CN113330533A - 用于电感耦合等离子体的递归线圈 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例总体上涉及一种半导体处理设备。更具体地，本公开的实施例涉及产生和控制等离子体。处理腔室包括腔室主体，所述腔室主体包括一个或多个腔室壁并限定处理区域。处理腔室还包括处于同心轴向对准的两个或更多个感应驱动射频(RF)线圈，所述RF线圈布置在腔室壁附近以触发并维持腔室主体内的等离子体，其中的两个或更多个RF线圈中的至少两个处于递归配置。

Description

用于电感耦合等离子体的递归线圈
背景技术
技术领域
本文描述的实施方式总体上涉及用于处理基板的设备和方法。更具体地，本公开涉及与等离子体腔室一起使用的用于产生和控制等离子体的方法和设备，例如，感应耦合线圈。所述方法和设备可以应用于半导体工艺，例如，等离子体沉积和蚀刻工艺以及用于形成集成电路的其他等离子体工艺。
相关技术说明
感应耦合等离子体(ICP)处理腔室通常通过经由设置在处理腔室外部的一个或多个感应线圈在设置在处理腔室内的处理气体中感应电离来形成等离子体。感应线圈设置在处理腔室外部并且通过例如电介质盖与处理腔室电分离。当射频(RF)电流经由RF馈送结构从RF电源馈送到感应线圈时，可以从由感应线圈生成的磁场在处理腔室内形成感应耦合等离子体。
对于基板处理，单个螺旋感应线圈会在整个线圈长度上产生电压降，并且线圈的相邻匝之间的电磁场耦合会引起同相或异相干扰，导致从一端到另一端的电流分布变化。这可能会导致产生不合格结果的非同心场图案。
因此，在本领域中需要一种改进的线圈。
发明内容
本公开的实施例总体上涉及半导体处理设备。更具体地，本公开的实施例涉及一种改进的线圈。在一个实施例中，处理腔室包括腔室主体，所述腔室主体包括一个或多个腔室壁并限定处理区域。处理腔室还包括处于同心轴向对准的两个或更多个感应驱动RF线圈，所述RF线圈布置在腔室壁附近以触发(strike)并维持腔室主体内的等离子体，其中两个或更多个RF线圈中的至少两个RF线圈处于递归配置。
在另一实施例中，处理腔室包括腔室主体，所述腔室主体包括一个或多个腔室壁并限定处理区域。处理腔室还包括静电吸盘，所述静电吸盘包括正电极和负电极，其中在正电极与负电极之间形成完整的电路以向电极提供恒定的充电。处理腔室还包括处于同心轴向对准的两个或更多个感应驱动RF线圈，所述RF线圈布置在腔室壁附近以触发并维持腔室主体内的等离子体，其中两个或更多个RF线圈中的至少两个RF线圈处于递归配置。
在另一个实施例中，公开了一种射频(RF)线圈配置，所述配置包括两个或更多个RF线圈，所述两个或更多个RF线圈处于同心轴向对准并且每个RF线圈具有RF输入线和RF输出线，其中对于每条输入线，存在多条输出线，每条输出线具有相同的长度。
附图说明
因此，为了详细地理解本公开的上述特征的方式，可以通过参考实施例来获得上文简要概述的本公开的更具体的描述，所述实施例中的一些实施例在附图中示出。然而，应注意，附图仅示出本公开的典型实施例，并且因此不应认为是对其范围的限制，因为本公开可允许其他同等有效的实施例。
图1示意性地示出根据一个实施例的群集基板处理系统。
图2A、图2B和图2C示出根据各种实施例的RF线圈的示例实施方式。
图3A、图3B和图3C示出根据各种实施例的不同的线圈配置。
图4A-4F示出根据各种实施例的扁平线圈配置。
图5示出根据实施例的递归ICP系统的等效电路。
为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示附图中共有的相同元件。可以预期，在一个实施例中公开的元素可以有利地用于其他实施例而无需具体叙述。
具体实施方式
本公开的实施例总体上涉及半导体处理设备和方法。更具体地，本公开的实施例涉及一种构造RF线圈的方法，所述RF线圈通过使用多个并联馈送线圈来生成同心场图案。并联馈送线圈处于如本文所公开的递归配置。术语“递归”被定义为对于每条RF“输入”传输线，存在多条RF“输出”传输线，并且每条“输出”传输线以相同的长度追溯到“输入”传输线。替代地或附加地，术语“递归”被定义为所有“输出”传输线彼此电同步。通过将RF线圈拆分成多段并联连接的线圈，在方位角方向上的任何不对称性将在每次拆分时周期性地重复，使得总体电磁场变化在空间平均上减小。可以在径向和方位角方向上改善场均匀性。区段的数量可以小至两个，多至任何偶数或奇数。线圈形成如下配置，其中线圈中的每个线圈采用多匝的螺旋形状，旋转360度/N，其中N为整数，每个线圈相对于处理腔室中的基板的中心轴形成重复图案。线圈可串联连接或并联连接，或者线圈可串联连接在若干个线圈的群组中，形成若干群组，然后所述若干群组串联连接或并联连接，以此类推。与较低的重复率相比，较高的重复率会导致更好的均匀性。另外，描述了驱动递归线圈系统的阻抗匹配网络。
图1是根据本文描述的一个实施例的群集基板处理系统100的示意性表示。以双腔室配置示出处理腔室102a和102b。外壳限定处理腔室、气体输送系统、高密度等离子体产生系统、基板保持器和控制器。外壳包括侧壁和圆顶状壳体，两者都由介电材料制成。高密度等离子体产生系统与处理腔室耦合。基板保持器设置在处理腔室内，并在处理期间支撑基板。控制器控制气体输送系统和高密度等离子体产生系统。
如图1所示，可以并排布置两个相同的腔室，诸如处理腔室102a和102b。可以进行共享气体输送系统、高密度等离子体产生系统、基板保持器和控制器的布置，以优化产量、膜质量和/或成本考虑。诸如工作站104a至104e之类的多个双腔室工作站可以如图所示的配置为形成群集的基板处理系统。在此实施例中示出了五个双腔室，但是其他实施例可以具有更多或更少的双腔室。
图2A、图2B和图2C示出根据各种实施例的RF线圈的示例实施方式。使用工作站104a为例示出了三种配置。这些附图中描述的线圈中的每个线圈由形成多匝或部分匝的圆形或矩形截面区域的单个导体组成。线圈的末端用于馈送RF电流。这里示出了圆形截面区域，但是在其他实施例中，截面可以是矩形的。另外，RF线圈可以是中空的，以允许冷却剂在线圈内部流动而不受限制。
在图2A所示的配置200中，示出处于同心轴向对准但具有不同直径的两个垂直螺旋RF线圈。即，示出内部线圈202的截面。外部线圈204的截面也被示出。内部线圈202的直径小于外部线圈204的直径。此处示出的线圈202和204的截面示出每个线圈具有四匝，由每个线圈的八个点表示。
在图2B的配置210中示出了第二配置。在工作站104a顶部上以截面示出了顶部线圈212。顶部线圈具有三匝，如由表示截面的六个点所示。在工作站104a的侧面上示出了侧线圈214。如图所示，侧线圈214具有四匝。因此，此配置示出了同心轴向对准的一个垂直螺旋线圈和另一扁平螺旋形线圈。
如图2C所示，在配置220中示出了第三配置。在此配置中，示出了两个扁平递归线圈：内部线圈222和外部线圈224。线圈222和224是同心轴向对准的扁平螺旋形线圈。在此配置中，两个线圈都在同一平面上，而不是围绕等离子体。在此实施例中，内部线圈222被示出为具有四匝。在此实施例中，外部线圈224被示出为具有三匝。尽管未示出，但是也可以实现不具有内部线圈222的实施例。
关于图2A至图2C所示的实施例，RF电流被输送到被称为输入的线圈的一端。RF电流通过被称为输出的另一端离开线圈。沿整个线圈长度，存在一定的电流和电压分布，所述电流和电压分布远离线圈传播，通过介电腔室壁感应出电场和磁场，且在适当的气体输送和压力条件下触发并维持所述腔室内的等离子体。
对于基板处理，由感应线圈产生的电磁场相对于基板的中心轴呈现同心的图案。在线圈的轴线相对于基板轴线是同心的情况下，由于电磁场沿线圈路径传播且边界条件不一定是同心的，因此线圈产生的电磁场不一定是同心的。
在本文所述的实施例中，公开了RF线圈，所述RF线圈通过使用多个并联馈送线圈来生成同心场图案。将线圈拆分成多段并联连接的线圈允许在方位角方向上的不对称性在每次拆分时周期性地重复，使得总体场变化在空间平均上减小。
图3A、图3B和图3C示出不同的线圈配置。图3A示出形成4.5匝螺旋的单个RF线圈300。诸如线圈300之类的单个螺旋线圈在整个线圈长度上产生电压降。此外，相邻匝之间的电磁场耦合会引起同相或异相干扰，导致从线圈的一端到另一端的电流分布变化。然而，通过将线圈对称地分成多段并联连接的线圈，在方位角方向上的任何不对称性在每次拆分时都会周期性地重复自身，使得总体场变化在空间平均上减小。
图3B示出具有一组并联扁平线圈312的配置310，所述一组并联扁平线圈312具有对称RF馈送。示出了四向线圈拆分。图3C示出具有一组垂直螺旋线圈的配置320，所述一组垂直螺旋线圈具有对称RF馈送，也处于四向线圈拆分。通常，存在的拆分越多，来自线圈的波纹效应越小。拆分的数量可以少至两个，多至任意数量。
另外，每个拆分的长度可以短于或长于一个全长。例如，拆分可以具有半匝、一整匝、1.5匝等，使得基线圈在绕其轴旋转时可以复制自身。例如，如果复制2次，则线圈旋转180度；如果复制3次，则线圈旋转120度；如果复制4次，则线圈旋转90度，等等。
图4A示出承载用于等离子体耦合的RF电流的扁平线圈配置。配置410示出了在线圈的输入与输出之间具有4匝的单个线圈412。线圈412采用同心环的形状，在每个环的一小部分上具有扭结，以连接到线圈的下一个环。扭结414中的一个被标记，并且在图中示出了四个。电流沿路径1或标记为416的RF输入进入线圈的中心。箭头示出电流的方向。电流沿图的左边缘上的路径2或标记为418的RF输出离开线圈。如图所示，电流围绕线圈转了四圈。在扭结414所在的线圈412的部分中，线圈方向与线圈的其他部分不同心。
在图4B中，配置420示出了在线圈的输入与输出之间具有五匝的线圈422。线圈422是螺旋形线圈。电流沿路径1或标记为426的RF输入进入线圈的中心。箭头示出电流的方向。电流沿路径2或标记为428的RF输出离开线圈。
图4C示出根据一个实施例的扁平线圈配置。此实施例可以被称为2×2配置。即，两个线圈连接在一起以形成第一组，而另外两个线圈连接在一起以形成第二组。随后可以连接第一组和第二组。在这种情况下，这些组并联连接。
在图4C中示出了配置430。四个线圈分别标记为1、2、3和4。线圈1和线圈2连接在一起，而线圈3和线圈4连接在一起。线圈1和线圈2的组与线圈3和线圈4的组并联。
在操作中，电流沿路径433或RF输入进入线圈1，以向下进入线圈的箭头示出。电流流经线圈1，然后沿图的右侧在路径434上上升。电流随后沿路径435和436行进并向下进入线圈2。电流流经线圈2，然后向上流经图中左侧所示的路径437。
同时，电流也流经与线圈1和线圈2并联的线圈3和线圈4。电流沿路径438向下流入线圈3。在流经线圈3之后，电流向上流经路径439。电流随后向下流过路径440并经由路径441流入线圈4。最终，电流经由路径442或RF输出从线圈4流出。
图4D示出配置450。配置450也是2×2配置。线圈1和线圈2连接在一起，而线圈3和线圈4连接在一起。线圈1和线圈2的组与线圈3和线圈4的组并联。
在操作中，电流沿路径451或RF输入进入线圈1，以向下进入线圈的箭头示出。电流流经线圈1，然后沿图的右侧在路径452上上升。电流随后沿路径453和454行进并向下进入线圈2。电流流经线圈2，然后向上流经图中左侧所示的路径455。
同时，电流也流经与线圈1和线圈2并联的线圈3和线圈4。电流沿路径456向下流入线圈3。在流经线圈3之后，电流向上流经路径457。电流随后经由路径458流入线圈4。最后，电流经由路径459或RF输出从线圈4流出。
图4E和图4F示出附加配置460和480。在这些配置中的每一个中，线圈是串联连接。在图4E中的配置460中，电流经由路径461流入线圈1。在此示例中，线圈卷绕1.5匝，且电流经由路径462从线圈1流出。电流沿路径463并向下经路径464流入线圈2。线圈2也卷绕1.5匝，且电流经由路径465从线圈2流出。
在离开线圈2后，电流沿路径466并向下经路径467流到线圈3。电流流经线圈3的1.5匝，然后沿图的右边缘向上流经路径468，并流过路径469。随后，电流沿路径470向下流到线圈4。电流流经线圈4的1.5匝并经由路径471(RF输出)从线圈4流出。
配置480在图4F中示出。配置480类似于配置460，但是线圈之间的连接略有不同。电流经由路径481(RF输入)流入线圈1。在此示例中，线圈也卷绕1.5匝，且电流经由路径482从线圈1流出。电流沿路径483并向下经路径484流入线圈2。线圈2也卷绕1.5匝且电流经由路径485从线圈2流出。
在离开线圈2之后，电流沿路径486并向下经路径487流到线圈3。电流流经线圈3的1.5匝，然后向上流经路径488，并流过路径489。随后，电流沿路径490向下流到线圈4。电流流经线圈4的1.5匝并经由路径491(RF输出)从线圈4中流出。
如上所述，图4C至图4F的实施例中所示的四个线圈可以串联连接、并联连接、或者用两个支脚串联连接形成两个组，这两个组随后并联连接。另一连接实施例是形成两个线圈的并联连接，然后将并联线圈的组彼此并联连接。只要各个线圈是递归布置的，由线圈产生的磁场将在每次重复中重复自身，从而导致沿方位角方向的磁场的周期性图案。通常，存在的重复越多，磁场在方位角方向上越均匀。在上述示例中，与图4A和图4B中的配置相比，图4C至图4F中的配置在径向和方位角方向上产生更好的场均匀性。
图5示出根据实施例的示例阻抗匹配网络500。阻抗匹配网络被用于使用特征阻抗为50欧姆的RF发生器来驱动特定的递归线圈配置。RF产生的信号502进入阻抗匹配网络，穿过产生等离子体的线圈504，然后向外行进到接地506。这里示出了三电容器阻抗匹配网络500。如果为这三个电容器选择了正确的值，则负载电容器508、调谐电容器510和返回电容器512耦合至线圈功率输入和线圈功率输出以产生50欧姆阻抗而没有电抗。阻抗匹配网络500使不是50欧姆负载的线圈504与50欧姆负载的发生器相匹配。线圈504经建模为具有实部和虚部Rs+jωL的小电阻器和大电感器。阻抗匹配网络500将此Rs+jωL转换成等效的50欧姆电路。当与阻抗匹配网络500匹配时，发生器可以使输出最大化。
电容器508、510和512的组的值受线圈负载阻抗的影响。越来越高的电容器值被用于较低的电阻值和较低的电感值。精确的电阻值和电感值受各个递归线圈504的影响并受线圈504的连接方式(如上所述的串联、并联或此类连接的组合)的影响。通常，当线圈并联连接时，线圈电阻减小，而当线圈串联连接时，线圈电阻增大，这对电感具有类似的效果。
电容器508、510和512的组的值也受到RF频率的影响。典型的频率值为350kHz、2MHz、13MHz、13.56MHz、25MHz和60MHz。频率的任何其他合适的值可以在本文描述的实施例中使用。
线圈504的串联电阻和电感影响输送到线圈的电压和电流以及耦合到等离子体的功率。通常，串联电阻控制电流，而电感控制线圈504的电压。线圈504的所得电压和电流对电容器设置了限制，并且电容器的电压和电流的额定值被用于阻抗匹配网络500中以用于给定的输送功率规格以及从匹配网络继承的功率损耗。
本文描述了利用等离子体负载精确测量线圈负载阻抗的装置和方法。一对相同的RF电压和电流传感器(传感器514和516)放置在线圈504的功率输入和输出端，以在用已知的电压和电流校准传感器514和516之后实时动态地测量电压和电流波形，其中所述已知的电压和电流通过将已知功率输入短电路旁路带并随后输入50欧姆虚拟负载来产生。传感器514被称为RF输入传感器，而传感器516被称为RF输出或返回传感器。如果设计正确，则旁路RF带不会产生朝向50欧姆RF发生器的反射功率，并且会承载流经两个传感器514和516的已知电压和电流。传感器514和516随后将在功率输入和输出端处看到具有等离子体负载的线圈504产生的电压和电流，并且所述电压和电流将被用于实时计算负载阻抗。
递归线圈配置的磁场分布取决于相距线圈的距离。在一些实施例中，最均匀的磁场位置可能不靠近线圈或远离线圈，而是在“形成用于最佳场均匀性的范围的一个或多个预定点”中。以类似的方式，等离子体密度的最佳均匀性也可以在一个或多个最佳点(sweetpoint)处发生，并且可以使用基板运动系统来找到这样的点。因此，在一些实施例中，可以使用垂直运动机构来找到用于沉积、蚀刻和处理结果的最佳均匀性。
在某些实施例的另一方面，几组递归线圈(每组由单独的RF匹配网络和发生器驱动)用于从每个递归线圈组生成有利的覆盖，这将进一步优化等离子体均匀性。通过控制输送到每个递归线圈组的功率，可以使用多组递归线圈来动态地调谐等离子体中心到边缘的轮廓。
在一些实施例中，静电吸盘(ESC)使用的是Johnson-Rahbek ESC，所述Johnson-Rahbek ESC在约100℃至约700℃的温度范围内操作以用于薄膜沉积、蚀刻和处理应用。可以基于给定时间处或在操作温度基本一致的时间段内的实时温度测量值来以闭环方式控制操作温度。在一些实施例中，操作温度也可以改变为遵循预定义的图案。整个ESC表面的温度变化实质上很小，例如相对于平均操作温度小于10％。
在一些实施例中，ESC可以结合形成闭环电路系统的一个或多个嵌入式电极，以在基板的背侧与ESC的顶表面之间提供相反的电荷极性。所述闭环可以包括在基板与包含ESC本身以及其他支撑部件的导电壁之间维持的等离子体。
在一些实施例中，ESC由具有适当的热、机械和电特性的块状介电材料组成，以提供优异的吸附性能。块状介电材料可主要包括在大于1000℃下烧结的氮化铝，从而形成预定义的几何形状的ESC的主体。ESC主体可以进行机械加工和抛光，以符合预定义的几何形状和表面条件。特别地，对于电性能，根据操作温度将介电材料的体积电阻率控制在约1x107欧姆-cm到大约1x1016欧姆-cm的范围内。较低的体积电阻率水平使得电荷能够从嵌入式吸盘电极朝向ESC的顶表面迁移，使得表面电荷可在基板背侧感应出相同数量的相反极性的电荷。可以保持相反极性的电荷不放电，以便产生持续的库仑吸引力，从而将基板夹持在ESC上。
在一些实施例中，ESC可以结合形成特定图案或占据ESC主体内部的不同区域的若干特定图案的嵌入式加热器元件。加热器元件可以由一个或多个DC电源供电，或直接使用AC线供电。
在一些实施例中，ESC可以包括电气保护电路系统的网络，以防止由于可能存在于ESC附近或从其他地方耦合到ESC的射频和低频电压和电流而引起的潜在伤害。所述保护电路系统可以由保险丝、开关、接地的放电路径、限流装置、限压装置和滤波装置组成，以实现对可能仅分布在一个频率内或在从DC、AC线频率、RF频率、到高至VHF频率的宽带谱上扩展的任何潜在有害的电压和电流的充分衰减。
在一些实施例中，ESC的顶表面可以包括在夹持时形成均匀或不均匀图案的表面接触特征。图案可以作为基板的背侧的整个区域的全部覆盖或部分覆盖而存在于基板的背侧。图案的接触表面由于机械加工和抛光而可具有微小的粗糙度，并且可以包含与ESC主体基本相同的材料或不同材料的适当厚度的涂层。表面接触特征可以是不同的岛的形式，或者是具有配置成与基板背侧接触的顶表面的台面结构，其中岛的形状相同或不同，并且在整个ESC表面上以均匀的密度或不均匀的密度分布。顶表面还可以包含阻挡特征，所述阻挡特征的顶表面在处理期间不与基板接触，并且可以升高到与基板水平相当的水平或更高，以防止在基板处理期间或在基板被吸附之前的不期望的基板移动。阻挡特征可以围绕ESC主体的圆周等距间隔开，或者可以延伸成可与ESC分离的连续的环形的结构。
在没有充当返回电路的等离子体的情况下吸附基板的应用中，本文的实施例包括一种实现Johnsen-Rahbek型双极电子吸附的方法，其中将多于一个吸附电极嵌入在氮化铝陶瓷加热器中。嵌入的电极的最小数量为两个，一个用于正电荷，一个用于负电荷。在两个电极之间形成的具有回路的完整DC电路，以对相应电极提供恒定的充电。电极可包括任何特定图案或形状的多个片段。例如，电极可根据需要由两个半部分、叉指状部分、蛇形部分组成或在径向或方位角方向上被分段，以提供均匀性。
在施加到电极和到电极之间时，正电极与负电极之间的库仑吸引可以产生足够的吸附力，以使基板保持附接到陶瓷加热器表面。去除施加的电压后会发生去吸附，而剩余的电荷将在高温下通过半导电的陶瓷材料而耗尽。
虽然前述内容针对本公开的实施例，但是可以在不脱离本公开的基本范围的情况下设计本公开的其他和进一步的实施例，并且本公开的范围由所附权利要求确定。

Claims (15)

1.一种处理腔室，包括：
腔室主体，所述腔室主体包括一个或多个腔室壁并限定处理区域；以及
两个或更多个感应驱动射频(RF)线圈，所述两个或更多个感应驱动射频(RF)线圈包括同心轴向对准，所述RF线圈被布置在所述腔室壁附近以触发并维持所述腔室主体内的等离子体，其中所述两个或更多个RF线圈中的至少两个RF线圈处于递归配置。
2.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述RF线圈包括四个线圈。
3.如权利要求2所述的处理腔室，其中所述四个RF线圈中的每一个处于串联连接。
4.如权利要求2所述的处理腔室，其中所述四个RF线圈中的每一个处于并联连接。
5.如权利要求2所述的处理腔室，其中第一组的两个RF线圈处于串联连接，并且第二组的两个RF线圈处于单独的串联连接，并且所述第一组与所述第二组并联。
6.如权利要求2所述的处理腔室，其中第一组的两个RF线圈处于并联连接，并且第二组的两个RF线圈处于单独的并联连接，并且所述第一组与所述第二组并联。
7.如权利要求1所述的处理腔室，其中每个RF线圈包括形成多匝或部分匝的单个导体。
8.如权利要求7所述的处理腔室，其中每个RF线圈是中空的，以允许冷却剂在所述线圈内部流动。
9.如权利要求1所述的处理腔室，其中由所述RF线圈产生的电磁场相对于所述线圈的中心轴呈现同心图案。
10.如权利要求1所述的处理腔室，其中每个RF线圈具有RF发生器和阻抗匹配网络，以用于调谐输送到每个RF线圈的功率。
11.如权利要求1所述的处理腔室，其中RF发生器驱动多个RF线圈。
12.一种处理腔室，包括：
腔室主体，所述腔室主体包括一个或多个腔室壁并限定处理区域；
静电吸盘，所述静电吸盘包括正电极和负电极，其中在所述正电极与所述负电极之间形成完整的电路以向所述电极提供恒定的充电；以及
两个或更多个感应驱动射频(RF)线圈，所述两个或更多个感应驱动射频(RF)线圈包括同心轴向对准，所述RF线圈被布置在所述腔室壁附近以触发并维持所述腔室主体内的等离子体，其中所述两个或更多个RF线圈中的至少两个RF线圈处于递归配置。
13.如权利要求12所述的处理腔室，其中所述电极中的至少一个包括图案的多个片段。
14.如权利要求12所述的处理腔室，其中所述RF线圈包括四个线圈。
15.一种射频(RF)线圈配置，包括：
两个或更多个RF线圈，所述两个或更多个RF线圈包括同心轴向对准，并且每个RF线圈具有RF输入线和RF输出线，其中对于每条输入线，存在多条输出线，每条输出线具有相同的长度。
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