将所述外部电源输入的电压调整为所述目标电容值对应的电压,并向所述偏置电极片施加该电压。
4.根据权利要求3所述的可变电容器,其特征在于,所述电容控制模块还包括隔离器,所述变压器通过所述隔离器与所述偏置电极片连接,所述隔离器用于滤除射频信号。
5.根据权利要求1所述的可变电容器,其特征在于,所述偏置电极片的数量为至少三个,至少三个所述偏置电极片将所述密闭空间分割为多个子空间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的可变电容器,其特征在于,所述电容体的外部设置有密封壳体;
所述电容控制模块设置在所述密封壳体和所述电容体之间,或者,设置在所述密封壳体的外部。
7.根据权利要求6所述的可变电容器,其特征在于,所述密封壳体和所述电容体之间填充有绝缘物料。
8.根据权利要求6所述的可变电容器,其特征在于,所述射频电极片上设置有电极引线,所述电极引线穿过所述密封壳体,延伸至所述所述密封壳体外部。
9.一种半导体工艺设备,其特征在于,包括依次连接的射频电源、阻抗匹配器和工艺腔室;所述阻抗匹配器包括相互连接的传感器、第二控制器以及如权利要求1至8中任一项所述的可变电容器;所述传感器与所述射频电源连接,且通过所述可变电容器与所述工艺腔室连接;
所述射频电源用于通过所述阻抗匹配器为所述工艺腔室供电;
所述传感器用于采集所述阻抗匹配器和所述工艺腔室的阻抗之和,作为第一阻抗,并将所述第一阻抗发送至所述第二控制器;
所述第二控制器用于根据所述第一阻抗与所述输出阻抗之间的差异,确定所述可变电容器的目标电容值;将所述目标电容值传输至所述可变电容器中的电容控制模块,以使所述电容控制模块将所述可变电容器的电容值调整为所述目标电容值,实现阻抗匹配。
10.根据权利要求9所述的半导体工艺设备,其特征在于,所述可变电容器包括第一可变电容器和第二可变电容器;所述第一可变电容器并联于所述传感器和地之间,所述第二可变电容器串联于所述传感器和所述工艺腔室之间,所述第一可变电容器和所述第二可变电容器分别通过所述电容控制模块与所述第二控制器连接;
所述第二控制器,还用于分别确定所述第一可变电容器和所述第二可变电容器的目标电容值,并将所述第一可变电容器和所述第二可变电容器各自的目标电容值传输至所述电容控制模块。
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